阿克醇的來(lái)源、測(cè)定方法及其與甲烷的關(guān)系

■張春華 孫海洲 李勝利 趙存發(fā) 張崇志 桑 丹 金 鹿 珊 丹 凌樹(shù)禮 任曉萍

（內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特 010031）

反芻動(dòng)物養(yǎng)殖過(guò)程中排放的甲烷（CH4），不僅造成飼料能量的損失和飼料資源的浪費(fèi)，而且對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境產(chǎn)生污染，成為重要的溫室氣體排放源，并嚴(yán)重影響我國(guó)畜牧業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展。因此，研究如何降低反芻動(dòng)物生產(chǎn)中甲烷的排放成為畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前，測(cè)定甲烷排放量的技術(shù)主要有：六氟化硫（SF6）示蹤法、呼吸代謝裝置測(cè)定技術(shù)、體外產(chǎn)氣法、CO2示蹤技術(shù)、模型化方法、微氣象測(cè)定技術(shù)、生物指示物法等，還有很多種方法正在發(fā)展過(guò)程中。其中，SF6技術(shù)由于具有較高的可變性而不適合用于比較個(gè)體動(dòng)物的甲烷排放量[1]。呼吸代謝裝置測(cè)定技術(shù)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且不能應(yīng)用于放牧動(dòng)物甲烷排放量的測(cè)定。其他方法或者需要大型儀器設(shè)備、或者試驗(yàn)周期較長(zhǎng)、或者容易受環(huán)境條件的影響，都存在著一些不足。因此，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便快捷的測(cè)定反芻動(dòng)物甲烷排放量的技術(shù)，對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)定反芻動(dòng)物內(nèi)源甲烷排放量、篩選有效的減排技術(shù)措施具有重要意義。目前，國(guó)外介紹了一種測(cè)定甲烷排放量的方法，主要通過(guò)測(cè)定反芻動(dòng)物糞中產(chǎn)甲烷菌膜脂物質(zhì)阿克醇（archaeol）含量來(lái)預(yù)測(cè)甲烷排放量。已有的研究表明，糞中阿克醇含量與甲烷產(chǎn)量之間的相關(guān)性不是很強(qiáng)，差異顯著（r=0.55，P＜0.05）[2]；但Mc-Cartney等[3]的研究結(jié)果得出糞中阿克醇含量與甲烷產(chǎn)量之間存在著顯著的正相關(guān)。那么糞中阿克醇含量與甲烷產(chǎn)量之間到底存在著什么樣的相關(guān)關(guān)系，目前有關(guān)這方面的研究比較少。本文主要綜述了阿克醇的結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生過(guò)程、測(cè)定方法以及與甲烷產(chǎn)量之間的關(guān)系，為最終建立通過(guò)測(cè)定糞中阿克醇含量來(lái)預(yù)測(cè)反芻動(dòng)物內(nèi)源甲烷產(chǎn)量的方法提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 阿克醇的結(jié)構(gòu)

阿克醇為產(chǎn)甲烷古細(xì)菌膜脂，化學(xué)名稱為1,2-雙植烷酸甘油（2,3-diphytanyl-O-sn-glycerol），其分子結(jié)構(gòu)由聚異戊二烯鏈與極性頭部通過(guò)醚鍵連接而構(gòu)成，它的分子結(jié)構(gòu)式詳見(jiàn)圖1。

圖1 阿克醇分子結(jié)構(gòu)[4]

2 阿克醇的產(chǎn)生過(guò)程

2.1 產(chǎn)甲烷菌的脂質(zhì)結(jié)構(gòu)

人或動(dòng)物胃腸道中可以產(chǎn)生甲烷的微生物稱作產(chǎn)甲烷菌，產(chǎn)甲烷菌都屬于原核生物中的古細(xì)菌。產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生的甲烷是瘤胃發(fā)酵能損失的主要原因，可導(dǎo)致反芻動(dòng)物高達(dá)6%～15%的總能量以甲烷排放的形式損失掉。古細(xì)菌的極性脂質(zhì)有別于真細(xì)菌和真核生物的正常脂質(zhì)，是以植烷醇結(jié)構(gòu)為特征。真細(xì)菌和真核生物的極性脂質(zhì)主要是由兩條直鏈脂肪酸通過(guò)酯鍵（-CO-O-）與甘油分子結(jié)合而形成軟脂酸鹽（palmitate）。在古細(xì)菌種系未發(fā)現(xiàn)之前，這種脂質(zhì)是所有生物所共有的特征，這種脂質(zhì)通常稱為正常脂質(zhì)。其后的研究發(fā)現(xiàn)，極端嗜鹽細(xì)菌和嗜熱嗜酸菌的極性脂質(zhì)與正常脂質(zhì)不同，雖然它們的脂質(zhì)也是由甘油和兩條長(zhǎng)鏈烴類結(jié)合而成，但甘油和長(zhǎng)鏈烴之間的結(jié)合是通過(guò)醚鍵（-O-）而不是酯鍵，并且這種烴鏈不是直鏈，而是支鏈，其鏈中每隔4個(gè)碳原子就有一個(gè)甲基（-CH3）。這種支鏈甘油醚的極性脂質(zhì)結(jié)構(gòu)是古細(xì)菌的最基本特征，這一結(jié)構(gòu)稱為植烷醇（phytanol），即古細(xì)菌脂質(zhì)（archae bacterial lipid）。真細(xì)菌和真核生物膜脂質(zhì)通常是由一個(gè)磷酸鹽頭連接到甘油主鏈的sn-1,2位置酯化成?；?，而古細(xì)菌膜脂質(zhì)是由磷或磷糖頭連接到甘油主鏈的sn-2,3位置形成二烷基甘油醚（DAGE）脂質(zhì)。

研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)甲烷菌的膜脂質(zhì)與極端嗜鹽菌和嗜熱嗜酸菌的膜脂質(zhì)一致，主要是由甘油二醚、四醚、大環(huán)醚和羥基醚（sn-3和sn-2羥基醚）所構(gòu)成[5]，所有古細(xì)菌的膜脂質(zhì)均含有共同的甘油醚脂類結(jié)構(gòu)，這也成為了在種系發(fā)生上古細(xì)菌不同于真細(xì)菌和真核生物的重要標(biāo)志之一。產(chǎn)甲烷細(xì)菌膜脂質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本骨架主要為：阿克醇、卡克醇（caldarchaeol）、馬克醇（macrocyclic archaeol）和?？舜迹╤ydroxyarchaeol），其中，植烷醇甘油二醚為阿克醇，二植烷醇二甘油四醚為卡克醇，大環(huán)醚為馬克醇，羥基醚為?？舜迹譃閟n-3?？舜己蛃n-2海克醇，具體基本結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2。阿克醇（2,3-diphytanyl-O-sn-glycerol）是最簡(jiǎn)單的甘油醚，廣泛分布在古細(xì)菌中。

圖2 產(chǎn)甲烷細(xì)菌的五種基本脂質(zhì)結(jié)構(gòu)[5]

2.2 阿克醇的來(lái)源

研究證實(shí)，阿克醇主要是日糧在通過(guò)反芻動(dòng)物消化道內(nèi)經(jīng)過(guò)消化，在糞中可檢測(cè)到，在其他草食動(dòng)物的糞中則沒(méi)有發(fā)現(xiàn)阿克醇[6]，在動(dòng)物日糧中也沒(méi)有被檢測(cè)到。為此，Mould等[7]對(duì)其進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)阿克醇最可能是由瘤胃中的原核生物所產(chǎn)生，且數(shù)量要高于后腸道或糞中，Lin等[8]采用16s RNA法發(fā)現(xiàn)瘤胃中由產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生的阿克醇的濃度要高于動(dòng)物后腸道所產(chǎn)生的阿克醇的濃度，進(jìn)一步證實(shí)了阿克醇主要是在反芻動(dòng)物的瘤胃中由產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生，通過(guò)消化道隨糞樣排出。

3 阿克醇的測(cè)定方法

阿克醇含量的定量測(cè)定主要采用氣相色譜質(zhì)譜法（GC-MS）。首先采集反芻動(dòng)物新鮮糞樣，于65℃烘箱中烘干72 h，研磨過(guò)0.8 mm篩制成風(fēng)干樣以備分析；其次，采用改進(jìn)的單相提取方法[9]取糞樣中的總脂肪含量，通過(guò)酸性甲酯化反應(yīng)去除總脂肪的極性頭部基團(tuán)，采用柱層析法得到醇部分；最后，對(duì)醇部分進(jìn)行三甲基硅基化衍生化后（溶劑為乙酸乙酯），就可以采用氣相色譜質(zhì)譜儀對(duì)其進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比內(nèi)標(biāo)1,2-雙二十六烷基甘油（1,2-di-O-hexadecyl-racglycerol）就可對(duì)阿克醇進(jìn)行定量分析。

4 阿克醇含量與甲烷產(chǎn)量的關(guān)系

日糧結(jié)構(gòu)顯著影響著動(dòng)物所產(chǎn)生的甲烷產(chǎn)量[1，10]。動(dòng)物采食高粗料飼糧，其甲烷產(chǎn)量顯著高于采食高精料日糧。Johnson等[11]分析了奶牛日糧精粗比與甲烷產(chǎn)量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)采食高精料日糧后奶牛排放的甲烷量明顯少于采食高粗料日糧，原因主要為：精料在通過(guò)瘤胃時(shí)具有較高的流通速率、丙酸產(chǎn)量增加[11]、瘤胃中較低的pH值環(huán)境可直接抑制產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)生量[12]等。阿克醇是日糧在通過(guò)動(dòng)物胃腸道中產(chǎn)生的，屬于產(chǎn)甲烷菌膜脂質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)定糞樣就可測(cè)定出阿克醇的含量[6]。研究表明，雖然動(dòng)物日糧搭配方式顯著影響甲烷的產(chǎn)生，但糞中阿克醇含量與甲烷產(chǎn)量之間的相關(guān)性不是很強(qiáng)（r=0.55，P＜0.05），原因可能是該實(shí)驗(yàn)中所使用的SF6技術(shù)存在實(shí)驗(yàn)誤差，或者瘤胃中產(chǎn)甲烷菌并非都來(lái)源于古細(xì)菌等因素造成的[2]。另有研究表明，甲烷產(chǎn)量與瘤胃中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量之間的相關(guān)性不是很強(qiáng)，原因可能是對(duì)瘤胃中古細(xì)菌種群的估計(jì)可能存在較大的實(shí)驗(yàn)誤差而造成的[13]。但最新一項(xiàng)研究表明，糞中阿克醇含量與甲烷產(chǎn)量之間存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系[3]。

對(duì)于非反芻草食動(dòng)物，諸如馬、斑馬、象、犀牛來(lái)說(shuō)，其胃腸道中的產(chǎn)甲烷菌也產(chǎn)生阿克醇，但由于所產(chǎn)生的阿克醇含量低于采用該種方法進(jìn)行檢測(cè)的檢測(cè)限，所以采用這種方法在糞中檢測(cè)不到阿克醇的含量。目前發(fā)現(xiàn)，影響阿克醇含量、瘤胃中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量和甲烷產(chǎn)量之間關(guān)系的其它因素還包括瘤胃中古細(xì)菌的可選擇性保留，造成每個(gè)細(xì)胞中阿克醇含量產(chǎn)生差異的產(chǎn)甲烷菌群物種組成差異，DAGE過(guò)瘤胃消化差異、非產(chǎn)甲烷古細(xì)菌產(chǎn)生阿克醇的含量等。目前，國(guó)外有關(guān)反芻動(dòng)物和非反芻動(dòng)物糞中阿克醇含量與甲烷產(chǎn)量關(guān)系的文獻(xiàn)報(bào)道的比較少，國(guó)內(nèi)則沒(méi)有這方面的研究報(bào)道。因此，有關(guān)糞中阿克醇含量、瘤胃中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量和甲烷產(chǎn)量三者之間的關(guān)系還需做更深入的研究。

5 小結(jié)

目前，測(cè)定動(dòng)物機(jī)體甲烷排放量的方法雖然很多，但每種方法都有其局限性。阿克醇是瘤胃中產(chǎn)甲烷菌膜脂質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)定動(dòng)物糞中阿克醇的含量就可預(yù)測(cè)出甲烷產(chǎn)量。雖然不同的學(xué)者對(duì)反芻動(dòng)物糞中阿克醇含量與甲烷產(chǎn)量之間的相關(guān)關(guān)系得出的結(jié)果不一致，但都表明二者之間存在著一定的相關(guān)性。目前，該方法是否能在我國(guó)反芻動(dòng)物生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行推廣應(yīng)用，還需通過(guò)對(duì)我國(guó)的反芻動(dòng)物的糞中阿克醇含量、瘤胃中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量和甲烷產(chǎn)量之間的相關(guān)關(guān)系做進(jìn)一步驗(yàn)證。