大型海藻作为饲料添加剂缓解瘤胃甲烷排放的研究进展

李 帅 闵 力 孙加节 李大刚*

(1.广东省农业科学院动物科学研究所，畜禽育种国家重点实验室，农业部华南动物营养与饲料重点实验室，广东省动物育种与营养公共实验室，广东省畜禽育种与营养研究重点实验室，广州510640；2.华南农业大学动物科学学院，广东省动物营养调控重点实验室，广州510642)

在全球变暖的气候问题愈发严重的背景下，联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO)在第26届联合国气候变化大会(COP26)中发布报告指出，2019年中国农业粮食系统的温室气体排放量占全国总温室气体排放量的14%[1]。中国作为农业大国，减少畜牧业生产中的温室气体排放是我国达成“双碳”战略的重要策略之一。

甲烷(CH4)是反刍动物生产中最大的温室气体来源，约占全球温室气体总排放量的18%[2]。与此同时，反刍动物排放甲烷会带来2%～12%的能量损失[3]，缓解甲烷的排放具有重要的生态价值和经济价值。现有的缓解反刍动物甲烷排放的方式为通过饲料添加剂影响动物饲粮构成，并促进瘤胃中产乙酸菌和甲基利用菌的活性，抑制产甲烷古菌的活性，从而达到缓解甲烷排放的效果[4]。这些饲料添加剂包括离子载体、单宁、苹果酸、醋酸、脂肪、氨基三氯醛和植物次生代谢产物(如碘、卤化物、皂苷、多酚酸等)等[4-5]，但它们的作用机制并不相同，例如，离子载体(莫能菌素)通过控制瘤胃发酵(抑制产氢细菌)来降低甲烷的排放[4]；单宁通过去除原虫，减少原虫上附着的产甲烷菌来抑制甲烷的排放[6]。

大型海藻作为家畜饲料添加剂已经有悠久的传统，早在几千年前的古希腊时代，大型海藻就被应用为家畜饲料，全世界范围内都存在大量种类繁多的大型海藻。目前，只有少数几种类型的大型海藻被作为缓解反刍动物甲烷排放的饲料添加剂进行了试验研究[7]。近年来，研究表明，紫衫状海门冬、刺海门冬、马尾藻等大型海藻作为饲料添加剂添加到反刍动物饲粮中时，具有缓解甲烷排放的潜力。大型海藻中缓解甲烷排放的有效物质为海藻生物活性物质和次生代谢产物，其中的溴仿、褐藻多酚、多糖等物质被证实具有缓解甲烷排放的功能[8-9]。大型海藻缓解反刍动物甲烷排放量的效果与其在饲粮中的添加量呈正相关[10]。但是，大型海藻的添加量过大会引起反刍动物干物质摄入量下降、瘤胃消化率降低等问题，影响反刍动物的生产性能。

1 大型海藻的营养成分

全世界范围内的大型海藻主要分为红藻、褐藻、绿藻3种类型，其中最为常见的是褐藻。大型海藻作为反刍动物饲料添加剂，其营养价值存在差别较大，这主要是因为大型海藻的营养成分是高度变化的，大型海藻的营养成分受到大型海藻种类、收获季节和外部生长环境包括水温、光照强度、水中养分等因素影响[7]。

作为一种潜在的蛋白质饲料原料，其蛋白质含量并不稳定，在3种大型海藻中红藻的粗蛋白质含量最高，可达干物质的38.1%，绿藻次之，可达干物质的15.3%～18.6%，褐藻最低，为干物质的6.0%～16.6%[11]。一些种类的红藻，其粗蛋白质含量可以与豆粕等优质蛋白质原料处于相同水平。实际生产中，作为动物饲料添加剂和潜在的反刍动物蛋白质来源，还需要针对大型海藻类型和摄入量进行进一步的研究，以得到最佳的使用效果，避免反刍动物的生产性能受到负面影响。

大型海藻富含矿物质(包括碘和砷)，大型海藻的矿物质含量为陆生植物的10～20倍[12]，3种大型海藻中褐藻的矿物质含量最为丰富。此外，大型海藻还易于沉积重金属元素(铁、铝、锰和铜等)[12]。因此，饲喂大型海藻可能对反刍动物的健康造成负面影响，以及人类食用该类畜产品后会对自身健康造成一定负面影响。因此，需要定期检测大型海藻中的矿物质含量，防止家畜与消费者出现中毒等不良情况。

大型海藻中含有大量的中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维，红藻中的中性洗涤纤维含量最高(27.2% DM～43.1% DM)，普遍高于绿藻(15.3% DM～18.6% DM)和褐藻(16.6% DM～22.0% DM)[10]。大型海藻的细胞壁结构与陆地植物大有不同，其主要成分为海藻酸盐、纤维素、木聚糖和木葡聚糖。虽然结构上存在差异，但大型海藻中不同活性的多糖成分在反刍动物的消化系统中都会被碳水化合物活性酶发酵和水解，同时，大型海藻中多糖的生物利用度还具备降低瘤胃中甲烷生成的还原潜力[13]。

2 不同大型海藻减少甲烷排放的效果

截止到2016年，全球范围内水产养殖新鲜大型海藻产量超过3 000万t[14]。全球范围内大约有10 000种不同的大型海藻种类[15]，但只有少数的大型海藻种类作为缓解反刍动物甲烷排放的饲料添加剂被研究。大型海藻作为传统的动物饲料，展现出了缓解甲烷排放的潜力，大型海藻种类、添加剂量的不同，其缓解甲烷排放的潜力也不同。本文整理了不同大型海藻在体外瘤胃发酵试验中缓解甲烷排放的效果，见表1。

表1 不同大型海藻在体外瘤胃发酵试验中缓解甲烷排放的效果

1Types of large-sized seaweeds Names of large-sized seaweeds Additive dose Alleviation effect on methane emission References 5%DM↓12%[23]Furcellaria spp.0.5%DM↓10%[23]Gigartina spp.25%DM↓56%[24] 25%DM↓41%[24]16.6%OM↓42.6%[25]16.6%OM↓26.6%[25]Laurencia filiformis 16.6%OM↓40%[25]Brown seaweedsDictyota bartayresii 16.6%OM↓92%[25]Cystoseira trinodis 16.6%OM↓45.4%[25]Hormophysa triquetra16.6%OM↓43.7%[25]Sargassum flavicans 16.6%OM↓34.3%[25]16.6%OM↓50.3%[25]16.6%OM↓49.2%[25]11.1%DM ↓15%(24 h)[26]Zonaria farlowii5%DM↓11%[16]Green seaweeds 16.6%OM↓32.6%[25]16.6%OM↓39.8%[25]16.6%OM↓27.1%[25]16.6%OM↓66.3%[25]16.6%OM ↓10%[25]16.6%OM↓50.3%[25]U. ohnoi16.6%OM↓45.4%[25]

从表1中可以看出，红藻中的紫衫状海门冬可以在低添加量的情况下相较其他大型海藻更加有效地缓解甲烷的排放；在相同添加量的情况下，褐藻中的Dictyotabartayresii缓解甲烷排放的效果优于其他褐藻和绿藻；总的来看，绿藻缓解甲烷排放的效果相比红藻和褐藻要差。

3 大型海藻中缓解甲烷排放的主要活性物质及其作用机制

作为传统饲料资源，国内外科研人员针对大型海藻的营养和生化价值展开了许多的研究。大型海藻以富含蛋白质、矿物质、纤维素闻名，同时，大型海藻中还富含许多生物活性物质，并且其细胞壁中还含有微量的次生代化合物[27-28]，包括碘、溴仿、单宁、褐藻多酚以及溴氯甲烷等。这使大型海藻具备了抗菌、抗病毒等特性[29]，其中大型海藻中的生物活性物质缓解甲烷排放的特性在近些年得到广泛关注。本文中整理了3种类型大型海藻中的主要活性物质，见表2。

表2 3种类型大型海藻中的主要活性物质

3.1 大型海藻缓解甲烷排放的主要活性物质

3.1.1 溴仿

反刍动物瘤胃内的产甲烷古菌主要通过3条营养途径排放甲烷，包括氢营养途径、解乙酸途径和甲基营养途径(图1)，这3条途径的最后1步反应均是甲基辅酶M被甲基辅酶M还原酶还原成甲烷，而溴仿(图2)作为缓解甲烷生成的抑制剂，其作用机制被认为是与维生素B12反应竞争性抑制甲基辅酶M还原酶，最终阻断甲烷生成的反应[32]。

图2 溴仿的结构式

在体外瘤胃发酵试验中，溴仿添加量达到发酵底物中有机物的2.0%时，缓解甲烷排放的效果最佳，对甲烷排放的抑制率达到98.9%[10]。在28 d的饲养试验中，溴仿能够增加荷斯坦阉公牛平均日增重(ADG)，屠宰后在胴体中并未检测到溴仿的残留，并不影响牛肉品质的客观评价，包括肉质颜色、风味、嫩度、多汁性、消费者感官评价等[11]。

红藻中具有丰富的抗甲烷卤化物资源，包括溴仿、二溴氯甲烷、溴氯乙酸、二溴乙酸和二氯甲烷，其中溴仿的含量最高，尤其是在紫衫状海门冬与刺海门冬这2种红藻之中，溴仿的含量最为丰富(1 723 μg/g DM)[34]。研究表明，紫衫状海门冬中起到缓解甲烷排放作用的有效物质为卤素化合物中溴仿。当使用紫衫状海门冬作为反刍动物饲料添加剂缓解甲烷排放时，溴仿还可以降低瘤胃内乙酸的产量，并提高瘤胃内丙酸的产量，由此降低瘤胃内乙丙比(A∶P)。瘤胃内丙酸的生成需要利用氢气(H2)作为底物，甲烷的生成同时也需要H2作为底物还原二氧化碳(CO2)，二者形成竞争，当丙酸的生成量增多时，生成甲烷的底物减少，可以竞争性抑制甲烷生成的还原反应，从而缓解甲烷的排放[11]。

在体外瘤胃发酵试验中，以有机物底物0、2.0%、4.0%的剂量添加紫衫状海门冬或刺海门冬时，添加量的越大，缓解甲烷排放的效果越好[35]。与其他缓解甲烷的排放策略不同的是，低添加量的紫衫状海门冬(占饲粮有机物的0.05%～0.20%)并不会对肉牛的干物质摄入量、瘤胃消化率等造成影响，对肉牛的生产性能也没有负面影响；但在奶牛高采食量情况下，添加占饲粮有机物1.0%的刺海门冬时，奶牛瘤胃甲烷产量降低67.2%，干物质摄入量降低38%，产奶量降低11.6%[22]。由此可知，添加刺海门冬作为奶牛饲料添加剂时，在降低奶牛甲烷排放的同时会降低奶牛的生产性能。

3.1.2 褐藻多酚

褐藻由于体积大、覆盖面积广，作为反刍动物饲料原料得到了更广泛的研究，但其作为缓解甲烷生成的饲料添加剂的效果相比于红藻较差。有研究证明，褐藻之一的Dictyotabartayresii作为反刍动物饲料添加剂时可降低瘤胃内53.2%的总产气量和92%的甲烷产量[25]。

褐藻中主要起到抑制反刍动物甲烷排放作用的物质为褐藻多酚[36-37]。褐藻多酚广泛存在于褐藻中，其在褐藻干物质中的含量可达20～140 g/kg，在泡叶藻和墨角藻这2种褐藻中含量较高，分别可达到干物质的14%和12%[38]。褐藻内褐藻多酚的含量与所处季节、褐藻生长阶段以及褐藻不同部位都存在关联。褐藻在自然界中可以通过褐藻多酚的作用来免受紫外线的辐射，同时褐藻多酚还可以通过增加旁路蛋白的数量减少微生物对饲料颗粒的附着，减少纤维在瘤胃内的降解，防止蛋白质降解，提高反刍动物对氮的利用效率[38]。

褐藻多酚的基本单位为间苯三酚(1-，3-，5-三羟基苯)[29]，其存在多种结构式(图3)。褐藻多酚类似于缩合单宁，单宁可以作为反刍动物饲料添加剂，通过减少瘤胃内原虫的数量来缓解瘤胃内甲烷的排放，但褐藻多酚缓解甲烷排放的具体作用机制还有待研究，现有的被接受的观点褐藻多酚对瘤胃内产甲烷过程的底物起到抑制作用[39](促进瘤胃内丙酸的合成途径，减少产甲烷菌可利用的氢)、抑制酶的作用[40]和直接抑制瘤胃内特定的产甲烷微生物的活性[41]。

Vissers等[42]通过24 h体外瘤胃发酵试验表明，从掌状海带中提取的褐藻多酚降低了蛋白质消化率和40%的甲烷排放量。岩衣藻同样富含褐藻多酚，在体外瘤胃发酵试验中，岩衣藻粉降低了甲烷产量，并增加了蛋白质的降解率和中性洗涤纤维的消化率，在低能量饲粮条件下更有利于饲料消化率的提升。

褐藻被证实有作为饲料添加剂缓解甲烷排放的潜力，但因其种类以及褐藻多酚含量的不同，可能会降低反刍动物的干物质摄入量、蛋白质消化率，减少动物体重增长，以及减少反刍动物体内酶活性，所以要进一步研究其适宜的添加种类和最佳的添加剂量，在确保不影响反刍动物生产性能的情况下，达到最好的缓解反刍动物甲烷排放的效果。

3.2 大型海藻缓解甲烷排放的作用机制

大型海藻缓解甲烷生成的过程中会对瘤胃内微生物造成影响，其中主要是抑制产甲烷菌减少甲烷的排放。

Roque等[20]研究表明，在体外瘤胃发酵试验中，当紫衫状海门冬的添加量达到有机物的5%时，与不添加大型海藻的空白对照组相比，在对挥发性脂肪酸的产量没有显著影响的情况下，瘤胃甲烷的排放量降低了95%；高通量16S rRNA基因扩增子测序表明，在试验处理3 d后，试验组的发酵罐中，产甲烷菌的相对丰度显著降低，对瘤胃内其他微生物的相对丰度没有显著影响。综上可知，紫衫状海门冬对瘤胃内产甲烷菌的代谢功能具有直接影响，在短时间内就可起到缓解甲烷排放的作用。与其他饲料添加剂相比，紫衫状海门冬缓解甲烷排放的作用效果更显著，达到同等效果所需的添加量更低。

Belanche等[36]研究发现，占有机物5%添加量的岩衣藻、掌状海带使产甲烷菌的数量降低，原生动物的数量减少，但细菌与厌氧真菌的数量并没有受到影响。Roque等[20]的试验结果显示，岩衣藻与掌状海带均以占有机物5%的剂量添加至饲粮中，对瘤胃发酵、饲料降解率和甲烷排放量均无显著影响，对细菌和厌氧真菌的总数、瘤胃内主要细菌属和产甲烷菌的生物多样性指数与相对丰度均没有显著影响。造成这种结果的原因可能是因为此次试验的周期仅有18 d，试验周期较短，2种褐藻还未对产甲烷菌在内的瘤胃微生物的相对丰度、群落组成等因素造成较明显影响，导致对缓解甲烷的排放效果同样不显著。

Kinley等[45]在安格斯阉牛的饲粮中分别添加占饲粮有机物0、0.05%、0.10%、0.20%的紫衫状海门冬，进行周期为90 d的饲养试验，结果显示，与对照组相比分别缓解了9%、38%、98%的瘤胃甲烷排放，所有组别之间瘤胃内总挥发性脂肪酸的产量无显著差异；随着紫衫状海门冬添加剂量的提升，乙酸产量减少，丙酸产量增加，分别使乙丙比降低了14%、29%、35%。正如前文所述，紫衫状海门冬的添加改变了瘤胃的发酵模式，促进瘤胃内相关细菌利用瘤胃内的氢生成丙酸。在生产性能方面，90 d饲养试验结束后，在添加量分别为0.10%、0.20%的试验组中，安格斯阉牛的平均日增重分别提高了51%、42%[45]。

对于现有已经被证实具有缓解反刍动物甲烷排放能力的大型海藻，其长期作为饲料添加剂饲喂给反刍动物，瘤胃内微生物，尤其是产甲烷菌是否会逐渐适应大型海藻中缓解甲烷排放的有效物质等一系列问题，还有待后续进行相关的试验探索。

图3 褐藻多酚的多种结构式

4 小结与展望

大型海藻作为一种有潜力的反刍动物饲料添加剂，其除可以满足反刍动物一部分日常所需的营养物质如蛋白质、纤维素和矿物质等外，还具备降低甲烷排放、抗氧化、抗炎症、抗菌[29]等生物功能，在反刍动物生产中具有独特的价值。

大型海藻作为饲料添加剂，所提供的卤代甲烷类似物与褐藻多酚等生物活性化合物，在对反刍动物瘤胃发酵无明显负面影响前提下，为缓解甲烷排放提供了一个具有潜力的全新方案。在体外瘤胃发酵试验中，红藻和褐藻相较于绿藻，展现出了较好的缓解甲烷排放的潜力，其中红藻之中的紫衫状海门冬的潜力最大。但是此种大型海藻目前还难以做到商业化供应，在未来如何大面积推广种植、简化收割方法、减少储存和运输途中的浪费、提高其经济效益将是这种红藻所面临的主要问题。此外，目前大型海藻中的生物活性化合物缓解甲烷排放的具体作用机制和通路还有待研究，大型海藻长期的添加使用对瘤胃的发酵功能、微生物种群变化的影响也有待进一步研究。

任何缓解反刍动物甲烷排放的策略，都必须要满足可持续性、实用性与经济性，在后续的研究中可进行针对性筛选，选出既具有良好缓解甲烷排放效果又适合大面积推广种植的大型海藻种类，并对其最佳的添加剂量、对瘤胃内微生物和瘤胃发酵参数影响的等方面进行研究，在保证生产性能不受负面影响或提高生产性能的情况下，最大程度地缓解反刍动物甲烷排放。