反芻動物瘤胃甲烷產(chǎn)生與排放的主要生物學(xué)特征

賈 鵬 董利鋒 屠 焰 刁其玉*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，奶牛營養(yǎng)學(xué)北京市重點實驗室，反芻動物及其幼畜營養(yǎng)代謝中美聯(lián)合研究中心，北京 100081；2.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，蘭州 730020)

據(jù)2020年中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院發(fā)布的《中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》預(yù)測，2030年我國肉、蛋、奶總產(chǎn)量將達到1.77億t，較2018年增長24%，反芻動物養(yǎng)殖規(guī)模將繼續(xù)擴大。盡管反芻動物為人類提供了較高營養(yǎng)價值的食物，但其通過腸道和糞便中的甲烷，以及尿和糞便中氮類化合物(如氨、硝酸鹽)釋放的氧化亞氮，導(dǎo)致了大氣中溫室氣體的積累，助長了全球氣候變暖。全球氣候變暖是人類面臨的最大環(huán)境挑戰(zhàn)之一，在巴黎舉行的聯(lián)合國氣候變化會議一致認為，應(yīng)該努力將全球氣候變暖控制在“2 ℃以下”[《聯(lián)合國氣候變化框架公約》(2015)][1]。2020年9月，習近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，將在2030年做到碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和[2]。

在過去幾十年，農(nóng)業(yè)溫室氣體排放量占全球人為溫室氣體排放總量的14.5%，畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的溫室氣體排放已成為一個緊迫的問題[3]。其中肉牛和奶牛的溫室氣體排放量分別占全球家畜排放總量的35%和30%[4]，其次是綿羊和山羊，大致每年各產(chǎn)生4.75億t二氧化碳當量的溫室氣體[3]。甲烷被認為是溫室氣體的第二大人為排放源[5]，其增溫潛勢是二氧化碳的25倍；甲烷在大氣中的存留時間約為12.2年，二氧化碳約為100年，所以甲烷的減排是最為快速地緩解氣候變化的方法[6]。

反芻動物的甲烷排放約占全球人為甲烷排放總量的17%[7]。反芻動物的養(yǎng)殖消耗了全球近30%的農(nóng)作物產(chǎn)量，并占用了30%的陸地面積[8]。研究表明，甲烷的產(chǎn)生除了影響氣候，也將造成反芻動物2%～12%攝入總能的損失[9]。反芻動物養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展需要在人們生活需求、資源節(jié)約和環(huán)境保護之間維持平衡，其甲烷減排顯得尤為重要。甲烷排放受到動物種類、生理階段和飼糧等因素的影響，研究其排放特點有助于制定針對性的減排措施。比如以反芻動物甲烷排放量較高的生長或生產(chǎn)階段為目標，可能有助于制定短期干預(yù)措施，從而實現(xiàn)畜牧業(yè)的甲烷減排[10]。目前，通過改變飼糧結(jié)構(gòu)、原料種類、飼料加工工藝以及飼喂代謝調(diào)控物質(zhì)等措施具有較好地抑制甲烷產(chǎn)生的作用，但效果往往不一致。因此，根據(jù)反芻動物甲烷排放特點、飼養(yǎng)管理以及飼糧等因素可制定長期和穩(wěn)定的甲烷減排措施，本文將對反芻動物瘤胃甲烷排放量的特點進行論述。

1 動物品種和遺傳因素

1.1 動物品種

不同品種的動物具有不同的生理特征及生存特性，物種間差異起初是由遺傳制造的，反芻動物間的甲烷排放量特點離不開動物品種和遺傳。

小型反芻動物主要包括綿羊和山羊，全球綿羊和山羊每年各產(chǎn)生約4.75億t二氧化碳當量的溫室氣體，二者的排放量大致相等[3]。在2000—2010年，全球奶牛和肉牛的甲烷排放量占牲畜總排放量的75%，其次是水牛、綿羊和山羊(聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫，2013)[11]。牛、羊之間具有不同的消化生理特征，為了維持自身需要，羊的單位體重的采食量通常高于牛，導(dǎo)致羊的飼糧瘤胃流通速率較高和飼料消化率較低，這將造成牛、羊之間甲烷排放量的差異[12]。甲烷抑制劑對牛、羊的作用效果也不同，Van Gastelen等[13]指出，除了3-硝基氧基丙醇(3-nitrooxypropanol)和硝酸鹽等抑制性添加劑之外，其他飼糧策略在應(yīng)用于綿羊時對甲烷排放產(chǎn)生的影響小于奶牛和肉牛。

根據(jù)Ndao等[14]在塞內(nèi)加爾的蘇丹地區(qū)對Ndama牛的研究，奶牛的甲烷排放因子(Ym)為31 kg/(頭·年)，其他牛為15 kg/(頭·年)。平均來看，荷斯坦牛比諾曼底牛每年少排放2.5 t甲烷[15]。Thakuri等[16]分別在平原地區(qū)和丘陵地區(qū)研究了本地牛和改良牛的甲烷排放量，表明平原地區(qū)全群本地牛的甲烷排放因子為(13±3)～(48±10) kg/(頭·年)，丘陵地區(qū)全群本地牛的甲烷排放因子為(13±3)～(46±9) kg/(頭·年)，平原地區(qū)和丘陵地區(qū)之間的全群本地牛牛只的甲烷排放因子沒有顯著差異。但是品種之間存在顯著差異，本地牛的綜合甲烷排放因子為33 kg/(頭·年)，而改良牛的綜合甲烷排放因子為46 kg/(頭·年)。牛的品種類別和子類別之間的活體重和飼養(yǎng)系統(tǒng)的差異導(dǎo)致了牛只甲烷排放因子的差異，原因可能是不同品種牛只之間的能量消化率或者維持凈能之間具有差異。

1.2 動物遺傳因素

多年來，動物育種一直用于選擇反芻動物理想的生產(chǎn)性狀，目前已進行大量研究培育低甲烷排放的動物。比如首先確定甲烷產(chǎn)率(甲烷排放量/干物質(zhì)采食量，g/kg)始終低于或高于平均甲烷產(chǎn)率的動物，然后用于培育低甲烷產(chǎn)率或高甲烷產(chǎn)率動物繁育體系[17]。

Jonker等[18]提前選擇了低甲烷產(chǎn)率和高甲烷產(chǎn)率的羊只，在不同飼糧和季節(jié)(秋季和冬季)條件下研究表明，組間的羊只甲烷產(chǎn)率高低不受飼糧和季節(jié)的影響，即動物甲烷產(chǎn)率遺傳性狀的表達與環(huán)境因素無關(guān)。與中等精粗比飼糧相比，當飼喂高精料飼糧時，基于甲烷產(chǎn)率的動物排名沒有變化，也表明動物遺傳因素對甲烷產(chǎn)率的影響沒有隨飼糧改變而變化[19]。但是先前的一些研究發(fā)現(xiàn)，選擇的低甲烷產(chǎn)率的綿羊糞便中的干物質(zhì)和有機物排泄量增加[20]，這將導(dǎo)致糞污源的甲烷排放量增加。因此，提倡在養(yǎng)殖業(yè)中選育低甲烷排放量的動物之前，應(yīng)確定低甲烷排放量的動物對額外溫室氣體源(糞污源氧化亞氮和甲烷)的影響。但是Jonker等[18]發(fā)現(xiàn)，將糞便中的甲烷及尿液和糞便中的氧化亞氮排放計算在內(nèi)時，低甲烷產(chǎn)率和高甲烷產(chǎn)率選育系綿羊之間的腸道甲烷排放量(二氧化碳當量)差異仍然存在。

不同品種反芻動物間的甲烷排放量不同，并且甲烷產(chǎn)率具有遺傳性。研究發(fā)現(xiàn)，短期內(nèi)可將培育低甲烷產(chǎn)率綿羊作為甲烷減排策略，選擇低甲烷產(chǎn)率的綿羊，已被確定為一種可行的甲烷減排措施，并且該策略適合在放牧系統(tǒng)中實施[20]。

2 動物不同生理階段

2.1 不同生長階段

動物的生長階段與生理階段相對應(yīng)，基于瘤胃發(fā)育的程度和瘤胃微生物區(qū)系的形成，不同的生長階段瘤胃甲烷的產(chǎn)生量是不同的。

根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(IPCC，2006年)數(shù)據(jù)[21]，西歐生長階段的小母牛的甲烷排放因子為57 kg/(頭·年)。Dall-Orsoletta等[15]研究發(fā)現(xiàn)，初次產(chǎn)犢為2歲的小母牛平均甲烷排放因子也為57 kg/(頭·年)，從出生至12月齡的甲烷排放因子為31 kg/(頭·年)，12～24月齡的甲烷排放因子為75.5 kg/(頭·年)。而Jiao等[22]報告，放牧條件下的荷斯坦小母牛從出生至12月齡的甲烷排放因子為36.2 kg/(頭·年)，13～24月齡的甲烷排放因子為64.3 kg/(頭·年)。試驗之間的甲烷排放因子差異可能是由飼養(yǎng)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和小母牛年齡的差異造成。我國研究人員使用六氟化硫示蹤技術(shù)測量了45頭荷斯坦后備牛的甲烷排放量(g/d)，結(jié)果表明15月齡后備牛的甲烷排放量(229.6 g/d)高于12(159.7 g/d)和9月齡(117.7 g/d)[23]。與以上研究結(jié)果一致，表明小母牛隨著年齡的增長，甲烷排放量升高。

有研究表明，排除動物品種的影響，初次產(chǎn)犢為3歲的小母牛比初次產(chǎn)犢為2歲的小母牛排放更多的甲烷，從出生到產(chǎn)犢，初次產(chǎn)犢為3歲的小母牛瘤胃甲烷排放量的50%集中在24～36月齡，將初次產(chǎn)犢年齡從3歲降至2歲，平均每年可減少2.2 t二氧化碳當量的甲烷[15]。Zeitz等[24]對后備牛與成年牛的結(jié)果進行匯總表明，青年牛到成年牛的甲烷產(chǎn)率逐漸增加。而Ramírez-Restrepo等[25]沒有發(fā)現(xiàn)小母牛(110～480日齡)和成母牛(2 500～2 800日齡)之間的甲烷產(chǎn)率存在差異。Ramírez-Restrepo等[25]研究中的成母牛的干物質(zhì)采食量為6～7 kg/d，推斷出成母牛為非泌乳牛，并且所有牛只均只飼喂相同批次的粗飼料；后有研究證明，將僅飼喂粗飼料和飼喂正常精粗比飼料的成母牛與僅飼喂干草的小母牛的甲烷產(chǎn)率相比，僅飼喂粗飼料的成母牛的甲烷產(chǎn)率與僅飼喂干草的小母牛的甲烷產(chǎn)率更加接近。因此，Ramírez-Restrepo等[25]的結(jié)果可能是由僅飼喂成母牛粗飼料和成母牛采食量較低造成。

后備牛到成年牛階段，隨著年齡的增長，甲烷排放量逐漸增加。另外，初次分娩日齡的推后不利于養(yǎng)殖效益和甲烷減排，需要重視后備牛的繁育工作。

2.2 奶牛不同泌乳階段

奶牛在不同泌乳階段，基于泌乳曲線，產(chǎn)奶量差別很大，對應(yīng)的飼糧干物質(zhì)采食量存在顯著差異，導(dǎo)致奶牛的甲烷排放量不同。

Coppa等[26]研究表明，呼吸室和GreenFeed系統(tǒng)測得的泌乳后期荷斯坦奶牛甲烷排放量高于泌乳高峰期。另有報道，從泌乳前期到泌乳后期，甲烷排放量增加了35%[27-28]。盡管在這些研究中沒有測量瘤胃容積和飼糧在瘤胃中的滯留時間，但與泌乳前期相比，泌乳后期的瘤胃干物質(zhì)體積和瘤胃容積增加[29-30]。因此，奶牛在整個哺乳期甲烷排放量的增加可以歸因于瘤胃容積的增加導(dǎo)致的干物質(zhì)采食量增加，干物質(zhì)采食量是甲烷生產(chǎn)的主要驅(qū)動力。但是王貝[31]選用泌乳高峰期、泌乳中期和泌乳后期各12頭荷斯坦奶牛，使用六氟化硫示蹤法測量其甲烷排放量分別為325.2、261.0和241.8 g/d，發(fā)現(xiàn)隨著泌乳階段的增加奶牛甲烷排放量卻降低。干物質(zhì)采食量是決定甲烷排放量的首要指標，王貝[31]研究中奶牛干物質(zhì)采食量隨泌乳階段的增加而下降，可能是造成與以上結(jié)果不一致的原因。

甲烷產(chǎn)率排除了干物質(zhì)采食量對甲烷排放量的影響，呼吸室測得的奶牛甲烷產(chǎn)率隨泌乳階段增加而增加，GreenFeed系統(tǒng)測得的奶牛甲烷產(chǎn)率為泌乳高峰期最低，泌乳初期居中，泌乳后期最高[32]。反芻動物的甲烷生產(chǎn)與瘤胃微生物發(fā)酵和產(chǎn)甲烷菌直接相關(guān)，但是不同泌乳階段奶牛的瘤胃微生物之間并未發(fā)現(xiàn)差異[15]。Shi等[33]對甲烷產(chǎn)率高和甲烷產(chǎn)率低的綿羊的瘤胃樣品進行了宏基因組和轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)2組中產(chǎn)甲烷菌的豐度相似，但產(chǎn)甲烷途徑基因的轉(zhuǎn)錄在高甲烷產(chǎn)率綿羊中顯著增加。泌乳后期奶牛的瘤胃微生物群落沒有變化，但是甲烷產(chǎn)率顯著升高，可能是由于瘤胃產(chǎn)甲烷途徑基因發(fā)生了變化。以奶牛第11～18泌乳周和第19～26泌乳周作為2個泌乳階段時，發(fā)現(xiàn)2個泌乳階段的甲烷排放量相似，可能因為將8周作為一個泌乳階段時間過短，或者試驗未區(qū)分頭胎牛和經(jīng)產(chǎn)牛；而第19～26泌乳周的甲烷產(chǎn)率和甲烷強度(甲烷排放量/產(chǎn)奶量，g/kg)顯著高于第11～18泌乳周，因此，不同泌乳階段甲烷產(chǎn)率和甲烷強度的差異可歸因于泌乳生理階段變化引起的奶牛干物質(zhì)采食量和產(chǎn)奶量的變化[26]。

奶牛隨著泌乳階段的增長其甲烷排放量和甲烷產(chǎn)率隨之增加，甲烷排放量的增加歸因于干物質(zhì)采食量增加，甲烷產(chǎn)率的增加可能歸因于由于瘤胃產(chǎn)甲烷途徑基因發(fā)生了變化。

3 奶牛不同年齡和胎次

奶牛一生要經(jīng)歷青年、中年與老年，胎次是年齡的體現(xiàn)，動物對飼糧營養(yǎng)成分的消化和利用功能與年齡有關(guān)，所以胎次將影響甲烷排放。

Grandl等[34]對泌乳奶牛開展試驗發(fā)現(xiàn)，奶牛年齡與甲烷排放之間存在曲線關(guān)系。甲烷排放量在第2～3泌乳期時達到最大值，到6.5歲左右時甲烷排放量、甲烷產(chǎn)率和甲烷強度均較低。由于奶?？赡茉诩淄榕欧鸥叻逯耙呀?jīng)完成了生長[35]，所以年齡與甲烷排放之間的曲線關(guān)系可能主要由采食量、瘤胃中的飼料流通速率以及營養(yǎng)物質(zhì)(尤其是纖維)消化率導(dǎo)致[36]，也會受到飼料粉碎程度[37]或瘤胃微生物生長條件的影響[38]。采食量從初產(chǎn)到第2、3胎次時顯著增加，但此后基本保持不變，所以排除采食量的影響。有研究表明，較高的剩余采食量直接導(dǎo)致甲烷排放量升高[39-40]，老年奶牛伴隨的剩余采食量增加的趨勢不能解釋甲烷排放量降低的結(jié)果；消化道中的飼料流通速率被認為與甲烷排放量呈負相關(guān)[41]，研究中的老年奶牛的采食量增加并沒有增加飼料流通速率，所以飼料流通速率也無法解釋甲烷排放量降低的結(jié)果。唯一可能解釋觀察到的甲烷排放量的變化是年齡與纖維消化率之間的相關(guān)曲線關(guān)系(小牛和老牛的消化率較低)。在反芻性狀中發(fā)現(xiàn)了類似的變化模式，奶牛咀嚼效率最高的年齡階段是中年，這導(dǎo)致纖維降解率增加，所以甲烷排放量在中年奶牛中達到最大值[34]。

Coppa等[26]研究表明，初產(chǎn)奶牛的甲烷排放量低于經(jīng)產(chǎn)奶牛，可能因為初產(chǎn)奶牛的干物質(zhì)采食量比經(jīng)產(chǎn)奶牛低3.5 kg/d，以及中性洗滌纖維(NDF)消化率隨年齡變化，經(jīng)產(chǎn)奶牛具有更高的NDF消化率。但是當甲烷排放量用甲烷產(chǎn)率和甲烷強度表示時，飼糧及泌乳階段之間的差異顯著，初產(chǎn)與經(jīng)產(chǎn)間差異消失，所以采食量和產(chǎn)奶量與初產(chǎn)和經(jīng)產(chǎn)泌乳牛的甲烷排放量呈正相關(guān)。

成年奶牛單位采食量、體重和產(chǎn)奶量下的甲烷排放量與年齡顯著相關(guān)，隨著年齡的增長，這些數(shù)值在奶牛2 000日齡左右時達到最大值，然后下降[34]。這種反應(yīng)并沒有與年齡相關(guān)的采食、咀嚼、飼料瘤胃流速和有機物消化率的相應(yīng)變化保持一致。然而，隨著年齡的增長，纖維的消化率與甲烷排放量表現(xiàn)出相似的變化，因此每單位可消化纖維的甲烷排放量相對穩(wěn)定。

4 瘤胃微生物區(qū)系

反芻動物對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收依賴于瘤胃微生物，其發(fā)酵過程可產(chǎn)生多種產(chǎn)物，為產(chǎn)甲烷菌合成甲烷提供了底物。因此，除產(chǎn)甲烷菌外，其他瘤胃微生物差異也可造成反芻動物甲烷排放量不同。

反芻動物瘤胃中的微生物發(fā)酵為合成甲烷提供的底物包括：氫、二氧化碳、甲酸鹽、乙酸鹽和甲基化合物。其中，氫和二氧化碳是瘤胃生產(chǎn)甲烷的主要底物，微生物碳水化合物發(fā)酵產(chǎn)生的大部分氫用于甲烷的生產(chǎn)。因此，微生物發(fā)酵的產(chǎn)氫過程和瘤胃產(chǎn)甲烷菌與甲烷合成之間有著密切的聯(lián)系。此前有報道稱，低甲烷產(chǎn)率和高甲烷產(chǎn)率動物的瘤胃中可產(chǎn)生大量氫的細菌的相對豐度之間存在差異[42]；低甲烷產(chǎn)率和高甲烷產(chǎn)率綿羊的瘤胃產(chǎn)甲烷菌群之間的主要差異結(jié)果表明，高甲烷產(chǎn)率綿羊中氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷途徑相關(guān)基因的表達量較高，這也支持了這一理論[34]。

瘤胃細菌群落及其活動可能作用于動物的甲烷排放量性狀。微生物數(shù)據(jù)顯示，高甲烷產(chǎn)率動物的毛螺菌科(Lachnospiraceae)和瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)的豐度增加，而低甲烷產(chǎn)率動物的丹毒菌科(Erysipelotrichaceae)的夏普氏菌屬(Sharpea)的豐度是高甲烷產(chǎn)率動物的10～13倍[42]。Wallace等[43]發(fā)現(xiàn)低甲烷排放量動物瘤胃中琥珀酸弧菌科(Succino vibrionaceae)的豐度較高。Kittelmann等[44]對甲烷排放量低和高的多個綿羊群體中的微生物群落進行了廣泛調(diào)查，報告顯示“S”型低甲烷產(chǎn)率綿羊富含Sharpeaazabuensis序列以及其他乳酸和琥珀酸產(chǎn)生菌，平均占細菌16S rRNA基因的11.9%。Sharpeaazabuensis是一種革蘭氏陽性的異源發(fā)酵厭氧菌，能夠在一系列普通糖上生長，并通過葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生乳酸和二氧化碳[45]?？赡芟钠帐暇鷮?Sharpea)聚集的低甲烷產(chǎn)率綿羊具有較小的瘤胃容積，且瘤胃周轉(zhuǎn)率較高。因此，“S”型低甲烷產(chǎn)率反芻動物導(dǎo)致從瘤胃發(fā)酵中生成的氫更少，這反過來又解釋了較少數(shù)量的氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌和較少的甲烷生成。

瘤胃微生物組是導(dǎo)致動物飼料效率差異的一個重要因素，瘤胃中甲烷的產(chǎn)生導(dǎo)致2%～12%攝入總能的損失[9]。對在相同飼養(yǎng)和飼糧條件下的多種動物的分析表明，個體動物從飼料中攝入能量的能力存在很大差異。有報道指出了高剩余采食量和低剩余采食量動物在甲烷產(chǎn)生方面的差異以及微生物組成方面的差異[46]。這些差異與一些微生物組特征緊密相關(guān)，包括高效奶牛瘤胃微生物組豐富度的降低和分類及編碼能力優(yōu)勢的增加。從生態(tài)學(xué)角度來看，高效奶牛低豐富度微生物組中產(chǎn)甲烷途徑和產(chǎn)甲烷菌的豐富度較低。因此，高效微生物組菌群較為單一，但更專一，以增加宿主的能量利用率和減少甲烷產(chǎn)生[46]。

在畜牧業(yè)，溫室氣體減排策略主要通過調(diào)整飼糧和使用添加劑以減少甲烷排放[10]。盡管飼糧對瘤胃微生物群落結(jié)構(gòu)有很強的影響，但這種影響往往是不一致和短暫的，所以很難制定出一種廣泛適用的用于甲烷減排的飼糧策略[47]。由于瘤胃中的微生物負責產(chǎn)生甲烷，因此可利用有關(guān)影響微生物群落組成的因素，以提出旨在操縱這些群落以實現(xiàn)長期、穩(wěn)定地減少瘤胃甲烷的策略[10]，但是具體措施還需進一步研究。

5 小 結(jié)

后備牛隨著年齡的增長和體重的增加，其甲烷排放量隨之增多，應(yīng)當避免初次產(chǎn)犢時間的推遲造成的甲烷排放量及養(yǎng)殖成本的增加，重視繁育工作。成年泌乳牛除經(jīng)產(chǎn)牛甲烷排放量高于頭胎牛外，小于6.5歲的經(jīng)產(chǎn)牛的胎次對甲烷排放量沒有影響，泌乳后期甲烷排放量高于泌乳前期。針對甲烷排放量較高時期，使用緩解甲烷排放策略將取得更佳效果；通過育種以及調(diào)控瘤胃微生物是一種長期和穩(wěn)定的甲烷減排方法。國外開展了大量的反芻動物甲烷排量放量特點研究，我國應(yīng)當探明本土的反芻動物甲烷排放量特點，填補我國系統(tǒng)性監(jiān)測數(shù)據(jù)和官方權(quán)威信息，制定反芻動物養(yǎng)殖業(yè)的甲烷減排措施，助力我國碳達峰和碳中和事業(yè)。