芸苔属饲用作物对反刍动物甲烷减排的作用及机理

孙学钊

(吉林农业科技学院动物科技学院，反刍动物精准营养与智慧养殖创新中心，吉林132109)

全球气候变暖正受到全人类的广泛关注。人类活动(包括工农业生产)排放的温室气体是造成全球气候变暖的主要驱动力。甲烷是造成地球温室效应的重要气体，其产生的温室效应是二氧化碳的21倍[1]。全球每年排入大气的甲烷为5亿～6亿t，甲烷在大气中的半衰期为8.4年[2]。全球人类活动产生的甲烷排放中,农业占62%，其中反刍动物排放的甲烷占农业排放的58%[3]。就中国而言，农业温室气体排放占全国总排放量的11%，其中家畜肠道发酵和粪肥产生的温室气体占农业排放的54%[4]，从1949年至2003年，畜禽甲烷排放量年增长2.4%[5]。可见，畜牧业是甲烷排放的重要来源。单胃畜禽甲烷排放很少，反刍动物是排放的主体[6]。反刍动物的甲烷排放不但加重了地球的温室效应，而且还造成家畜能量损失，损失量占食入代谢能的3.9%～10.7%[7]。因而，减少反刍动物甲烷排放成为畜牧研究领域的研究热点。目前科研人员正努力探索反刍动物甲烷减排机理，寻求简便、有效、低成本、无副作用的减排措施。芸苔属(Brassicaspp.)饲用作物是重要的填闲牧草。研究发现，这类牧草能大幅减少反刍动物的甲烷排放[8]。本文将对芸苔属饲用作物减少反刍动物甲烷排放的研究进展进行综述，并探讨可能的减排机理。

1 反刍动物甲烷排放及减排措施

反刍动物排放的甲烷主要在瘤胃内形成[9]。饲料在瘤胃内被微生物降解发酵，生成短链脂肪酸、氨、二氧化碳、甲烷和氢等产物。氢和二氧化碳为甲烷菌利用，生成甲烷。

瘤胃内饲料发酵类型影响甲烷的生成，发酵产生的丙酸比乙酸和丁酸生成的甲烷少[10]。甲烷菌适宜生长的pH为6.0～7.5，下限是5.5～6.5。瘤胃pH低时，丙酸生成量也较多。瘤胃生理参数也会影响甲烷生成。瘤胃外流速度提高，减少了饲料的降解发酵，提高了溶解态氢的浓度，有利于丙酸的形成，从而减少甲烷生成[10]。

减少反刍动物甲烷排放可通过减少甲烷生成量和降低甲烷排放强度来实现。减少甲烷生成量既可通过增加电子受体，替代二氧化碳与瘤胃发酵生成的氢结合，从而不形成甲烷，也可直接抑制甲烷菌的活性。电子受体主要是硝酸盐、硫酸盐。直接抑制甲烷菌活性主要利用离子载体类抗生素、脂类以及植物提取物和化学抑制剂[11]，还有通过驱原虫等方法。降低甲烷排放强度指减少生产单位畜产品的甲烷排放量。常用的措施包括改变饲粮组成、提高饲粮消化率、改善饲养管理、增进家畜健康和福利、提高繁殖率、培育高产或低甲烷排放的家畜新品种[12-13]。这些措施易于推广应用，也易为公众接受,其中利用替代牧草简单易行，又不增加成本。与作为标准牧草的多年生黑麦草(Loliumperenne)相比，芸苔属饲用作物可大幅降低(-30%)甲烷排放[14]，显示了良好的应用前景。

2 芸苔属饲用作物对反刍动物甲烷减排的作用

2.1 芸苔属饲用作物

芸苔属饲用作物属于十字花科植物。芸苔属饲用作物主要有羽衣甘蓝(Brassicaoleracea)、芜菁(B.campestris)、饲用油菜(B.napus)和蕉青甘蓝(B.napusssp. rapifera)[15]。我国芸苔属饲用作物主要有芜菁甘蓝(B.napobrassicaMill.)、甘蓝(B.oleraceaL.)、小白菜[B.campestrisL. ssp.chinensisMakino (var.communisTsen et Lee)][16]、饲用油菜(B.campestris)、芜菁(B.rapa)[17]。目前我国主要大力推广饲用油菜[18]。

芸苔属饲用作物具有较强的抗寒性能，是中旱生植物，对土壤要求不十分严格，生长期短，可用作填闲种植[15]，在晚秋和早春能提供青绿饲料[17]。2016年农业部印发的《全国种植业结构调整规划(2016—2020年)》[19]中提倡在南方地区冬闲田中重点发展饲用油菜，在东北地区也可用于春小麦后的复种作物。西北地区作物生长“一季有余、二季不足”，适于麦、豆收获后种植，利用土地空闲期的水、热、光照资源，增加饲料供应[20-21]。

芸苔属饲用作物产量高，例如，饲用油菜平均每公顷鲜草产量达47 t，在我国有广阔的推广前景[18]。芸苔属饲用作物属双子叶植物，植株木质化前营养丰富。饲用油菜含粗蛋白质3.0%～14.0%、粗脂肪1.6%～2.3%，粗灰分6.4%～6.6%、中性洗涤纤维54.0%～57.0%、酸性洗涤纤维32.0%～35.0%[22]。芸苔属饲用作物在反刍动物上的饲用价值较高，其消化率、代谢能高于多数牧草，家畜生产性能表现也较好。放牧条件下，绵羊采食芜菁和饲用油菜的日增重虽低于白三叶(Trifoliumrepens)，但高于黑麦草[15]。

2.2 芸苔属饲用作物的甲烷减排效果

利用芸苔属饲用作物减少反刍动物甲烷排放方面的研究并不多。体外试验主要在澳大利亚、美国、新西兰进行，动物试验研究主要集中在新西兰，澳大利亚也进行了少量研究。

Durmic等[23]用包括芸苔属饲用作物在内的10种牧草进行体外批次瘤胃发酵培养试验，发现箭叶三叶草(T.vesiculosum)甲烷产量最高，芜菁与饲用油菜杂交种(B.napuscv. Winfred)和芜菁的甲烷产量比箭叶三叶草低30%，但同一牧草不同样品间甲烷产量相差很大。西兰花(B.oleracea)和饲用油菜与甘蓝杂交种(B.campestris×B.napus)的甲烷产量与箭叶三叶草没有显著差异。硫代葡萄糖苷(又称芥子油苷，GSL)含量高的西兰花品种与含量低的品种甲烷产量也没有显著差异。Dillard等[24]利用连续培养发酵系统研究了芸苔属饲用作物营养物质消化率、短链脂肪酸浓度和甲烷产量。培养底物的一半为鸭茅(Dactylisglomerata)，另一半分别为饲用油菜、籽用油菜(B.napus)、芜菁、一年生黑麦草(L.multiflorum)。结果发现，芸苔属饲用作物的总短链脂肪酸浓度、pH、乙酸占总短链脂肪酸摩尔比例与一年生黑麦草无显著差异，但饲用油菜和籽用油菜的丙酸占总短链脂肪酸摩尔比例低于一年生黑麦草，而饲用油菜的丁酸占总短链脂肪酸摩尔比例高于一年生黑麦草。芸苔属饲用作物的甲烷产量低于一年生黑麦草，按每克有机物、中性洗涤纤维、可消化有机物、可消化中性洗涤纤维计，也是芸苔属饲用作物低于一年生黑麦草。Sun等[25]把羽衣甘蓝、芜菁、饲用油菜、蕉青甘蓝和多年生黑麦草冻干后粉碎作为体外批次培养的底物，发现芸苔属饲用作物的乙酸/丙酸低于多年生黑麦草，但甲烷产量与多年生黑麦草没有显著差异，释放的氢(大量氢的释放和积累是甲烷菌受抑制的标志)也没有大幅增加。在体外瘤胃发酵培养中，不同试验出现不同结果，甚至同一试验中同一牧草的不同样品结果也不一致，其原因尚不清楚。单从体外试验结果不能得出明确的结论。

动物试验研究方面，新西兰研究人员进行了8个试验的系列研究[14]。试验1：在冬季进行，使用4种常见的芸苔属饲用作物羽衣甘蓝、芜菁、饲用油菜和蕉青甘蓝，分别作为唯一饲料饲喂舍饲绵羊，7周后测定甲烷排放，与作为对照的多年生黑麦草相比，单位干物质采食量的甲烷排放量，即甲烷产量(g/kg DMI)，分别减少10%、6%、25%和23%。芸苔属饲用作物的干物质、有机物质、粗蛋白质、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的表观消化率均比多年生黑麦草高，按单位可消化干物质产生的甲烷计，这4种芸苔属饲用作物比多年生黑麦草分别减少27%、23%、39%和43%的排放。之后，还进行了一系列动物试验，结果均表明芸苔属饲用作物有良好的甲烷减排作用[8]。试验2：在冬季进行，以饲用油菜作为唯一饲料饲喂舍饲绵羊7周，与多年生黑麦草相比，甲烷产量减少30%，延长饲喂到15周再测定甲烷，结果甲烷产量仍能减少22%[26]。这一试验还测定了营养物质消化率、饲粮能量平衡、氮平衡、消化能、代谢能、瘤胃降解动力学参数、瘤胃发酵参数、瘤胃食糜流通速度等指标，结果显示饲用油菜比多年生黑麦草有更高的营养价值[26]。饲喂饲用油菜甲烷排放减少的同时生产性能可能更好。试验3：在冬季，以绵羊为试验动物，同时在室内和放牧条件下进行，仍然以饲用油菜作为唯一饲料，与黑麦草相比，室内舍饲条件下，第7周甲烷产量减少37%，第12周减少31%；放牧条件下，第7周减少32%，第12周减少34%[27]。这一试验还测定了动物生产性能，在饲用油菜草地上放牧的绵羊日增重为315～365 g，高于在黑麦草草地上放牧的绵羊(210～307 g)。放牧饲用油菜的绵羊屠宰率为46.2%，也高于放牧黑麦草的绵羊(42.9%)。按每千克增重排放的甲烷计，饲用油菜为41.9～48.2 g，而黑麦草为62.5～123.8 g[27]。试验4：在夏季进行，球根型芜菁、叶菜型芜菁、饲用萝卜(Raphanussativus)、饲用油菜分别作为唯一饲料饲喂舍饲绵羊，4周后与黑麦草/白三叶混合牧草(按鲜重计，黑麦草92%，白三叶6%，杂草2%)相比，甲烷产量分别减少20%、33%、22%、10%[28]。试验5：在冬季进行，以饲用油菜作为唯一饲料饲喂舍饲绵羊，从第33天至第66天分7期测定甲烷排放，甲烷产量只有11.5～14.2 g/kg DMI[29]。试验6：在夏季进行，以新鲜叶菜型芜菁、头茬饲用油菜、二茬饲用油菜、球根型芜菁分别作为唯一饲料饲喂舍饲绵羊，32 d后测定甲烷排放，与黑麦草/白三叶混合牧草(按鲜重计，67%：33%)相比，叶菜型芜菁、头茬饲用油菜、二茬饲用油菜甲烷产量分别减少15%、16%、13%，但球根型芜菁甲烷排放增加13%[25]。试验7：在冬季进行，以新鲜饲用油菜和多年生黑麦草配制5种混合饲粮饲喂舍饲绵羊，前4种饲粮中，饲用油菜分别占饲粮干物质的100%、75%、50%、25%，饲喂24 d后，与纯黑麦草饲粮相比，甲烷产量减少64%、43%、27%、9%，呈线性下降[30]。这一试验还测定了营养物质消化率、能量平衡、氮平衡、瘤胃发酵参数等指标，饲用油菜占饲粮干物质的50%时氮沉积最多。试验8：在冬季进行，以新鲜饲用油菜作为唯一饲料饲喂小母牛32 d以上，结果发现与含黑麦草96%、白三叶3%、杂草1%的混合牧草相比，饲用油菜甲烷产量减少43%[31]。

Williams等[32]在夏季进行了芸苔属饲用作物(芜菁与饲用油菜杂交种)饲喂奶牛的试验。试验动物为产犊后5个月的泌乳期舍饲奶牛，对照饲粮由生殖生长期的新鲜菊苣、苜蓿草块和压碎玉米组成，按干物质计，饲粮含菊苣41%、苜蓿34%、玉米25%，试验饲粮由新鲜芸苔属饲用作物按等量干物质取代全部菊苣，饲粮其他组分不变。连续饲喂10 d并在第6～10天测定甲烷排放，发现饲喂芸苔属饲用作物的奶牛比饲喂菊苣的奶牛单位干物质采食量排放的甲烷减少21%，单位产奶量排放的甲烷减少27%。

可见，芸苔属饲用作物在不同季节、舍饲或放牧、混合或单独饲喂情况下，除个别情况外，反刍动物均可不同程度地减少甲烷排放，而且连续饲喂15周时减排效果不消失。

3 芸苔属饲用作物对反刍动物甲烷减排的可能机理

3.1 饲料化学成分

一系列试验[8，33-37]的甲烷产量和饲料化学成分，如粗灰分、粗蛋白质、粗脂肪、可溶性碳水化合物、果胶、淀粉、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维、木质素、易发酵碳水化合物与结构性碳水化合物的比值、硝酸盐、硫酸盐等进行相关分析，发现仅粗蛋白质(n=287，r=-0.584，P<0.001)和硝酸盐(n=210,r=-0.530，P<0.001)有中等程度的负相关。芸苔属饲用作物硝酸盐含量为7.1～750.0 mmol/kg DM(或0.1～10.5 g/kg DM)[15]，变化范围很大。按照1 mol硝酸盐理论上最多可减少1 mol甲烷排放[38]计算，在Sun等[14]的试验中，与作为对照的多年生黑麦草相比，硝酸盐最多可减少甲烷排放0.1～0.6 g/kg DMI。在有些情况下，芸苔属饲用作物硝酸盐含量远低于多年生黑麦草，甚至低于可测定的下限[14]。因此，硝酸盐虽然对芸苔属饲用作物甲烷排放量少有贡献，但不是根本的原因。粗蛋白质和硝酸盐高度正相关(n=50，r=0.584，P<0.001)，可能也因此与甲烷产量负相关。将甲烷产量与饲料化学成分进行多元回归分析，整个模型调整后的R2为0.450[自由度(df)=134，P<0.001]，其中酸性洗涤纤维是正变量，水溶性碳水化合物是负变量。这说明饲料化学成分仅能部分解释芸苔属饲用作物甲烷产量的变异，结构性和水溶性碳水化合物起一定作用。

3.2 瘤胃发酵参数

将8个系列试验[8，33-37]中218只饲喂饲用油菜的绵羊瘤胃发酵数据与甲烷产量数据进行相关分析，表明甲烷产量与采食前乙酸/丙酸(r=0.393)、(乙酸+丁酸)/丙酸(r=0.411)、乙酸(r=0.420)、丙酸(r=0.350)、戊酸(r=0.473)浓度以及与采食后丁酸(r=0.295)和丙酸(r=0.322)浓度有一定程度的相关。多元回归分析结果表明，采食前样品中仅挥发性脂肪酸浓度、乙酸/丙酸、(乙酸+丁酸)/丙酸达显著水平，整个模型调整后的R2为0.417(df=202，P<0.001)。采食后样品中，整个模型调整后的R2为0.418(df=133，P<0.001)，仅乙酸浓度达显著水平(P=0.042)。这些结果表明芸苔属饲用作物甲烷排放与瘤胃发酵类型有部分相关性。

多元回归分析表明氨与甲烷排放无关，氨不参与甲烷形成的代谢过程。

绵羊饲喂饲用油菜时，在24 h内所有采样时间点瘤胃pH比饲喂多年生黑麦草低，饲用油菜平均6.02，而黑麦草平均6.71[26]。一般认为瘤胃pH可以影响甲烷排放。但用碳酸钠调节瘤胃pH的试验并没有证明饲用油菜甲烷排放量低是源于瘤胃pH[29]。

3.3 芸苔属饲用作物对瘤胃微生物的影响

饲喂饲用油菜的绵羊其瘤胃各类细菌、甲烷菌及原虫的相对丰度与饲喂多年生黑麦草的绵羊相差很大[26]。饲喂饲用油菜的绵羊瘤胃内产氢细菌，如瘤胃球菌属(Ruminococcus)、未归类的(unclassified)瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)及梭菌目(Clostridiales)的细菌，数量较少，说明生成的氢较少。生成的氢少，加之较多的丙酸，可能导致甲烷形成较少[10]。

饲喂饲用油菜的绵羊瘤胃中，甲醇产甲烷菌比饲喂多年生黑麦草的绵羊丰富[26]。甲醇产甲烷菌利用氢和甲醇生成甲烷。饲用油菜含有较多的果胶[14,26]。果胶上的甲基可生成甲醇，再作为甲醇产甲烷菌的底物，最终生成甲烷[33]。这会导致甲烷排放量增加，而非减少，因此果胶和甲醇产甲烷菌不可能是饲用油菜甲烷排放量减少的原因。

饲喂饲用油菜的绵羊瘤胃原虫数量变化不大，只有瘤胃纤毛虫稍有变化[26]，原虫应可排除。

3.4 甲烷菌抑制物质

虽然在瘤胃体外试验中甲烷产量的试验结果不一致[23-25]，但值得注意的是体外培养过程中没有释放大量的氢[25]，表明甲烷菌没有受到抑制，芸苔属饲用作物不含有直接抑制甲烷菌的物质或其作用可以忽略不计。GSL含量高的品种和低的品种甲烷产量没有差异[23]，表明GSL没有起到甲烷抑制剂的作用。

3.5 芸苔属饲用作物中GSL和甲硫半胱氨酸亚砜(SMCO)可能的减排作用

3.5.1 GSL和SMCO

GSL和SMCO是2类植物次生代谢产物，广泛存在于芸苔属植物中，属于抗营养因子[15]。芸苔属饲用作物都含有GSL和SMCO，而在多年生黑麦草中几乎不含。

GSL是一类含硫的阴离子亲水性植物次生代谢产物，其核心结构是β-D-葡萄糖连接1个磺酸盐醛肟基团和1个来源于氨基酸的侧链[34]。Sun等[14]发现4种芸苔属饲用作物甘蓝、芜菁、饲用油菜和蕉青甘蓝中共含有18种GSL，每种植物含9～16种，其中3～4种占总含量的80%以上，并且每种植物含有的主要GSL都不一样，但4-戊烯基硫代葡萄糖苷含量普遍较多，饲用油菜、蕉青甘蓝、芜菁中均超过总含量的40%，黑芥子苷在羽衣甘蓝中超过总含量的30%。GSL没有生理活性，需与β-硫代葡萄糖苷酶(又称黑芥子酶)结合，降解成多种生物活性物质。GSL与β-硫代葡萄糖苷酶存在于不同的细胞或者同一细胞的不同区域。在植物受机械破坏时两者发生反应，反应生成的生物活性物质主要有硫代氰酸盐、异硫氰酸盐(ITC)、腈类、环硫腈和唑烷-2-硫酮，其中ITC是最主要的产物[35]。

3.5.2 GSL和SMCO在反刍动物体内的降解与生理作用

在瘤胃中GSL主要生成ITC和腈类，在羽衣甘蓝叶中有21%～41%、蕉青甘蓝叶中有37%、蕉青甘蓝肥大直根中有50%的GSL转变成腈类[15]。绵羊采食羽衣甘蓝后腈类至少23 h内不被分解，但采食蕉青甘蓝肥大直根和叶片后，腈类4 h内完全被降解。

GSL对甲烷的影响有一些体外试验报道。Soliva等[36]按75 mg/L添加异硫氰酸烯丙酯，发现乙酸比例减少、丁酸比例增加、甲烷形成减少、氢气积累。Lee等[37]用含异硫氰酸烯丙酯的芥菜籽分别添加3.33、5.00、6.67和8.33 g/L，进行体外培养，也发现类似结果。但他们使用的浓度远高于天然饲料中可能达到的浓度。GSL对甲烷的影响未见动物试验报道。

SMCO是一种非蛋白氨基酸，在芸苔属植物中按干重计含1%～2%[39]。植物组织破碎时液泡中的半胱氨酸亚砜裂解酶释放，把SMCO分解成氨、丙酮酸盐和甲磺酸。SMCO在瘤胃内完全转化为二甲基亚砜[15]。二甲基亚砜与蛋白质中巯基结合，使蛋白质失活，例如可使血红蛋白含量下降，甚至引起贫血，也能影响机体其他蛋白质和微生物蛋白质的生产。SMCO能增加血浆中生长激素和甲状腺素水平，这样可以刺激机体蛋白质合成，用以取代被二甲基亚砜失活的蛋白质。SMCO对甲烷排放的影响尚未见报道。

3.5.3 GSL和SMCO对反刍动物甲烷减排可能的作用

在上节提到的体外试验中，芸苔属饲用作物不能减少甲烷生成，说明正常浓度下GSL和SMCO对瘤胃内甲烷的形成没有直接抑制作用。

游离三碘甲状腺原氨酸(FT3)是甲状腺激素三碘甲状腺原氨酸(T3)有生理活性的形式。饲喂芸苔属饲用作物可以提高血清中FT3的浓度[40]。给成年阉公绵羊每2 d注射300 μg FT3，使血液FT3浓度增加，全消化道食糜平均停留时间(MRT)缩短[41]。Pinares-Patino等[42]用苜蓿饲喂绵羊，发现食糜在瘤胃停留时间(特别是固相停留时间)短的羊甲烷产量低。Goopy等[43]双向选择甲烷产量高和低的成年母羊，发现甲烷产量低的羊，瘤胃体积小，液相和固相食糜停留时间短。通过注射FT3，人为提高血液FT3浓度，可造成食糜停留时间缩短，甲烷产量下降8%[41]。改变环境温度造成绵羊体内血液FT3浓度提高，也可缩短食糜停留时间，降低甲烷产量[44]。

因此，笔者的假说是：芸苔属饲用作物GSL和/或SMCO及其代谢产物,正常采食条件下其浓度对甲烷菌没有直接抑制作用，但提高了绵羊体内FT3浓度，导致食糜停留时间缩短，从而减少甲烷排放。

4 小 结

芸苔属饲用作物能大幅减少反刍动物甲烷排放,其减排效果，除个别情况外，在不同季节、舍饲或放牧、混合或单独饲喂情况下，均能不同程度地体现，而且连续饲喂时减排效果不消失。机理方面，目前的研究虽排除了一些可能的因素，但仍不明确。饲料常规成分不能解释甲烷排放量减少的原因，也不存在甲烷菌抑制物质，硝酸盐可能是甲烷排放减少的部分原因。饲喂芸苔属饲用作物后瘤胃微生物区系发生改变，瘤胃发酵类型也相应改变，可能也只是部分原因。瘤胃pH降低，但没有低到足以抑制甲烷菌。次生代谢产物的作用尚不清楚，但根据文献推测，GSL和SMCO及其代谢产物可能与甲烷排放减少有关。这些成分可能刺激FT3的分泌，导致食糜停留时间减少，从而减少甲烷排放。这一假设尚需试验验证。

饲喂芸苔属饲用作物是一种简便可行、易于推广、低耗无污染的减排措施。我国有许多芸苔属饲用作物，如饲用油菜、芜菁甘蓝、甘蓝、小白菜，特别是饲用油菜目前正得到大力推广。利用芸苔属饲用作物是我国减少反刍动物甲烷排放的一个重要途径。如GSL和SMCO及其代谢产物在甲烷减排中的作用得到证实，芸苔属作物副产品，如菜籽粕，也将有可能开发用于减少甲烷排放。

致谢：

感谢中国农业大学动物科技学院赵广永教授对文稿所提的宝贵意见。