反刍家畜肠道甲烷的产生与减排技术措施

周 艳,邓凯东,董利锋,许贵善,马 涛,刁其玉*(.中国农业科学院 饲料研究所，农业部饲料生物技术重点实验室，北京 0008；．金陵科技学院 动物科学与技术学院，江苏 南京 008；.塔里木大学 动物科学学院，新疆 阿拉尔 8400)

近50年来，地球表面平均温度上升了0.74 ℃，其增速是过去100年的2倍左右[1]，由于温室气体排放造成的全球性气候变暖现象已是不争的事实。为缓解气候变暖带来的严重影响，世界各国政府积极实施碳减排策略。在2009年举行的哥本哈根世界气候会议上，我国主动承担减排任务：到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放量较2005年降低40%～45%。基于碳减排压力，衍生出了一种环境权益类的新兴研究方向——低碳畜牧业，即在畜牧业全过程实现以低碳代替高碳，以循环经济代替线性经济的发展方向，从而实现生态环境与畜牧业发展统筹兼顾的新兴良性产业发展模式。

畜牧业属于国民经济中的基础产业，人们对肉、奶制品的需求量随着生活质量的提高在逐步上升。联合国粮农组织(FAO，2006)报告指出：全球有9%二氧化碳(CO2)、37%甲烷(CH4)、65%氧化亚氮(N2O)由畜牧业产生，占全球温室气体排放总量的18%，超过全球交通运输温室气体排放量的总和。世界观察研究所(WWI，2009)指出，由于畜牧业生产而产生的温室气体排放量随着养殖数量的增加而不断上升，家畜温室气体排放量所占的比例已上升至51%。甲烷(CH4)是半衰期较长的一种温室气体，其增温潜势力是CO2的23倍以上。CH4对全球变暖的影响作用在近100多年里占到所有影响气候变暖作用的15%～20%，而畜牧业则是导致大气中甲烷累积的一个主要贡献者[2]。据报道,全球每年CH4的排放量达到5.35×108t，其中反刍动物的CH4年平均排放量占已知散发到大气中CH4排放总量的15%。就动物营养而言，根据动物饲养水平、饲粮结构组成和营养物质消化率的不同，反刍动物以CH4形式损失的能量占饲料总能的2%～15%。因此，了解反刍动物瘤胃发酵产生甲烷的生理规律，探索降低甲烷产生的机制，不仅有助于提高我国反刍动物生产效率和养殖效益，更有助于我国温室气体减排战略的实施，为促进我国节粮型畜牧业和可持续农业发展具有重大意义。

1 瘤胃甲烷的生成途径

反刍动物瘤胃在长期的选择进化中形成了其特有的消化方式，与单胃动物相比，它能够高效地利用纤维素、半纤维素等结构性碳水化合物来生成机体所需要的营养物质。饲料到达瘤胃后，在各种酶的作用下先被降解为简单的糖类，而后迅速被微生物利用转化为丙酮酸，之后经过各种代谢途径进行发酵，产生乙酸、丙酸、丁酸等发酵产物。NAD捕获在丙酮酸转化为乙酸的过程中释放的H+、e-生成NADH，参与甲烷菌内的还原反应，合成CH4。因此，CH4产量与乙酸、乙酸/丙酸成正相关，与丙酸含量呈负相关。对于反刍动物瘤胃生态系统而言，纤维分解菌处于中枢地位，CH4的生成，有效地利用了纤维分解菌的代谢终产物-氢气，使瘤胃内环境维持在一个低水平氢分压状态，对保证纤维分解菌的活性及其他有益菌的生长、繁殖以及粗饲料的利用具有重要意义。

2 瘤胃产甲烷菌的生化代谢途径

产甲烷菌是厌氧发酵过程最后一步的关键菌群。甲烷产生的主要途径有三种，即CO2-H2还原、甲酸氧化、乙酸异化，其中以CO2-H2途径合成的CH4占合成CH4总产量的82%[3]。因此，本文对CO2-H2生化代谢途径进行重点介绍。

CO2首先被Fdh(甲酰甲烷呋喃脱氢酶)以Fdred(铁氧化还原蛋白)为电子供体还原为甲酰基并共价连接在C1载体MFR(甲烷呋喃)氢基基团上形成CHO-MFR(甲酰甲烷呋喃)[4]，然后Mtd(甲酰四氢甲烷喋呤脱氢酶)催化CHO-MFR上的甲酰基转移至另一C1载体H4MPT(四氢甲烷喋呤)的N5集团上[5]，随后在F420(辅酶F420氧化态)、F420-H2(辅酶F420还原态)的催化作用下依次被还原为次甲基、亚甲基和甲基[6]。在Mtr(辅酶M甲基转移酶)的催化作用下，甲基被转移到C1载体HS-COM(辅酶M)上形成CH3-S-COM，这个过程伴随着跨膜蛋白与NA+跨膜传输耦联，推动形成NA+梯度[7]。而后形成的产物被Mcr(甲基辅酶M还原酶)催化，以HS-COB(辅酶B)为直接电子供体还原产生CH4和COB-S-S-COM(异质二硫化物)，此过程产生的H+跨膜转运与NA+用于ATP的合成[6-7]。

3 反刍动物甲烷减排的调控措施

3.1 营养调控

3.1.1 粗饲料品质 粗饲料类型是影响反刍动物CH4排放量的主要因素，饲料精粗比和能量摄入水平次之。刘树军等[10]通过体外发酵试验发现供试饲草的单位干物质采食量的CH4产量介于56.85～74.63 mL/g之间，产CH4量最高的为玉米秸秆，最低的为国产苜蓿干草。久米新一等[11]报道发现，稻草青贮和紫花苜蓿青贮以1∶1比例饲喂干奶期奶牛时的CH4产量比单独饲喂稻草青贮减少了7%。吴爽等[12]试验将羊草与玉米秸秆混合饲喂荷斯坦干奶牛可降低其胃肠道CH4产量。这说明提高粗饲料品质能够减少CH4产生。另外，对品质良好的牧草通过遗传学进行菌株筛选，不仅可能改变瘤胃挥发性脂肪酸的产生模式，而且对提高营养物质消化率和能量利用率，增加干物质采食量和奶产量都具有积极影响。Knapp[13]研究得出，牧草选育能减少每千克矫正乳4%的CH4排放量。

图1 产甲烷菌的产甲烷途径[6，8-9]Fig. 1 Pathway of methane production for methanogens

3.1.2 NFC/NDF影响 中性洗涤纤维(NDF)在瘤胃中的降解能够影响反刍动物的CH4产生量。当NDF在瘤胃中降解率低时，进入后肠道NDF则会升高，相应也会增加CH4产量[13]。NDF消化率变化程度对CH4生成影响较大，因为半纤维素和纤维素产生的CH4是非纤维碳水化合物(NFC)产生的2～5倍，而单位纤维素CH4排放量等同于3倍半纤维素或5倍可溶性剩余物。调整NFC/NDF会影响饲粮结构，进而改变VFA发酵模式。研究表明，低NFC/NDF时，有利于乙酸和丁酸发酵，增加CH4的合成[14]；高NFC/NDF会降低瘤胃pH，即瘤胃pH与NFC浓度及消化率呈现负相关关系，低pH同时影响纤维分解菌和产甲烷菌的活性，从而抑制CH4产量。

近年来，日粮中NFC和NDF比例对CH4排放量的影响得到了进一步的研究。有报道指出，日粮NFC每增加1%，CH4可减少2%～15%[13]。Sauvant 和Giger Reverdin[15]应用Meta分析得出日粮精料浓度和CH4产量呈曲线关系，日粮精料水平为30%～40%时，单位总能摄入量的CH4损失为6%～7%，当日粮精料水平升至80%～90%时，单位总能摄入量的CH4排放量降低2%～3%。这是由于以包含更多能量的NFC(淀粉、糖)高比例替代日粮中NDF(纤维素、半纤维素)时会提高瘤胃发酵速率，加快精料发酵，从而改变瘤胃物理化学条件和微生物数量。随着微生物发酵，VFA实现从乙酸发酵型到丙酸发酵型的转化，从而导致CH4产量下降。

3.1.3 饲料加工 经过粉碎或制粒后的饲料，能提高瘤胃中丙酸比例，在采食量高时，能减少20%～40%的CH4产量，但在采食量较低时，效果不明显。在饲喂方式上普遍认为先粗后精，少量多次饲喂能减少CH4产生，其原因可能是增加了过瘤胃物质的数量。对于舍饲动物而言，改善粗饲料品质，能降低反刍动物单位体重的CH4产生量。但是饲料过度加工会降低其在瘤胃中的消化率，降低产奶量，缺乏有效的粗纤维消化也易引起瘤胃酸中毒，而且也会增加饲养成本。

3.2 脂类物质

脂类对CH4的抑制作用主要表现在两方面：一是使不饱和脂肪酸发生氢化；二是直接抑制产甲烷菌的生长。在反刍动物饲粮中每添加1%的油脂或脂肪酸可使单位干物质采食量的CH4排放量降低4%～5%[16]。

Machmuller等[17]体外试验表明，椰子油、葵花籽、亚麻籽均可显著降低CH4的产量和原虫的数量，并证明添加3.5%和7%的椰子油可使CH4分别降低28%和73%。另有研究表明,在肉牛日粮中添加400 g/d的葵花籽油，可减少22%的CH4排放量和21%的总能损失。贾淼等[18]研究了桉叶油，山苍油、肉桂油和茴香油四种精油对肉羊体外瘤胃发酵和CH4产生的影响，发现添加400 mg/L的山苍子油和茴香油与对照组相比可显著降低CH4含量。陆燕等[19]利用体外产气法研究大蒜油对CH4生成、微生物区系影响，得出添加30～100 mg/L的大蒜油可增加丙酸摩尔百分比，显著抑制CH4产生，且效果好于脱臭大蒜油。李玉珠等[20]研究指出，饲料中添加50 mg未酯化月桂酸可使CH4产量减少22.2%，添加同等重量的以3∶2比例混合的月桂酸和肉豆蔻酸(C14，0)混合物可减少11.8%的CH4产量，月桂酸可显著降低反刍动物甲烷短杆菌的活性。黄江丽等[21]通过体外培养法研究了桂皮油、薄荷油、生姜油、丁香油和辣椒油5种精油对CH4产量的影响，表明只有桂皮油、薄荷油对CH4排放存在显著的抑制作用。同时也有一些对原虫具有毒副作用的脂类物质，如植物油、乳脂、C18不饱和脂肪酸等。另外，月桂酸、肉豆蔻酸和亚油酸具有较大的CH4减排潜力[22]。脂类物质对CH4产量影响的研究大多应用体外人工发酵法，但体外发酵法不能完全模拟动物瘤胃内环境，易得出降低程度过高的结论，可作为估测实际生产中CH4减排的参考支撑。

饲料中脂类含量过高尤其是高于6%～7%时，会减少原虫的数量，降低纤维降解率和干物质采食量，影响瘤胃内环境，进而使动物的生产性能下降[16]。分析脂肪来源和日粮粗脂肪含量的影响表明，惰性和内源性脂肪源对干物质采食量无影响。未来这方面的研究应集中在通过多水平脂质补充及能量平衡的长期试验中，确定其适宜的添加剂量。

3.3 瘤胃微生物调控

3.3.1 微生态制剂 微生态制剂主要来源于益生菌，能改善动物胃肠道微生物生态平衡，有利于动物健康和生产性能的发挥。肖怡等[23]分别研究了三种益生菌对肉羊甲烷排放、物质代谢和瘤胃发酵的影响，发现地衣芽孢杆菌添加水平为2.4×109CFU/只时，显著降低了肉羊干物质采食量和代谢体重基础的CH4排放量；试验组基础饲粮中热带假丝酵母的添加水平为4×108CFU/只时降低了CH4的日排放量，但对甲烷菌和原虫数量的影响均不显著；试验组基础饲粮中每只肉羊的植物乳酸杆菌的添加水平为5×1010CFU/只时，显著降低了单位可消化干物质采食量的CH4排放量，降幅为15.28%。班志彬等[24]研究了干酵母和纤维素酶对草原红牛瘤胃VFA浓度及CH4排放的影响，发现与对照组相比，基础日粮中添加200 mg/kg活性干酵母对瘤胃内丙酸浓度和VFA浓度影响显著，CH4产量减少了39.84%，而纤维素酶对CH4产量没有显著影响。目前酵母对反刍动物及CH4产量的影响，不同研究结果不尽相同，可能受到不同动物瘤胃中微生物菌落及活性不同的影响。

3.3.2 酶制剂 陈兴等[25]运用体外人工瘤胃发酵技术探究添加外源纤维酶制剂对青贮玉米发酵影响，发现不同酶制剂对CH4生成的影响在体外培养6 h和12 h时呈现较大的变异性，培养到24 h时，对CH4生成的影响变得不显著。彭永佳等[26]通过体外发酵技术在玉米秸秆中添加CEL(纤维素酶)和XYL(木聚糖酶)，发现两种酶制剂均可显著减少单位DM和NDF降解产生的CH4产量，但用体内试验探究湖羊对酶制剂处理的玉米秸秆利用效率及CH4排放的影响时未获得有效的减排效果。李燕[27]利用呼吸测热技术研究了山羊日粮中添加外源纤维素酶对CH4排放量和饲料利用率的影响，发现单一纤维素酶和复合酶的添加对CH4排放量没有影响，但皆增加了瘤胃分解菌的数量。酶制剂可提高瘤胃纤维降解率和动物生产性能的特性使其有很大的发展潜力，但体外发酵与体内试验甲烷减排结果有较大出入，可能是动物瘤胃内微生物菌群间相互作用的未知性限制了研究，未来可在统筹兼顾菌群间的相互作用下，筛选出能提高生产效率又能有效抑制甲烷产生的酶制剂。

3.4 遗传选育和剩余采食量

通过遗传选育的方式提供动物饲料利用效率或降低单位干物质采食量的甲烷排放量在国内的研究较少，相关领域的研究主要见于国外报道，主要原因是选育难度大和甲烷排放量测定复杂。因此，间接性的通过饲料采食量或消化滞留时间作为筛选标准来降低甲烷排放量成为研究的重点。

3.4.1 遗传选育 提高动物生产性能能够有效降低单位产品甲烷产量，是一个有前景且有效的减排技术。动物甲烷排放量的差异可以归因于消化道通过率，瘤胃微生物活动，发酵状况，胃肠道的体况和生理，以及采食行为[28]。Patra等[29]研究发现，相同饲养条件下，不同动物的甲烷产量不同。这些研究揭示了在甲烷产生方面动物间遗传不同的可能，因此可选择遗传选育的方法减少甲烷产生。适当的遗传选育可减少每天或每干物质采食量的甲烷排放，在过去的60年里，遗传选育得到了巨大发展，与提高动物管理相结合增加了美国北部400%的奶产量，奶产量增加的同时也相应减少了64%的奶牛数量和57%的单位产品甲烷排放量[30]。虽然遗传选育被用于绵羊和肉牛中[31]，但甲烷排放与动物生长的相互关系未被评估。虽然宏基因组用于加快选育进程，但仍未有在奶牛中应用潜力的相关研究。与剩余采食量相比，一些甲烷减排措施重复性差，高动物变异限制了遗传选育的发展。

3.4.2 剩余采食量 剩余采食量(Residual Feed Intake, RFI)是指畜禽实际采食量与其体型大小和生长速度预期的采食量的差值，是遗传选育的相关办法。最早由Koch于1963年提出，是评定肉牛饲料效率的有效指标代替了传统的料重比评价方法，因料重比不能用来分析不同体型和不同生长速率的动物间饲料效率的固有差异[32]。与遗传选育相比，RFI可同时协调维持能量成本和体型，使饲料营养更有效的合成奶成分[33]。因为CH4生产是成比例减少动物能量摄入的，减少用于维持的能量利用比例，可维持或增加奶产量以减少单位矫正乳的CH4排放量。作为一个中等遗传力的负选择性状，RFI的遗传力为0.18～0.43[34]，且符合正态分布，与不属于正态分布的饲料效率相比，能提高传统遗传选育利用率。应用RFI作为选择指数可减少CH4排放，直接增加奶固体物产量(奶固体物增加1%，将减少1%的单位矫正乳的CH4排放量)，且不会影响消化率。Hegarty等[35]以安格斯牛为例，高RFI牛每天CH4的产生量为192 g，而低RFI牛CH4产生量更低，为142 g。产奶量、RFI、抗病性和热应激的遗传选择将以增加奶产量，降低饲料维持成本，减少动物数量的方式减少胃肠道单位矫正乳的CH4排放量，在集约化乳制品生产中的综合减幅估计为9%～19%。虽然RFI的遗传和生理基础是健全的，但在奶牛应用中还未发展成熟，因为干物质采食量和体重高度相关，且在哺乳期敏感度高，而且RFI测量成本较高，与动物生产、繁殖性能的相关性限制了实际生产的应用。

4 小 结

通过优化饲粮配方以改善瘤胃微生物区系，达到提高饲料利用率且降低甲烷产量的目的；通过基因选育和RFI技术，提高家畜生产性能，可相对减少动物养殖数量，继而减少甲烷产量。未来对反刍动物生长期、妊娠期、哺乳期甲烷排放的研究则为探索反刍动物不同生理阶段甲烷排放规律、估测羊一生甲烷排放量提供参考依据，对低碳畜牧业的发展具有重要意义。不容忽视的是，甲烷是反刍家畜正常的代谢产物，任何减排措施只能相对减少，不能绝对抑制。所以实施的任何甲烷减排措施，都需兼顾到动物健康及动物产品安全，也要考虑其在生产实践的应用，为便于养殖场适应改变，也须考虑必要的甲烷减排成本。

参考文献:

[1] 赵一广,刁其玉,邓凯东,等.反刍动物甲烷排放的测定及调控技术研究进展[J].动物营养学报,2011,23(5):726-734.

[2] JIAO H, YAN T, Wills D A, et al. Development of prediction models for quantification of total methane emission from enteric fermentation of young Holstein cattle at various ages[J].Agriculture Ecosystems & Environment,2014,183(183):160-166.

[3] 周怿,刁其玉.反刍动物瘤胃甲烷气体生成的调控[J].草食家畜,2008(4):21-24.

[4] DEPPENMEIER U, MÜLLER V, GOTTSCHALK G. Pathways of energy conservation in methanogenic archaea[J]. Archives of Microbiology,1996,165(3):149-163.

[5] 方晓瑜,李家宝,芮俊鹏,等.产甲烷生化代谢途径研究进展[J].应用与环境生物学报,2015,21(1):1-9.

[6] LIU Y, WHITMAN W B. Metabolic, Phylogenetic, and Ecological Diversity of the Methanogenic Archaea[J].Annals of the New York Academy of Sciences,2008,1125(1):171-189.

[7] SCHLEGEAL K, MÜLLER V. Evolution of Na(+) and H(+) bioenergetics in methanogenic archaea[J].Biochemical Society Transactions,2013,41(1):421-426.

[8] WELTE C, DEPPENMEIER U. Bioenergetics and anaerobic respiratory chains of aceticlastic methanogens[J].Biochim Biophys Acta,2014,1837(7):1 130-1 147.

[9] COSTA K C, LEIGH J A. Metabolic versatility in methanogens[J].Current Opinion in Biotechnology,2014,29(1):70.

[10] 刘树军.不同饲草的体外发酵甲烷产生量研究[D].中国农业科学院,2011.

[11] 久米新一, TOHARMAT T, RIDLA M. Effects of High Potassium Intake from Alfalfa Silage on Mineral Status in Sheep and Periparturient Cows[J].Research Bulletin of the National Agricultural Research Center for Hokkaido Region,2004(181):1-14.

[12] 吴爽,张永根,夏科,等.不同粗饲料组合类型对奶牛瘤胃甲烷产量及氮代谢的影响[J].中国饲料,2014(3):29-33.

[13] KNAPP J R, LAUR G L, VADAS P A, et al. Invited review:, Enteric methane in dairy cattle production: Quantifying the opportunities and impact of reducing emissions[J].Journal of Dairy Science,2014,97(6):3 231-3 261.

[14] 王丽凤.日粮中添加甲烷抑制剂对绵羊瘤胃中甲烷产量影响的研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学, 2004.

[15] SAUVANT D, GIGER-REVERDIN S. Modélisation des interactions digestives et de la production de méthane chez les ruminants[J].Aiaa Journal,2009,24(11):1859-1860.

[16] DOHME F, MACHMULLER A, WASSERFALLEN A, et al. Comparative efficiency of various fat rich in medium-chain fatty acids to suppress ruminal methanogenesis as measured with RUSITEC[J].Canadian Journal of Animal Science,2000,80(3):473-482.

[17] MACHMULLER A M. Methane suppression by coconut oil and associated effects on nutrient and energy balance in sheep[J].Canadian Journal of Animal Science,1999,79(1):65-72.

[18] 贾淼,鲁琳,李艳玲.不同植物精油对肉羊体外瘤胃发酵和甲烷产生的影响[C]//中国饲料营养学术研讨会.2014.

[19] 陆燕,林波,王恬,等.大蒜油对体外瘤胃发酵、甲烷生成和微生物区系的影响[J].动物营养学报,2010,22(2):386-392.

[20] 李玉珠,刘发央,龙瑞军.不同水平未酯化月桂酸对人工瘤胃发酵产气量的影响[J].草原与草坪,2005(6):28-32.

[21] 黄江丽,王东升,张志红,等.体外产气法研究植物精油对水牛瘤胃发酵和甲烷生成的影响[J].江西科学,2014,32(3):328-331.

[22] 孙凯佳,朱建营,梅洋,等.降低反刍动物胃肠道甲烷排放的措施[J].动物营养学报,2015,27(10):2 994-3 005.

[23] 肖怡.三种益生菌对肉羊甲烷排放、物质代谢和瘤胃发酵的影响[D].新疆阿拉尔：塔里木大学, 2016.

[24] 班志彬,张国梁,杨华明,等.活性干酵母和纤维素酶对草原红牛瘤胃挥发性脂肪酸浓度及甲烷排放的影响[J].中国畜牧兽医,2013,40(2):57-61.

[25] 陈兴,茅慧玲,王佳堃,等.外源纤维酶制剂对青贮玉米体外发酵特性以及甲烷生成的影响[J].动物营养学报,2013,25(1):214-221.

[26] 彭永佳.外源纤维酶制剂对湖羊利用玉米秸秆及甲烷排放影响的研究[D].浙江杭州：浙江大学,2015.

[27] 李燕.外源酶对山羊甲烷排放及饲料利用率影响的研究[D].成都：四川农业大学,2013.

[28] Cottle D J. Ruminant enteric methane mitigation: a review [J]. Animal Production Science, 2011 , 51(6):491-514.

[29] Patra A K. Enteric methane mitigation technologies for ruminant livestock: a synthesis of current research and future directions[J].Environmental Monitoring & Assessment,2012,184(4):1929-52.

[30] Hegarty R S, Mcewan J C. Genetic Opportunities to Reduce Enteric Methane Emissions from Ruminant Livestock[C]//World Congress of Genetics Applied To Livestock Production. 2010.

[31] Vlaming J B, Lopezvillalobos N, Brookes I M, et al. Within- and between-animal variance in methane emissions in non-lactating dairy cows[J].Australian Journal of Experimental Agriculture,2008,48(1):124-127.

[32] 谭翠,王之盛,王立志,等.肉牛剩余采食量与瘤胃微生物菌群关系[J].动物营养学报,2015,27(10):2 987-2 993.

[33] Coleman J, Berry D P, Pierce K M, et al. Dry matter intake and feed efficiency profiles of 3 genotypes of Holstein-Friesian within pasture-based systems of milk production[J].Journal of Dairy Science,2010,93(9):4 318-4 831.

[34] Crowley J J, Mcgee M, Kenny D A, et al. Phenotypic and genetic parameters for different measures of feed efficiency in different breeds of Irish performance-tested beef bulls[J].Journal of Animal Science,2010,88(3):885-894.

[35] Hegarty R S. Genotype differences and their impact on digestive tract function of ruminants: a review[J].Australian Journal of Experimental Agriculture,2004,44(5):459-467.