蕓苔屬飼用作物對(duì)反芻動(dòng)物甲烷減排的作用及機(jī)理

孫學(xué)釗

(吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院動(dòng)物科技學(xué)院，反芻動(dòng)物精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)與智慧養(yǎng)殖創(chuàng)新中心，吉林132109)

全球氣候變暖正受到全人類(lèi)的廣泛關(guān)注。人類(lèi)活動(dòng)(包括工農(nóng)業(yè)生產(chǎn))排放的溫室氣體是造成全球氣候變暖的主要驅(qū)動(dòng)力。甲烷是造成地球溫室效應(yīng)的重要?dú)怏w，其產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍[1]。全球每年排入大氣的甲烷為5億～6億t，甲烷在大氣中的半衰期為8.4年[2]。全球人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的甲烷排放中,農(nóng)業(yè)占62%，其中反芻動(dòng)物排放的甲烷占農(nóng)業(yè)排放的58%[3]。就中國(guó)而言，農(nóng)業(yè)溫室氣體排放占全國(guó)總排放量的11%，其中家畜腸道發(fā)酵和糞肥產(chǎn)生的溫室氣體占農(nóng)業(yè)排放的54%[4]，從1949年至2003年，畜禽甲烷排放量年增長(zhǎng)2.4%[5]。可見(jiàn)，畜牧業(yè)是甲烷排放的重要來(lái)源。單胃畜禽甲烷排放很少，反芻動(dòng)物是排放的主體[6]。反芻動(dòng)物的甲烷排放不但加重了地球的溫室效應(yīng)，而且還造成家畜能量損失，損失量占食入代謝能的3.9%～10.7%[7]。因而，減少反芻動(dòng)物甲烷排放成為畜牧研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前科研人員正努力探索反芻動(dòng)物甲烷減排機(jī)理，尋求簡(jiǎn)便、有效、低成本、無(wú)副作用的減排措施。蕓苔屬(Brassicaspp.)飼用作物是重要的填閑牧草。研究發(fā)現(xiàn)，這類(lèi)牧草能大幅減少反芻動(dòng)物的甲烷排放[8]。本文將對(duì)蕓苔屬飼用作物減少反芻動(dòng)物甲烷排放的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并探討可能的減排機(jī)理。

1 反芻動(dòng)物甲烷排放及減排措施

反芻動(dòng)物排放的甲烷主要在瘤胃內(nèi)形成[9]。飼料在瘤胃內(nèi)被微生物降解發(fā)酵，生成短鏈脂肪酸、氨、二氧化碳、甲烷和氫等產(chǎn)物。氫和二氧化碳為甲烷菌利用，生成甲烷。

瘤胃內(nèi)飼料發(fā)酵類(lèi)型影響甲烷的生成，發(fā)酵產(chǎn)生的丙酸比乙酸和丁酸生成的甲烷少[10]。甲烷菌適宜生長(zhǎng)的pH為6.0～7.5，下限是5.5～6.5。瘤胃pH低時(shí)，丙酸生成量也較多。瘤胃生理參數(shù)也會(huì)影響甲烷生成。瘤胃外流速度提高，減少了飼料的降解發(fā)酵，提高了溶解態(tài)氫的濃度，有利于丙酸的形成，從而減少甲烷生成[10]。

減少反芻動(dòng)物甲烷排放可通過(guò)減少甲烷生成量和降低甲烷排放強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。減少甲烷生成量既可通過(guò)增加電子受體，替代二氧化碳與瘤胃發(fā)酵生成的氫結(jié)合，從而不形成甲烷，也可直接抑制甲烷菌的活性。電子受體主要是硝酸鹽、硫酸鹽。直接抑制甲烷菌活性主要利用離子載體類(lèi)抗生素、脂類(lèi)以及植物提取物和化學(xué)抑制劑[11]，還有通過(guò)驅(qū)原蟲(chóng)等方法。降低甲烷排放強(qiáng)度指減少生產(chǎn)單位畜產(chǎn)品的甲烷排放量。常用的措施包括改變飼糧組成、提高飼糧消化率、改善飼養(yǎng)管理、增進(jìn)家畜健康和福利、提高繁殖率、培育高產(chǎn)或低甲烷排放的家畜新品種[12-13]。這些措施易于推廣應(yīng)用，也易為公眾接受,其中利用替代牧草簡(jiǎn)單易行，又不增加成本。與作為標(biāo)準(zhǔn)牧草的多年生黑麥草(Loliumperenne)相比，蕓苔屬飼用作物可大幅降低(-30%)甲烷排放[14]，顯示了良好的應(yīng)用前景。

2 蕓苔屬飼用作物對(duì)反芻動(dòng)物甲烷減排的作用

2.1 蕓苔屬飼用作物

蕓苔屬飼用作物屬于十字花科植物。蕓苔屬飼用作物主要有羽衣甘藍(lán)(Brassicaoleracea)、蕪菁(B.campestris)、飼用油菜(B.napus)和蕉青甘藍(lán)(B.napusssp. rapifera)[15]。我國(guó)蕓苔屬飼用作物主要有蕪菁甘藍(lán)(B.napobrassicaMill.)、甘藍(lán)(B.oleraceaL.)、小白菜[B.campestrisL. ssp.chinensisMakino (var.communisTsen et Lee)][16]、飼用油菜(B.campestris)、蕪菁(B.rapa)[17]。目前我國(guó)主要大力推廣飼用油菜[18]。

蕓苔屬飼用作物具有較強(qiáng)的抗寒性能，是中旱生植物，對(duì)土壤要求不十分嚴(yán)格，生長(zhǎng)期短，可用作填閑種植[15]，在晚秋和早春能提供青綠飼料[17]。2016年農(nóng)業(yè)部印發(fā)的《全國(guó)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃(2016—2020年)》[19]中提倡在南方地區(qū)冬閑田中重點(diǎn)發(fā)展飼用油菜，在東北地區(qū)也可用于春小麥后的復(fù)種作物。西北地區(qū)作物生長(zhǎng)“一季有余、二季不足”，適于麥、豆收獲后種植，利用土地空閑期的水、熱、光照資源，增加飼料供應(yīng)[20-21]。

蕓苔屬飼用作物產(chǎn)量高，例如，飼用油菜平均每公頃鮮草產(chǎn)量達(dá)47 t，在我國(guó)有廣闊的推廣前景[18]。蕓苔屬飼用作物屬雙子葉植物，植株木質(zhì)化前營(yíng)養(yǎng)豐富。飼用油菜含粗蛋白質(zhì)3.0%～14.0%、粗脂肪1.6%～2.3%，粗灰分6.4%～6.6%、中性洗滌纖維54.0%～57.0%、酸性洗滌纖維32.0%～35.0%[22]。蕓苔屬飼用作物在反芻動(dòng)物上的飼用價(jià)值較高，其消化率、代謝能高于多數(shù)牧草，家畜生產(chǎn)性能表現(xiàn)也較好。放牧條件下，綿羊采食蕪菁和飼用油菜的日增重雖低于白三葉(Trifoliumrepens)，但高于黑麥草[15]。

2.2 蕓苔屬飼用作物的甲烷減排效果

利用蕓苔屬飼用作物減少反芻動(dòng)物甲烷排放方面的研究并不多。體外試驗(yàn)主要在澳大利亞、美國(guó)、新西蘭進(jìn)行，動(dòng)物試驗(yàn)研究主要集中在新西蘭，澳大利亞也進(jìn)行了少量研究。

Durmic等[23]用包括蕓苔屬飼用作物在內(nèi)的10種牧草進(jìn)行體外批次瘤胃發(fā)酵培養(yǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)箭葉三葉草(T.vesiculosum)甲烷產(chǎn)量最高，蕪菁與飼用油菜雜交種(B.napuscv. Winfred)和蕪菁的甲烷產(chǎn)量比箭葉三葉草低30%，但同一牧草不同樣品間甲烷產(chǎn)量相差很大。西蘭花(B.oleracea)和飼用油菜與甘藍(lán)雜交種(B.campestris×B.napus)的甲烷產(chǎn)量與箭葉三葉草沒(méi)有顯著差異。硫代葡萄糖苷(又稱(chēng)芥子油苷，GSL)含量高的西蘭花品種與含量低的品種甲烷產(chǎn)量也沒(méi)有顯著差異。Dillard等[24]利用連續(xù)培養(yǎng)發(fā)酵系統(tǒng)研究了蕓苔屬飼用作物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化率、短鏈脂肪酸濃度和甲烷產(chǎn)量。培養(yǎng)底物的一半為鴨茅(Dactylisglomerata)，另一半分別為飼用油菜、籽用油菜(B.napus)、蕪菁、一年生黑麥草(L.multiflorum)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蕓苔屬飼用作物的總短鏈脂肪酸濃度、pH、乙酸占總短鏈脂肪酸摩爾比例與一年生黑麥草無(wú)顯著差異，但飼用油菜和籽用油菜的丙酸占總短鏈脂肪酸摩爾比例低于一年生黑麥草，而飼用油菜的丁酸占總短鏈脂肪酸摩爾比例高于一年生黑麥草。蕓苔屬飼用作物的甲烷產(chǎn)量低于一年生黑麥草，按每克有機(jī)物、中性洗滌纖維、可消化有機(jī)物、可消化中性洗滌纖維計(jì)，也是蕓苔屬飼用作物低于一年生黑麥草。Sun等[25]把羽衣甘藍(lán)、蕪菁、飼用油菜、蕉青甘藍(lán)和多年生黑麥草凍干后粉碎作為體外批次培養(yǎng)的底物，發(fā)現(xiàn)蕓苔屬飼用作物的乙酸/丙酸低于多年生黑麥草，但甲烷產(chǎn)量與多年生黑麥草沒(méi)有顯著差異，釋放的氫(大量氫的釋放和積累是甲烷菌受抑制的標(biāo)志)也沒(méi)有大幅增加。在體外瘤胃發(fā)酵培養(yǎng)中，不同試驗(yàn)出現(xiàn)不同結(jié)果，甚至同一試驗(yàn)中同一牧草的不同樣品結(jié)果也不一致，其原因尚不清楚。單從體外試驗(yàn)結(jié)果不能得出明確的結(jié)論。

動(dòng)物試驗(yàn)研究方面，新西蘭研究人員進(jìn)行了8個(gè)試驗(yàn)的系列研究[14]。試驗(yàn)1：在冬季進(jìn)行，使用4種常見(jiàn)的蕓苔屬飼用作物羽衣甘藍(lán)、蕪菁、飼用油菜和蕉青甘藍(lán)，分別作為唯一飼料飼喂舍飼綿羊，7周后測(cè)定甲烷排放，與作為對(duì)照的多年生黑麥草相比，單位干物質(zhì)采食量的甲烷排放量，即甲烷產(chǎn)量(g/kg DMI)，分別減少10%、6%、25%和23%。蕓苔屬飼用作物的干物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)、粗蛋白質(zhì)、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的表觀消化率均比多年生黑麥草高，按單位可消化干物質(zhì)產(chǎn)生的甲烷計(jì)，這4種蕓苔屬飼用作物比多年生黑麥草分別減少27%、23%、39%和43%的排放。之后，還進(jìn)行了一系列動(dòng)物試驗(yàn)，結(jié)果均表明蕓苔屬飼用作物有良好的甲烷減排作用[8]。試驗(yàn)2：在冬季進(jìn)行，以飼用油菜作為唯一飼料飼喂舍飼綿羊7周，與多年生黑麥草相比，甲烷產(chǎn)量減少30%，延長(zhǎng)飼喂到15周再測(cè)定甲烷，結(jié)果甲烷產(chǎn)量仍能減少22%[26]。這一試驗(yàn)還測(cè)定了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化率、飼糧能量平衡、氮平衡、消化能、代謝能、瘤胃降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)、瘤胃發(fā)酵參數(shù)、瘤胃食糜流通速度等指標(biāo)，結(jié)果顯示飼用油菜比多年生黑麥草有更高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[26]。飼喂飼用油菜甲烷排放減少的同時(shí)生產(chǎn)性能可能更好。試驗(yàn)3：在冬季，以綿羊?yàn)樵囼?yàn)動(dòng)物，同時(shí)在室內(nèi)和放牧條件下進(jìn)行，仍然以飼用油菜作為唯一飼料，與黑麥草相比，室內(nèi)舍飼條件下，第7周甲烷產(chǎn)量減少37%，第12周減少31%；放牧條件下，第7周減少32%，第12周減少34%[27]。這一試驗(yàn)還測(cè)定了動(dòng)物生產(chǎn)性能，在飼用油菜草地上放牧的綿羊日增重為315～365 g，高于在黑麥草草地上放牧的綿羊(210～307 g)。放牧飼用油菜的綿羊屠宰率為46.2%，也高于放牧黑麥草的綿羊(42.9%)。按每千克增重排放的甲烷計(jì)，飼用油菜為41.9～48.2 g，而黑麥草為62.5～123.8 g[27]。試驗(yàn)4：在夏季進(jìn)行，球根型蕪菁、葉菜型蕪菁、飼用蘿卜(Raphanussativus)、飼用油菜分別作為唯一飼料飼喂舍飼綿羊，4周后與黑麥草/白三葉混合牧草(按鮮重計(jì)，黑麥草92%，白三葉6%，雜草2%)相比，甲烷產(chǎn)量分別減少20%、33%、22%、10%[28]。試驗(yàn)5：在冬季進(jìn)行，以飼用油菜作為唯一飼料飼喂舍飼綿羊，從第33天至第66天分7期測(cè)定甲烷排放，甲烷產(chǎn)量只有11.5～14.2 g/kg DMI[29]。試驗(yàn)6：在夏季進(jìn)行，以新鮮葉菜型蕪菁、頭茬飼用油菜、二茬飼用油菜、球根型蕪菁分別作為唯一飼料飼喂舍飼綿羊，32 d后測(cè)定甲烷排放，與黑麥草/白三葉混合牧草(按鮮重計(jì)，67%：33%)相比，葉菜型蕪菁、頭茬飼用油菜、二茬飼用油菜甲烷產(chǎn)量分別減少15%、16%、13%，但球根型蕪菁甲烷排放增加13%[25]。試驗(yàn)7：在冬季進(jìn)行，以新鮮飼用油菜和多年生黑麥草配制5種混合飼糧飼喂舍飼綿羊，前4種飼糧中，飼用油菜分別占飼糧干物質(zhì)的100%、75%、50%、25%，飼喂24 d后，與純黑麥草飼糧相比，甲烷產(chǎn)量減少64%、43%、27%、9%，呈線性下降[30]。這一試驗(yàn)還測(cè)定了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化率、能量平衡、氮平衡、瘤胃發(fā)酵參數(shù)等指標(biāo)，飼用油菜占飼糧干物質(zhì)的50%時(shí)氮沉積最多。試驗(yàn)8：在冬季進(jìn)行，以新鮮飼用油菜作為唯一飼料飼喂小母牛32 d以上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與含黑麥草96%、白三葉3%、雜草1%的混合牧草相比，飼用油菜甲烷產(chǎn)量減少43%[31]。

Williams等[32]在夏季進(jìn)行了蕓苔屬飼用作物(蕪菁與飼用油菜雜交種)飼喂奶牛的試驗(yàn)。試驗(yàn)動(dòng)物為產(chǎn)犢后5個(gè)月的泌乳期舍飼奶牛，對(duì)照飼糧由生殖生長(zhǎng)期的新鮮菊苣、苜蓿草塊和壓碎玉米組成，按干物質(zhì)計(jì)，飼糧含菊苣41%、苜蓿34%、玉米25%，試驗(yàn)飼糧由新鮮蕓苔屬飼用作物按等量干物質(zhì)取代全部菊苣，飼糧其他組分不變。連續(xù)飼喂10 d并在第6～10天測(cè)定甲烷排放，發(fā)現(xiàn)飼喂蕓苔屬飼用作物的奶牛比飼喂菊苣的奶牛單位干物質(zhì)采食量排放的甲烷減少21%，單位產(chǎn)奶量排放的甲烷減少27%。

可見(jiàn)，蕓苔屬飼用作物在不同季節(jié)、舍飼或放牧、混合或單獨(dú)飼喂情況下，除個(gè)別情況外，反芻動(dòng)物均可不同程度地減少甲烷排放，而且連續(xù)飼喂15周時(shí)減排效果不消失。

3 蕓苔屬飼用作物對(duì)反芻動(dòng)物甲烷減排的可能機(jī)理

3.1 飼料化學(xué)成分

一系列試驗(yàn)[8，33-37]的甲烷產(chǎn)量和飼料化學(xué)成分，如粗灰分、粗蛋白質(zhì)、粗脂肪、可溶性碳水化合物、果膠、淀粉、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維、木質(zhì)素、易發(fā)酵碳水化合物與結(jié)構(gòu)性碳水化合物的比值、硝酸鹽、硫酸鹽等進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)僅粗蛋白質(zhì)(n=287，r=-0.584，P<0.001)和硝酸鹽(n=210,r=-0.530，P<0.001)有中等程度的負(fù)相關(guān)。蕓苔屬飼用作物硝酸鹽含量為7.1～750.0 mmol/kg DM(或0.1～10.5 g/kg DM)[15]，變化范圍很大。按照1 mol硝酸鹽理論上最多可減少1 mol甲烷排放[38]計(jì)算，在Sun等[14]的試驗(yàn)中，與作為對(duì)照的多年生黑麥草相比，硝酸鹽最多可減少甲烷排放0.1～0.6 g/kg DMI。在有些情況下，蕓苔屬飼用作物硝酸鹽含量遠(yuǎn)低于多年生黑麥草，甚至低于可測(cè)定的下限[14]。因此，硝酸鹽雖然對(duì)蕓苔屬飼用作物甲烷排放量少有貢獻(xiàn)，但不是根本的原因。粗蛋白質(zhì)和硝酸鹽高度正相關(guān)(n=50，r=0.584，P<0.001)，可能也因此與甲烷產(chǎn)量負(fù)相關(guān)。將甲烷產(chǎn)量與飼料化學(xué)成分進(jìn)行多元回歸分析，整個(gè)模型調(diào)整后的R2為0.450[自由度(df)=134，P<0.001]，其中酸性洗滌纖維是正變量，水溶性碳水化合物是負(fù)變量。這說(shuō)明飼料化學(xué)成分僅能部分解釋蕓苔屬飼用作物甲烷產(chǎn)量的變異，結(jié)構(gòu)性和水溶性碳水化合物起一定作用。

3.2 瘤胃發(fā)酵參數(shù)

將8個(gè)系列試驗(yàn)[8，33-37]中218只飼喂飼用油菜的綿羊瘤胃發(fā)酵數(shù)據(jù)與甲烷產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，表明甲烷產(chǎn)量與采食前乙酸/丙酸(r=0.393)、(乙酸+丁酸)/丙酸(r=0.411)、乙酸(r=0.420)、丙酸(r=0.350)、戊酸(r=0.473)濃度以及與采食后丁酸(r=0.295)和丙酸(r=0.322)濃度有一定程度的相關(guān)。多元回歸分析結(jié)果表明，采食前樣品中僅揮發(fā)性脂肪酸濃度、乙酸/丙酸、(乙酸+丁酸)/丙酸達(dá)顯著水平，整個(gè)模型調(diào)整后的R2為0.417(df=202，P<0.001)。采食后樣品中，整個(gè)模型調(diào)整后的R2為0.418(df=133，P<0.001)，僅乙酸濃度達(dá)顯著水平(P=0.042)。這些結(jié)果表明蕓苔屬飼用作物甲烷排放與瘤胃發(fā)酵類(lèi)型有部分相關(guān)性。

多元回歸分析表明氨與甲烷排放無(wú)關(guān)，氨不參與甲烷形成的代謝過(guò)程。

綿羊飼喂飼用油菜時(shí)，在24 h內(nèi)所有采樣時(shí)間點(diǎn)瘤胃pH比飼喂多年生黑麥草低，飼用油菜平均6.02，而黑麥草平均6.71[26]。一般認(rèn)為瘤胃pH可以影響甲烷排放。但用碳酸鈉調(diào)節(jié)瘤胃pH的試驗(yàn)并沒(méi)有證明飼用油菜甲烷排放量低是源于瘤胃pH[29]。

3.3 蕓苔屬飼用作物對(duì)瘤胃微生物的影響

飼喂飼用油菜的綿羊其瘤胃各類(lèi)細(xì)菌、甲烷菌及原蟲(chóng)的相對(duì)豐度與飼喂多年生黑麥草的綿羊相差很大[26]。飼喂飼用油菜的綿羊瘤胃內(nèi)產(chǎn)氫細(xì)菌，如瘤胃球菌屬(Ruminococcus)、未歸類(lèi)的(unclassified)瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)及梭菌目(Clostridiales)的細(xì)菌，數(shù)量較少，說(shuō)明生成的氫較少。生成的氫少，加之較多的丙酸，可能導(dǎo)致甲烷形成較少[10]。

飼喂飼用油菜的綿羊瘤胃中，甲醇產(chǎn)甲烷菌比飼喂多年生黑麥草的綿羊豐富[26]。甲醇產(chǎn)甲烷菌利用氫和甲醇生成甲烷。飼用油菜含有較多的果膠[14,26]。果膠上的甲基可生成甲醇，再作為甲醇產(chǎn)甲烷菌的底物，最終生成甲烷[33]。這會(huì)導(dǎo)致甲烷排放量增加，而非減少，因此果膠和甲醇產(chǎn)甲烷菌不可能是飼用油菜甲烷排放量減少的原因。

飼喂飼用油菜的綿羊瘤胃原蟲(chóng)數(shù)量變化不大，只有瘤胃纖毛蟲(chóng)稍有變化[26]，原蟲(chóng)應(yīng)可排除。

3.4 甲烷菌抑制物質(zhì)

雖然在瘤胃體外試驗(yàn)中甲烷產(chǎn)量的試驗(yàn)結(jié)果不一致[23-25]，但值得注意的是體外培養(yǎng)過(guò)程中沒(méi)有釋放大量的氫[25]，表明甲烷菌沒(méi)有受到抑制，蕓苔屬飼用作物不含有直接抑制甲烷菌的物質(zhì)或其作用可以忽略不計(jì)。GSL含量高的品種和低的品種甲烷產(chǎn)量沒(méi)有差異[23]，表明GSL沒(méi)有起到甲烷抑制劑的作用。

3.5 蕓苔屬飼用作物中GSL和甲硫半胱氨酸亞砜(SMCO)可能的減排作用

3.5.1 GSL和SMCO

GSL和SMCO是2類(lèi)植物次生代謝產(chǎn)物，廣泛存在于蕓苔屬植物中，屬于抗?fàn)I養(yǎng)因子[15]。蕓苔屬飼用作物都含有GSL和SMCO，而在多年生黑麥草中幾乎不含。

GSL是一類(lèi)含硫的陰離子親水性植物次生代謝產(chǎn)物，其核心結(jié)構(gòu)是β-D-葡萄糖連接1個(gè)磺酸鹽醛肟基團(tuán)和1個(gè)來(lái)源于氨基酸的側(cè)鏈[34]。Sun等[14]發(fā)現(xiàn)4種蕓苔屬飼用作物甘藍(lán)、蕪菁、飼用油菜和蕉青甘藍(lán)中共含有18種GSL，每種植物含9～16種，其中3～4種占總含量的80%以上，并且每種植物含有的主要GSL都不一樣，但4-戊烯基硫代葡萄糖苷含量普遍較多，飼用油菜、蕉青甘藍(lán)、蕪菁中均超過(guò)總含量的40%，黑芥子苷在羽衣甘藍(lán)中超過(guò)總含量的30%。GSL沒(méi)有生理活性，需與β-硫代葡萄糖苷酶(又稱(chēng)黑芥子酶)結(jié)合，降解成多種生物活性物質(zhì)。GSL與β-硫代葡萄糖苷酶存在于不同的細(xì)胞或者同一細(xì)胞的不同區(qū)域。在植物受機(jī)械破壞時(shí)兩者發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)生成的生物活性物質(zhì)主要有硫代氰酸鹽、異硫氰酸鹽(ITC)、腈類(lèi)、環(huán)硫腈和唑烷-2-硫酮，其中ITC是最主要的產(chǎn)物[35]。

3.5.2 GSL和SMCO在反芻動(dòng)物體內(nèi)的降解與生理作用

在瘤胃中GSL主要生成ITC和腈類(lèi)，在羽衣甘藍(lán)葉中有21%～41%、蕉青甘藍(lán)葉中有37%、蕉青甘藍(lán)肥大直根中有50%的GSL轉(zhuǎn)變成腈類(lèi)[15]。綿羊采食羽衣甘藍(lán)后腈類(lèi)至少23 h內(nèi)不被分解，但采食蕉青甘藍(lán)肥大直根和葉片后，腈類(lèi)4 h內(nèi)完全被降解。

GSL對(duì)甲烷的影響有一些體外試驗(yàn)報(bào)道。Soliva等[36]按75 mg/L添加異硫氰酸烯丙酯，發(fā)現(xiàn)乙酸比例減少、丁酸比例增加、甲烷形成減少、氫氣積累。Lee等[37]用含異硫氰酸烯丙酯的芥菜籽分別添加3.33、5.00、6.67和8.33 g/L，進(jìn)行體外培養(yǎng)，也發(fā)現(xiàn)類(lèi)似結(jié)果。但他們使用的濃度遠(yuǎn)高于天然飼料中可能達(dá)到的濃度。GSL對(duì)甲烷的影響未見(jiàn)動(dòng)物試驗(yàn)報(bào)道。

SMCO是一種非蛋白氨基酸，在蕓苔屬植物中按干重計(jì)含1%～2%[39]。植物組織破碎時(shí)液泡中的半胱氨酸亞砜裂解酶釋放，把SMCO分解成氨、丙酮酸鹽和甲磺酸。SMCO在瘤胃內(nèi)完全轉(zhuǎn)化為二甲基亞砜[15]。二甲基亞砜與蛋白質(zhì)中巰基結(jié)合，使蛋白質(zhì)失活，例如可使血紅蛋白含量下降，甚至引起貧血，也能影響機(jī)體其他蛋白質(zhì)和微生物蛋白質(zhì)的生產(chǎn)。SMCO能增加血漿中生長(zhǎng)激素和甲狀腺素水平，這樣可以刺激機(jī)體蛋白質(zhì)合成，用以取代被二甲基亞砜失活的蛋白質(zhì)。SMCO對(duì)甲烷排放的影響尚未見(jiàn)報(bào)道。

3.5.3 GSL和SMCO對(duì)反芻動(dòng)物甲烷減排可能的作用

在上節(jié)提到的體外試驗(yàn)中，蕓苔屬飼用作物不能減少甲烷生成，說(shuō)明正常濃度下GSL和SMCO對(duì)瘤胃內(nèi)甲烷的形成沒(méi)有直接抑制作用。

游離三碘甲狀腺原氨酸(FT3)是甲狀腺激素三碘甲狀腺原氨酸(T3)有生理活性的形式。飼喂蕓苔屬飼用作物可以提高血清中FT3的濃度[40]。給成年閹公綿羊每2 d注射300 μg FT3，使血液FT3濃度增加，全消化道食糜平均停留時(shí)間(MRT)縮短[41]。Pinares-Patino等[42]用苜蓿飼喂綿羊，發(fā)現(xiàn)食糜在瘤胃停留時(shí)間(特別是固相停留時(shí)間)短的羊甲烷產(chǎn)量低。Goopy等[43]雙向選擇甲烷產(chǎn)量高和低的成年母羊，發(fā)現(xiàn)甲烷產(chǎn)量低的羊，瘤胃體積小，液相和固相食糜停留時(shí)間短。通過(guò)注射FT3，人為提高血液FT3濃度，可造成食糜停留時(shí)間縮短，甲烷產(chǎn)量下降8%[41]。改變環(huán)境溫度造成綿羊體內(nèi)血液FT3濃度提高，也可縮短食糜停留時(shí)間，降低甲烷產(chǎn)量[44]。

因此，筆者的假說(shuō)是：蕓苔屬飼用作物GSL和/或SMCO及其代謝產(chǎn)物,正常采食條件下其濃度對(duì)甲烷菌沒(méi)有直接抑制作用，但提高了綿羊體內(nèi)FT3濃度，導(dǎo)致食糜停留時(shí)間縮短，從而減少甲烷排放。

4 小 結(jié)

蕓苔屬飼用作物能大幅減少反芻動(dòng)物甲烷排放,其減排效果，除個(gè)別情況外，在不同季節(jié)、舍飼或放牧、混合或單獨(dú)飼喂情況下，均能不同程度地體現(xiàn)，而且連續(xù)飼喂時(shí)減排效果不消失。機(jī)理方面，目前的研究雖排除了一些可能的因素，但仍不明確。飼料常規(guī)成分不能解釋甲烷排放量減少的原因，也不存在甲烷菌抑制物質(zhì)，硝酸鹽可能是甲烷排放減少的部分原因。飼喂蕓苔屬飼用作物后瘤胃微生物區(qū)系發(fā)生改變，瘤胃發(fā)酵類(lèi)型也相應(yīng)改變，可能也只是部分原因。瘤胃pH降低，但沒(méi)有低到足以抑制甲烷菌。次生代謝產(chǎn)物的作用尚不清楚，但根據(jù)文獻(xiàn)推測(cè)，GSL和SMCO及其代謝產(chǎn)物可能與甲烷排放減少有關(guān)。這些成分可能刺激FT3的分泌，導(dǎo)致食糜停留時(shí)間減少，從而減少甲烷排放。這一假設(shè)尚需試驗(yàn)驗(yàn)證。

飼喂蕓苔屬飼用作物是一種簡(jiǎn)便可行、易于推廣、低耗無(wú)污染的減排措施。我國(guó)有許多蕓苔屬飼用作物，如飼用油菜、蕪菁甘藍(lán)、甘藍(lán)、小白菜，特別是飼用油菜目前正得到大力推廣。利用蕓苔屬飼用作物是我國(guó)減少反芻動(dòng)物甲烷排放的一個(gè)重要途徑。如GSL和SMCO及其代謝產(chǎn)物在甲烷減排中的作用得到證實(shí)，蕓苔屬作物副產(chǎn)品，如菜籽粕，也將有可能開(kāi)發(fā)用于減少甲烷排放。

致謝：

感謝中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院趙廣永教授對(duì)文稿所提的寶貴意見(jiàn)。