蘇 醒,董國忠

(西南大學(xué)動物科技學(xué)院,重慶 400715)

甲烷(CH4)是一種重要的大氣微量成分。它與CO2一樣,是一種長壽命的溫室效應(yīng)氣體。研究者普遍認為甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的20～30倍。甲烷對全球氣候變暖的影響作用占到所有影響氣候變暖因素作用的15%～20%[1]。聯(lián)合國政府間氣候變化專業(yè)委員會(IPCC)的報告中指出,全球每年排入大氣的CH4量是 535 Tg(410～660Tg)(1Tg=1012g),而來自動物,主要是反芻動物的達85Tg(65～100Tg),對全球溫室效應(yīng)的貢獻率達2%[2]。我國農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所對我國家養(yǎng)動物和動物廢棄物甲烷排放量的估算結(jié)果是,甲烷排放量平均每年大約以2.34%的速度上升[3]。

反芻動物以噯氣的形式排出體外的甲烷主要是由瘤胃中甲烷菌通過CO2和H2進行還原反應(yīng)產(chǎn)生的,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,一旦發(fā)生后很難被代謝。在反芻動物瘤胃代謝過程中,瘤胃內(nèi)甲烷的產(chǎn)生是瘤胃發(fā)酵能量損失的主要原因,依據(jù)飼養(yǎng)水平、飼糧組成、消化率的不同,以甲烷形式損失的能量占飼料總能的 2%～15%[4]。因此,降低瘤胃內(nèi)甲烷的產(chǎn)量不僅對緩解溫室效應(yīng)有重要意義,而且可減少反芻動物瘤胃發(fā)酵過程中的能量損失,提高飼料利用率。減少反芻動物CH4排放量是國際上十分關(guān)注并重點研究的問題。本文綜述了瘤胃甲烷生成的機制、影響瘤胃甲烷產(chǎn)生的因素和控制瘤胃內(nèi)甲烷產(chǎn)生量的措施。

1 瘤胃甲烷生成的機制

反芻動物生成甲烷與其特有的消化特點有關(guān)。飼料在被動物吞食后首先在瘤胃內(nèi)進行厭氧發(fā)酵,瘤胃內(nèi)的微生物把碳水化合物和其它植物纖維發(fā)酵分解成揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、氫氣和二氧化碳等。產(chǎn)生的二氧化碳、甲酸、乙酸、甲胺和次甲胺等在甲烷生成菌的作用下生成甲烷。從瘤胃中已鑒定出的甲烷生成菌主要包括甲烷短桿菌、甲烷微菌、甲烷桿菌和甲烷八疊球菌等4屬。甲烷的產(chǎn)生途徑主要有以下3種:

2 影響瘤胃甲烷產(chǎn)生的因素

研究表明,在供給相同飼料的情況下,雖然品種、年齡和性別不同,但動物的甲烷排放量相似,從而說明反芻動物甲烷排放量主要受碳水化合物類型、采食量、環(huán)境溫度等多種因素的影響,與品種、性別、年齡的關(guān)系不大[5]。

2.1 碳水化合物類型 甲烷的生成受飼料發(fā)酵類型的影響,主要通過改變pH值和瘤胃微生物區(qū)系而產(chǎn)生。當反芻動物采食富含淀粉的日糧或一定劑量的可溶性碳水化合物時,丙酸產(chǎn)生量增加,甲烷產(chǎn)生量降低,且乙丙酸比例也隨之降低。這主要是由于可溶性碳水化合物或淀粉攝入瘤胃后,瘤胃pH值降低,從而抑制了粗飼料的消化和原蟲、甲烷菌的活動。這種瘤胃發(fā)酵模式由于瘤胃降解率提高,有利于丙酸的生成。當給動物飼喂粗飼料時,纖維素分解菌大量增殖,瘤胃主要進行乙酸發(fā)酵,產(chǎn)生大量的氫,瘤胃氫分壓升高。這時就會刺激甲烷菌大量增殖,甲烷產(chǎn)量增加。研究發(fā)現(xiàn),當瘤胃發(fā)酵的乙丙酸比為0.5時,不產(chǎn)生甲烷,即飼料能的損失為0;而當碳水化合物發(fā)酵全部生成乙酸時,以甲烷的形式損失的能量約為33%[6]。

2.2 瘤胃VFA對甲烷產(chǎn)生量的影響 瘤胃內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸與甲烷產(chǎn)生量有一定關(guān)系。研究表明,丙酸產(chǎn)量與甲烷產(chǎn)量呈較高的負相關(guān),乙酸產(chǎn)量和乙酸與丙酸比例同甲烷產(chǎn)生量呈較高的正相關(guān)[7]。這在另一方面也反映了不同日糧對甲烷產(chǎn)量的影響。低質(zhì)粗料由于乙酸含量高,會導(dǎo)致甲烷產(chǎn)生量高;增加日糧精料比例,丙酸含量提高,因此甲烷產(chǎn)生量降低。

2.3 環(huán)境溫度 反芻動物瘤胃甲烷產(chǎn)量隨著環(huán)境溫度的降低而降低。在寒冷的條件下,綿羊瘤胃甲烷的產(chǎn)量會降低30%,這是由于隨著溫度的降低,瘤胃發(fā)酵更趨于丙酸發(fā)酵,引起甲烷產(chǎn)量的降低[8]。也有人認為,溫度的降低也可能會提高動物食糜的后送速度,導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量的降低。

2.4 采食量 提高動物的采食量,因甲烷損失的日糧總能可下降到1.6%[9]。還有研究也證實了動物采食量提高,甲烷產(chǎn)量下降[10]。當采食量提高到維持水平的2倍時,總的甲烷產(chǎn)量上升,但是單位攝入能量的甲烷損失下降12%～30%[11]。

2.5 飼料的加工和貯存 牧草的成熟期、貯存方式、化學(xué)處理和物理加工過程(如切碎、碾碎、制粒)都影響每單位可消化牧草的甲烷產(chǎn)量。甲烷的產(chǎn)生量隨牧草成熟期的延長而增加。同時牧草制干比青貯產(chǎn)生更多的甲烷量。粗制切碎牧草比細致碾碎或制粒的牧草損失更多的甲烷能[12]。這主要是由于動物自由采食這些小粒飼料加快了瘤胃內(nèi)容物流通速率,降低了微生物對細胞壁碳水化合物的消化率,從而降低了甲烷產(chǎn)量。因此,當飼草具有降低消化率或延長瘤胃飼料殘渣滯留時間的性能時,一般來說會增加每單位可消化飼草的甲烷產(chǎn)量。

3 瘤胃甲烷生成的調(diào)控

適量地降低反芻動物甲烷的生成和排放,具有經(jīng)濟和環(huán)境雙重效益,為此,研究人員探索了種種方法。一是通過育種和營養(yǎng)措施來提高單位動物的生產(chǎn)性能,減少動物存欄數(shù)量,從而降低甲烷氣體的總排放量;二是通過對瘤胃甲烷菌生成甲烷過程進行調(diào)控,這是當前研究的重點。甲烷生成的調(diào)控機理主要有3種模式:一種是生物學(xué)調(diào)控,即直接抑制產(chǎn)甲烷菌的生長,減少甲烷菌的數(shù)量,從而減少甲烷的生成;另一種是通過減少生成甲烷的底物——H2生成量或通過替代性受體爭奪H2而減少甲烷生成量;再一種途徑是通過特異性抑制甲烷菌合成甲烷途徑中的某些酶的活性而抑制甲烷的生成。

3.1 生物學(xué)調(diào)控

3.1.1 抗生素 莫能菌素和鹽霉素等聚醚類離子載體抗生素能通過影響細胞膜通透性、改變微生物代謝活動而抑制產(chǎn)甲烷菌、產(chǎn)氫菌和產(chǎn)甲酸菌以達到減少甲烷產(chǎn)量的目的,同時它們還有利于產(chǎn)琥珀酸菌和丙酸菌,結(jié)果增加丙酸產(chǎn)量,提高飼料利用率。據(jù)報道,這類離子載體類抗生素能減少25%的甲烷生成,同時提高飼料轉(zhuǎn)化效率[13]。然而,長期使用抗生素可出現(xiàn)細菌耐藥性而導(dǎo)致效果不理想,并且畜產(chǎn)品中殘留的抗生素將對人體健康造成威脅。

3.1.2 驅(qū)除原蟲 大量研究表明有20%的產(chǎn)甲烷菌寄生在原蟲表面,并且?guī)Юw毛的原蟲能與產(chǎn)甲烷菌形成內(nèi)源共生系統(tǒng),因此,驅(qū)除原蟲可間接減少產(chǎn)甲烷菌數(shù)量,進而顯著降低反芻動物甲烷的排放量。反芻動物的除蟲方式有:①日糧調(diào)控:瘤胃低pH值可導(dǎo)致原蟲死亡,突然換成或延長全谷物日糧以降低瘤胃pH值,從而可達到驅(qū)蟲目的。另外,植物油、乳脂、C18不飽和脂肪酸等對原蟲具有毒性,故也可用來驅(qū)除原蟲。研究表明,肉牛日糧中添加400g/d的葵花籽油,甲烷的排放減少了22%,總能的損失減少了21%[14]。②化學(xué)合成藥品:自從1930年Becker等首次用硫酸銅驅(qū)除原蟲以來,過氧化鈣、硫代琥珀酸二辛基鈉鹽和去污劑相繼被用來驅(qū)除原蟲。③天然化合物,如維生素A、蛻皮激素、非蛋白性氨基酸及其類似物都能并已被用作瘤胃除原蟲試劑。研究發(fā)現(xiàn),皂角苷對原蟲有很強的毒性,單寧具有殺滅寄生蟲的作用[5]。研究發(fā)現(xiàn),日糧中添加縮合單寧能減少山羊甲烷的排放[15]。

3.1.3 其他方法 一些鹵族化合物可直接抑制產(chǎn)甲烷菌,其中碘化合物效果最好,但長期使用微生物會產(chǎn)生適應(yīng)性;此外,甲羥戊二酸單酰輔酶A還原酶的抑制劑-Mevastatin和Lovastatin也是甲烷菌的抑制劑,它們只抑制甲烷菌的生長,而對其他細菌無影響,在減少甲烷生成同時增加了飼料利用率[9]。

3.2 對甲烷底物氫氣的調(diào)控

3.2.1 抑制氫氣的生成 減少瘤胃發(fā)酵的有機物和調(diào)節(jié)生成乙酸與丙酸之間的平衡均可降低氫氣的生成。因此,一些能提高瘤胃流通速率和增加過瘤胃率的飼料加工措施和飼喂方法可在一定程度上減少反芻動物甲烷的生成?？梢酝ㄟ^適當?shù)娜占Z加工和配合,使瘤胃發(fā)酵過程中乙酸與丙酸的比例盡可能接近0.5,從而降低甲烷的生成。離子載體抗生素莫能菌素除可抑制產(chǎn)甲烷菌本身外,還可降低瘤胃中氫氣的生成。其主要機制在于莫能菌素可抑制甲酸脫氫酶的活性,從而減少了甲烷產(chǎn)生所需要的氫源,使得甲烷產(chǎn)量降低;此外,莫能菌素還可選擇性降低發(fā)酵過程中乙酸生成的比率。

3.2.2 添加氫氣競爭性受體 添加氫氣競爭性受體,如硝酸鹽或硝酸鹽與半胱氨酸的混合物、不飽和脂肪酸等,與產(chǎn)甲烷菌競爭氫氣以抑制甲烷菌的生長。研究發(fā)現(xiàn),粗飼料作物中含有硝酸鹽時能顯著降低瘤胃甲烷產(chǎn)量,但硝酸鹽還原產(chǎn)生的中間產(chǎn)物亞硝酸鹽對瘤胃微生物和動物都有毒性,限制了其作為甲烷抑制劑的使用[15]。試驗結(jié)果表明延胡索酸能在不影響纖維消化的情況下有效抑制甲烷生成[8]。

除甲烷菌可利用瘤胃發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氫氣外,乙酸菌也可利用氫氣為營養(yǎng)物質(zhì)來合成乙酸。由于乙酸是可被反芻動物利用的主要養(yǎng)分之一,而且乙酸菌與產(chǎn)甲烷菌的競爭性利用氫氣是一個自然、安全的過程,不會對動物健康及其產(chǎn)品安全造成威脅,因此一些學(xué)者希望能通過建立有利于乙酸菌的瘤胃微生態(tài)新平衡,進而減少甲烷生成[10]。

3.3 抑制甲烷合成相關(guān)酶的活性 蒽醌類物質(zhì)(Anthraquinone,AQ)直接作用于甲烷菌,阻斷電子傳遞鏈,并在電子傳遞和與細胞色素有關(guān)的ATP合成的藕聯(lián)反應(yīng)中起解藕聯(lián)作用,從而阻止CH3-CoM被還原成甲烷。體外研究證實了添加蒽醌能明顯降低甲烷的產(chǎn)量[14]。四氫甲烷蝶呤(tetrahydromethanopterin)是產(chǎn)甲烷菌體內(nèi)合成甲烷的關(guān)鍵輔助因子,RFA-P合成酶催化四氫甲烷蝶呤合成的第一步反應(yīng),體外試驗表明,添加RFA-P合成酶抑制劑降低了甲烷的生成,而對VFA的生成和乙酸菌的生長沒有影響[6]。

4 結(jié)束語

牛羊噯氣中的甲烷不僅能損失能量,而且會加劇溫室效應(yīng),促進氣候變暖。但甲烷是瘤胃碳水化合物發(fā)酵不可避免的產(chǎn)物。隨著對瘤胃甲烷生成機制的認識,對影響甲烷產(chǎn)量因素的了解,已經(jīng)找到了一些行之有效的甲烷生成量的調(diào)控方法。然而反芻動物甲烷的生成是一個復(fù)雜的過程,甲烷菌對于維持瘤胃微生態(tài)的正常具有重要意義。試驗證明,甲烷菌的存在能保持瘤胃內(nèi)低水平的H2分壓,提高其他微生物特別是分解纖維素微生物的發(fā)酵能力。甲烷的生成是反芻動物進化過程中形成的維持其瘤胃微生態(tài)平衡的有效機制。甲烷菌作用的多向性使得對甲烷生成的調(diào)控變得很復(fù)雜。如何選擇既可降低甲烷的生成又不影響動物的健康和生產(chǎn)性能,是今后的重要任務(wù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與科研工作者的探索,相信人們一定會找到對環(huán)境、對動物健康及其產(chǎn)品安全都有益的有效調(diào)控甲烷產(chǎn)量的新方法。

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