反刍动物甲烷排放调控的研究进展

杜 玮,张 杨＊,张金山,张 辛,李红波,闫向民,周振勇,卡德尔

(1.新疆畜牧科学院畜牧研究所,新疆乌鲁木齐 830000;2.山西省中北大学环境工程学院,山西太原市 030000)

联合国政府间气候变化专业委员会(IPCC)在1995年的报告中指出,全球每年排入大气的甲烷(CH4)量是535(410～660)Tg/a,反刍动物排放量为85(65～100)Tg/a,占排放总量的15%～25%对全球温室效应的“贡献率”达2%。我国农业部环境保护科研监测所对我国家养动物和动物废弃物甲烷排放量的估算结果是,1988年为6.314 T g,其中反刍动物排放5.67 T g,占89%;1990年为6.61 T g,其中反刍动物排放5.91 T g,占89.4%,甲烷排放量平均每年大约以2.34%的速度上升[1]。2009年12月7日哥本哈根联合国气候变化大会在丹麦首都哥本哈根举行,大会围绕温室气体减排问题展开激烈讨论,最终达成2020年发达国家整体减排量6%的指标,我国也自愿向联合国提交了减排目标,到2020年使单位国内生产总值(GDP)二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。可见随着全球温室效应的加剧,各国已把减排提上日程,因此我们要采取各种措施减少温室气体排放,本文主要对反刍动物甲烷的生成机制,肠道甲烷排放量调控,粪便甲烷排的回收利用等方面的研究进展进行概述。(注: 1Tg=1 012g,a表示hm2)

1 甲烷的生成机制

反刍动物在消化食物时,各种微生物包括细菌、原虫、真菌和古菌等,都在忙着打破其瘤胃内的纤维和其他营养素。反刍动物在消化过程中会释放出氢气和二氧化碳,产甲烷菌把这两种气体转化为甲烷,通过传统方法从瘤胃中已鉴定出的产甲烷菌主要有反刍兽甲烷杆菌、甲酸甲烷杆菌、巴氏甲烷八叠球菌和可活动甲烷细菌4个菌属。利用分子生物技术鉴别出的瘤胃产甲烷菌不止这些,其中只有反刍兽甲烷短杆菌和甲烷八叠球菌在瘤胃中的数目达到100万个/mL[2,3]。研究表明反刍动物饲喂的粗饲料(草)特别是作物秸秆中的未能有效降解消化吸收的纤维素和胶质是反刍动物产生大量甲烷的元凶。

同时家畜粪肥中也会产生大量甲烷,规模化养殖场的粪便主要采取堆放、厌氧池或氧化塘处理,有机物在厌氧的环境中降解,每年的甲烷排放量也很大。据统计全球家畜粪便甲烷排放总量中,肉牛每年排放9.2 Tg、奶牛5.9 Tg/a、猪5.8 T g/a、羊2.5 Tg/a、家禽1.7 Tg/a,其他2.9 Tg/a[1]。

2 降低甲烷排放的调控措施

2.1 粗饲料收割期、加工工艺,添加剂及科学饲喂技术对甲烷的调控

我国是秸秆资源最为丰富的国家之一,每年生产6.4亿多t的秸秆,其中玉米秆通常是被用来作为反刍动物的主要粗饲料来应用。然而玉米秆含有大量的纤维素和胶质,这些不是好的营养物质。高含量的纤维素和胶质能够引起较高的甲烷和牛奶/牛肉产量比,这就是说一部分的粗能量没有被有效利用至生产奶和肉。据研究表明青贮玉米的品种筛选和种植后适时的玉米秸秆收割期,不同加工贮藏工艺技术与添加剂以及科学的饲喂技术都是影响纤维素和胶质有效降解的重要因素。因此不仅要筛选合适的玉米品种,把握好玉米秸秆的收割期,而且需要对玉米秸秆进行加工处理,通过黄贮、微贮或氨化或者添加微生物、有机物发酵制剂等添加剂对玉米秸秆或粗饲料进行处理达到长期的保存效果,通过这些手段有效降低纤维素和胶质的含量,增加反刍动物粗饲料消化率,降低甲烷产量。同时科学饲喂技术也非常重要,目前技术普及比较落后,约有15%的秸秆经过处理用作饲料,大部分不经任何处理,只是铡切至3～5 cm长饲喂牲畜。这种简单的饲喂方式不仅使粗饲料的消化率低,粗蛋白含量低,适口性差,采食量低,而且导致了大量的甲烷产生同时影响了奶和肉的产量。

2.2 日粮组成及采食量对甲烷的调控

丙酸与甲烷的生成之间呈负相关(Church, 1976)[4],当日粮中精料比例增加时,丙酸含量增加,丙酸与乙酸的比值下降,吸收的乙酸除一部分用作合成乳脂的原料外,相当大的部分被氨化供能,而丙酸主要经肝脏转变为组织成分,成为贮存和产乳,产肉的能量,因此增加丙酸的产量相应的降低了甲烷损失的能量。R.S.Hegarty等研究表明奶牛有较低的净采食量时,能降低甲烷的释放量。这是由于较低的净采食量减少了对产甲烷菌底物的提供,使甲烷的产量下降。

2.3 日粮中脂肪及脂肪酸对甲烷排放的影响

甲烷的产量和日粮的纤维素、半纤维素以及非结构型碳水化合物的消化率呈正相关,而日粮中添加脂肪和脂肪酸则会降低甲烷产量。(Haaland, 1978;VanderHoning等,1981)添加动物脂肪或豆油饲喂牛羊,与饲喂等能量日粮的对照组相比减少了甲烷的生成量[5]。赵广永(1999)利用人工瘤胃技术研究皂化菜籽油脚对体外发酵产气量的影响试验表明,随着皂化油脚水平的提高,甲烷有减少的趋势[6]。闫伟杰等的研究表明,含250 g/kg全棉籽的基础日粮饲喂绵羊和含150 g/kg全棉籽的日粮饲喂奶牛相比,甲烷的产气量减少了12%～14%[7]。N.E.Odongo的研究表明,日粮中添加肉豆蔻酸可以抑制反刍动物产甲烷菌的活性,降低甲烷产量[8]。Machmuller等报道了椰子油(富含饱和中链脂肪酸)、葵花油(富含亚油酸)和亚麻籽(富含亚油酸和亚麻酸)均可显著降低甲烷产量和原虫数量,并证明添加3%和6%的椰子油可分别降低甲烷产量40%和60%[9]。

2.4 饲料添加剂对甲烷排放的影响

英国威尔士大学农村科学研究所则正试验在奶牛饲料中掺入大蒜,初步结果表明,此方法可减少高达50%的甲烷气体产生。研究表明大蒜素(大蒜素是蒜中所有含硫化合物的总称,这些物质中的硫原子具有高度的活性.能自发地转变成多种有机硫化合物)对瘤胃微生物发酵有一定影响。Busquet等(2005)在体外产气试验中,分别添加300 mg/L大蒜素、二烯丙基二硫化物(DAD)、烯丙硫醇(ALM),甲烷产气量分别降低了73.6%、68.5%、19.5%,在这3种含硫化合物中大蒜素抑制甲烷的效果最显著[11]。

日本北海道带广畜产大学教授高桥润一领导的小组在研究因食用含有硝酸盐的饲料而中毒的家畜时发现,食用含有大量硝酸盐的牧草的奶牛打嗝时,几乎不排出甲烷。这就意味着硝酸盐对甲烷有抑制作用。他们进一步的研究则发现,如果在含硝酸盐的牧草中掺入一种半胱氨酸,就可以防止动物中毒,而且不会影响到牛奶和动物肉的品质。

茶皂素对瘤胃原虫也有抑制作用,郭嫣秋等(2005)的体外试验发现,添加0.4 mg/mL茶皂素处理组的原虫数比对照组减少16.39%,甲烷产量下降15.79%[7]。还有研究发现,饲料中添加缩合单宁能减少山羊的甲烷排放,但是K.A.Beauchemin 2007年对缩合单宁能否降低牛肠道甲烷的排放进行研究,结果发现缩合单宁对降低牛肠道甲烷的排放量没有任何效果,反而会严重影响粗蛋白的吸收[10]。

2.5 pH值对甲烷的调控

瘤胃内的pH值影响瘤胃细菌种类及其发酵产物,调节瘤胃pH值可以有效地改变瘤胃发酵的产物。降低pH,能缩小乙酸与丙酸的比值,对甲烷气的产生起抑制作用,反之,则增大该比值。常用降低pH的缓冲剂有碳酸氢钠、氧化镁、碳酸钙。

2.6 粪便中甲烷排放的调控措施

通过对肠道内甲烷产量的调控措施,虽然可以有效的降低肠道中甲烷的排放,但是减少的甲烷排放量完全被粪便甲烷的排放量的增加所抵消。提高日粮精粗比,对粗饲料(秸秆)在加工贮存利用过程中,通过物理、化学和生物添加剂进行加工处理,有效的降解饲料中的纤维素和胶质的含量,提高粗饲料的转化吸收利用率,使得反刍动物肠道甲烷排放降低,但是粪便甲烷排放量增加,在日粮中添加脂肪,使得肠道甲烷排放降低,同样增加了粪便中甲烷的排放量[2]。然而传统的粪便处理方法(堆肥发酵、还田等方法)不仅污染环境,而且露天堆放发酵可产生大量甲烷,因此利用生物发酵技术(沼气池发酵)变废为利,把甲烷转化为可利用的能量是减少粪便甲烷排放的最好方法。利用厌氧消化技术将粪便中的甲烷回收,当作一种能源用于发电,发热,以及发动机、锅炉或制冷机等燃气设备,以弥补农业能源的不足,同时降低粪便等污染物经过堆放发酵所产生的甲烷等有害气体对大气和生态环境的污染。

3 结语

综上所述,随着畜牧业的迅速发展,甲烷的排放也以惊人的速度增加,据估计,一只羊每天生产20 g甲烷(CH4),一年就是7 kg,而一头牛,每年甚至要排放114 kg的甲烷,其污染程度甚至超过一辆小型汽车。2007年我国牲畜年末存栏84 863.5万头(只),其中牛10 594.8万头,羊28 564.7万只,因此减少反刍动物甲烷排放迫在眉睫。因此今后畜牧科研工作者应从以下四个方面进行深入研究:①是研究通过对青贮玉米品种的筛选,最终确定最适合新疆种植并且纤维素和胶质较低的玉米品种;②是研究开发粗饲料的加工贮存技术,通过研究乳熟期到蜡熟期这段时间玉米中干物质、粗蛋白、粗脂肪、无氮浸出物、粗纤维含量的变化,最终确定最佳收获期;③是通过筛选不同加工贮存工艺和添加剂特别是微生物制剂来降低玉米青贮或粗饲料中纤维素和胶质的含量,提高粗饲料消化率,降低甲烷排放量,增加奶和肉产量;④是研究反刍动物瘤胃的化学反应和养分含量的变化过程,研究玉米秸秆或粗饲料如何被反刍动物瘤胃有效利用,提高转化率,减少采食量;⑤是筛选出合适日粮的配方,能有效降低甲烷/奶(肉)产量的比率的技术方案;⑥是研究反刍动物粪便等污染物的无害化处理技术,通过对沼气发酵菌和发酵工艺的研究,大力推广沼气发酵综合利用技术,对畜禽粪便等污染物进行综合循环利用,最终实现甲烷排放的减量化和低碳效益。

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