飼糧營養(yǎng)調(diào)控減少反芻動物甲烷排放研究進(jìn)展

孫福昱,南雪梅,唐志文,蔣林樹,熊本海*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 北京畜牧獸醫(yī)研究所動物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，北京 100193；2.北京農(nóng)學(xué)院奶牛營養(yǎng)學(xué)北京市重點(diǎn)實驗室，北京 102206)

溫室效應(yīng)是全球性的環(huán)境問題，主要由溫室氣體排放引起。與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的溫室氣體主要包括二氧化碳、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)三種。近年來，環(huán)境中溫室氣體的濃度逐漸增加，其中甲烷濃度已經(jīng)達(dá)到42萬年以來最高值，雖然甲烷的總量遠(yuǎn)不及大氣中CO2的總量，但甲烷所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是CO2的21倍[1]。甲烷存在于大氣層的壽命為12年[2]，最終在大氣中分解為CO2。聯(lián)合國糧農(nóng)組織報告顯示，10.5億頭牛排放的溫室氣體占全球總量的18%[3]。研究表明，牛、羊等反芻動物一年僅反芻和噯氣(不含呼吸)排放的甲烷換算成CO2當(dāng)量達(dá)到21.0×108t左右，每年全球反芻動物所產(chǎn)生的甲烷排放，約占每年人造甲烷的28%[4]。因此，關(guān)注和解決畜牧業(yè)甲烷排放問題是當(dāng)前畜牧業(yè)健康發(fā)展的重要議題。本文綜述了反芻動物甲烷排放研究進(jìn)展和甲烷減排的最新方法，以及海藻在降低反芻動物甲烷排放方面的應(yīng)用效果，以期為降低反芻動物甲烷排放、發(fā)展綠色畜牧業(yè)提供參考依據(jù)。

1 反芻動物甲烷生成機(jī)制概論

反芻動物甲烷主要是由瘤胃產(chǎn)甲烷菌通過多種機(jī)制產(chǎn)生，其化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，一般難以在體內(nèi)被消化和吸收利用，大多數(shù)以噯氣形式排出體外。瘤胃中的產(chǎn)甲烷菌有多個菌屬，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的有甲烷桿菌屬(Methanobacterium)、甲烷短桿菌屬(Methanobrevibacter)、甲烷微菌屬(Methanomicrobium)和甲烷八疊球菌屬(Methanosarcine)[5]。研究表明反芻動物飼喂的粗飼料特別是作物秸稈中未能有效降解消化吸收的纖維素和膠質(zhì)是反芻動物產(chǎn)生大量甲烷的元兇[6]。產(chǎn)甲烷菌生成甲烷的途徑可能有4種：一是以H2和CO2為底物還原生成甲烷；二是利用甲基化合物為底物，不成比例的甲醇分化路徑合成甲烷；三是通過甲酸脫氫酶將甲酸轉(zhuǎn)化成CO2和H2，隨后由途徑一進(jìn)行合成；四是通過乙酸、丁酸等異化反應(yīng)生成甲烷。大約80%的甲烷就是甲烷菌途徑生成，這4種途徑中，以H2和CO2為底物生成甲烷這一路徑為生成甲烷主要途徑，后幾種途徑甲烷生成量較少。

2 降低反芻動物甲烷生成的調(diào)控措施

減少反芻動物甲烷生成的渠道主要有以下三種：一是減少甲烷菌的數(shù)量，二是爭奪H2，將H2向其他物質(zhì)轉(zhuǎn)化，三是降低甲烷生成過程中酶的活性。這三個渠道都可以在營養(yǎng)方面進(jìn)行調(diào)控。在甲烷生成的營養(yǎng)調(diào)控方面，可通過改變?nèi)占Z種類，調(diào)節(jié)日糧的精粗比例或能量與蛋白的平衡，控制動物采食量，在飼料中添加各類飼料添加劑，或者通過添加化學(xué)物質(zhì)等調(diào)節(jié)瘤胃pH等途徑，減少代謝及轉(zhuǎn)化途徑的進(jìn)行從而降低甲烷的生成量。

2.1 選用合理的飼糧種類，優(yōu)化飼糧精粗比例

2.1.1 飼糧的碳水化合物類型影響甲烷產(chǎn)生 研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中可消化結(jié)構(gòu)性碳水化合物與瘤胃中甲烷產(chǎn)生量成正相關(guān)[7]，主要是指纖維素和半纖維素類，而淀粉和可溶性糖類等非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的發(fā)酵產(chǎn)物大部分是丙酸。而丙酸類物質(zhì)的生成過程中不僅不產(chǎn)生H2，而且還是H2的受體，從而減少甲烷產(chǎn)生。另外，適當(dāng)添加蛋白質(zhì)飼料，會降低瘤胃內(nèi)養(yǎng)分的降解速度[8]，抑制瘤胃發(fā)酵，從而提高胃腸道對養(yǎng)分的吸收效率，進(jìn)而降低甲烷排放。

2.1.2 優(yōu)化日糧精粗比例 增加日糧中精飼料的比例一方面會使得瘤胃液的pH降低，由此降低原蟲數(shù)量。而產(chǎn)甲烷菌與原蟲存在共生關(guān)系，使得產(chǎn)甲烷菌數(shù)量減少；另一方面，精飼料比例增高會減少瘤胃液中乙酸的產(chǎn)生[9]，從這兩方面作用可以使甲烷產(chǎn)量降低。但過高的精料比例會導(dǎo)致瘤胃酸中毒或亞急性酸中毒，影響動物健康。因此，如何在減少甲烷產(chǎn)生又不至于產(chǎn)生瘤胃酸中毒的前提下，優(yōu)化日糧中的精粗比成為調(diào)控的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.2 飼料原料加工工藝的影響

經(jīng)物理處理的秸稈可增加纖維物質(zhì)的分解程度，使細(xì)胞壁膨脹便于微生物纖維素酶和胃消化液滲入而易于消化。把握好飼料原料的收割期，對粗飼料原料進(jìn)行青貯、微貯或氨化等方式進(jìn)行加工處理后，制作日糧時可適當(dāng)提高精料水平，可降低甲烷產(chǎn)量[10]，從而進(jìn)一步提高飼料的利用率以及反芻動物的生產(chǎn)性能。經(jīng)青貯及黃貯兩種方式處理的玉米秸稈為基礎(chǔ)制作的TMR具有較好的發(fā)酵品質(zhì)。從飼料營養(yǎng)成分的角度來看，含氨化處理的玉米秸稈TMR顯著提高了玉米秸稈中粗蛋白含量。在甲烷生成量方面，青貯秸稈的TMR顯著低于黃貯秸稈的TMR。

2.3 飼料添加劑的影響

2.3.1 添加適量脂類添加劑 甲烷產(chǎn)量與日糧纖維素、半纖維素以及非結(jié)構(gòu)型碳水化合物的消化率呈正相關(guān)[11]，而日糧中添加脂肪和脂肪酸則可抑制產(chǎn)甲烷菌數(shù)目[12]，改變瘤胃甲酸、乙酸等VFA的比例，降低甲烷產(chǎn)生，提高飼糧的能量水平，改善動物生產(chǎn)性能。閆偉杰等通過直接測定甲烷產(chǎn)氣量的方法發(fā)現(xiàn)，與空白對照組比，給綿羊基礎(chǔ)日糧添加250 g/kg全棉籽、奶?；A(chǔ)日糧添加150 g/kg全棉籽，可以減少12%～14%的甲烷產(chǎn)氣量。原因可能有兩種，一是纖維素等養(yǎng)分被脂肪包裹,致使瘤胃微生物難以發(fā)生作用；另一種是脂肪的毒害作用使瘤胃微生物區(qū)系發(fā)生了改變，引起發(fā)酵特性的變化[11]。Dohme等[13]通過體內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，脂肪對瘤胃纖毛原蟲具有毒害作用，飼糧中添加椰子油會很大程度降低瘤胃中的纖毛原蟲數(shù)量，而大多數(shù)的甲烷菌依附在原蟲表面，與原蟲互利共生，因此驅(qū)除原蟲可間接導(dǎo)致甲烷菌的減少。Dohme等[13]還發(fā)現(xiàn)，甲烷菌通過與原蟲的種間氫傳遞將H2轉(zhuǎn)化成CH4，而有一些中鏈脂肪酸則會直接抑制產(chǎn)甲烷菌，從而降低CH4產(chǎn)生。

2.3.2 添加天然植物添加劑 研究發(fā)現(xiàn)，添加天然植物或植物提取物如單寧、皂苷等可以直接抑制或影響產(chǎn)甲烷菌的生理活性，改變瘤胃中發(fā)酵反應(yīng)的類型，降低飼料的降解率，減少底物中H2的產(chǎn)生，從而降低CH4的產(chǎn)量。Hu等[14]在以玉米和草餅為底物的體外發(fā)酵試驗中，添加不同水平的茶皂素，發(fā)現(xiàn)茶皂素不但顯著降低了原蟲的數(shù)目，抑制了甲烷的生成，而且不會影響瘤胃有機(jī)物的降解率和發(fā)酵模式。Guo等[15]在體外試驗中，研究了在瘤胃混合菌以及單種類甲烷菌條件下茶皂素對甲烷生成、微生物區(qū)系組成以及甲基輔酶 M 還原酶的影響，結(jié)果表明，只有在混菌條件下，茶皂素顯著地抑制了甲烷的生成、降低了原蟲的數(shù)目以及甲基輔酶 M 還原酶的基因表達(dá)量，但是甲烷菌的數(shù)量并沒有減少。Kamra等[16]發(fā)現(xiàn)，大蒜素對瘤胃微生物發(fā)酵也有一定影響，大蒜素的化學(xué)成分是三硫代烯丙醚類化合物，這種化合物對多種革蘭氏陽性和陰性菌均具有抑制效果，且具有降低胃內(nèi)亞硝酸鹽含量和抑制硝酸鹽還原菌的作用。初步研究表明，反芻動物飼料中添加大蒜素可顯著降低甲烷氣體產(chǎn)生[17]，具有可觀的應(yīng)用前景。但由于市場大蒜價格昂貴的現(xiàn)狀，實際推廣應(yīng)用的可能性較低。

2.3.3 添加抗生素 大多數(shù)的離子載體的本質(zhì)是抗生素，由細(xì)菌產(chǎn)生，能夠提高靶細(xì)胞對某些離子的通透性，從而提高通過微生物生物膜的離子流量，改變微生物代謝活動。通過添加離子載體抑制瘤胃原蟲和纖維分解菌的活性，可以間接地降低CH4產(chǎn)生。與此同時，離子載體還有利于產(chǎn)琥珀酸菌和丙酸菌的生長，從而使丙酸產(chǎn)量增加，提高飼料利用率和轉(zhuǎn)化效益。莫能菌素是目前為止應(yīng)用最為廣泛的抑制甲烷生成的離子載體類抗生素[18]，已被證實在奶牛飼糧中添加莫能菌素能夠有效地抑制CH4的生成，但也有相關(guān)報道指出，瘤胃壁可能會吸收莫能菌素，進(jìn)入到畜產(chǎn)品中，對食品安全構(gòu)成威脅，使得當(dāng)下對于莫能菌素的使用還處于爭議階段。

2.3.4 添加丙酸前體物質(zhì) 研究表明，瘤胃甲烷產(chǎn)量的降低往往會伴隨著丙酸含量的升高[12]，而在飼糧中添加一些丙酸前體物質(zhì)可以促進(jìn)瘤胃中的發(fā)酵類型往丙酸型發(fā)酵的方向轉(zhuǎn)移。丙酸前體物質(zhì)主要為延胡索酸和蘋果酸，添加延胡索酸和蘋果酸會使得瘤胃內(nèi)的優(yōu)勢菌群結(jié)構(gòu)平衡發(fā)生一定改變[19]，其他菌種與甲烷菌競爭性利用轉(zhuǎn)化H2，改變了瘤胃的發(fā)酵模式，從而抑制CH4生成。

2.3.5 使用多鹵素化合物抑制劑 鹵素化合物作為一種工業(yè)原料廣泛運(yùn)用到殺蟲劑領(lǐng)域。在飼糧中加入此類抑制劑會在短時間內(nèi)減少20%到80%左右的甲烷產(chǎn)出[20]，但逐漸會被產(chǎn)甲烷菌適應(yīng)，有待進(jìn)一步研究驗證。

2.3.6 添加微生物及微生物的代謝產(chǎn)物 乙酸生成菌、酵母菌能夠促進(jìn)乙酸生成菌利用H2和CO2生成乙酸進(jìn)而減少CH4產(chǎn)量[21]；細(xì)菌素[22]是細(xì)菌分泌的小肽或蛋白質(zhì)復(fù)合物，具有作為CH4抑制劑的潛力。但由于細(xì)菌素本質(zhì)上是小肽或蛋白質(zhì)復(fù)合物，它在體內(nèi)容易被各種蛋白酶消化分解，在體外可顯著降低甲烷的生成，持續(xù)處理可使培養(yǎng)物喪失產(chǎn)生甲烷的能力。細(xì)菌素的優(yōu)點(diǎn)是安全，并可通過基因操作引入到其他微生物中起到調(diào)控作用，缺點(diǎn)是容易被消化降解而失效。

2.3.7 添加pH緩沖劑 pH緩沖劑有碳酸氫鈉、氧化鎂、碳酸鈣等，降低pH，能有效縮小乙酸與丙酸的比值，對甲烷產(chǎn)生起到抑制作用[23]。

3 海藻減少反芻動物的甲烷排放

2014年以來，澳大利亞多個科研團(tuán)隊對海藻降低瘤胃甲烷排放做了大量研究。Machado等[24]研究發(fā)現(xiàn)，不同海藻的減排能力不同，在飼糧中添加部分種類的海藻，瘤胃的甲烷排放量最少能夠減少20%以上，最多可減少高達(dá)99%。另有研究發(fā)現(xiàn)，僅在飼糧中添加少量紅藻(產(chǎn)于澳大利亞北部)，便能夠降低近100%的反芻動物瘤胃甲烷排放[25-26]，這一發(fā)現(xiàn)引起廣泛關(guān)注。此外該研究團(tuán)隊還評估了20種熱帶大型藻類在體外發(fā)酵的總氣體量(Total Gas Production，TGP)和甲烷產(chǎn)量參數(shù)[27]。體外發(fā)酵使用長期飼喂劣質(zhì)粗飼料的牛瘤胃液進(jìn)行，不同藻類作為試驗組底物，脫殼棉籽粕作為對照組底物，在體外發(fā)酵72 h，連續(xù)監(jiān)測氣體產(chǎn)量。試驗結(jié)果顯示，所有試驗組的TGP和CH4產(chǎn)量均低于對照組。相比于對照組，淡水藻、綠色海藻、褐藻以及紅藻TGP分別減少13.99%、20.90%、26.16%、28.95%；CH4產(chǎn)量分別減少18.6%、38.76%、52.49%、51.94%。20種藻類中，褐藻網(wǎng)地藻和紅藻海門冬具有最強(qiáng)的效果，抑制TGP分別為53.2%和61.8%，抑制CH4產(chǎn)量分別為92.2%和98.9%。體體外試驗結(jié)果證明所有種類的海藻均具有降低甲烷產(chǎn)量這一特性，但由于真實瘤胃環(huán)境復(fù)雜，需進(jìn)一步通過體內(nèi)試驗進(jìn)行驗證。

基于上述結(jié)果，該研究團(tuán)隊進(jìn)一步進(jìn)行了紅藻海門冬對綿羊CH4產(chǎn)量的影響研究[28]。飼糧采用高精料飼料(1.2倍維持量)，在有機(jī)物質(zhì)基礎(chǔ)上分別添加0%(對照)，0.5%，1%，2%和3%的該紅藻的烘干研磨粉，試驗周期72 d。與對照組相比，試驗組在綿羊飼料中添加2%紅藻粉，在72 d的內(nèi)，瘤胃甲烷產(chǎn)量減少50%～70%，而添加3%海藻組則減少高達(dá)80%CH4排放。由此可見，在反芻動物飼糧中添加海藻可降低溫室氣體甲烷[29]，這一研究前景可觀，但需要更多的動物飼養(yǎng)試驗來進(jìn)一步驗證。

4 我國海藻產(chǎn)業(yè)及畜牧業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國的海岸線長、海洋面積廣大且沿岸地貌豐富，使得海藻種類豐富且適宜生長[30]。長期以來，我國的海藻養(yǎng)殖業(yè)在世界上一直處于領(lǐng)先地位，養(yǎng)殖面積和總產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一。截止到2015年，我國藻類產(chǎn)品生產(chǎn)總量已經(jīng)達(dá)到212.43×104t[31]，其中，海藻占總生產(chǎn)藻類的90%以上，產(chǎn)量可觀?，F(xiàn)今，國內(nèi)的海藻加工生產(chǎn)方式已覆蓋領(lǐng)域多樣化，加工技術(shù)趨于成熟和領(lǐng)先。尤其是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用上，研究人員已開展了部分試驗，將海藻制成營養(yǎng)粉對蛋雞[32]、肉雞[33]、豬[34]、牛等[35]動物進(jìn)行飼喂，均有良好的促進(jìn)生產(chǎn)性能，降低疾病發(fā)生，提高畜產(chǎn)品質(zhì)量的效用，是絕佳的天然飼糧添加劑原料。

全球現(xiàn)有的海藻主要有三大類：綠藻類、褐藻類與紅藻類。其中，紅藻類4100種,褐藻類1485種,綠藻類910種[36]。截至2015年，我國海藻種類有800余種，海藻產(chǎn)品仍以海帶(褐藻門，大型褐藻屬)為主，約占70%，其他品種占比依次為裙帶菜(褐藻門，裙帶菜屬)10%、紫菜(紅藻門，紫菜屬)6%、江蘺(紅藻門，江蘺屬)3%、其他產(chǎn)品10%。但根據(jù)澳大利亞團(tuán)隊的研究內(nèi)容，所研究的20余種海藻均為澳洲當(dāng)?shù)靥赜械暮Ｔ宸N類，我國并無上述種類或產(chǎn)量極少，故國內(nèi)海藻品種的減排效應(yīng)亟待研究。

5 小結(jié)與展望

綜上所述，降低反芻動物甲烷排放的主要調(diào)控措施包括：優(yōu)化日糧精粗比，篩選日糧的原料種類或來源，調(diào)節(jié)日糧能量與蛋白的平衡以及添加飼料添加劑等。但是，用于降低甲烷產(chǎn)生的大部分飼料添加劑，其研究結(jié)果尚不理想，主要表現(xiàn)在降低甲烷產(chǎn)生的同時，對生產(chǎn)性能產(chǎn)生副作用，而且技術(shù)推廣尚不成熟，導(dǎo)致這類飼料添加劑用于實際生產(chǎn)還存在很多問題。由于碳水化合物轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸的過程部分依賴于甲烷的生成和氫的消耗，各種調(diào)控措施雖然能在短期內(nèi)抑制甲烷生成，但瘤胃微生態(tài)系統(tǒng)可通過自身穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制最終恢復(fù)甲烷產(chǎn)量至初始水平。因此，實現(xiàn)反芻動物甲烷減排調(diào)控的的常態(tài)性，需要嘗試更多現(xiàn)有飼喂模式的變革。研究表明，海藻可以有效調(diào)節(jié)反芻動物甲烷排放，但其調(diào)控甲烷生成的有效成分及機(jī)制尚不明了，而且對紅藻海門冬以外的其他藻類還沒有相關(guān)研究報道。因此，結(jié)合我國海藻產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，若能夠從我國現(xiàn)有的大量海藻種類中篩選出某些種屬，研發(fā)綠色甲烷抑制劑并運(yùn)用到畜禽規(guī)模養(yǎng)殖生產(chǎn)中，對于畜牧業(yè)溫室氣體減排和提高經(jīng)濟(jì)、社會效益都將具有深遠(yuǎn)意義。