饲粮氮水平对牦牛瘤胃发酵及营养物质消化代谢特征的影响

张 莹 郭旭生 龙瑞军,3＊ 周建伟 朱玉环 米见对

(1.兰州大学青藏高原草地生态管理国际中心,兰州 730000;2.兰州大学草地农业科技学院,

草地与牦牛研究所,兰州 730020;3.兰州大学生命科学学院,干旱与草地生态教育部重点试验室,兰州 730000)

牦牛(Bos grunniens)是青藏高原的关键物种[1]。经长期的自然选择,牦牛对高寒、缺氧、低压、强紫外线等逆境条件具有极强的适应能力[2-3]。牦牛一年四季均主要通过采食天然牧草获取营养物质,但高原气候导致牧草生长期仅有120多天,其余时间牦牛只能通过啃食枯草获取有限的蛋白质和能量物质,基本处于营养缺乏状态。即便如此,牦牛除维持种群正常繁衍外,还要生产奶、肉、毛、绒、皮等大量优质产品,体现出了极高的营养生态适应特质和经济效益。在长期的营养生态逆境选择压力下,牦牛对低温和饥饿可能形成了一种有效的适应机制,并通过生理和营养代谢加以调节[4],如在能量代谢方面,牦牛代谢体重为 BW0.52[5-6],表明牦牛为适应环境而形成了独特的能量代谢规律。同时,近年来的研究表明,牦牛比本地黄牛和其他低海拔反刍家畜能够更有效地利用饲粮中的氮[7-11]。据此推断,长期以来,牦牛可能形成了一种比其他反刍动物能更有效地进行氮素循环利用的适应性机制,以调节体内氮平衡和有效应对季节性营养匮乏。因此,本试验拟研究牦牛体内氮的消化及周转代谢,以期揭示在长期适应高寒营养胁迫条件下高原家畜的氮代谢适应机制,为科学饲养管理和改善牦牛生产性能提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于甘肃天祝藏族自治县安远镇乌鞘岭 ,北纬 37°12.479′、东经 102°51.695′,海拔3 154 m。

1.2 试验动物与饲粮

选取 4头体重相近[(148.5±9.2)kg]的 3岁去势公牦牛为试验动物。试验开始前,置牦牛于代谢笼内 20 d以适应环境与饲养条件。试验饲粮为预制的 4种不同氮水平的颗粒饲料。饲粮配制以代谢能和中性洗涤纤维(NDF)含量基本不变、蛋白质水平各异为原则。饲粮最低氮含量的计算以生长牦牛维持需要的可消化氮水平(6.61 BW0.52g/d[6])为准。饲粮配制时,首先获得低氮和高氮 2种颗粒饲料,即粗蛋白质(CP)分别为 8.98%(低氮)和 18.12%(高氮)的饲粮[干物质(DM)基础];再将其分别按 2∶1和 1∶2的质量比混合,获得 CP为 12.36%(中低氮)和15.32%(中高氮)的饲粮。分别以 A、B、C、D代表低氮饲粮、中低氮饲粮、中高氮饲粮、高氮饲粮。饲粮饲喂量维持在牦牛体重的 1.5%～2.0%。通过预试验确定饲喂量为 2.5 kg DM/d(此时饲粮没有剩余)。试验饲粮组成及营养水平见表 1。

表 1 试验饲粮组成及营养水平(干物质基础)Tab le 1 Composition and nutrient levels o f the experimental diets(DM basis) %

1.3 试验设计与饲养管理

本试验采用 4×4拉丁方试验设计,分为 4期,每期 21 d,包括 15 d预试期和 6 d正试期。动物每日 08：00和 18：00各饲喂 1次,每次饲喂量为1.25 kg DM(2.5 kg DM/d),自由饮水。试验牦牛于每期开始和结束时连续 2 d空腹称重。

表 2 试验设计Table 2 Experimental design

1.4 样品采集与分析

正试期连续 5 d每天在晨饲前采用全收粪法采集粪样和尿样并定量。尿样通过集样袋装入塑料容器,并加入 50%硫酸(V/V)至 pH＜3.0。待每期试验完毕后取每日尿样的1%和粪样的 3%分别制成混合样,置于 -20℃贮存以供实验室分析。同时,另备 1份每日尿样,稀释 10倍(2 m L尿样加 8 m L蒸馏水)后于 -20℃保存,以供测定尿素氮(Urea-N)和嘌呤衍生物(PD)。在第 21天晨饲前和饲喂后 2、4、6、8 h(即 08：00前,10：00,12：00,14：00,16：00)分别用胃管抽取约 200 m L的瘤胃液,即刻测定 pH之后,取 2管 (每管10 m L)瘤胃液放入液氮罐中保存,而后放入-80℃冰箱保存,用于挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)的测定。饲料成分参照《饲料分析与检测》[13]中方法测定;粪样、尿样中总氮采用经典凯氏定氮法[14]测定;铵态氮和游离氨基氮依据Broderick等[15]的方法进行分析;尿素氮的测定参考王继贵[16]的方法;用 PD法[17]估测瘤胃微生物蛋白质的产量;采用高效液相色谱(HPLC)法[18]测定尿样中嘌呤衍生物及肌酸酐;挥发性脂肪酸的测定参照 Erwin等[19]的方法进行。

1.5 数据处理

试验数据采用 Excel软件进行初步处理统计及图表绘制,用 SPSS 17.0统计软件的 M ixed Model模块进行差异显著性(P＜0.05)分析和多重比较。

2 结 果

2.1 牦牛瘤胃发酵特征

2.1.1 瘤胃内 pH的动态变化

由图 1可知,在饲喂 4种不同氮水平的饲粮后,牦牛瘤胃内 pH变化均为“V”字型,即采食后pH逐渐下降,经 3～4 h降至最低,随后逐渐回升。至 12：00时采食中低氮和中高氮水平饲粮的牦牛其瘤胃 pH均低于饲喂低氮和高氮水平饲粮的牦牛,且以饲喂中低氮水平饲粮的牦牛的瘤胃内 pH最低,但各组间差异不显著(P＞0.05)。由此推断,采食中低氮水平饲粮的牦牛,在瘤胃发酵过程中至 12：00产生的挥发性脂肪酸可能最多。不同氮水平组在各时间点的瘤胃 pH差异均不显著(P＞0.05)。

2.1.2 瘤胃液中 VFA的变化

由表 3可知,饲粮氮水平对总挥发性脂肪酸(total volatile fatty acid,TVFA)有显著影响(P＜0.05)。随氮水平的升高,乙酸、丙酸、异丁酸、异戊酸和戊酸的含量均升高(P＜0.05),而丁酸含量基本保持不变(P＞0.05)。乙酸/丙酸比值在各氮水平下差异不显著(P＞0.05)。可见饲粮代谢能和 NDF相同时,氮水平对乙酸/丙酸比值没有影响(P＞0.05)。

2.2 饲粮消化代谢特征

2.2.1 饲粮营养物质消化率

由表 4可知,DM、有机质(OM)、非纤维性碳水化合物(NFC)、中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)消化率均不受饲粮氮水平影响(P＞0.05)。低氮组的 CP消化率显著低于其他 3组(P＜0.05),中高氮组与高氮组的 CP消化率差异不显著(P＞0.05)。粗脂肪(EE)消化率以低氮组最低,与高氮组差异显著(P＜0.05),与其余 2组均无显著差异(P＞0.05)。灰分消化率以低氮组最低,显著低于中高氮组和高氮组(P＜0.05),而后 2组间差异不显著(P＞0.05)。

图 1 饲喂前后瘤胃内 pH动态变化Fig.1 Dynam ic changes of rum inal pH pre-and post-feeding

2.2.2 氮平衡

由表 5可知,随着 4种饲粮能氮比(NFC/DCP)值依次降低、氮水平依次升高,尿氮排量显著增加(P＜0.05),粪氮排量无显著差异(P＞0.05)。可消化粗蛋白质(DCP)随饲粮氮水平升高而升高(P＜0.05),中低氮水平时,NFC/NDF为 4组最高(0.38),尿氮排量与 DCP的比值最低(52.88),氮的沉积量与 DCP的比值最高(47.36)。氮表观消化率和氮的沉积量也随 NFC/DCP的降低而升高,低氮组的表观消化率最低(P＜0.05),中高氮组和高氮组差异不显著(P＞0.05);低氮组的氮沉积量也最低(P＜0.05)。在中低氮水平下,瘤胃 MCP产量最高(226.39 g/d,P＜0.05)。尿中尿素氮含量随氮水平升高而升高且差异显著(P＜0.05);尿中氨态氮含量趋势与尿素氮相同,低氮组与高氮组差异显著(P＜0.05),其他 2组无显著差异(P＞0.05)。4组总可消化养分(total digestible nutrient,TDN)大致相同,符合配制饲粮时代谢能相同的原则。

3 讨 论

3.1 饲粮不同氮水平对牦牛瘤胃发酵特征的影响

3.1.1 瘤胃内 pH的动态变化

瘤胃内 pH在饲喂前后呈现“V”字型趋势,主要是由于饲粮中的非结构性碳水化合物在瘤胃内快速发酵产生有机酸致使 pH下降,随着有机酸被瘤胃内的微生物用于合成微生物蛋白质(MCP)及吸收后用于体组织合成,使得有机酸减少,pH上升。赵国琦等[20]认为 pH是瘤胃发酵过程的综合反应,唾液分泌、VFA及其他有机酸生成、吸收和排出等因素都会直接影响 pH,饲粮结构是其波动的根本原因。与其他 3种饲粮相比,中低氮饲粮在瘤胃发酵过程中可能产酸最多,在 12：00时中低氮水平的 pH为“V”字型的谷底,为 4个饲粮水平中 pH下降阶段的最低值。胡红莲等[21]试验结果表明,瘤胃 pH下降速率和下降幅度随着饲粮NFC/NDF比值的增大而随之加大,其下降原因主要是由于瘤胃 TVFA增多,而非乳酸。由此可见,中低氮水平 pH下降速率最大。

3.1.2 饲粮不同氮水平对瘤胃液中 VFA的影响

近年来,通过瘤胃发酵调控提高饲料利用效率和反刍动物生产性能成为动物营养学关注的焦点之一[22]。瘤胃液中 VFA为家畜能量的主要供体,占反刍动物食入可消化能的 70%～80%[23]。因此,饲料 VFA的潜在产量及其乙酸、丙酸和丁酸的摩尔比例组成至关重要。研究表明,脂肪合成中有效利用乙酸的前提是满足相对于乙酸而言的丙酸最低需要量,若乙酸与丙酸的比例失调,可能限制乙酸的潜在沉积能力[24]。本试验中高氮水平氮沉积并非最高,可能因中高氮和高氮饲粮发酵时,乙酸、丙酸生成量彼此匹配失调,进而影响动物的氮沉积能力。因此,瘤胃发酵过程中乙酸、丙酸生成比例对氮素利用率影响很大。韩兴泰等[25]研究表明牦牛瘤胃呈丙酸发酵特征,且具有高丁酸特点。本试验中发现,丁酸不受氮水平影响,且维持一个较高值,其余各 VFA产量均随氮水平升高而升高,变幅明显。Hristov等[26]研究发现,高瘤胃可降解蛋白质水平(HRDP)与低瘤胃可降解蛋白质水平(ARDP)相比,异丁酸和异戊酸含量增加(P=0.04,P=0.07),与本试验结果一致。本试验还发现当饲粮代谢能和 NDF保持不变时,饲粮氮水平的增加和 NFC水平的降低并没有对乙酸/丙酸比值产生影响。随着饲粮氮水平的提高,VFA(丁酸除外)随之增加。

表 3 不同氮水平下瘤胃液中 VFA含量Table 3 Contents of VFA in rumen fluid atdifferent nitrogen levels

表 4 不同氮水平下饲粮营养物质消化率Tab le 4 D igestibility of dietary nutrients at different nitrogen levels %

3.2 饲粮不同氮水平下牦牛对饲粮营养物质消化代谢特征

3.2.1 饲粮营养成分消化率

本研究中,饲粮氮水平对 DM、OM、NFC、NDF和 ADF消化率无显著影响,这与 H ristov等[26]的试验结果一致。Hristov等[26]研究发现,给肉牛饲喂 HRDP和 ARDP 2种饲粮时,瘤胃内 DM、OM、NDF和氮的表观消化率和真消化率均无显著差异,整个消化道的 DM、OM和 NDF的表观消化率也不受 2种饲粮处理影响,而对于整个消化道的氮消化率,HRDP显著高于 ARDP(P=0.02)。研究发现,饲喂不同饲粮蛋白质水平的梅花鹿,其DM表观消化率随饲粮蛋白质水平的提高有上升趋势,但差异不显著(P＞0.05),而 CP消化率随氮水平的增加显著升高(P＜0.01)[27],这与本试验中结果相同。可见 DM采食量相近,饲粮蛋白质水平对 DM表观消化率影响不大。

表 5 不同氮水平下牦牛对饲粮氮的消化代谢特征Table 5 D igestib le andmetabo lic characterization of dietary nitrogen in yak under differentnitrogen level

3.2.2 氮平衡与能氮平衡

反刍动物对饲粮蛋白质的利用率很低,其转化为畜产品的效率最高不到 20%[28]。研究表明,饲粮氮水平对饲粮蛋白质利用效率影响很大[26,29-30]。本试验结果显示,随着饲粮氮水平的提高,动物粪氮排量波动较小,而尿氮排量有显著升高(P＜0.05),与贾青等[31]和 Marini等[32]研究结果一致。

贾青等[31]发现氮的表观消化率随氮采食量的增加而升高但不显著(P＞0.05)。然而,本试验结果表明,随着饲粮氮水平的升高,其表观消化率极显著增加(P＜0.01),可能由于试验动物不同所致。贾青等[31]还发现,山羊体内氮沉积量受饲粮CP水平影响显著(P＜0.05),当饲粮 CP水平为11.0%时,获得最大氮沉积为 0.36 g/BW0.75,本试验中,牦牛饲喂中低氮水平饲粮时(CP 12.36%)获得了最大氮沉积率 47.36%,尿氮排量与 DCP的比例最低 (52.88),此时 NFC/DCP比值为1.36。Hoover等[33]研究表明,在 pH受控制的连续培养发酵罐中,NFC与瘤胃可降解粗蛋白质(RDP)比例为 2∶1时微生物生长最佳。瘤胃微生物合成过程中需要各种能量、碳架、氮源以及矿物元素等营养素,只有这些营养素的有效数量与供给速度相匹配时,才能达到最大的瘤胃 MCP合成量[34]。提高能氮同步释放程度能有效提高氮的利用率,降低尿氮和粪氮排量,减少浪费[35-36]。饲粮中的氮水平能够影响内源尿素氮用于合成瘤胃MCP的效率。当饲粮氮水平降低时,内源尿素氮合成微生物氮的效率会增加[37],前提是饲粮中必须要有足够的可发酵碳水化合物,否则,内源氮用于合成微生物氮的效率可能会受到影响。本试验中随饲粮氮水平的提高,非纤维性碳水化合物呈下降趋势,虽然中低氮水平饲粮的氮水平较低,但瘤胃 MCP的合成效率却最高(226.39 g/d),可能由于饲喂此饲粮,能氮同步释放达到了最适比例。Hoover等[33]认为,影响瘤胃 MCP合成的重要因素是非结构性碳水化合物(NSC)和结构性碳水化合物(SC)的比例。在本试验中,中低氮水平饲粮中 NFC/NDF比例最高(0.38),瘤胃 MCP合成量也最高,由此也进一步证明了碳水化合物中 NSC(淀粉和糖等)能提高饲粮蛋白质利用率和微生物的生长效率[38-39]。

4 结 论

在舍饲条件下,饲粮氮水平为 1.97%(DM基础 )、NFC/DCP为 1.36、NFC/NDF为 0.38时 ,成年牦牛体内氮的利用效率最高,瘤胃微生物氮的产量也最高。

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