瘤胃中添加劑的甲烷減排作用及甲烷厭氧氧化

朱曉雯 劉 月 周振明 吳 浩

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)

甲烷(CH4)是產(chǎn)量?jī)H低于二氧化碳(CO2)的溫室氣體,占溫室氣體排放總量的16%。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)指出,CH4的全球變暖潛能(global warming potential,GWP)值是CO2的28倍[1],具有捕獲大氣紅外輻射的能力,加速全球變暖,對(duì)生態(tài)環(huán)境造成威脅。反芻動(dòng)物作為溫室氣體的主要貢獻(xiàn)者,其產(chǎn)生的溫室氣體占畜牧業(yè)總排放量的80%,約占全球人為CH4排放量的16%,其胃腸道發(fā)酵產(chǎn)生的CH4約占CH4排放總量的47%[2-3]。反芻動(dòng)物CH4生成不僅加劇溫室效應(yīng),還會(huì)損失2%～12%的飼料總能,造成飼料可消化能的浪費(fèi)。因此,減少反芻動(dòng)物CH4排放對(duì)提高飼料利用率、緩解溫室效應(yīng)都具有重要意義。

大量研究證明,在飼糧中加入不同類型添加劑可通過(guò)減少產(chǎn)甲烷菌(methanogen)數(shù)量[4]、抑制產(chǎn)甲烷菌活性[5-7]以及抑制關(guān)鍵酶活性[8]等方式降低CH4產(chǎn)量,但都存在一定局限性;而甲烷厭氧氧化作為自然環(huán)境中重要的甲烷匯,不僅CH4利用效率頗高,而且反應(yīng)發(fā)生條件基本與瘤胃環(huán)境相符。有研究人員從微生物角度進(jìn)行探究,從側(cè)面說(shuō)明甲烷厭氧氧化過(guò)程可能存在于瘤胃中,但未進(jìn)行直接的過(guò)程驗(yàn)證?；诖?本文綜述了不同添加劑對(duì)反芻動(dòng)物CH4減排的效果以及甲烷厭氧氧化在瘤胃中的可能性,旨在為反芻動(dòng)物CH4減排提供新思路。

1 反芻動(dòng)物瘤胃中的產(chǎn)甲烷菌與CH4生成機(jī)制

1.1 產(chǎn)甲烷菌的種類及特點(diǎn)

產(chǎn)甲烷菌與細(xì)菌雖同為原核生物,但其16S rRNA序列中并不存在細(xì)菌特征序列,且進(jìn)化樹(shù)上與真菌的親緣更近[9]。產(chǎn)甲烷菌嚴(yán)格厭氧,屬水生古細(xì)菌門(mén)。目前已知的產(chǎn)甲烷菌可分為4個(gè)綱,包括7個(gè)目、14個(gè)科和35個(gè)屬,其中甲烷桿菌屬(Methanobacterium)、甲烷短桿菌屬(Methanobrevibacter)、甲烷微菌屬(Methanomicrobium)和甲烷八疊球菌屬(Methanosarcine)廣泛存在于反芻動(dòng)物胃腸道中[10],這些產(chǎn)甲烷菌分布在瘤胃液、原蟲(chóng)表面、原蟲(chóng)胞內(nèi)的氫化酶體、瘤胃壁以及其他微生物或飼料顆粒上[11]。不同反芻動(dòng)物在不同生理階段核心產(chǎn)甲烷菌群略有不同,但奶牛、肉牛、水牛和牦牛等的優(yōu)勢(shì)菌屬都是甲烷短桿菌屬,而具體菌種有所區(qū)別[12-14]。反芻動(dòng)物瘤胃中產(chǎn)甲烷菌分類見(jiàn)圖1。

圖1 反芻動(dòng)物瘤胃中產(chǎn)甲烷菌分類Fig.1 Classification of methanogens in rumen of ruminants

1.2 CH4生成機(jī)制

碳水化合物在反芻動(dòng)物瘤胃中被微生物降解為單糖,單糖再進(jìn)一步降解生成丙酮酸,繼而發(fā)酵產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA),同時(shí)產(chǎn)生氫氣(H2)。瘤胃中的H2有2種存在形式,分別為溶解H2和氣態(tài)H2,產(chǎn)甲烷菌可以利用溶解H2產(chǎn)生CH4,該過(guò)程也稱為氫(H)營(yíng)養(yǎng)型途徑;除此之外,瘤胃中還存在其他2種產(chǎn)CH4途徑,即乙酸發(fā)酵型途徑和甲基營(yíng)養(yǎng)型途徑,以上3種途徑中,由甲烷短桿菌經(jīng)CO2和H2還原途徑產(chǎn)生的CH4占瘤胃CH4產(chǎn)量的82%[15]。

1.2.1 H營(yíng)養(yǎng)型途徑

H營(yíng)養(yǎng)型途徑是瘤胃中主要的產(chǎn)CH4途徑,其中甲烷短桿菌屬為主要的產(chǎn)甲烷菌[16]。H2為產(chǎn)CH4過(guò)程提供電子,將CO2還原為甲酰甲烷呋喃,然后與四氫甲烷蝶呤結(jié)合,形成甲酰四氫甲烷喋呤,在一系列酶的作用下被還原為甲基四氫甲烷蝶呤,再由輔酶M甲基轉(zhuǎn)移酶將甲基轉(zhuǎn)移,最終在甲基還原酶的作用下生成CH4。在此過(guò)程中,還有F420、F430、輔酶B和輔酶M的參與[17]。此外,甲酸脫氫酶能將甲酸轉(zhuǎn)化為CO2和H2,CO2被還原產(chǎn)生CH4,該路徑中能利用甲酸的產(chǎn)甲烷菌占18%[18]。H營(yíng)養(yǎng)型途徑圖2[19]。

CO2:二氧化碳 carbon dioxide;H2:氫氣 hydrogen;CH4:甲烷 methane;H+:氫離子 hydrogen ion。圖2 H營(yíng)養(yǎng)型途徑Fig.2 H nutritional type pathway[19]

1.2.2 乙酸發(fā)酵型途徑

產(chǎn)甲烷菌將乙酸分解生成的羧基(—COOH)和甲基(—CH3)分別氧化還原為CO2和CH4。參與反應(yīng)過(guò)程的輔酶主要有輔酶A、輔酶M和輔酶B。此類途徑產(chǎn)CH4占比較少,主要涉及的產(chǎn)甲烷菌是甲烷八疊球菌屬和甲烷鬃菌屬(Methanosaeta)。

1.2.3 甲基營(yíng)養(yǎng)型途徑

甲烷八疊球菌目(Methanosarcinales)、甲烷球菌屬(Methanosphaera)、嗜甲基甲烷菌科(Methanomassiliicoccaceae)是該途徑的主要產(chǎn)甲烷菌類型,其需要H2作為共基質(zhì)生成CH4[20]。在此過(guò)程中,產(chǎn)甲烷菌利用甲醇、甲硫醇和甲胺等甲基化合物為底物生成CH4。

2 緩解反芻動(dòng)物胃腸道CH4排放的策略

瘤胃CH4產(chǎn)量受動(dòng)物個(gè)體、飼糧組成、瘤胃發(fā)酵模式、瘤胃微生物區(qū)系差異、飼養(yǎng)管理和環(huán)境溫度等多方面因素影響?；谝陨蠋c(diǎn)制定針對(duì)反芻動(dòng)物的CH4減排方案,起到多種措施并用、共同發(fā)揮作用的目的。CH4減排途徑見(jiàn)圖3[21]。

CO2:二氧化碳 carbon dioxide;H2:氫氣 hydrogen;CH4:甲烷 methane。圖3 CH4減排途徑Fig.3 CH4 emission reduction pathways[21]

飼料添加劑主要通過(guò)以下幾種途徑緩解瘤胃CH4排放:1)抑制產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng),降低其數(shù)量及活性,減少CH4生成;2)與產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)H2,減少CH4轉(zhuǎn)化;3)抑制產(chǎn)甲烷菌合成CH4途徑中某些酶的活性,抑制CH4生成。

2.1 抑制產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)和活性

2.1.1 植物提取物

植物提取物是一類天然的、毒副作用低的、有生物活性的混合物,具有抗菌活性,有改善瘤胃發(fā)酵、提高生產(chǎn)性能、抑制CH4生成等功能,主要有植物精油、單寧和皂苷等。

植物精油是有芳香味的油狀液體,分為萜類和丙苯素類[22],其活性物質(zhì)大多為親脂性,與產(chǎn)甲烷菌的細(xì)胞膜有高親和力,可直接破壞膜蛋白,使細(xì)胞膜通透性增加,干擾產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)和活性。體外試驗(yàn)中,迷迭香精油能使CH4產(chǎn)量隨劑量增加而線性下降,但對(duì)VFA和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)降解率無(wú)影響[23];不同植物[波葉海桐(Pittosporumundulatum)、金姜花(Hedychiumgardnerianum)和日本柳杉(Cryptomeriajaponica)]來(lái)源精油均能顯著降低CH4排放量,但總VFA含量顯著降低[24]。體內(nèi)試驗(yàn)中,柑橘精油[25]能夠降低湖羊瘤胃產(chǎn)甲烷菌豐度,精油混合物[5]能顯著降低奶牛的CH4產(chǎn)量,且不影響干物質(zhì)采食量和生產(chǎn)性能;大蒜油[26]、肉桂油[26]和牛至油[27]也能降低CH4產(chǎn)量但會(huì)對(duì)瘤胃發(fā)酵參數(shù)產(chǎn)生不利影響,使VFA含量降低。以上研究證明,植物精油能抑制瘤胃CH4生成,具有抗氧化等優(yōu)點(diǎn),但植物精油中活性成分較多,作用效果主要取決于來(lái)源和劑量;此外,還應(yīng)考慮植物精油對(duì)瘤胃微生物發(fā)酵的影響,避免對(duì)動(dòng)物健康和生產(chǎn)性能造成負(fù)面影響,因此需進(jìn)一步研究確定在實(shí)際生產(chǎn)中植物精油的有效種類及具體劑量。

單寧分為水解型單寧(hydrolysable tannin,HT)和縮合型單寧(condensed tannin,CT)。其中,HT是含羥基的碳水化合物,與蛋白質(zhì)結(jié)合能力強(qiáng),能與微生物細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合物沉淀,抑制產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng);CT是高分子黃酮類化合物,主要通過(guò)減少纖維消化減少H的生成,從而減少CH4生成。在反芻動(dòng)物飼糧中適量添加單寧對(duì)生產(chǎn)性能及CH4減排有益。Ngámbi等[6]研究發(fā)現(xiàn),在公羊飼糧中添加HT能降低CH4產(chǎn)量,并提高羊肉抗氧化活性;Torres等[28]利用Meta分析證明單寧的添加能降低綿羊CH4產(chǎn)量,并提高肉中脂肪酸含量;此外,用富含單寧的印揀葉飼喂山羊能提高氮利用率和生長(zhǎng)性能[29];但金合歡提取物的添加會(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化率產(chǎn)生負(fù)面影響[7],單寧的澀味和苦味會(huì)對(duì)適口性會(huì)產(chǎn)生影響[30-31]。因此,使用單寧飼喂反芻動(dòng)物時(shí)應(yīng)注意其添加劑量和比例,不同來(lái)源的含單寧飼料應(yīng)首先確定其單寧組成和含量,含量過(guò)高可能對(duì)微生物產(chǎn)生毒性,使飼糧的消化率和降解率降低,而對(duì)適口性的影響可采取包被技術(shù)起到中和收斂作用[32]。

皂苷是一類天然表面活性糖苷,能與原蟲(chóng)表面甾醇結(jié)合使其裂解死亡,同時(shí)能夠抑制與原蟲(chóng)相關(guān)的產(chǎn)甲烷菌活性,廣泛存在于苜蓿、絲蘭的提取物中。茶皂素是皂苷的一種,飼糧中添加10和20 g/kg DM的茶皂素能顯著降低綿羊的CH4排放量,但添加5 g/kg DM茶皂素則無(wú)顯著作用[33];在泌乳奶牛上添加0.52%DM的茶皂素,體外呈現(xiàn)減排效果,但在體內(nèi)并無(wú)作用[34];體外添加苜蓿皂苷能有效抑制CH4生成[35],且CH4產(chǎn)量和原蟲(chóng)數(shù)隨劑量增加(0～0.5 g/L)線性減少,最高可達(dá)29%和50%[34]。由此可見(jiàn),皂苷在適當(dāng)范圍內(nèi)具有CH4減排的能力,但體內(nèi)和體外對(duì)CH4的抑制效果并不一致,需要更多的體內(nèi)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證體外試驗(yàn)結(jié)果,保障在生產(chǎn)上達(dá)到有效的添加劑量。

2.1.2 其他添加劑

大型海藻中含有溴仿和多種活性物質(zhì),溴仿能減少CH4排放并與維生素B12反應(yīng)抑制產(chǎn)甲烷菌酶的活性,活性物質(zhì)中包含皂苷、單寧和抗菌肽等能抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)。研究表明,海藻的添加與CH4生成呈負(fù)相關(guān)[36]。紅藻提取物能降低CH4排放量并減少產(chǎn)甲烷菌數(shù)量[37],紅海藻天門(mén)冬具有緩解反芻動(dòng)物CH4排放的潛力[38],Roque等[39]用天門(mén)冬飼喂奶牛使產(chǎn)甲烷菌的代謝功能受限,CH4產(chǎn)量降低;Choi等[40]發(fā)現(xiàn),馬尾藻也能夠顯著降低總產(chǎn)氣量以及CH4和CO2產(chǎn)量。海藻的作用效果顯著且具有多種生物活性物質(zhì),但其生產(chǎn)成本較高,不易貯存和運(yùn)輸,若想廣泛使用還需開(kāi)發(fā)更好的貯存運(yùn)輸辦法,降低成本并確定具體的添加量。

益生菌(probiotics)是對(duì)宿主有益的活性微生物,常見(jiàn)有乳桿菌、芽孢桿菌和酵母等。大部分益生菌通過(guò)促進(jìn)瘤胃發(fā)酵、減少產(chǎn)甲烷菌數(shù)量以及影響瘤胃微生物活性來(lái)減少CH4生成[4];酵母菌通過(guò)刺激產(chǎn)乙酸菌與產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)H2,減少CH4生成[41]。在羔羊飼糧中添加粉末或液體形式的益生菌均能顯著降低CH4產(chǎn)量[42];在肉牛飼糧中添加乳酸菌也能夠有效降低CH4產(chǎn)量并提高總產(chǎn)氣量[43]。

益生元(prebiotics)包括蛋白質(zhì)、多肽、脂肪、低聚糖和多糖等不易消化的成分,能與病原菌結(jié)合抑制其生長(zhǎng),刺激有益菌增殖,對(duì)瘤胃發(fā)酵具有積極作用。Kido等[44]在犢牛斷奶前后添加β-葡聚糖益生元,瘤胃中纖維分解菌比例增加,產(chǎn)甲烷菌比例降低。益生元主要通過(guò)改變菌群結(jié)構(gòu)影響產(chǎn)甲烷菌的細(xì)胞壁通透性,以此來(lái)減少CH4生成,通常與益生菌合用發(fā)揮協(xié)同作用。

2.2 抑制CH4合成關(guān)鍵酶活性

3-硝基氧丙醇(3-nitroxypropanol,3-NOP)是反芻動(dòng)物CH4減排的有效添加劑,能夠抑制瘤胃中CH4生成且對(duì)生長(zhǎng)性能無(wú)不良影響[45]。Hristov等[8]在奶牛上發(fā)現(xiàn),3-NOP能抑制CH4產(chǎn)生;Van Gastelen等[46]在泌乳奶牛上也得到相同結(jié)論;Vyas等[47]在育肥肉牛飼糧中添加3-NOP使CH4產(chǎn)量顯著降低,且飼料轉(zhuǎn)化效率有所提高,當(dāng)3-NOP添加量在0～280 mg/kg DMI時(shí),CH4的減少與3-NOP劑量呈線性相關(guān)[48]。其機(jī)制主要是3-NOP的結(jié)構(gòu)與甲基輔酶M相似,能夠結(jié)合甲基輔酶M還原酶的活性位點(diǎn),使甲基輔酶M還原酶失活,阻止其催化產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生CH4,從而降低CH4產(chǎn)量[49]。

2.3 與產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)H2

2.3.1 有機(jī)酸

蘋(píng)果酸、延胡索酸等均為有機(jī)酸,在飼糧中可作為丙酸前體抑制CH4生成,也能與產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)H2。Li等[50]用延胡索酸飼喂山羊發(fā)現(xiàn),其具有持續(xù)抑制CH4產(chǎn)量的作用,且能降低乙酸/丙酸比值。Bharathidhasan[51]的體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),添加超過(guò)0.26%的蘋(píng)果酸能有效降低CH4產(chǎn)量。不同有機(jī)酸擁有不同的還原途徑,對(duì)CH4的抑制效果不同,其中延胡索酸的效果最佳[52]。

2.3.2 脂質(zhì)

在反芻動(dòng)物飼糧中添加油脂能夠抑制瘤胃CH4產(chǎn)生,抑制效果取決于脂質(zhì)來(lái)源、數(shù)量、飽和度以及脂肪酸碳鏈長(zhǎng)短等?；ㄉ?、菜籽油和大豆油在體外試驗(yàn)中均能降低CH4產(chǎn)量[53];棕櫚油能使綿羊的CH4產(chǎn)量降低[54];玉米油能降低山羊瘤胃中的溶解氫濃度及CH4產(chǎn)量[55]。不飽和脂肪酸(unsaturated fatty acid,UFA)在瘤胃中的氫化作用下消耗H2,與產(chǎn)甲烷菌形成競(jìng)爭(zhēng),從而減少CH4排放。Yang等[56]在奶牛高脂飼糧中添加UFA發(fā)現(xiàn),隨UFA添加比例的升高,CH4產(chǎn)量逐漸降低且纖維桿菌豐度顯著降低,螺旋體科細(xì)菌豐度顯著提高。椰子油屬于中鏈脂肪酸,能通過(guò)改變微生物結(jié)構(gòu)和瘤胃發(fā)酵模式降低CH4產(chǎn)量[57]。脂質(zhì)易得且不易對(duì)動(dòng)物造成危害,但其高能量會(huì)導(dǎo)致采食量下降,且過(guò)量添加油脂還可能對(duì)瘤胃發(fā)酵參數(shù)和瘤胃菌群產(chǎn)生不利影響,因此其添加量還需針對(duì)不同反芻動(dòng)物的不同生長(zhǎng)階段進(jìn)行調(diào)整和驗(yàn)證。

2.3.3 硫酸鹽和硝酸鹽

硫酸鹽和硝酸鹽屬于化學(xué)合成抑制劑,從熱力學(xué)上看(表1),硫酸鹽和硝酸鹽的還原作用強(qiáng)于瘤胃內(nèi)CH4生成途徑,可與產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)H2從而減少瘤胃CH4排放。

表1 利用不同電子受體進(jìn)行的還原反應(yīng)的吉布斯自由能Table 1 Gibbs free energy of reduction reaction with different electron acceptors

在飼糧中添加硫酸鹽后,當(dāng)瘤胃內(nèi)硫酸鹽含量高時(shí),硫酸鹽還原菌(sulfate reducing bacteria,SRB)能與產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)H2并生成硫氫根離子(HS-),由此減少CH4生成。Wu等[61]發(fā)現(xiàn),在飼糧中添加硫能夠提高SRB豐度并減少CH4排放;干酒糟及其可溶物(distillers dried grains with solubles,DDGS)和硫酸鈣能夠增加奶牛產(chǎn)奶量并顯著降低CH4產(chǎn)量[62];山羊飼糧中添加硫酸鈉和SRB也能使CH4產(chǎn)量降低[63];在肉牛上,CH4產(chǎn)量隨硫酸鈉的增加而降低,且瘤胃上皮屏障的通透性增加[64]。因此,在不影響其生產(chǎn)性能的基礎(chǔ)上添加硫酸鹽能夠有效降低反芻動(dòng)物的CH4產(chǎn)量。但由于其終產(chǎn)物可能產(chǎn)生的硫化氫(H2S)具有毒性,動(dòng)物吸入后會(huì)產(chǎn)生腦脊髓灰質(zhì)軟化癥(PEM),且目前為止對(duì)于硫酸鹽能夠完成CH4減排的研究多為體外試驗(yàn),需要更多的體內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)一步確定硫酸鹽最適添加劑量,避免對(duì)動(dòng)物造成不可逆的損傷;除此之外,硫酸鹽在瘤胃中通過(guò)何種路徑完成CH4減排還尚不明確,還需更多試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 甲烷厭氧氧化

甲烷厭氧氧化是湖泊、沼澤、海洋以及濕地等生態(tài)系統(tǒng)中CH4減排的重要途徑,其CH4減排能力最高可達(dá)90%,是一類極具潛力的CH4減排途徑。根據(jù)電子受體類型不同,甲烷厭氧氧化可分為硫酸鹽依賴型甲烷厭氧氧化(sulfate-dependent anaerobic methane oxidation,S-DAMO)、硝酸鹽/亞硝酸鹽依賴型甲烷厭氧氧化(nitrate/nitrite dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)和金屬依賴型甲烷厭氧氧化(metal-dependent anaerobic methane oxidation,M-DAMO)。甲烷厭氧氧化在嚴(yán)格厭氧條件下完成,主要由甲烷厭氧氧化古菌(anaerobic methanotrophic archaea,ANME)發(fā)揮作用,若能證明在瘤胃中存在,將為反芻動(dòng)物CH4減排工作提供新思路。表2列舉了不同終端電子受體的甲烷厭氧氧化反應(yīng)及所提供的吉布斯自由能。

表2 不同終端電子受體的甲烷厭氧氧化反應(yīng)及所提供的吉布斯自由能Table 2 Anaerobic methane oxidation reactions with different terminal electron acceptors and Gibbs free energy provided by them

3.1 S-DAMO

CH4:甲烷 methane;CO2:二氧化碳 carbon dioxide;ANME:甲烷厭氧氧化古菌 anaerobic methanotrophic archaea;SRB:硫酸鹽還原菌 sulfate reducing bacteria;Methyl-S-CoM:甲基-S-輔酶M methyl-S-coenzyme M;Methyl-H4MPT:甲基-四氫甲基蝶呤 methyl-tetrahydromethylpterin;Methylene-H4MPT:亞甲基-四氫甲基蝶呤 methylene-tetrahydromethylpterin;Methenyl-H4MPT:次甲基-四氫甲基蝶呤 methyl-tetrahydromethylpterin;Formyl-H4MPT:甲酰-四氫甲基蝶呤 formyl-tetrahydromethylpterin;Formyl-MFR:甲酰-甲烷呋喃 formyl-methanofuran;Mcr:甲基輔酶M還原酶 methyl-coenzyme M reductase;Mtr:甲基輔酶M轉(zhuǎn)移酶 methyl-coenzyme M transferase;Mer:亞甲基-四氫甲基蝶呤還原酶 methylene-tetrahydromethylpterin reductase;Mtd:F420型亞甲基-四氫甲基蝶呤還原酶 F420 type methylene-tetrahydromethylpterin reductase;Mch:亞甲基-四氫甲基蝶呤環(huán)化酶 methylene-tetrahydromethylpterin cyclase;Ftr:四氫甲基蝶呤甲酰轉(zhuǎn)移酶 tetrahydromethylpterin formyltransferase;Fmd:甲酰-甲烷呋喃脫氫酶 formyl-methanofuran dehydrogenase。圖5同 the same as Fig.5。圖4 硫酸鹽甲烷厭氧氧化的3種假說(shuō)途徑Fig.4 Three hypothetical approaches to anaerobic oxidation of sulfate methane[74]

3.2 N-DAMO

Hdr:雜二硫化物還原酶 heterodisulfide reductase;H2:氫氣 hydrogen;N2:氮?dú)?nitrogen。圖5 N-DAMO反應(yīng)過(guò)程Fig.5 N-DAMO reaction process[77]

3.3 M-DAMO

M-DAMO主要以三價(jià)鐵離子(Fe3+)、四價(jià)錳離子(Mn4+)等金屬離子作為電子受體,將其還原為二價(jià)鐵離子(Fe2+)和二價(jià)錳離子(Mn2+),在河道沉積物、海洋沉積物以及沿海沉積物中普遍存在[2,65-66]。M-DAMO其主要功能微生物是海洋底棲生物群-D(marine benthic group-D,MBG-D),ANME-2及其亞類也均參與該反應(yīng)[78-79]。

3.4 瘤胃中的甲烷厭氧氧化

4 小 結(jié)

CH4產(chǎn)生是反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)不可規(guī)避的過(guò)程,其對(duì)環(huán)境的危害不可忽視,在飼糧中添加不同類型的添加劑的確能夠降低反芻動(dòng)物的CH4排放水平,但存在減排效果瞬時(shí)性、作用效果不穩(wěn)定以及添加劑間聯(lián)用效果及適宜添加量尚不明確等問(wèn)題。而甲烷厭氧氧化作為自然界中重要甲烷匯,其CH4減排能力高達(dá)90%。瘤胃也屬于嚴(yán)格厭氧環(huán)境,溫度在39 ℃左右,pH 6.0～7.0符合甲烷厭氧氧化發(fā)生條件,且在飼糧中添加硫酸鹽和硝酸鹽使CH4排放量降低且SRB、NC10門(mén)菌以及古菌總數(shù)上升,這些能都證明甲烷厭氧氧化過(guò)程有在瘤胃中存在的可能,但現(xiàn)階段并沒(méi)有直接數(shù)據(jù)證明其存在,若能使用如同位素示蹤等技術(shù)手段直接能證明甲烷厭氧氧化在瘤胃中存在,將為反芻動(dòng)物甲烷減排工作提供新思路,對(duì)提高飼料利用效率以及減少CH4排放、緩解溫室效應(yīng)具有重要意義。