探讨影响奶牛瘤胃甲烷产生的因素

何忠武

四川苍溪县畜牧食品局，四川 苍溪 628400

综述与专论

探讨影响奶牛瘤胃甲烷产生的因素

何忠武

四川苍溪县畜牧食品局，四川 苍溪 628400

奶牛瘤胃产生并释放的甲烷，大约占饲料总能损失的5%～9%，一头奶牛每年产大约60～160 kg甲烷。瘤胃中的甲烷产生菌通过获得氢把CO2还原成CH4，瘤胃中氢浓度受化学极性基团和饲料中的植物化学活性成份的调节，宿主动物和共生微生物维持瘤胃pH在6～7的范围，瘤胃中的代谢氢处理是由有效的瘤胃生态系统的适应和调节。该综述将探讨涉及这些生化过程的化学竞争和影响瘤胃细菌产生甲烷的因素。

瘤胃;甲烷;氢;二氧化碳;甲烷产气菌;还原;奶牛

1 前言

基因组选择新技术正彻底改变着奶牛的育种进程。很多奶牛的数量性状像奶牛生产和健康性状的遗传改进率，对提高牛奶产量和成份的表型数量化有了促进作用，加速了鉴别代表奶牛生产和外型性状的遗传变异基因，这样就产生了最优秀的生产动物，较好的成本效益，较好的饲料转化效益，最终是较好的动物生产体系。

反刍家畜已进化适应植物细胞结构纤维性物质，在结构性碳水化合物中，大部分能量的存在取决于该植物的成熟阶段和瘤胃微生物酶的降解，瘤胃消化道已进化能够酵解广泛的饲料原料。因此，瘤胃是微生物的可持续性栖息处，一般由微生物的相互作用群构成。这个生态系统的有效性依赖于厌氧酵解维持一个连续的氧化还原潜力。当微生物分解和消化植物碳水化合物时，产生挥发性脂肪酸，然后被瘤胃吸收，给奶牛提供大约60%～80% 的能量。瘤胃发酵产生气体状物质像二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和分子氢(H2)，它们实际上是瘤胃微生物的能源。CH4是一种很重要的温室效应气体(GHG)，具有比CO2高21倍的全球变暖潜力。全球反刍动物每年产生CH4大约80 000 000 t。H2和 质子(H+)是瘤胃酵解的重要副产物，被瘤胃微生物利用，还原CO2和NO3-，产生CH4和氨气(NH3)及铵离子(NH4+)。

瘤胃是一个厌氧环境，其中65%的气体是CO2，它不是瘤胃甲烷产生的限制性底物，因而瘤胃中的氢是控制CH4产生的关键化合物。瘤胃通过硝酸代谢产生的NH3被用作微生物蛋白质的合成，而瘤胃中CO2被还原产生的CH4作为能量损失，占饲料总能的5%～9%。

通过生物化学途径产生的H2被瘤胃细菌转化成CH4：CO2+8H→CH4+2H2O。瘤胃中溶解的H2作为还原性辅助因子或氢质子(H+)阳离子，在瘤胃厌氧条件下，通过氢(电子)转移到受体产生还原性物质，保持持续的瘤胃微生物酵解。瘤胃生态系统的有效性是通过微生物细菌、原生虫、真菌和古生菌及瘤胃pH维持的。因此，瘤胃甲烷的产生在反刍动物进化中就被遗传性地程序化了。所以，多年来，甲烷的产生被人类活动操纵，通过遗传工程改进生产力，优先考虑生产效益。鉴于此，该文将探讨是否优化瘤胃生态系统减少甲烷的产生，以减少代谢能量损失和环境问题，主要是综述影响奶牛瘤胃甲烷产生的因素。

2 碳氧(C-O)源对瘤胃甲烷产生的影响

在饲料中添加油脂可以维持或提高牛奶产量，同时减少奶牛采食量，短期内饲料效益增加，虽然牛奶蛋白状况不确定，但这期间会导致瘤胃甲烷产生强度下降，可用下面表达式描述：CH4(L/kg DMI)=47.3-0.0212*DMI2(kg/d)-0.680*EE(%) (R2=0.76) (EE—ether extract)。饲料中添加脂肪引起甲烷的产生长期的持续的减少，将对采食量产生显著的负面影响，同时更有可能降低牛奶脂肪和/或蛋白浓度及后备奶牛的需求增加。采食量和牛奶产量的显著下降清楚地表明，饲料中添加油脂对瘤胃酵解功能的负面影响，引起酵解终产物CO2、CH4等的减少。不饱和脂肪酸的生物氢化作用能够作为清除氢的途径，但是瘤胃仅能消耗1%-2%的代谢氢。总之，利用脂类资源阻止瘤胃甲烷的产生机制可以探讨。

甲烷产生的变化是由饲料原料或营养物质的变化引起。如果动物产量保持不变或有增加，饲料中的精料比例会影响每单位采食量或每单位动物产品的甲烷产生。因此，饲料特性和动物状况是决定牛产生甲烷的可能性变异因素，用泌乳奶牛为例：CH4(MJ/d)=0.8852+0.0094GEI+0.0045NDF-0.03732EE+0.0003BW。采食量与瘤胃甲烷产生的显著相关可能对瘤胃发酵和甲烷的产生有强烈影响，用以下表达式来描述；CH4(g/d)=2.54+19.14*DMI(kg/d)。

通过饲喂更易消化的碳水化合物，瘤胃的酵解终产物的相对比例，特别是挥发性脂肪酸(VFA)的比例受日粮中中性洗涤纤维(NDF)和非纤维碳水化合物(NFC)比例的影响。淀粉基础料有利于丙酸生成，高淀粉谷物基础料促进产丙酸微生物的生长和代谢活动。因为丙酸的形成消耗还原辅助因子，丙酸生成的增强，减少瘤胃产生甲烷能获得的代谢氢数量。饲料中增加NFC的浓度，瘤胃pH的随之降低，可能抑制甲烷产气菌和纤毛虫的生长。淀粉比半纤维或纤维每单位的被消化物产更少的甲烷，用下列表达式来描述：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)。每单位淀粉和每单位纤维产生甲烷量的差异与它们酵解前的化学成份不相关，与大部分降解和酵解底物的微生物种类有关。因此，甲烷的产生受饲料中营养物质之间相关因素的影响。

3 氢氧(H-O)源对瘤胃甲烷产生的影响

丹宁和皂角是反刍动物植物性饲料中的活性原料，由于含有活性极性羟基(-OH)基团，最具氧化力，结合质子(H+)的能力比CO2被还原生成CH4强，表现出瘤胃减少CH4的产生。但是，随着饲料中浓度的增加，它们通常被认为有抗营养作用。缩合和可水解性丹宁广泛分布于牧草和温暖气候饲草中，有减少采食量和显著降低粗蛋白(CP)营养消化率的倾向。当饲料含有高水平缩合丹宁时，饲料CP浓度限制牛奶产量，因为它降低氨基酸(AA)的吸收。当可水解丹宁在瘤胃中被水解时，可能会有毒。丹宁破坏瘤胃功能和损坏动物生产力的危害比皂角大，且抑制CH4产生的浓度范围比皂角敏感。

丹宁和皂角作为植物生物活性成份对瘤胃甲烷产生的影响显示这些化合物抑制甲烷产生的作用取决于它们的饲料浓度，同时与它们结构中的羟基基团数量正相关。水解性丹宁倾向于直接通过抑制瘤胃甲烷产气菌，起阻止甲烷产生的作用，而缩合丹宁对甲烷产生的影响是通过抑制纤维消化。

4 氮氧(N-O)源对瘤胃甲烷产生的影响

硝酸是奶牛饲料中主要氮源，瘤胃进化适应了这种化合物，它是植物含氮化合物(包括蛋白质)形成的主要前体，因而是各种饲料粗蛋白质的常见氮源。反刍动物在有草场放牧条件下持续摄取硝酸。硝酸在植物中的分布不均匀，在植物茎杆含量最高，枝叶较低，特别是新生苗较高。

当奶牛饲料长期加入大量硝酸，瘤胃还原硝酸生成氨的反应很活跃，硝酸可能替代饲料中的尿素给微生物蛋白质合成和生长提供氮源。它通过还原反应生成亚硝酸，最后生成氨。由于氮的电负性比碳强，在这个反应中，还原性辅助因子和氢的电子更倾向于转移给氮生成氨，比起转移给碳产生甲烷强。因此，瘤胃中硝酸被还原时，甲烷的形成被抑制。瘤胃硝酸还原和甲烷形成的热动力学反应如下：NO3-+4H2+2H+→NH4++3H2O；4H2+CO2→CH4+2H2O。

瘤胃中存在的两个主要硝酸还原菌(Wolinella succinogens 和Selenomonas ruminantium)争夺氢质子比甲烷产生菌更强胜，抑制一些甲烷产气菌的活力。硝酸作为饲料成份饲喂时，动物采食高粗蛋白料，瘤胃氨浓度相应升高，这些条件有利于硝酸代谢菌的硝酸还原系统对氨的吸收，氨产生的速率与微生物生长对氨的吸收率相当。这个过程被氨的浓度控制，负反馈调节亚硝酸的还原，可能引起亚硝酸的积累，高铁血红蛋白中毒。奶牛饲喂高水平硝酸，血液高铁血红蛋白水平升高，既使是动物已适应了这个硝酸水平，当饲料的粗蛋质含量一般高到18%～38%之间，瘤胃氨水平经常会高到适合微生物生长推荐量的3倍，特别是从春夏季嫩绿饲料中采食的硝酸量突然升高时，抑制组织的氧供应。因此，当探讨硝酸对瘤胃甲烷产生的影响时，一定要注意长期添加硝酸对动物健康的负面影响。

5 瘤胃生态系统对甲烷产生的影响

牛瘤胃中生活的微生物从某种程度上相互依赖共生，以自养和/或异养的方式，为了自身的利益，相互利用生成产物。瘤胃是微生物可持续的首要栖息地，一般由细菌、厌氧真菌和原生虫的相互作用群构成，酵解反刍动物的植物性饲料。这些瘤胃微生物通过复杂的互相作用对瘤胃生态系统的有效性起必需的功能作用。一个正常瘤胃的pH范围在6～7之间。酵母是需氧性微生物，可能消耗掉瘤胃中存在的微量氧，促进瘤胃厌氧环境的成熟，有利于厌氧微生物的生成和栖居，稳定瘤胃pH，提高纤维降解，对乙酸生成菌对氢的利用和自身的生长表现出有益作用。H2和被还原的辅助因子(NADH)是瘤胃酵解的重要产物，被甲烷产气菌和其它微生物利用，还原CO2生成CH4。生物化学途径涉及到从甲烷产气菌夺回氢重新还原其它氧化物，操纵控制甲烷的产生和生物氢化饲料酵解产生的氢，调节抑制瘤胃酸中毒。因为瘤胃溶解的氢浓度升高，引起瘤胃细菌能够与甲烷产气菌竞争氢和二氧化碳产生乙酸，使瘤胃酸性pH下降。

由于瘤胃微生物的复杂多样性，很有可能一类微生物消失或被抑制，会导致另一类适应并随之取代。最理想的是，利用氢质子和电子产生的化合物，能被动物吸收和代谢，以致于不损失能量。因为氢是产生甲烷的主要底物，是控制产生甲烷的关键物质；而形成丙酸消耗还原性因子，丙酸生成的增加与不饱和脂肪酸的生物氢化成化学计量关系，等量抑制甲烷的产生。琥珀酸和丙烯酸的生物化学代谢途径，由混合细菌参与，像产乳酸菌和噬乳酸菌、富马酸还原菌和产琥珀酸菌和噬琥珀酸菌。所以当反刍动物饲喂精料基础料时，瘤胃酵解方式向着有利于丙酸生成方向改变，可能益于能量平衡。

在瘤胃厌氧环境条件，硝酸能够代替CO2消耗代谢氢被还原成氨，潜在地抑制瘤胃甲烷产生。瘤胃中存在的一些硝酸还原菌可能具有硝酸-还原-硫化物-氧化菌(NR-SOB)的特性，硫化氢能够为瘤胃中亚硝酸氨化提供电子，防止潜在地亚硝酸中毒问题。新鉴别出的硫酸还原菌(SRB)(Fusobacterium sp.,),可能提高纤维消化和增加纤维菌的数量，利用硫化物合成含硫氨基酸，潜在地防止硫化氢中毒问题。瘤胃厌氧生态系统中的硝酸和硫酸代谢间的互动作用，促进它们与甲烷产气菌对共同底物(氢、甲酸和乙酸)的竞争。

瘤胃中的微生物同型产乙酸菌具有产乙酸的能力，甲基营养菌能够以甲酸和甲胺为营养，噬碳菌能噬二氧化碳供生长，都能与甲烷产气菌利用同样的底物，具有竞争性的生化代谢的途径。因此，瘤胃生态系统的复杂性有利于探讨影响甲烷产生的因素。

6 结论

反刍动物瘤胃产生的甲烷占全球甲烷释放的17%，鉴于此，降低这种能量损失目标在于考虑瘤胃甲烷产生的影响因素。甲烷和二氧化碳是通过高度专一的甲烷产气原古生菌在严密的瘤胃厌氧条件下，微生物碳水化合物发酵的主要自然产物。反刍动物与瘤胃微生物共生菌在瘤胃生态系统因为相互利益共同进化。瘤胃微生物系统是一个消耗饲料的动力工厂，对饲料类型的突然变化很敏感。奶牛适应饲喂高水平纤维，产生更多的纤维消化微生物，瘤胃发酵产生乙酸和丁酸，和饲喂低水平淀粉，产生淀粉消化微生物，瘤胃发酵产生丙酸。饲料成份及其生物化学代谢途径中产物和终产物是瘤胃微生物的营养底物。瘤胃中二氧化碳还原生成的甲烷是碳固定、利用和再循环生物周期的连续部分。不同种类甲烷产气菌消耗生物二氧化碳，与甲基营养菌共同存在，竞争含甲基底物，不需要氢作为能源，阻止甲烷释放到大气中。植物性饲料的植物化合物含有活性极性基团羟基，在瘤胃中当与氢质子强力结合时，抑制甲烷产气菌，同时饲料的硝酸根离子通过硝酸还原菌作为电子受体被还原成氨，消耗掉瘤胃中多余的氢，减少甲烷的产生。生物氢化作用仅消耗掉1%～2%的氢。然而，对在厌氧生态系统减少瘤胃甲烷产生的细菌株来讲，只有很少菌株被显著地鉴别并检测出有抗甲烷产生的活性。基因组学的发展将帮助鉴别微生物，能够有潜力影响瘤胃甲烷的产生。

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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，四川苍溪人，博士，高级畜牧师，主要研究方向：营养遗传学。

S 823.9+1

A

1004-6704(2016)06-0055-04