饲粮营养调控减少反刍动物甲烷排放研究进展

孙福昱,南雪梅,唐志文,蒋林树,熊本海*

(1.中国农业科学院 北京畜牧兽医研究所动物营养学国家重点实验室，北京 100193；2.北京农学院奶牛营养学北京市重点实验室，北京 102206)

温室效应是全球性的环境问题，主要由温室气体排放引起。与农业生产相关的温室气体主要包括二氧化碳、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)三种。近年来，环境中温室气体的浓度逐渐增加，其中甲烷浓度已经达到42万年以来最高值，虽然甲烷的总量远不及大气中CO2的总量，但甲烷所产生的温室效应是CO2的21倍[1]。甲烷存在于大气层的寿命为12年[2]，最终在大气中分解为CO2。联合国粮农组织报告显示，10.5亿头牛排放的温室气体占全球总量的18%[3]。研究表明，牛、羊等反刍动物一年仅反刍和嗳气(不含呼吸)排放的甲烷换算成CO2当量达到21.0×108t左右，每年全球反刍动物所产生的甲烷排放，约占每年人造甲烷的28%[4]。因此，关注和解决畜牧业甲烷排放问题是当前畜牧业健康发展的重要议题。本文综述了反刍动物甲烷排放研究进展和甲烷减排的最新方法，以及海藻在降低反刍动物甲烷排放方面的应用效果，以期为降低反刍动物甲烷排放、发展绿色畜牧业提供参考依据。

1 反刍动物甲烷生成机制概论

反刍动物甲烷主要是由瘤胃产甲烷菌通过多种机制产生，其化学性质相对稳定，一般难以在体内被消化和吸收利用，大多数以嗳气形式排出体外。瘤胃中的产甲烷菌有多个菌属，现已发现的有甲烷杆菌属(Methanobacterium)、甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter)、甲烷微菌属(Methanomicrobium)和甲烷八叠球菌属(Methanosarcine)[5]。研究表明反刍动物饲喂的粗饲料特别是作物秸秆中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[6]。产甲烷菌生成甲烷的途径可能有4种：一是以H2和CO2为底物还原生成甲烷；二是利用甲基化合物为底物，不成比例的甲醇分化路径合成甲烷；三是通过甲酸脱氢酶将甲酸转化成CO2和H2，随后由途径一进行合成；四是通过乙酸、丁酸等异化反应生成甲烷。大约80%的甲烷就是甲烷菌途径生成，这4种途径中，以H2和CO2为底物生成甲烷这一路径为生成甲烷主要途径，后几种途径甲烷生成量较少。

2 降低反刍动物甲烷生成的调控措施

减少反刍动物甲烷生成的渠道主要有以下三种：一是减少甲烷菌的数量，二是争夺H2，将H2向其他物质转化，三是降低甲烷生成过程中酶的活性。这三个渠道都可以在营养方面进行调控。在甲烷生成的营养调控方面，可通过改变日粮种类，调节日粮的精粗比例或能量与蛋白的平衡，控制动物采食量，在饲料中添加各类饲料添加剂，或者通过添加化学物质等调节瘤胃pH等途径，减少代谢及转化途径的进行从而降低甲烷的生成量。

2.1 选用合理的饲粮种类，优化饲粮精粗比例

2.1.1 饲粮的碳水化合物类型影响甲烷产生 研究发现，饲粮中可消化结构性碳水化合物与瘤胃中甲烷产生量成正相关[7]，主要是指纤维素和半纤维素类，而淀粉和可溶性糖类等非结构性碳水化合物的发酵产物大部分是丙酸。而丙酸类物质的生成过程中不仅不产生H2，而且还是H2的受体，从而减少甲烷产生。另外，适当添加蛋白质饲料，会降低瘤胃内养分的降解速度[8]，抑制瘤胃发酵，从而提高胃肠道对养分的吸收效率，进而降低甲烷排放。

2.1.2 优化日粮精粗比例 增加日粮中精饲料的比例一方面会使得瘤胃液的pH降低，由此降低原虫数量。而产甲烷菌与原虫存在共生关系，使得产甲烷菌数量减少；另一方面，精饲料比例增高会减少瘤胃液中乙酸的产生[9]，从这两方面作用可以使甲烷产量降低。但过高的精料比例会导致瘤胃酸中毒或亚急性酸中毒，影响动物健康。因此，如何在减少甲烷产生又不至于产生瘤胃酸中毒的前提下，优化日粮中的精粗比成为调控的关键点。

2.2 饲料原料加工工艺的影响

经物理处理的秸秆可增加纤维物质的分解程度，使细胞壁膨胀便于微生物纤维素酶和胃消化液渗入而易于消化。把握好饲料原料的收割期，对粗饲料原料进行青贮、微贮或氨化等方式进行加工处理后，制作日粮时可适当提高精料水平，可降低甲烷产量[10]，从而进一步提高饲料的利用率以及反刍动物的生产性能。经青贮及黄贮两种方式处理的玉米秸秆为基础制作的TMR具有较好的发酵品质。从饲料营养成分的角度来看，含氨化处理的玉米秸秆TMR显著提高了玉米秸秆中粗蛋白含量。在甲烷生成量方面，青贮秸秆的TMR显著低于黄贮秸秆的TMR。

2.3 饲料添加剂的影响

2.3.1 添加适量脂类添加剂 甲烷产量与日粮纤维素、半纤维素以及非结构型碳水化合物的消化率呈正相关[11]，而日粮中添加脂肪和脂肪酸则可抑制产甲烷菌数目[12]，改变瘤胃甲酸、乙酸等VFA的比例，降低甲烷产生，提高饲粮的能量水平，改善动物生产性能。闫伟杰等通过直接测定甲烷产气量的方法发现，与空白对照组比，给绵羊基础日粮添加250 g/kg全棉籽、奶牛基础日粮添加150 g/kg全棉籽，可以减少12%～14%的甲烷产气量。原因可能有两种，一是纤维素等养分被脂肪包裹,致使瘤胃微生物难以发生作用；另一种是脂肪的毒害作用使瘤胃微生物区系发生了改变，引起发酵特性的变化[11]。Dohme等[13]通过体内试验发现，脂肪对瘤胃纤毛原虫具有毒害作用，饲粮中添加椰子油会很大程度降低瘤胃中的纤毛原虫数量，而大多数的甲烷菌依附在原虫表面，与原虫互利共生，因此驱除原虫可间接导致甲烷菌的减少。Dohme等[13]还发现，甲烷菌通过与原虫的种间氢传递将H2转化成CH4，而有一些中链脂肪酸则会直接抑制产甲烷菌，从而降低CH4产生。

2.3.2 添加天然植物添加剂 研究发现，添加天然植物或植物提取物如单宁、皂苷等可以直接抑制或影响产甲烷菌的生理活性，改变瘤胃中发酵反应的类型，降低饲料的降解率，减少底物中H2的产生，从而降低CH4的产量。Hu等[14]在以玉米和草饼为底物的体外发酵试验中，添加不同水平的茶皂素，发现茶皂素不但显著降低了原虫的数目，抑制了甲烷的生成，而且不会影响瘤胃有机物的降解率和发酵模式。Guo等[15]在体外试验中，研究了在瘤胃混合菌以及单种类甲烷菌条件下茶皂素对甲烷生成、微生物区系组成以及甲基辅酶 M 还原酶的影响，结果表明，只有在混菌条件下，茶皂素显著地抑制了甲烷的生成、降低了原虫的数目以及甲基辅酶 M 还原酶的基因表达量，但是甲烷菌的数量并没有减少。Kamra等[16]发现，大蒜素对瘤胃微生物发酵也有一定影响，大蒜素的化学成分是三硫代烯丙醚类化合物，这种化合物对多种革兰氏阳性和阴性菌均具有抑制效果，且具有降低胃内亚硝酸盐含量和抑制硝酸盐还原菌的作用。初步研究表明，反刍动物饲料中添加大蒜素可显著降低甲烷气体产生[17]，具有可观的应用前景。但由于市场大蒜价格昂贵的现状，实际推广应用的可能性较低。

2.3.3 添加抗生素 大多数的离子载体的本质是抗生素，由细菌产生，能够提高靶细胞对某些离子的通透性，从而提高通过微生物生物膜的离子流量，改变微生物代谢活动。通过添加离子载体抑制瘤胃原虫和纤维分解菌的活性，可以间接地降低CH4产生。与此同时，离子载体还有利于产琥珀酸菌和丙酸菌的生长，从而使丙酸产量增加，提高饲料利用率和转化效益。莫能菌素是目前为止应用最为广泛的抑制甲烷生成的离子载体类抗生素[18]，已被证实在奶牛饲粮中添加莫能菌素能够有效地抑制CH4的生成，但也有相关报道指出，瘤胃壁可能会吸收莫能菌素，进入到畜产品中，对食品安全构成威胁，使得当下对于莫能菌素的使用还处于争议阶段。

2.3.4 添加丙酸前体物质 研究表明，瘤胃甲烷产量的降低往往会伴随着丙酸含量的升高[12]，而在饲粮中添加一些丙酸前体物质可以促进瘤胃中的发酵类型往丙酸型发酵的方向转移。丙酸前体物质主要为延胡索酸和苹果酸，添加延胡索酸和苹果酸会使得瘤胃内的优势菌群结构平衡发生一定改变[19]，其他菌种与甲烷菌竞争性利用转化H2，改变了瘤胃的发酵模式，从而抑制CH4生成。

2.3.5 使用多卤素化合物抑制剂 卤素化合物作为一种工业原料广泛运用到杀虫剂领域。在饲粮中加入此类抑制剂会在短时间内减少20%到80%左右的甲烷产出[20]，但逐渐会被产甲烷菌适应，有待进一步研究验证。

2.3.6 添加微生物及微生物的代谢产物 乙酸生成菌、酵母菌能够促进乙酸生成菌利用H2和CO2生成乙酸进而减少CH4产量[21]；细菌素[22]是细菌分泌的小肽或蛋白质复合物，具有作为CH4抑制剂的潜力。但由于细菌素本质上是小肽或蛋白质复合物，它在体内容易被各种蛋白酶消化分解，在体外可显著降低甲烷的生成，持续处理可使培养物丧失产生甲烷的能力。细菌素的优点是安全，并可通过基因操作引入到其他微生物中起到调控作用，缺点是容易被消化降解而失效。

2.3.7 添加pH缓冲剂 pH缓冲剂有碳酸氢钠、氧化镁、碳酸钙等，降低pH，能有效缩小乙酸与丙酸的比值，对甲烷产生起到抑制作用[23]。

3 海藻减少反刍动物的甲烷排放

2014年以来，澳大利亚多个科研团队对海藻降低瘤胃甲烷排放做了大量研究。Machado等[24]研究发现，不同海藻的减排能力不同，在饲粮中添加部分种类的海藻，瘤胃的甲烷排放量最少能够减少20%以上，最多可减少高达99%。另有研究发现，仅在饲粮中添加少量红藻(产于澳大利亚北部)，便能够降低近100%的反刍动物瘤胃甲烷排放[25-26]，这一发现引起广泛关注。此外该研究团队还评估了20种热带大型藻类在体外发酵的总气体量(Total Gas Production，TGP)和甲烷产量参数[27]。体外发酵使用长期饲喂劣质粗饲料的牛瘤胃液进行，不同藻类作为试验组底物，脱壳棉籽粕作为对照组底物，在体外发酵72 h，连续监测气体产量。试验结果显示，所有试验组的TGP和CH4产量均低于对照组。相比于对照组，淡水藻、绿色海藻、褐藻以及红藻TGP分别减少13.99%、20.90%、26.16%、28.95%；CH4产量分别减少18.6%、38.76%、52.49%、51.94%。20种藻类中，褐藻网地藻和红藻海门冬具有最强的效果，抑制TGP分别为53.2%和61.8%，抑制CH4产量分别为92.2%和98.9%。体体外试验结果证明所有种类的海藻均具有降低甲烷产量这一特性，但由于真实瘤胃环境复杂，需进一步通过体内试验进行验证。

基于上述结果，该研究团队进一步进行了红藻海门冬对绵羊CH4产量的影响研究[28]。饲粮采用高精料饲料(1.2倍维持量)，在有机物质基础上分别添加0%(对照)，0.5%，1%，2%和3%的该红藻的烘干研磨粉，试验周期72 d。与对照组相比，试验组在绵羊饲料中添加2%红藻粉，在72 d的内，瘤胃甲烷产量减少50%～70%，而添加3%海藻组则减少高达80%CH4排放。由此可见，在反刍动物饲粮中添加海藻可降低温室气体甲烷[29]，这一研究前景可观，但需要更多的动物饲养试验来进一步验证。

4 我国海藻产业及畜牧业应用现状

我国的海岸线长、海洋面积广大且沿岸地貌丰富，使得海藻种类丰富且适宜生长[30]。长期以来，我国的海藻养殖业在世界上一直处于领先地位，养殖面积和总产量稳居世界第一。截止到2015年，我国藻类产品生产总量已经达到212.43×104t[31]，其中，海藻占总生产藻类的90%以上，产量可观。现今，国内的海藻加工生产方式已覆盖领域多样化，加工技术趋于成熟和领先。尤其是在农业领域应用上，研究人员已开展了部分试验，将海藻制成营养粉对蛋鸡[32]、肉鸡[33]、猪[34]、牛等[35]动物进行饲喂，均有良好的促进生产性能，降低疾病发生，提高畜产品质量的效用，是绝佳的天然饲粮添加剂原料。

全球现有的海藻主要有三大类：绿藻类、褐藻类与红藻类。其中，红藻类4100种,褐藻类1485种,绿藻类910种[36]。截至2015年，我国海藻种类有800余种，海藻产品仍以海带(褐藻门，大型褐藻属)为主，约占70%，其他品种占比依次为裙带菜(褐藻门，裙带菜属)10%、紫菜(红藻门，紫菜属)6%、江蓠(红藻门，江蓠属)3%、其他产品10%。但根据澳大利亚团队的研究内容，所研究的20余种海藻均为澳洲当地特有的海藻种类，我国并无上述种类或产量极少，故国内海藻品种的减排效应亟待研究。

5 小结与展望

综上所述，降低反刍动物甲烷排放的主要调控措施包括：优化日粮精粗比，筛选日粮的原料种类或来源，调节日粮能量与蛋白的平衡以及添加饲料添加剂等。但是，用于降低甲烷产生的大部分饲料添加剂，其研究结果尚不理想，主要表现在降低甲烷产生的同时，对生产性能产生副作用，而且技术推广尚不成熟，导致这类饲料添加剂用于实际生产还存在很多问题。由于碳水化合物转化为挥发性脂肪酸的过程部分依赖于甲烷的生成和氢的消耗，各种调控措施虽然能在短期内抑制甲烷生成，但瘤胃微生态系统可通过自身稳态调节机制最终恢复甲烷产量至初始水平。因此，实现反刍动物甲烷减排调控的的常态性，需要尝试更多现有饲喂模式的变革。研究表明，海藻可以有效调节反刍动物甲烷排放，但其调控甲烷生成的有效成分及机制尚不明了，而且对红藻海门冬以外的其他藻类还没有相关研究报道。因此，结合我国海藻产业现状，若能够从我国现有的大量海藻种类中筛选出某些种属，研发绿色甲烷抑制剂并运用到畜禽规模养殖生产中，对于畜牧业温室气体减排和提高经济、社会效益都将具有深远意义。