何忠武

四川蒼溪縣畜牧食品局，四川 蒼溪 628400

綜述與專論

探討影響奶牛瘤胃甲烷產(chǎn)生的因素

何忠武

四川蒼溪縣畜牧食品局，四川 蒼溪 628400

奶牛瘤胃產(chǎn)生并釋放的甲烷，大約占飼料總能損失的5%～9%，一頭奶牛每年產(chǎn)大約60～160 kg甲烷。瘤胃中的甲烷產(chǎn)生菌通過獲得氫把CO2還原成CH4，瘤胃中氫濃度受化學極性基團和飼料中的植物化學活性成份的調(diào)節(jié)，宿主動物和共生微生物維持瘤胃pH在6～7的范圍，瘤胃中的代謝氫處理是由有效的瘤胃生態(tài)系統(tǒng)的適應和調(diào)節(jié)。該綜述將探討涉及這些生化過程的化學競爭和影響瘤胃細菌產(chǎn)生甲烷的因素。

瘤胃;甲烷;氫;二氧化碳;甲烷產(chǎn)氣菌;還原;奶牛

1 前言

基因組選擇新技術(shù)正徹底改變著奶牛的育種進程。很多奶牛的數(shù)量性狀像奶牛生產(chǎn)和健康性狀的遺傳改進率，對提高牛奶產(chǎn)量和成份的表型數(shù)量化有了促進作用，加速了鑒別代表奶牛生產(chǎn)和外型性狀的遺傳變異基因，這樣就產(chǎn)生了最優(yōu)秀的生產(chǎn)動物，較好的成本效益，較好的飼料轉(zhuǎn)化效益，最終是較好的動物生產(chǎn)體系。

反芻家畜已進化適應植物細胞結(jié)構(gòu)纖維性物質(zhì)，在結(jié)構(gòu)性碳水化合物中，大部分能量的存在取決于該植物的成熟階段和瘤胃微生物酶的降解，瘤胃消化道已進化能夠酵解廣泛的飼料原料。因此，瘤胃是微生物的可持續(xù)性棲息處，一般由微生物的相互作用群構(gòu)成。這個生態(tài)系統(tǒng)的有效性依賴于厭氧酵解維持一個連續(xù)的氧化還原潛力。當微生物分解和消化植物碳水化合物時，產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸，然后被瘤胃吸收，給奶牛提供大約60%～80% 的能量。瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生氣體狀物質(zhì)像二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和分子氫(H2)，它們實際上是瘤胃微生物的能源。CH4是一種很重要的溫室效應氣體(GHG)，具有比CO2高21倍的全球變暖潛力。全球反芻動物每年產(chǎn)生CH4大約80 000 000 t。H2和 質(zhì)子(H+)是瘤胃酵解的重要副產(chǎn)物，被瘤胃微生物利用，還原CO2和NO3-，產(chǎn)生CH4和氨氣(NH3)及銨離子(NH4+)。

瘤胃是一個厭氧環(huán)境，其中65%的氣體是CO2，它不是瘤胃甲烷產(chǎn)生的限制性底物，因而瘤胃中的氫是控制CH4產(chǎn)生的關(guān)鍵化合物。瘤胃通過硝酸代謝產(chǎn)生的NH3被用作微生物蛋白質(zhì)的合成，而瘤胃中CO2被還原產(chǎn)生的CH4作為能量損失，占飼料總能的5%～9%。

通過生物化學途徑產(chǎn)生的H2被瘤胃細菌轉(zhuǎn)化成CH4：CO2+8H→CH4+2H2O。瘤胃中溶解的H2作為還原性輔助因子或氫質(zhì)子(H+)陽離子，在瘤胃厭氧條件下，通過氫(電子)轉(zhuǎn)移到受體產(chǎn)生還原性物質(zhì)，保持持續(xù)的瘤胃微生物酵解。瘤胃生態(tài)系統(tǒng)的有效性是通過微生物細菌、原生蟲、真菌和古生菌及瘤胃pH維持的。因此，瘤胃甲烷的產(chǎn)生在反芻動物進化中就被遺傳性地程序化了。所以，多年來，甲烷的產(chǎn)生被人類活動操縱，通過遺傳工程改進生產(chǎn)力，優(yōu)先考慮生產(chǎn)效益。鑒于此，該文將探討是否優(yōu)化瘤胃生態(tài)系統(tǒng)減少甲烷的產(chǎn)生，以減少代謝能量損失和環(huán)境問題，主要是綜述影響奶牛瘤胃甲烷產(chǎn)生的因素。

2 碳氧(C-O)源對瘤胃甲烷產(chǎn)生的影響

在飼料中添加油脂可以維持或提高牛奶產(chǎn)量，同時減少奶牛采食量，短期內(nèi)飼料效益增加，雖然牛奶蛋白狀況不確定，但這期間會導致瘤胃甲烷產(chǎn)生強度下降，可用下面表達式描述：CH4(L/kg DMI)=47.3-0.0212*DMI2(kg/d)-0.680*EE(%) (R2=0.76) (EE—ether extract)。飼料中添加脂肪引起甲烷的產(chǎn)生長期的持續(xù)的減少，將對采食量產(chǎn)生顯著的負面影響，同時更有可能降低牛奶脂肪和/或蛋白濃度及后備奶牛的需求增加。采食量和牛奶產(chǎn)量的顯著下降清楚地表明，飼料中添加油脂對瘤胃酵解功能的負面影響，引起酵解終產(chǎn)物CO2、CH4等的減少。不飽和脂肪酸的生物氫化作用能夠作為清除氫的途徑，但是瘤胃僅能消耗1%-2%的代謝氫?？傊弥愘Y源阻止瘤胃甲烷的產(chǎn)生機制可以探討。

甲烷產(chǎn)生的變化是由飼料原料或營養(yǎng)物質(zhì)的變化引起。如果動物產(chǎn)量保持不變或有增加，飼料中的精料比例會影響每單位采食量或每單位動物產(chǎn)品的甲烷產(chǎn)生。因此，飼料特性和動物狀況是決定牛產(chǎn)生甲烷的可能性變異因素，用泌乳奶牛為例：CH4(MJ/d)=0.8852+0.0094GEI+0.0045NDF-0.03732EE+0.0003BW。采食量與瘤胃甲烷產(chǎn)生的顯著相關(guān)可能對瘤胃發(fā)酵和甲烷的產(chǎn)生有強烈影響，用以下表達式來描述；CH4(g/d)=2.54+19.14*DMI(kg/d)。

通過飼喂更易消化的碳水化合物，瘤胃的酵解終產(chǎn)物的相對比例，特別是揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的比例受日糧中中性洗滌纖維(NDF)和非纖維碳水化合物(NFC)比例的影響。淀粉基礎(chǔ)料有利于丙酸生成，高淀粉谷物基礎(chǔ)料促進產(chǎn)丙酸微生物的生長和代謝活動。因為丙酸的形成消耗還原輔助因子，丙酸生成的增強，減少瘤胃產(chǎn)生甲烷能獲得的代謝氫數(shù)量。飼料中增加NFC的濃度，瘤胃pH的隨之降低，可能抑制甲烷產(chǎn)氣菌和纖毛蟲的生長。淀粉比半纖維或纖維每單位的被消化物產(chǎn)更少的甲烷，用下列表達式來描述：CH4(g/d)=33.0+104.6*digested cellulose(kg/d)+38.5*digested hemicellulose(kg/d)+20.5*digested neutral soluble residue(kg/d)。每單位淀粉和每單位纖維產(chǎn)生甲烷量的差異與它們酵解前的化學成份不相關(guān)，與大部分降解和酵解底物的微生物種類有關(guān)。因此，甲烷的產(chǎn)生受飼料中營養(yǎng)物質(zhì)之間相關(guān)因素的影響。

3 氫氧(H-O)源對瘤胃甲烷產(chǎn)生的影響

丹寧和皂角是反芻動物植物性飼料中的活性原料，由于含有活性極性羥基(-OH)基團，最具氧化力，結(jié)合質(zhì)子(H+)的能力比CO2被還原生成CH4強，表現(xiàn)出瘤胃減少CH4的產(chǎn)生。但是，隨著飼料中濃度的增加，它們通常被認為有抗營養(yǎng)作用?？s合和可水解性丹寧廣泛分布于牧草和溫暖氣候飼草中，有減少采食量和顯著降低粗蛋白(CP)營養(yǎng)消化率的傾向。當飼料含有高水平縮合丹寧時，飼料CP濃度限制牛奶產(chǎn)量，因為它降低氨基酸(AA)的吸收。當可水解丹寧在瘤胃中被水解時，可能會有毒。丹寧破壞瘤胃功能和損壞動物生產(chǎn)力的危害比皂角大，且抑制CH4產(chǎn)生的濃度范圍比皂角敏感。

丹寧和皂角作為植物生物活性成份對瘤胃甲烷產(chǎn)生的影響顯示這些化合物抑制甲烷產(chǎn)生的作用取決于它們的飼料濃度，同時與它們結(jié)構(gòu)中的羥基基團數(shù)量正相關(guān)。水解性丹寧傾向于直接通過抑制瘤胃甲烷產(chǎn)氣菌，起阻止甲烷產(chǎn)生的作用，而縮合丹寧對甲烷產(chǎn)生的影響是通過抑制纖維消化。

4 氮氧(N-O)源對瘤胃甲烷產(chǎn)生的影響

硝酸是奶牛飼料中主要氮源，瘤胃進化適應了這種化合物，它是植物含氮化合物(包括蛋白質(zhì))形成的主要前體，因而是各種飼料粗蛋白質(zhì)的常見氮源。反芻動物在有草場放牧條件下持續(xù)攝取硝酸。硝酸在植物中的分布不均勻，在植物莖桿含量最高，枝葉較低，特別是新生苗較高。

當奶牛飼料長期加入大量硝酸，瘤胃還原硝酸生成氨的反應很活躍，硝酸可能替代飼料中的尿素給微生物蛋白質(zhì)合成和生長提供氮源。它通過還原反應生成亞硝酸，最后生成氨。由于氮的電負性比碳強，在這個反應中，還原性輔助因子和氫的電子更傾向于轉(zhuǎn)移給氮生成氨，比起轉(zhuǎn)移給碳產(chǎn)生甲烷強。因此，瘤胃中硝酸被還原時，甲烷的形成被抑制。瘤胃硝酸還原和甲烷形成的熱動力學反應如下：NO3-+4H2+2H+→NH4++3H2O；4H2+CO2→CH4+2H2O。

瘤胃中存在的兩個主要硝酸還原菌(Wolinella succinogens 和Selenomonas ruminantium)爭奪氫質(zhì)子比甲烷產(chǎn)生菌更強勝，抑制一些甲烷產(chǎn)氣菌的活力。硝酸作為飼料成份飼喂時，動物采食高粗蛋白料，瘤胃氨濃度相應升高，這些條件有利于硝酸代謝菌的硝酸還原系統(tǒng)對氨的吸收，氨產(chǎn)生的速率與微生物生長對氨的吸收率相當。這個過程被氨的濃度控制，負反饋調(diào)節(jié)亞硝酸的還原，可能引起亞硝酸的積累，高鐵血紅蛋白中毒。奶牛飼喂高水平硝酸，血液高鐵血紅蛋白水平升高，既使是動物已適應了這個硝酸水平，當飼料的粗蛋質(zhì)含量一般高到18%～38%之間，瘤胃氨水平經(jīng)常會高到適合微生物生長推薦量的3倍，特別是從春夏季嫩綠飼料中采食的硝酸量突然升高時，抑制組織的氧供應。因此，當探討硝酸對瘤胃甲烷產(chǎn)生的影響時，一定要注意長期添加硝酸對動物健康的負面影響。

5 瘤胃生態(tài)系統(tǒng)對甲烷產(chǎn)生的影響

牛瘤胃中生活的微生物從某種程度上相互依賴共生，以自養(yǎng)和/或異養(yǎng)的方式，為了自身的利益，相互利用生成產(chǎn)物。瘤胃是微生物可持續(xù)的首要棲息地，一般由細菌、厭氧真菌和原生蟲的相互作用群構(gòu)成，酵解反芻動物的植物性飼料。這些瘤胃微生物通過復雜的互相作用對瘤胃生態(tài)系統(tǒng)的有效性起必需的功能作用。一個正常瘤胃的pH范圍在6～7之間。酵母是需氧性微生物，可能消耗掉瘤胃中存在的微量氧，促進瘤胃厭氧環(huán)境的成熟，有利于厭氧微生物的生成和棲居，穩(wěn)定瘤胃pH，提高纖維降解，對乙酸生成菌對氫的利用和自身的生長表現(xiàn)出有益作用。H2和被還原的輔助因子(NADH)是瘤胃酵解的重要產(chǎn)物，被甲烷產(chǎn)氣菌和其它微生物利用，還原CO2生成CH4。生物化學途徑涉及到從甲烷產(chǎn)氣菌奪回氫重新還原其它氧化物，操縱控制甲烷的產(chǎn)生和生物氫化飼料酵解產(chǎn)生的氫，調(diào)節(jié)抑制瘤胃酸中毒。因為瘤胃溶解的氫濃度升高，引起瘤胃細菌能夠與甲烷產(chǎn)氣菌競爭氫和二氧化碳產(chǎn)生乙酸，使瘤胃酸性pH下降。

由于瘤胃微生物的復雜多樣性，很有可能一類微生物消失或被抑制，會導致另一類適應并隨之取代。最理想的是，利用氫質(zhì)子和電子產(chǎn)生的化合物，能被動物吸收和代謝，以致于不損失能量。因為氫是產(chǎn)生甲烷的主要底物，是控制產(chǎn)生甲烷的關(guān)鍵物質(zhì)；而形成丙酸消耗還原性因子，丙酸生成的增加與不飽和脂肪酸的生物氫化成化學計量關(guān)系，等量抑制甲烷的產(chǎn)生。琥珀酸和丙烯酸的生物化學代謝途徑，由混合細菌參與，像產(chǎn)乳酸菌和噬乳酸菌、富馬酸還原菌和產(chǎn)琥珀酸菌和噬琥珀酸菌。所以當反芻動物飼喂精料基礎(chǔ)料時，瘤胃酵解方式向著有利于丙酸生成方向改變，可能益于能量平衡。

在瘤胃厭氧環(huán)境條件，硝酸能夠代替CO2消耗代謝氫被還原成氨，潛在地抑制瘤胃甲烷產(chǎn)生。瘤胃中存在的一些硝酸還原菌可能具有硝酸-還原-硫化物-氧化菌(NR-SOB)的特性，硫化氫能夠為瘤胃中亞硝酸氨化提供電子，防止?jié)撛诘貋喯跛嶂卸締栴}。新鑒別出的硫酸還原菌(SRB)(Fusobacterium sp.,),可能提高纖維消化和增加纖維菌的數(shù)量，利用硫化物合成含硫氨基酸，潛在地防止硫化氫中毒問題。瘤胃厭氧生態(tài)系統(tǒng)中的硝酸和硫酸代謝間的互動作用，促進它們與甲烷產(chǎn)氣菌對共同底物(氫、甲酸和乙酸)的競爭。

瘤胃中的微生物同型產(chǎn)乙酸菌具有產(chǎn)乙酸的能力，甲基營養(yǎng)菌能夠以甲酸和甲胺為營養(yǎng)，噬碳菌能噬二氧化碳供生長，都能與甲烷產(chǎn)氣菌利用同樣的底物，具有競爭性的生化代謝的途徑。因此，瘤胃生態(tài)系統(tǒng)的復雜性有利于探討影響甲烷產(chǎn)生的因素。

6 結(jié)論

反芻動物瘤胃產(chǎn)生的甲烷占全球甲烷釋放的17%，鑒于此，降低這種能量損失目標在于考慮瘤胃甲烷產(chǎn)生的影響因素。甲烷和二氧化碳是通過高度專一的甲烷產(chǎn)氣原古生菌在嚴密的瘤胃厭氧條件下，微生物碳水化合物發(fā)酵的主要自然產(chǎn)物。反芻動物與瘤胃微生物共生菌在瘤胃生態(tài)系統(tǒng)因為相互利益共同進化。瘤胃微生物系統(tǒng)是一個消耗飼料的動力工廠，對飼料類型的突然變化很敏感。奶牛適應飼喂高水平纖維，產(chǎn)生更多的纖維消化微生物，瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生乙酸和丁酸，和飼喂低水平淀粉，產(chǎn)生淀粉消化微生物，瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生丙酸。飼料成份及其生物化學代謝途徑中產(chǎn)物和終產(chǎn)物是瘤胃微生物的營養(yǎng)底物。瘤胃中二氧化碳還原生成的甲烷是碳固定、利用和再循環(huán)生物周期的連續(xù)部分。不同種類甲烷產(chǎn)氣菌消耗生物二氧化碳，與甲基營養(yǎng)菌共同存在，競爭含甲基底物，不需要氫作為能源，阻止甲烷釋放到大氣中。植物性飼料的植物化合物含有活性極性基團羥基，在瘤胃中當與氫質(zhì)子強力結(jié)合時，抑制甲烷產(chǎn)氣菌，同時飼料的硝酸根離子通過硝酸還原菌作為電子受體被還原成氨，消耗掉瘤胃中多余的氫，減少甲烷的產(chǎn)生。生物氫化作用僅消耗掉1%～2%的氫。然而，對在厭氧生態(tài)系統(tǒng)減少瘤胃甲烷產(chǎn)生的細菌株來講，只有很少菌株被顯著地鑒別并檢測出有抗甲烷產(chǎn)生的活性?；蚪M學的發(fā)展將幫助鑒別微生物，能夠有潛力影響瘤胃甲烷的產(chǎn)生。

[1] Sonstegard T,Van Tassell C,Ashwell M.Dairy cattle genomics:Tools to accelerate genetic improvement[J].J. Anim. Sci. (E.Suppl.),2001,79:E307-E315.

[2] Schrooten C,Bovenhuis H,Coppieters W,et al.Whole genome scan to detect quantitative trait loci for conformation and functional traits in dairy cattle[J].J. Dairy Sci.,2000,83:795-806.

[3] He W.Impact of genetic progress on the sustainability of pig industry and the environment[J].Livestock and Poultry Industry,2012,(3),275:42-44.

[4] Van Tassell C,Ashwell M,Sonstegaard T.Detection of putative loci affecting milk, health, and confirmation traits in a US Holstein population using 105 microsatellite markers[J].J.Dairy Sci.,2000,83:1865-1872.

[5] Tallman R,Bennett G,Keele J,et al.Efficient computation of genotype probabilities for loci with many alleles:I.Allelic peeling.J.Anim.Sci.,79:26-33.

[6] He W.Improvement of replacement gilt breeding and nutrition on sow reproductive efficiency[J].J.Anim.Sci. & Vet. Medci.,2012,(3),31:42-45.

[7] He W. Glycerine as a byproduct of biodiesel production is a renewable energy source[J].Livestock and Poultry Industry,2007,(11),223:7.

[8] Seirsen K,Hvelplund T,Nielsen M.Rminant physiology :Digestion, metabolism and impact of nutrition on gene expression immunology and stress[M].Wageningen,the Netherlands, Academic Publishers,2006,P:55-85.

[9] McAllister T,Newbold C. Redirecting rumen fermentation to reduce methanogenesis[J]. Aust. J. Exp. Agric.,2008,48:7-13.

[10] Buddle B,Denis M, Attwood G,et al.Strategies to reduce methane emissions from farmed ruminants grazing on pasture[J].The veterinary Journal,2011,188:11-17.

[11] Giger-Reverdin S, Morand-Fehr P, Tran G.. Literature survey of the influence of dietary fat composition on methane production in dairy cattle[J]. Livest. Prod. Sci.,2003, 82:73-79.

[12] Hobson P,Stewart C.The rumen microbial ecosystem[M].London, Chapman & Hall,1997,P:523-632.

[13] Hristov A,Oh J,Firkins J,et al. SPECIAL TOPICS-Mitigation of methane and nitrous oxide emissions from animal operations:I. A review of enteric methane mitigation options[J]. J. Anim. Sci., 2013, 91:5045-5069.

[14] Kennedy P, Charmley E. Methane yields from Brahman cattle fed tropical grasses and legumes[J]. Anim. Prod. Sci., 2012, 52:225-239.

[15] Moe P, Tyrrell H.. Methane production in dairy cows[J]. J. Dairy Sci., 1979, 62:1583-1586.

[16] Goel G, Makkar H.. Methane mitigation from ruminants using tannins and saponins[J]. Trop. Anim. Health Prod., 2012,44:729-739.

[17] Lee C,Beauchemin K.A review of feeding supplementary nitrate to ruminant animals:nitrate toxicity,methane emissions,and production performance[J].Can.J.Anim.Sci.,2014,94:557-570.

[18] Morris M,Cancel B,González-Más A. Toxicity of nitrates and nitrites to dairy cattle[J]. J.Dairy Sci.,1958,41:694-696.

[19] McAllister T,Beauchemin K,Alazzeh A,et al.Review:the use of direct fed microbials to mitigate pathogens and enhance production in cattle[J].Can.J.Anim.Sci.,2011,91:193-211.

[20] McAllister T, Newbold C. Redirecting rumen fermentation to reduce methanogenesis[J]. Aust. J. Exp. Agric., 2008, 48:7-13.

[21] Henning P,Horn C,Leeuw K,et al.Effect of ruminal administration of the lactate-utilizing strain Megasphaera elsdenii(me)NCINB 41125 on abrupt or gradual transition from forage to concentrate diets.[J].Anim.feed Sci. and Tech.,2010,157:20-29.

[22] Jevanathan J,Martin C,Morgavi al.The use of direct-fed microbials for mitigation of ruminant methane emissions:a review[J].Animal,2014,(8),2:250-261.

[23] Paul S,Deb S,Singh D.Isolation and characterization of novel sulphate-reducing Fusobacterium sp. and their effects on in vitro methane emission and digestion of wheat straw by rumen fluid from Indian riverine buffaloes[J].Anim.feed Sci. Tech.,2011,166:132-140.

[24] Boccazzi P,Patterson J.Using hydrogen-limited anaerobic continuous culture to isolate low hydrogen threshold ruminal acetogenic bacteria[J].Agriculture, Food and Analytical Bateriology[J],2011,1:33-44.

[25] Jevanathan J,Kirs M,Ronimus R,et al.Methanogen community structure in the rumen of farmed sheep,cattle and red deer fed different diets[J].FEMS Microbiology Ecology,2011,76:311-326.

[26] Dehority B.Carbon dioxde requirement of various species of rumen bacteria [J].J.Bacteriology, 1971, 105:70-76.

[27] Laur G,Vadas P,Weiss W,et al.Invited review:Enteric methane in dairy cattle production:Quantifying the opportunities and impact of reducing emissions[J].J.Dairy Sci.,2014,97:3231-3261.

[28] Jayanegara A,Leiber F,Kreuzer M.Meta-analysis of the relationship between dietary tannin level and methane formation in ruminants from in vivo and in vitro experiments[J].J.Anim.Physiol.Anim.Nutr.(Berl.), 2012, 96:365-375.

[29] Goel G,Makkar H.Methane mitigation from ruminants using tannins and saponins[J].Trop.Anim.Health Prod.,2012,44:729-739.

[30] van Zijderveld,Gerrits S,Dijkstra W,et al..Persistency of methane mitigation in dietary nitrate supplementation in dairy cow[J].J.Dairy Sci.,2011,94:4028-4038.

Discussion on the Effects of Variables on the Methane Production in the Rumen of Dairy Cattle

HE Zhong-wu

(AnimalHusbandryandFoodAdminstrationBureau,Cangxi,Sichuan628400China)

Methane is emitted from the rumen of dairy cattle, contributing to a loss of 5%-9% of dietary gross energy, which are representing 60 -160 kg/yr. CO2 in the rumen is reduced to CH4 by methanogen through accepting hydrogen proton and electron. Hydrogen concentrations in the rumen are manipulated by the chemical radicals and phytochemical active compounds, being stabilized by the host animals and microbial symbionts for pH of rumen. The redundant H2 disposal in the rumen is accustomed to the efficient rumen ecosystem. This review will discuss the influencing factors involving in their biochemical pathways for metabolic competition and methanogenesis of the bacteria in rumen.

Rumen; CH4; H2; CO2; methanogen; reduction; dairy cattle

2016-03-24

何忠武(1965-)，男，四川蒼溪人，博士，高級畜牧師，主要研究方向：營養(yǎng)遺傳學。

S 823.9+1

A

1004-6704(2016)06-0055-04