瘤胃微生物发酵产生甲烷的研究进展

瘤胃微生物发酵产生甲烷的研究进展 27 2/2O04 青海畜牧兽医杂 Chin — e —— s —— e ———— Q—— i — n —— g—— h —— a —— i——— J—— o — u — rn — alo — f— An — im — alandV , eter — i —— n —— a —— r — y—— S——— c — i — e — n — c —— e — s — 瘤胃微生物发酵产生甲烷的研究进展 张辉 (青海大学农牧学院,西宁,810003) 34卷2期 Vo1.34.No.2 摘要:甲烷是影响地球气候以及反刍动物饲料能量损失的重要气体之一.甲烷的 反刍动物是 1,4源于畜牧业生产, 主要生产者.本文综述了影响反刍动物甲烷产量的因子,估计甲烷产和降低甲烷产 量的方法. 关键词:夏刍动物;甲烷 中图分类号:$8163文献标识码:A文章编号:1003.7950(2O04)O2.01327—02 反刍动物瘤胃微生物发酵产生甲烷(C}{4)的过程,实际上 是营养物质的浪费过程,它造成能量损失.大量研究表明…, 依据饲养水平,饲粮组成,消化率的不同,以甲烷形式损失的能 量约占饲料总~g(CE)的2%,15%.因此,研究反刍动物瘤胃 甲烷的产量以及如何抑制,与提高饲料利用率密切相关.可通 过改变电子流等形式.使更多的能量和碳变成反刍动物可利用 的挥发性脂肪酸. 最近,人们发现甲烷在地球变暖和臭氧层破坏方面发挥着 重要作用.甲烷在吸收红外线能量方面比C02更有效.虽然 在大气中甲烷的含量非常低,但是,它对地球变暖的作用不可 忽视.Johnson等估计,进入大气层的甲烷总量为400,600× IOg,a,家畜产生的q1烷总量估计为80×102a,其中绝大部分 来源于反刍动物.他们建议,地球变暖效果的2%是由家畜产 生的甲烷引起的.因此,为了提高饲料利用率,减少甲烷对大 气层的影响,有必要找到一有效的降低反刍动物甲烷产量的方 法.本文对近年来关于反刍动物瘤胃甲烷的产生,产量估计和 降低方法进行了综述. 1胃肠道发酵 有机物在厌氧条件下转化成甲烷,涉及瘤胃微生物的互 作.产甲烷菌影响关键步骤,微生物(包括细菌,纤毛虫和真 菌)水解蛋白质,淀粉,细胞壁成分(CWC)产生氨基酸和糖,进 一 步发酵成VPA,和C0.然后,产甲烷菌利用}{2(80%)和 甲酸盐(10%)作为底物合成甲烷释放到大气层,同时产生的乙 酸盐,丙酸盐和丁酸盐积累在瘤胃. 通过产甲烷菌保持部分氢化酶的活力,减少C0的的 形成,这样就可以避免形成乳酸盐或乙醇作为主要终产物,从 而形成更多的乙酸盐.甲烷产生过程(cQ+4H一C}L+ 2}{,0)中自由能的变化可忽略,形成的A11)可用于维持产 甲烷菌的生长,繁殖,瘤胃产生的甲烷量在很大程度上依赖于 动物的品种,生产用途和饲料.奶牛产生的甲烷量为200 400~d,生长育肥牛为70,2ooega.发酵的饲料类型,通过影响 瘤胃pH和微生物种群来影响甲烷的产量.CWC发酵产生的乙 /丙比率,甲烷损失都比精料高.Moe等发现,可溶性碳水化 合物发酵产生的甲烷量比CWC低.饲喂高精料饲粮,例如,DM 为80%90%,肉牛甲烷产量比中等饲养程度低25%. 2影响甲烷产量的因素 2.1饲料类型和采食量反刍动物自由采食富含淀粉或可溶 性碳水化合物的饲粮,诸如葡萄糖,丙酸产量趋于增加,甲烷产 量和Z./丙比例下降.瘤胃发酵模式的改变是由瘤胃发酵速率 增加引起的,导致产生丙酸而非甲烷.此外,饲喂可溶性碳水 化合物或淀粉,导致瘤胃pH比饲喂牧草时更低,发酵速率更 高,可抑制产甲烷和瘤胃纤毛虫,提高丙酸产量.饲喂可完全 消化的纤维源(消化率接近100%),如甜菜渣,甲烷损失可降低 至GE采食量的4%,5%,Moe和Tyrrell指出,饲喂碳水化合 物的性质影响甲烷产量. 当采食量提高到维持需要的两倍时,甲烷总产量增加,但 收稿日期:2003—12—23 是,以甲烷形式损失的能量,随饲料消耗(采食量)增加每单位 下降12%,30%【6J.自由采食高谷物饲粮(I>90%精料),甲烷 损失降低至GE采食量的2%,3%,在维持水平条件下,添加易 发酵碳水化合物(即禾谷籽实),引起纤毛虫数量增加,纤毛 虫与产甲烷菌共生,在维持水平下饲喂谷物,甲烷产量的增加, 可能是由于在这些微生物之问H,转移的增加. 2.2饲料加工和保存成熟阶段,保存方法,化学处理和物理 加](如切碎,碾碎,制粒)影响每单位消化牧草的甲烷产量,反 刍动物饲喂成熟牧草甲烷产量比干制,青贮高.各种处理方法 对饲料养分消化率均产生影响,其程度视动物种类不同而有差 异粗饲料用酸碱处理有利于反刍动物对纤维性物质的消化; 凡有利_『瘤胃发酵和微生物繁殖的因素,皆能提高反刍动物对 饲料养分的消化率.物理和化学处理都可以提高采食量,机械 处理提高采食主要是由于提高了饲料通过消化道的速率,化学 处理是由于发酵速率提高. 饲喂切碎的燕麦草以甲烷形式损失的能量比细磨或制粒 牧草高一用NaOH或NH3处理禾谷类秸秆,提高了阉公牛的甲 烷产量..结果认为,消化率降低或延缓饲料颗粒在瘤胃滞留时 间,一般可提高每单位牧草甲烷产量. 2.3饲料营养成分既然已知高粗纤维饲粮可刺激瘤胃微生 物区系的纤维分解菌一产甲烷菌种群,所以,人们希望通过凋 节粗纤维水平来控制甲烷产量,另一方面含有大量易发酵碳 水化合物饲粮的发酵模式转变成与消耗有关的丙酸合成过 程.五米淀粉替代4JD%纯纤维,甲烷产量下降至少30%J. 粗蛋白可解释总甲烷产量很少的原因(26g甲烷/l(g粗蛋 白),然而,这个值仅仅与可发酵能量比较,且饲粮可提供足量 的瘤胃可溶N.与粗蛋白质和碳水化合物比较,粗脂肪可显 着地降低甲烷产量(一212g甲烷/kg粗脂肪).脂肪和包括在粗 脂肪内的其它成分,绝大部分在瘤胃不发酵,特别是已知不饱 和脂肪酸抑制产甲烷微生物系统.同时,常规营养成分组成 中.粗纤维产生的甲烷量约占总c}L量60%,NFE约占30%,粗 蛋白仅占10%.通常情况下,饲粮脂肪含量非常低,因此,粗脂 肪对甲烷产量的影响不大. 3瘤胃产甲烷茵的抑制 人们 3.1抗生素和微生物制剂(益生素)在反刍动物饲养中,常添加抗生素作为促生长剂或抗乳酸中毒,抗生素也可影响甲 烷的产量,但效果不一致,存在下降,增加或无效三种结果?. 目前,已清楚的是阳性菌阿伏霉素和离子载体可抑制甲烷合 成,同时VFA模式转变成以牺牲乙,丙酸盐为代价,产生较高比 例的丙酸.离子载体能选择地影响瘤胃的某种微生物,而使微 生物的种类组成发生变化,因而影响发酵场所的发酵产物组 成.据报道?,反刍动物饲粮添加离子载体可降低甲烷产量0 — 25%. 体内试验表明,莫能菌素和拉沙里菌素不能长久地抑制产 甲烷菌.添加两周后对照组甲烷产量恢复.莫能菌素能降低 瘤胃内饲草残余物的外排速度,因此提高了CWC的消化率. 28 青海畜牧兽医杂志2004年第34卷第2期(总第17O期) 据报道],给肥育牛喂莫能菌素时计算出甲烷产量下降的55% 是由于采食量下降,剩余45%是由于瘤胃发酵特定效果所致. 离子载体能影响甲烷产量,可间接地使饲料效率提高5%. 最近有几个关于益生素对甲烷产量影响的研究.Frumhohz 等报道n引,每日添加250mg的米曲酶,没有培养底物,甲烷产量 下降50%,乙酸/丙酸(A/P)比率保持不变,但丁酸和戊酸盐增 加,伴随着原虫数目F降45%.由于产甲烷菌,纤毛虫和其它 细菌种群间的亲密关系,因此,微生物添加剂能改变微生物区 系组成,通过改变种群平衡,间接地降低甲烷产量.Mutsvangwa 等?体外试验给公牛饲喂酿酒酵母(1.5kt饲料),测定瘤胃 液甲烷产量,与对照组培养相比,培养l2h后试验组甲烷产量下 降10%,但是培养24h后,两组间甲烷产量无差异.迄今为止, 国内外关于益生素的研究,主要停留在应用效果的研究之上, 基础研究十分薄弱,对益生素的作用机制了解更少.由于试验 结果的不一致,因此,关于益生素对甲烷产量的影响,需进一步 研究. 3.2卤族化合物和衍生物在体外试验中,发现添加美兰, ,NAD,硝酸盐,亚硫酸盐,可抑制产甲烷菌?引,此外,作为可 选择的电子受体亚硫酸盐,对产甲烷菌有毒性作用,每日给绵 羊瘤胃灌服10gNa2,导致甲烷产量下降65%.然而,它的效 果非常短暂,添加5h之后,由于添加化合物被还原或吸收,甲烷 产量几乎完全恢复.甲烷产量下降伴随着VFA模式的改变,乙 酸量下降,丙酸和丁酸量增加.在实际应用上,大多数可供选 择电子受体的影响不是十分明确. 3.3补充脂肪有几个机理可解释给反刍动物饲粮中添加脂 肪对甲烷产量的影响.(1)不饱和脂肪酸生物氢化作用,(2)丙 酸产量增加,(3)原虫的抑制作用.脂肪和包括在粗脂肪内的 部分化合物,大部分在瘤胃不被微生物发酵,特别是已知不饱 和脂肪酸可抑制产甲烷菌微生物系统.这样,甲烷产量的降低 可能是由于可发酵底物的下降,而非其对产甲烷菌的直接影 响. 反刍动物的典型饲粮一般含有2%3%脂肪,饲粮脂肪含 量提高至5%对瘤胃细菌无损害作用.依据动物生产性能一般 在实际应用时添加2%3%脂肪或FA,添加未保护的脂肪源 能满足日产奶量1724kg的奶牛需求,若产奶量超过25kg,需 添加保护脂肪源,而产奶量低于17kg时,不必补充任何种类脂 肪.如果与其它成分比较,依据等能原则,脂肪价格便宜,可考 虑应用. 3.4微生物区系研究表明",产甲烷菌大量吸附于纤毛虫 上,它们之间是一种兼性关系,纤毛虫对产甲烷菌的产生有促 进作用,并且已证明原虫是瘤胃内主要的产甲烷微生物.当细 菌的氢供应不足时,产甲烷菌就将自己吸附于几种纤毛虫上. 给反刍动物饲粮补充ZnSO4的试验可以说明瘤胃去纤毛虫的 效果.补充ZnSO4可显着地降低甲烷产量,但是,纤维素在瘤胃 的消化率也下降.当纤维分解菌和纤毛虫同时存在时,无论体 内还是体外的纤维素消化率都最大.因此,去纤毛虫甲烷产量 的降低,与纤毛虫瘤胃发酵下降有关. Jouany等指出,象其它形式调控一样,去纤毛虫有一系列 的相互联系,影响整个瘤胃的发酵.Williams等"综述了去瘤 胃纤毛虫对动物生产性能的影响.纤毛虫在反刍动物营养代 谢过程中,具有正反两方面的作用.指出对体增重和饲料转化 率而言,存在增加,降低或无效三种结果.但在所有试验中羊 毛的生长得到改善. 是否采用去原虫或保留原虫,应就不同日粮类型及寄主生 理状况等进行综合评定,适当控制或减少某些产甲烷菌,吸附 产甲烷菌的纤毛虫的数量.由于目前还无一令人满意的可完 全去除瘤胃纤毛虫的方法,因此,去纤毛虫的应用应被限制. 4甲烷产量的估计 人们试图从牛,绵羊采食的饲料量,类型来预测甲烷产量. Blaxte(17]建议,在维持水平条件下,牛,羊甲烷产量可用如下方 程估计.甲烷=3.67+0.62×DE(%),由于混合饲粮采食量的 增加,以甲烷形式损失的总能约为维持水平的3倍,可用如下 方程表示:b:0.054×DE(%)一2.26.反刍动物甲烷产量的变 化,可能是由摄入饲粮能量和饲料采食量的差异引起的.利用 统计关系,采食量作为唯一预测甲烷产量的指示剂时,基础不 牢靠.Moe和TyreU【4调查了饲粮组成,采食量和甲烷产量之间 的关系,建议,预测甲烷产量大多数有用的指示剂为可溶性残 渣,可消化的半纤维素和纤维素 甲烷(Mea1)=0.439+0.273?0.015×可溶性残渣(kg)+ 0.512?0.078×可溶性半纤维素+1.393()?0.097×纤维素 ()R2=0.67 人们预测牛甲烷产量来检测此方程的准确性,表明, 之后, Moe和Tyrell方程因包含有碳水化合物采食量,在预测奶牛甲烷 产量时,误差绝对值最低. 饲粮营养组成差异可以很好地解释甲烷产量不同的原因, 甲烷():63+79×粗纤维采食量(W/d)+10×无氮浸出物 (kg/d)×粗蛋白采食量(kg/d)+一2l2×粗脂肪采食量(d),此 研究利用粗营养成分作为回归变量,估计甲烷产量,粗纤维的 采食量是最重要的因子,纤维性物质的消化率(纤维素,半纤维 素,中性洗涤可溶物),可准确预测甲烷产量. 许多关于瘤胃的研究表明,瘤胃的所有反应,是一系列独 立反应整体的一部分,系统调控抑制某反应将导致不同的互作 响应.各种观点,诸如,化学饲料添加剂,饲料调控,认为都可 降低动物甲烷产量,但直到目前还无一令人满意的降低甲烷产 量的试剂,最现实和最经济的策略是:(1)饲喂动物高质量的粗 料或提高农副产品的营养质量;(2)补充饲料添加剂如,脂肪, 离子载体,改善动物遗传性能, 参考文献 [1]Hoher,J.B.andA.J.Young.Methaneproductionindryand lactatingHolsteinc【JJ.J.Dairyi.1992.72:2165. [2】Johnson,D.E.,T.M.Hill,B.R.Carmean,D.W.Ix)dmanand G.M.Ward.EnergyMetabohsmofFarmAnimals[JJ.199l:376.一379. 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