趙一廣 刁其玉 鄧凱東 劉 潔 姜成鋼 屠 焰

據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)報(bào)道,最近 100年(1906—2005)中,地球表面平均溫度上升了(0.74±0.18)℃,而近 50年的增溫速率是近 100年的 2倍[1]。甲烷(CH4)占所有溫室氣體的 16%[2],雖然排放總量低于二氧化碳(CO2),但同體積 CH4溫室效應(yīng)是 CO2的 25倍[3]。反芻家畜每年排放 CH4約 8 000萬 t,占人為 CH4排放總量的 33%[4]。在我國,動(dòng)物胃腸道發(fā)酵排放CH4量占 CH4總排放量的 29.7%[5]。因此,降低反芻動(dòng)物 CH4排放,對(duì)減緩氣候變暖和保護(hù)環(huán)境具有重要意義。CH4的排放也造成動(dòng)物飼糧能量的嚴(yán)重?fù)p失,在奶牛生產(chǎn)中,通常有 6%～10%的總能轉(zhuǎn)變?yōu)?CH4能以噯氣的形式排放到大氣中。因此,降低 CH4排放有利于提高動(dòng)物的生產(chǎn)效益。本文就反芻動(dòng)物 CH4排放的測(cè)定方法、預(yù)測(cè)模型和營養(yǎng)調(diào)控進(jìn)行綜述,為準(zhǔn)確估測(cè) CH4的產(chǎn)量和減少 CH4排放提供參考。

1 CH 4排放的測(cè)定方法和預(yù)測(cè)模型

1.1 CH4排放的測(cè)定方法

準(zhǔn)確測(cè)定 CH4排放量對(duì)闡明 CH4產(chǎn)生機(jī)理、研究減緩排放技術(shù)以及編制動(dòng)物 CH4排放清單均具有重要意義。CH4的測(cè)定方法分為直接測(cè)定和間接測(cè)定。

直接測(cè)定主要有呼吸代謝箱法、呼吸頭箱法、呼吸面罩法、六氟化硫(SF6)示蹤法等。呼吸代謝箱法的基本原理是把動(dòng)物置于密閉的呼吸箱內(nèi),通過測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)呼吸箱中 CH4濃度的變化計(jì)算 CH4排放量。該法能測(cè)定瘤胃和腸道發(fā)酵產(chǎn)生的 CH4,且技術(shù)較為成熟,結(jié)果較為精確,但成本較高,且動(dòng)物要經(jīng)過一定時(shí)間的訓(xùn)練。呼吸頭箱法和面罩法的原理與代謝箱法相似。用頭箱測(cè)定時(shí),動(dòng)物整個(gè)頭部固定于頭箱內(nèi);用面罩測(cè)定時(shí),動(dòng)物只有口和鼻被面罩罩住。頭箱和面罩比代謝箱成本低,操作也較簡(jiǎn)單,但只能測(cè)定由口和鼻排出的 CH4,忽略了直腸排出的部分,且戴上面罩后,會(huì)影響動(dòng)物的自由采食和飲水。SF6示蹤法的優(yōu)點(diǎn)是可以在生產(chǎn)條件下直接測(cè)定群體動(dòng)物的CH4排放量,缺點(diǎn)是在有風(fēng)的環(huán)境中無法應(yīng)用。SF6物理性質(zhì)與 CH4類似,可以一起通過噯氣排出。通過測(cè)定 SF6的排放速度和 SF6與 CH4的濃度,即可推算出 CH4排放量[6]。但 Wright等[7]認(rèn)為 SF6示蹤法比呼吸代謝箱法所測(cè)結(jié)果偏高,且 2種方法之間沒有顯著相關(guān)關(guān)系。由于擔(dān)心 SF6在肉、奶中殘留,美國已經(jīng)限制用 SF6示蹤技術(shù)測(cè)定CH4排放[8]。

間接測(cè)定主要有人工瘤胃法和體外產(chǎn)氣法等,這些方法通過人為模擬厭氧環(huán)境來反映瘤胃的各項(xiàng)生理指標(biāo)。通過對(duì) SF6示蹤技術(shù)、人工瘤胃法和體外產(chǎn)氣法的比較發(fā)現(xiàn),人工瘤胃法所測(cè)得的 CH4排放量比 SF6示蹤法低,而體外產(chǎn)氣法與 SF6示蹤法所測(cè)結(jié)果十分接近,因此,可以采用體外產(chǎn)氣法建立不同飼糧類型 CH4排放的數(shù)據(jù)庫[8-9]。間接測(cè)定具有成本低、省時(shí)和操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn),但是否有效且可以重復(fù),需要與直接測(cè)定進(jìn)行比較。

1.2 CH 4排放的預(yù)測(cè)模型

測(cè)定 CH4排放的一個(gè)重要目的是以飼料特性、營養(yǎng)成分、能量攝入和瘤胃發(fā)酵中間產(chǎn)物等為自變量建立 CH4排放的預(yù)測(cè)模型。Moe等[10]利用開放式呼吸代謝箱測(cè)定了 404頭荷斯坦種乳牛的 CH4排放,經(jīng)過回歸分析得到:①CH4(g/d)=61.74+9.25×攝入中性洗滌可溶物(kg/d)+31.48×攝入半纖維素(kg/d)+48.01×攝入纖維素(kg/d)(R2=0.67);②CH4(g/d)=33.30+20.71×可消化中性洗滌可溶物(kg/d)+38.83×可消化半纖維素(kg/d)+105.66×可消化纖維素(kg/d)(R2=0.73)。雖然模型①的決定系數(shù)(R2=0.67)低于模型②的(R2=0.73),但其自變量為采食量,相對(duì)于模型②的可消化量更容易獲得,因此更具有應(yīng)用價(jià)值。Jentsch等[11]通過分析337種不同營養(yǎng)成分飼糧飼喂不同牛種的代謝試驗(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)飼糧各可消化營養(yǎng)成分與 CH4排放量顯著相關(guān),得出:③CH4(KJ)=(1.61±0.20)×可消化粗蛋白質(zhì)(g)-(0.38±0.52)×可消化粗脂肪(g)+(3.78±0.18)×可消化粗纖維(g)+(1.49±0.06)×可消化無氮浸出物(g)+(1 142±196)(R2=0.896)。模型的自變量與上述模型②一樣,采用了飼料成分的可消化量,但其決定系數(shù)(R2=0.896)相比前者(R2=0.73)有了大幅提高,使所得模型更為準(zhǔn)確。Ellis等[12]通過分析 83頭肉牛和 89頭奶牛的試驗(yàn)數(shù)據(jù),得出:④肉牛模型 CH4(MJ/d)=(2.94±1.16)+(0.059±0.020)×攝入代謝能(MJ/d)+(1.44±0.33)×酸性洗滌纖維(ADF,kg/d)-(4.16±1.93)×木質(zhì)素(kg/d)(R2=0.85);⑤奶牛模型CH4(MJ/d)=(8.56±2.63)+(0.14±0.06)×粗料比例(%)(R2=0.56),或 CH4(MJ/d)=(3.23±1.12)+(0.81±0.09)×干物質(zhì)采食量(kg/d)(R2=0.65);⑥肉牛和奶牛綜合模型 CH4(MJ/d)=(3.27±0.79)+(0.74±0.07)×干物質(zhì)采食量(kg/d)(R2=0.68)。模型④中既有飼料成分?jǐn)z入量,又有能量攝入量,參數(shù)的多元化使模型獲得了較高的決定系數(shù)。雖然模型⑤和⑥的決定系數(shù)較低,但相應(yīng)的自變量只有一個(gè)且非常容易獲得,因此應(yīng)用性更強(qiáng)。

我國科技人員也建立了一些預(yù)測(cè)模型。韓繼福等[13]以 4頭成年閹牛為試驗(yàn)動(dòng)物,對(duì)不同精粗比飼糧的中性洗滌纖維(NDF)和 ADF降解量與CH4排放進(jìn)行了回歸分析,得出:CH4(L/d)=169.269+19.263×NDF降解量 (kg/d)(r=0.868 9);CH4(L/d)=157.432+57.698×ADF降解量(kg/d)(r=0.977 5)。以揮發(fā)性脂肪酸(VFA)為參數(shù)的預(yù)測(cè)模型為:CH4(L/d)=84.335+7.209×乙酸(mol/d)(r=0.969 1);CH4(L/d)=231.515-6.431×丙酸(mol/d)(r=-0.968 3);CH4(L/d)=31.492+9.805×乙酸 (mol/d)+2.318×丙酸(mol/d)(r=0.978 9);CH4(L/d)=167.710+8.291×乙酸 /丙酸 (r=0.883 3)?？梢?由 NDF降解量、ADF降解量、乙酸、乙酸 /丙酸建立的預(yù)測(cè)模型均有較高的相關(guān)系數(shù)。但由于試驗(yàn)動(dòng)物頭數(shù)較少,利用這些參數(shù)建立預(yù)測(cè)模型還需進(jìn)一步研究。馮仰廉[14]給消化道瘺管牛飼喂 8種不同精粗比飼糧,發(fā)現(xiàn) CH4排放量與瘤胃可發(fā)酵有機(jī)物(FOM)中可發(fā)酵中性洗滌纖維(FNDF)含量呈顯著線性相關(guān):CH4(L/kg FOM)=60.456 2+0.296 7×FNDF/FOM(%)(r=0.984 2)。消化能(DE)中 CH4能量 (CH4E)損失(CH4E/DE)亦與 FNDF/FOM呈顯著線性相關(guān):CH4E/DE(%)=8.680 4+0.037 3×FNDF/FOM(%)(r=0.984 5)。上式實(shí)測(cè)飼糧的 FNDF/FOM范圍為 21.54%～91.06%,適用面較寬。孫家義[15]采用呼吸面罩法對(duì) 9只 3～7月齡小尾寒羊進(jìn)行了氣體能量代謝試驗(yàn),得出:3～5月齡,CH4(g/d)=6.25+0.89×攝入總能 (MJ/d)(R2=0.85);5～7月齡,CH4(g/d)=8.26+0.77×攝入總能(MJ/d)(R2=0.90)。因模型中只有攝入總能一個(gè)變量,應(yīng)用較為方便。

有關(guān) CH4的估測(cè)模型有不少報(bào)道,但相關(guān)系數(shù)較高的多采用了多元參數(shù),甚至結(jié)合了飼料成分和能量攝入。飼料成分也多以 NDF、ADF、FOM、木質(zhì)素及瘤胃內(nèi)乙酸和丙酸等作為參數(shù),這些參數(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中并不容易獲得。而以干物質(zhì)(DM)采食量和粗料含量等作為參數(shù)的預(yù)測(cè)模型,相關(guān)系數(shù)則相對(duì)偏低。且這些模型不一定適合中國的生產(chǎn)實(shí)際,國內(nèi)相關(guān)研究數(shù)據(jù)還十分缺乏。因此,應(yīng)根據(jù)我國實(shí)際,分別測(cè)定不同品種反芻動(dòng)物的 CH4排放,建立數(shù)據(jù)庫,得出相關(guān)系數(shù)高且應(yīng)用簡(jiǎn)便的預(yù)測(cè)模型,為編制 CH4排放清單和采取相應(yīng)的調(diào)控措施奠定基礎(chǔ)。

2 CH 4排放的營養(yǎng)調(diào)控

反芻動(dòng)物排放 CH4和其特有的消化方式有關(guān)。飼料被攝入后首先在瘤胃中進(jìn)行厭氧發(fā)酵,瘤胃中的微生物把碳水化合物和其他植物纖維發(fā)酵成可繼續(xù)分解和消化利用的物質(zhì)(包括乙酸、丙酸和丁酸等),同時(shí)產(chǎn)生 CH4。瘤胃內(nèi) 82%的 CH4是通過甲烷短桿菌以 CO2和氫氣(H2)為底物經(jīng)還原反應(yīng)產(chǎn)生的[16]。CO2和 H2主要來自糖降解中丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜岷投∷岬倪^程,而丙酸可利用 H2生成糖。因此,CH4產(chǎn)量與乙酸、乙酸 /丙酸呈正相關(guān),與丙酸呈負(fù)相關(guān)[13]。瘤胃內(nèi)還可通過甲酸、乙酸和甲醇的分解產(chǎn)生 CH4,但以這 3種方式生成的 CH4較少[16]。目前的研究表明,CH4排放的營養(yǎng)調(diào)控主要包括調(diào)節(jié)飼糧營養(yǎng)水平,向飼糧中添加脂肪、脂肪酸、天然植物及植物提取物、化學(xué)制劑、微生物及其代謝物等。

2.1 調(diào)節(jié)飼糧營養(yǎng)水平

2.1.1 飼糧采食水平

許多研究證明 DM采食量與 CH4排放呈正相關(guān)關(guān)系。然而,隨著采食量不斷增加,單位采食量的 CH4排放卻呈下降趨勢(shì)。這可能是由于進(jìn)食量大導(dǎo)致瘤胃通過率高,降低了養(yǎng)分在瘤胃停留時(shí)間,從而減少了甲烷菌發(fā)酵生成 CH4的時(shí)機(jī)。Kumar等[17]認(rèn)為高采食量會(huì)使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)更多地在小腸內(nèi)消化而不是在瘤胃發(fā)酵。而且無論飼糧精粗比如何,采食量增加均會(huì)降低單位采食量的 CH4生成[18]。

2.1.2 飼糧精料水平

隨著飼糧精料水平的提高,瘤胃中乙酸比例降低,丙酸比例升高[19]。適當(dāng)提高精料水平可以降低 CH4產(chǎn)量,提高飼料利用率和動(dòng)物生產(chǎn)性能。Lovett等[20]對(duì)泌乳期奶牛設(shè)置了 2個(gè)精料添加水平(DM分別為 0.87和 5.24 kg),結(jié)果證明高精料組顯著提高了奶牛干物質(zhì)采食量和產(chǎn)奶量,同時(shí)草料采食量和乳成分并未受影響,單位標(biāo)準(zhǔn)乳的 CH4產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。孫德成等[21]通過飼喂 18頭奶牛不同精粗比全混合日糧(TMR),發(fā)現(xiàn)隨著精料含量的提高,瘤胃乙酸和丁酸逐漸降低,丙酸顯著升高。CH4排放和甲烷能/總能顯著降低,并提高了產(chǎn)奶性能。然而精料添加須控制在適宜范圍內(nèi),過高的精料,易引起動(dòng)物酸中毒、蹄葉炎和過肥等一系列營養(yǎng)代謝疾病。

2.1.3 碳水化合物類型

不同碳水化合物類型通過影響瘤胃 pH及微生物發(fā)酵模式來影響 CH4產(chǎn)生。高纖維含量的細(xì)胞壁發(fā)酵產(chǎn)生高乙酸/丙酸,伴隨較高的 CH4損失;而可溶性碳水化合物發(fā)酵,CH4損失則相對(duì)較低[22]。Eckard等[23]認(rèn)為提高牧草質(zhì)量,飼喂含可溶性碳水化合物高,含纖維素少的牧草,或者飼喂鮮嫩的牧草都可以降低 CH4排放。單位纖維素發(fā)酵 CH4產(chǎn)量是半纖維素的 3倍,而每單位非結(jié)構(gòu)性碳水化合物 CH4產(chǎn)量低于半纖維素。飼糧中高淀粉和蔗糖含量降低了瘤胃 pH,而纖維降解菌和產(chǎn)甲烷菌對(duì)低 pH極其敏感,從而抑制纖維素發(fā)酵和 CH4產(chǎn)生。相比之下,蔗糖比淀粉更易產(chǎn)生CH4,蔗糖發(fā)酵優(yōu)先產(chǎn)生丁酸并降低丙酸含量,同時(shí)在瘤胃中降解率更高[11]。

2.1.4 飼糧營養(yǎng)平衡調(diào)控和飼喂技術(shù)調(diào)控

飼糧營養(yǎng)平衡調(diào)控技術(shù),主要指通過適當(dāng)添加能量和蛋白質(zhì)飼料,提高飼料利用率,降低瘤胃內(nèi)養(yǎng)分降解速度,抑制瘤胃發(fā)酵,從而提高腸道對(duì)養(yǎng)分的吸收[24]。Moss等[25]往牧草青貯中添加不同比例的黃豆飼喂羯羊,發(fā)現(xiàn)飼糧添加粗蛋白質(zhì)有降低 CH4排放的作用。添加過瘤胃蛋白也可以降低 CH4產(chǎn)量,蛋白質(zhì)在瘤胃中分解為氨基酸后按碳水化合物分解方式代謝,從而產(chǎn)生 CH4。而讓蛋白質(zhì)直接到達(dá)小腸內(nèi)消化則不會(huì)產(chǎn)生 CH4。在反芻動(dòng)物飼養(yǎng)中推行 TMR及采用青貯發(fā)酵飼料同樣可以降低 CH4產(chǎn)生。Cao等[26]發(fā)現(xiàn)用發(fā)酵的 TMR飼喂綿羊,相對(duì)于不發(fā)酵的 TMR顯著降低 CH4產(chǎn)量,并促使瘤胃中的乳酸向丙酸轉(zhuǎn)變。改變飼喂程序和增加飼喂次數(shù)也可以減少 CH4生成。若將精粗料分開飼喂,則先粗后精可以使更多的能量通過瘤胃,從而減少 CH4的排放。而少量多次的飼喂方式降低了瘤胃 pH和乙酸/丙酸,增加過瘤胃物質(zhì)的數(shù)量,也可減少 CH4產(chǎn)生[27]。

2.2 添加脂肪及脂肪酸

飼糧中添加適量動(dòng)植物脂肪及高級(jí)脂肪酸可抑制 CH4產(chǎn)生,改變瘤胃 VFA比例,提高飼糧能量水平,改善動(dòng)物生產(chǎn)性能。脂肪對(duì)瘤胃原蟲具有毒害作用,而大多數(shù)甲烷菌附著于原蟲上,與原蟲有互利共生關(guān)系。甲烷菌通過與原蟲的種間氫傳遞將 H2轉(zhuǎn)化成 CH4,因此驅(qū)除原蟲可間接減少CH4產(chǎn)生。而一些中鏈脂肪酸則通過直接抑制產(chǎn)甲烷菌來降低 CH4產(chǎn)生,Machmüller[28]通過一系列體內(nèi)和體外試驗(yàn)表明,無論是酯化還是未酯化的中鏈脂肪酸均可顯著降低 CH4排放,甚至飼糧中添加 3%的未酯化飽和中鏈脂肪酸(C12∶0和C14∶0)即可使 CH4產(chǎn)量下降 50%。長(zhǎng)鏈脂肪酸可以降低纖維消化率,在奶牛飼糧中添加經(jīng)加工的富含長(zhǎng)鏈脂肪酸的油料種子(葵花籽、亞麻籽和油菜籽)可以有效降低 CH4產(chǎn)生。其中,添加葵花籽和亞麻籽降低了飼糧消化率,而添加油菜籽既可以降低 CH4產(chǎn)量又對(duì)飼糧消化率和產(chǎn)奶量無負(fù)面影響[29]。很多研究表明不飽和脂肪酸可以通過生物氫化作用,競(jìng)爭(zhēng)利用生成 CH4的底物 H2,從而降低 CH4的產(chǎn)生。張春梅等[30]運(yùn)用體外產(chǎn)氣法發(fā)現(xiàn),添加亞油酸和亞麻酸不同比例混合物均顯著降低甲烷生成,且亞麻酸的抑制作用更強(qiáng)。李文婷等[31]證明,亞麻酸對(duì)甲烷抑制作用強(qiáng)于月桂酸。Boeckaert等[32]證實(shí),飼糧中添加富含二十二碳六烯酸(DHA)的微型藻類亦可以抑制 CH4生成。也有研究指出其他類型的油脂可降低 CH4生成。陸燕等[33]運(yùn)用體外培養(yǎng)法,證明飼糧中添加大蒜油可以改變瘤胃發(fā)酵類型,增加丙酸摩爾比例,顯著抑制 CH4生成而不影響消化。孫德成等[34]給奶牛飼糧添加 150.0～200.0 g/d的復(fù)合脂肪酸,顯著降低了 CH4排放量和甲烷能/總能。通過各種研究發(fā)現(xiàn),脂肪及脂肪酸抑制 CH4生成大概有 5種可能:1)抑制瘤胃原蟲;2)抑制產(chǎn)甲烷菌(主要是中鏈脂肪酸);3)降低纖維消化率(主要是長(zhǎng)鏈脂肪酸);4)競(jìng)爭(zhēng)利用生成 CH4的底物 H2(主要是不飽和脂肪酸);5)降低干物質(zhì)采食量(飼糧中脂肪含量超過 7%)。然而,脂肪及脂肪酸的添加一定要適度,過量添加會(huì)抑制纖維分解菌,降低瘤胃纖維降解率,影響反芻動(dòng)物對(duì)粗飼料的利用率。同時(shí)也會(huì)在消化道內(nèi)形成鈣皂,影響鈣的吸收。

2.3 添加天然植物及植物提取物

2.3.1 單寧

單寧通過對(duì)產(chǎn)甲烷菌的直接毒害作用可以降低 13%～16%的 CH4,然而過高的添加濃度會(huì)降低飼料采食量和消化率[35]。Huang等[36]通過體外發(fā)酵試驗(yàn)證明,飼糧添加 20～40 mg/g DM的縮合單寧可顯著降低 CH4產(chǎn)量。Jayanegara等[37]往牧草中分別添加 17種不同的富含單寧的植物,通過體外發(fā)酵試驗(yàn)證明,CH4與植物中單寧含量呈負(fù)相關(guān)。Animut等[38]發(fā)現(xiàn),往西班牙羯羊飼糧中添加富含單寧的胡枝子,可以直接影響產(chǎn)甲烷菌活性,從而降低 CH4產(chǎn)量。單寧抑制 CH4可能有2種模式:1)抑制甲烷菌;2)降低飼料降解率,減少生成 CH4的底物 H2[39]。然而,飼糧添加較低濃度的單寧,在降低 CH4生成的同時(shí)并不會(huì)對(duì)其他代謝活動(dòng)(如蛋白質(zhì)的消化)帶來負(fù)面影響。目前,單寧多用于體外發(fā)酵試驗(yàn),通過飼糧直接飼喂動(dòng)物的研究較少,今后可以通過動(dòng)物飼養(yǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證其抑制 CH4排放的效果。

2.3.2 皂苷

很多報(bào)道證明皂苷和皂苷類似物可以通過驅(qū)原蟲,改變瘤胃發(fā)酵類型來降低 CH4的生成。茶皂素是從茶科植物中提取的一種五環(huán)三萜皂甙,是由多種配基、糖體和有機(jī)酸組成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的混合物。研究發(fā)現(xiàn),它不僅是一種天然的表面活性劑,而且具有廣泛的生理活性。Mao等[40]發(fā)現(xiàn),在湖羊飼料中添加 3 g/d茶皂素與對(duì)照組相比CH4產(chǎn)量降低 27.7%。胡偉蓮[41]證明,茶皂素可以促進(jìn)瘤胃液體外發(fā)酵,降低氨態(tài)氮(NH3-N)濃度,抑制 CH4生成,同時(shí)抑殺瘤胃原蟲,提高微生物蛋白產(chǎn)量。絲蘭提取物的主要成分是甾類皂苷、自由皂苷和糖類復(fù)合物。其特殊的生理結(jié)構(gòu)對(duì) CH4有很強(qiáng)的吸附能力,同時(shí)還影響消化道內(nèi)環(huán)境,降低乙酸濃度,提高丙酸濃度,并有強(qiáng)烈的抗原蟲能力。Xu等[42]采用體外發(fā)酵試驗(yàn),在不同精粗比飼糧中添加絲蘭提取物,均顯著降低了CH4產(chǎn)量。Wang[43]以綿羊?yàn)樵囼?yàn)動(dòng)物,飼糧中添加 170 mg/d的絲蘭提取物,發(fā)現(xiàn)單位可消化有機(jī)物和單位中性洗滌纖維的 CH4產(chǎn)量分別降低了3.3和 12.0 g/kg。然而,皂苷對(duì)纖維降解有一定的負(fù)面影響,也有引起脹氣的危險(xiǎn)[3]。因此,其抑制 CH4的作用還需全面研究和評(píng)價(jià)。

2.4 添加化學(xué)制劑

2.4.1 離子載體

離子載體是由放線菌產(chǎn)生的一種抗生素,它們能改變通過微生物生物膜的離子流量[3],從而改變微生物代謝活動(dòng),通過抑制瘤胃原蟲和纖維分解菌間接地降低 CH4產(chǎn)生。同時(shí)還有利于產(chǎn)琥珀酸菌和丙酸菌生長(zhǎng),增加丙酸產(chǎn)量,提高飼料利用率。莫能菌素是應(yīng)用最為廣泛的抑制 CH4生成的離子載體類抗生素。在奶牛飼糧中添加莫能菌素已被證實(shí)是一種有效地抑制 CH4生成的措施[17]。Odongo等[44]研究了泌乳期奶牛飼喂莫能菌素對(duì) CH4生成的抑制效果,結(jié)果表明在精粗比為 40∶60的 TMR中添加 24 mg/kg DM的莫能菌素,CH4日排放量降低了 7%,單位體重的 CH4排放量降低了 9%。莫能菌素對(duì)奶牛的干物質(zhì)采食量和產(chǎn)奶量沒有影響。Guan等[45]比較了單種離子載體(莫能菌素)和復(fù)合離子載體(莫能菌素 +拉沙里菌素)對(duì) CH4的抑制作用,結(jié)果表明 2種離子載體均顯著降低了 CH4排放量。飼喂復(fù)合離子載體沒有表現(xiàn)出更強(qiáng)的抑制作用和更久的抑制時(shí)間。雖然莫能菌素可以降低 CH4產(chǎn)量,但瘤胃微生物對(duì)其具有適應(yīng)性,長(zhǎng)期使用效果并不理想。而 Johnson等[22]認(rèn)為莫能菌素更有可能是通過降低采食量來降低 CH4生成。也有報(bào)道指出莫能菌素可能會(huì)被瘤胃壁吸收,進(jìn)入到肉和奶產(chǎn)品中,從而對(duì)食品安全構(gòu)成威脅[17]。

2.4.2 丙酸前體物

許多研究證明,CH4產(chǎn)量的降低往往伴隨丙酸含量的升高,飼糧中添加丙酸前體物質(zhì)可以促進(jìn)瘤胃往丙酸型發(fā)酵轉(zhuǎn)變。丙酸前體物質(zhì)主要包括富馬酸(又稱反丁烯二酸、延胡索酸)和蘋果酸。它們提供了新的電子轉(zhuǎn)移途徑,并且與甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)利用 H2,抑制 CH4生成[46]。 Foley等[47]研究表明,肉牛飼糧添加 7.5%蘋果酸,CH4排放降低16%,采食量降低 9%,乙酸、丁酸減少,丙酸增加。瘤胃 p H呈上升趨勢(shì),原蟲數(shù)減少。由于蘋果酸會(huì)導(dǎo)致采食量下降,影響生產(chǎn)性能,因此其適宜添加量仍待深入研究。Wood等[48]采集綿羊瘤胃液進(jìn)行體外發(fā)酵試驗(yàn),證明富馬酸可降低 19%的 CH4產(chǎn)量。隨后對(duì)生長(zhǎng)期羔羊進(jìn)行體內(nèi)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)添加 100 g/kg DM富馬酸后,CH4由 24.6 L/d降至9.6 L/d。體外批次培養(yǎng)試驗(yàn)證明富馬酸對(duì)高粗料型飼糧 CH4抑制作用更強(qiáng)[49-50]。還可增加糖原合成,提高產(chǎn)奶量,然而大劑量飼喂會(huì)導(dǎo)致酸中毒及纖維分解和采食量的下降。

2.4.3 電子受體

產(chǎn) CH4是消耗電子,維持較低氫分壓的主要途徑,但瘤胃中還存在其他電子受體,如硝酸鹽和硝基化合物。硝酸鹽可以替代生成 CH4的底物CO2,在瘤胃中競(jìng)爭(zhēng) H2生成氨[51]。硝基化合物可以抑制氫化酶和甲酸鹽脫氫酶的活性,減少了甲烷菌的底物[52]。Anderson等[52]通過體外發(fā)酵試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在瘤胃液中添加硝基化合物降低了 92%的 CH4,然而瘤胃發(fā)酵效率并沒有受影響。Saengkerdsub等[53]在體外發(fā)酵試驗(yàn)中比較了硝基乙烷、硝基乙醇和 2-硝基丙醇對(duì) CH4的抑制作用,發(fā)現(xiàn)硝基乙烷的抑制作用最強(qiáng)。給綿羊口服硝基乙烷和 2-硝基丙醇,同樣證實(shí)硝基乙烷有更強(qiáng)的抑制作用[54]。然而,硝酸鹽和硝基化合物在代謝過程中產(chǎn)生的亞硝酸鹽和乙胺具有潛在的毒副作用,這或許會(huì)限制其實(shí)際應(yīng)用。

2.5 添加微生物及其代謝產(chǎn)物

2.5.1 乙酸生成菌

乙酸生成菌可以利用 H2和 CO2生成乙酸,并作為能源物質(zhì)被機(jī)體利用。如果瘤胃中的 CH4可以全部轉(zhuǎn)換成乙酸,會(huì)使動(dòng)物額外獲得 4%～15%的能量[55]。然而 CO2還原生成 CH4比生成乙酸在熱力學(xué)上更有優(yōu)勢(shì),甲烷菌競(jìng)爭(zhēng) H2的能力遠(yuǎn)超過乙酸菌[51]。體外發(fā)酵試驗(yàn)證實(shí),在甲烷菌受到抑制時(shí),添加乙酸生成菌可以增加乙酸產(chǎn)量,降低CH4產(chǎn)量。然而在正常環(huán)境下,即使乙酸菌數(shù)量更多卻依然無法與甲烷菌競(jìng)爭(zhēng) H2[56]。因此,解決問題的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一種具有高 H2親和力的乙酸生成菌,使其在正常瘤胃環(huán)境中即可與甲烷菌有效競(jìng)爭(zhēng),或者將乙酸生成基因轉(zhuǎn)移到已在瘤胃中定植的微生物上。

2.5.2 酵母菌

酵母菌能夠產(chǎn)生一些促進(jìn)瘤胃微生物生長(zhǎng)的物質(zhì),如蘋果酸、生物素、對(duì)氨基苯酸和氨基酸。但對(duì) CH4產(chǎn)量的影響,研究結(jié)果不盡一致。據(jù)Chaucheyras等[57]報(bào)道,釀酒酵母的培養(yǎng)物可以促進(jìn)產(chǎn)乙酸菌利用 H2生成乙酸,進(jìn)而間接地降低CH4產(chǎn)量。而喬國華等[58]采用短期人工瘤胃發(fā)酵的方法,發(fā)現(xiàn)釀酒酵母和扣囊酵母顯著提高了CH4產(chǎn)量,而熱帶假絲酵母則顯著降低了 CH4產(chǎn)量。各種酵母菌降低 CH4生成的作用機(jī)理尚不明確,其抑制效果還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.5.3 細(xì)菌素

細(xì)菌素是細(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。Callaway等[59]認(rèn)為乳酸鏈球菌素可以作為莫能菌素的替代物,體外研究發(fā)現(xiàn)其提高了丙酸產(chǎn)量,降低了 36%的CH4。Lee等[60]通過體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)牛鏈球菌 HC5產(chǎn)生的細(xì)菌素 bovicin HC5可以降低 50%的 CH4產(chǎn)量。而且,甲烷菌對(duì)已發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌素沒有顯示出適應(yīng)性。但目前的研究多集中在體外試驗(yàn),細(xì)菌素的化學(xué)本質(zhì)是小肽或蛋白質(zhì)復(fù)合物,在體內(nèi)易被消化降解,體內(nèi)試驗(yàn)時(shí)是否可以發(fā)揮作用還需進(jìn)一步研究。

2.5.4 酶制劑

以纖維素酶和半纖維素酶為代表的酶制劑,添加到飼糧中可以提高瘤胃纖維降解率和動(dòng)物生產(chǎn)率,并且在體內(nèi)試驗(yàn)中分別降低了28%和 9%的CH4產(chǎn)量。其作用機(jī)制可能是降低了乙酸/丙酸,使瘤胃轉(zhuǎn)變?yōu)楸嵝桶l(fā)酵,從而降低 CH4生成[4]。酶制劑目前已廣泛應(yīng)用于各種化工領(lǐng)域,可以實(shí)現(xiàn)大批量低成本的生產(chǎn)。因此,未來的研究目標(biāo)可以集中在篩選既可以提高生產(chǎn)效率又有顯著CH4抑制作用的酶制劑方面。

3 小 結(jié)

反芻動(dòng)物排放的 CH4是溫室氣體的重要來源,這使得反芻動(dòng)物養(yǎng)殖業(yè)對(duì)氣候變化產(chǎn)生了廣泛而深遠(yuǎn)的影響,并逐漸成為環(huán)境決策時(shí)一個(gè)重要關(guān)注因素。然而,針對(duì)各種反芻動(dòng)物 CH4排放量的實(shí)測(cè)值還十分缺乏,反芻動(dòng)物 CH4排放的綜合性研究數(shù)據(jù)亟需完善。因此,完善 CH4測(cè)定方法,構(gòu)建 CH4排放數(shù)據(jù)庫,建立合理的 CH4排放預(yù)測(cè)模型是非常必要的。還可進(jìn)一步從中探究影響CH4產(chǎn)生的關(guān)鍵因素,進(jìn)行營養(yǎng)調(diào)控,改進(jìn)飼料配方,研制既能促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)又利于環(huán)境保護(hù)的綠色環(huán)保型飼料,最終實(shí)現(xiàn)降低反芻動(dòng)物 CH4排放,提高能量利用率的目標(biāo)。

[1] IPCC.Climate change 2007:the physical science basis.Working groupⅠcontribution to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[M].Cambridge and New York:Cambridge University Press,2007:237.

[2] SCHEEHLE E A,KRUGER D.Global anthropogenic methane and nitrous oxide emissions[J].The Energy Journal,2006(Special Issue#3):33-44.

[3] 李勝利,金鑫,范學(xué)珊,等.反芻動(dòng)物生產(chǎn)與碳減排措施[J].動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)報(bào),2010,22(1):2-9.

[4] BEAUCHEMIN K A,KREUZER M,O'MARA F,et al.Nutritional management for enteric methane abatement:a review[J].Australian Journal of Experimental Agriculture,2008,48(2):21-27.

[5] 娜仁花.不同日糧對(duì)奶牛瘤胃甲烷及氮排放的影響研究[D].博士學(xué)位論文.北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2010:2.

[6] LASSEY K R,WALKER C F,MCMILLAN A M S,et al.On the performance of SF6permission tunes used in determining methane emission from grazing livestock[J].Chemosphere:Global Change Biology,2001,4(18):1-15.

[7] WRIGHT A D G,KENNEDY P,O'NEILL C J,et al.Reducing methane emissions in sheep by immunization against rumen methanogens[J].Vaccine,2004,22(29/30):3976-3985.

[8] 郭雪峰,李華偉,金海,等.體內(nèi)法與體外法測(cè)定反芻動(dòng)物日糧的甲烷產(chǎn)生量比較[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(12):4994-4998.

[9] BHATTA R,TAJIMA K,TAKUSARI N,et al.Comparison of sulfur hexafluoride tracer technique,rumen simulation technique and in vitro gas production techniques for methane production from ruminant feeds[J].International Congress Series,2006,1293:58-61.

[10] MOE P W,TYRRELL H F.Methane production in dairy cows[J].Journal of Dairy Science,1979,62(6):1583-1586.

[11] JENTSCH W,SCHWEIGEL M,WEISSBACH F,et al.Methane production in cattle calculated by the nutrient composition of the diet[J].Archives of Animal Nutrition,2007,61(1):10-19.

[12] ELLIS J L,KEBREAB E,ODONGO N E,et al.Prediction of methane production from dairy and beef cattle[J].Journal of Dairy Science,2007,90(7):3456-3466.

[13] 韓繼福,馮仰廉,張曉明,等.閹牛不同日糧的纖維消化、瘤胃內(nèi)VFA對(duì)甲烷產(chǎn)生量的影響[J].中國獸醫(yī)學(xué)報(bào),1997,17(3):278-280.

[14] 馮仰廉.肉牛營養(yǎng)需要和飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,2000:18.

[15] 孫家義.三至七月齡小尾寒羊營養(yǎng)代謝中甲烷氣產(chǎn)量和能量的初步研究[J].動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)報(bào),1998,10(2):27-34.

[16] 周懌,刁其玉.反芻動(dòng)物瘤胃甲烷氣體生成的調(diào)控[J].草食家畜,2008(4):21-24.

[17] KUMAR S,PUNIYA A,PUNIYA M,et al.Factors affecting rumen methanogens and methane mitigation strategies[J].World Journal of Microbiology and Biotechnology,2009,25(9):1557-1566.

[18] MOSSA R,GIVENS D I,GARNSWORTHY P C.The effect of supplementing grass silage with barley on digestibility,in sacco degradability,rumen fermentation and methane production in sheep at two levels of intake[J].Animal Feed Science and Technology,1995,55(1/2):9-33.

[19] MCGEOUGH EJ,O'KIELY P,HART K J,et al.Methane emissions,feed intake,performance,digestibility,and rumen fermentation of finishing beef cattle offered whole-crop wheat silages differing in grain content[J].Journal of Animal Science,2010,88(8):2703-2716.

[20] LOVETT D K,STACK L J,LOVELL S,et al.Manipulating enteric methane emissions and animal performance of late-lactation dairy cows through concentrate supplementation at pasture[J].Journal of Dairy Science,2005,88(8):2836-2842.

[21] 孫德成,趙智力,魏曼琳,等.不同精粗料比全混合日糧對(duì)奶牛瘤胃指標(biāo)的影響[J].飼料研究,2008(10):47-50.

[22] JOHNSON K A,JOHNSON D E.Methane emissions from cattle[J].Journal of Animal Science,1995(73):2483-2492.

[23] ECKARD R J,GRAINGER C,DE KLEIN C A M.Options for the abatement of methane and nitrous oxide from ruminant production:a review[J].Livestock Science,2010,130(1/3):47-56.

[24] 娜仁花,董紅敏.營養(yǎng)因素對(duì)反芻動(dòng)物甲烷排放影響的研究現(xiàn)狀[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009(6):2534-2536.

[25] MOSS A R,GIVENS D I.The effect of supplementing grass silage with soya bean meal on digestibility,in sacco degradability,rumen fermentation and methane production in sheep[J].Animal Feed Science and Technology,2002,97(3/4):127-143.

[26] CAO Y,TAKAHASHI T,HORIGUCHI K,et al.Methane emissions from sheep fed fermented or nonfermented total mixed ration containing whole-crop rice and rice bran[J].Animal Feed Science and Technology,2010,157(1/2):72-78.

[27] 李新建,高騰云.影響瘤胃內(nèi)甲烷氣產(chǎn)量的因素及其控制措施[J].家畜生態(tài),2002,23(4):67-69.

[28] MACHMüLLER A.Medium-chain fatty acids and their potential to reduce methanogenesis in domestic ruminants[J].Agriculture,Ecosystems＆Environment,2006,112(2/3):107-114.

[29] BEAUCHEMIN K A,MCGINN S M,BENCHAAR C,et al.Crushed sunflower,flax,or canola seeds in lactating dairy cow diets:effects on methane production,rumen fermentation,and milk production[J].Journal of Dairy Science,2009,92(5):2118-2127.

[30] 張春梅,易賢武,苑志鵬,等.添加不同比例的亞油酸和亞麻酸對(duì)體外瘤胃發(fā)酵和甲烷生成的影響[J].動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)報(bào),2008,20(2):223-227.

[31] 李文婷,葉丹妮,張春梅,等.添加月桂酸和亞麻酸對(duì)非動(dòng)態(tài)人工瘤胃發(fā)酵、甲烷生成和微生物區(qū)系的影響[J].動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)報(bào),2008,20(6):651-656.

[32] BOECKAERT C,MESTDAGH J,VLAEMINCK B,et al.Micro-algae as potent rumen methane inhibitors and modifiers of rumen lipolysis and biohydrogenation of linoleic and linolenic acid[J].International Congress Series,2006,1293:184-188.

[33] 陸燕,林波,王恬,等.大蒜油對(duì)體外瘤胃發(fā)酵、甲烷生成和微生物區(qū)系的影響[J].動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)報(bào),2010,22(2):386-392.

[34] 孫德成,趙智力,魏曼琳,等.脂肪酸添加劑對(duì)奶牛瘤胃揮發(fā)性脂肪酸和甲烷的影響[J].畜牧與獸醫(yī),2008,40(11):21-24.

[35] GRAINGER C,CLARKE T,AULDIST M J,et al.Mitigation of greenhouse gas emissions from dairy cows fed pasture and grain through supplementation with Acacia mearnsii tannins[J].Journal of Animal Science,2009,89(2):241-251.

[36] HUANG X D,LIANG J B,TAN H Y,et al.Molecular weight and protein binding affinity of Leucaena condensed tannins and their effects on in vitro fermentation parameters[J].Animal Feed Scienceand Technology,2010,159(3/4):81-87.

[37] JAYANEGARA A,TOGTOKHBAYAR N,MAKKAR H P S,et al.Tannins determined by various methods as predictors of methane production reduction potential of plants by an in vitro rumen fermentation system[J].Animal Feed Science and Technology,2009,150(3/4):230-237.

[38] ANIMUT G,PUCHALA R,GOETSCH A L,et al.Methane emission by goats consuming diets with different levels of condensed tannins from lespedeza[J].Animal Feed Science and Technology,2008,144(3/4):212-227.

[39] TAVENDALE M H,MEAGHER L P,PACHECO D,et al.Methane production from in vitro rumen incubations with Lotus pedunculatus and Medicago sativa,and effects of extractable condensed tannin fractions on methanogenesis[J].Animal Feed Science and Technology,2005,123/124(Part 1):403-419.

[40] MAO H,WANG J,ZHOU Y,et al.Effects of addition of tea saponins and soybean oil on methane production,fermentation and microbial population in the rumen of growing lambs[J].Livestock Science,2010,129(1/3):56-62.

[41] 胡偉蓮.皂甙對(duì)瘤胃發(fā)酵與甲烷產(chǎn)量及動(dòng)物生產(chǎn)性能影響的研究[D].博士學(xué)位論文.杭州:浙江大學(xué),2005:92.

[42] XU M,RINKER M,MCLEOD K R,et al.Yucca schidigera extract decreases in vitro methane production in a variety of forages and diets[J].Animal Feed Science and Technology,2010,159(1/2):18-26.

[43] WANG C J,WANG S P,ZHOU H.Influences of flavomycin,ropadiar,and saponin on nutrient digestibility,rumen fermentation,and methane emission from sheep[J].Animal Feed Science and Technology,2009,148(2/4):157-166.

[44] ODONGO N E,BAGG R,VESSIE G,et al.Longterm effects of feeding monensin on methane production in lactating dairy cows[J].Journal of Dairy Science,2007,90(4):1781-1788.

[45] GUAN H,WITTENBERG K M,OMINSKI K H,et al.Efficacy of ionophores in cattle diets for mitigation of enteric methane[J].Journal of Animal Science,2006,84(7):1896-1906.

[46] LI X Z,LONG RJ,YAN CG,et al.Rumen microbial responses in fermentation characteristics and production of CLA and methane to linoleic acid in associated with malate or fumarate[J].Animal Feed Science and Technology,2010,155(2/4):132-139.

[47] FOLEY P A,KENNY D A,CALLAN J J,et al.Effect of DL-malic acid supplementation on feed intake,methane emission,and rumen fermentation in beef cattle[J].Journal of Animal Science,2009,87(3):1048-1057.

[48] WOOD T A,WALLACE R J,ROWE A,et al.Encapsulated fumaric acid as a feed ingredient to decrease ruminal methane emissions[J].Animal Feed Science and Technology,2009,152(1/2):62-71.

[49] GARCIA-MARTINEZ R,RANILLA M J,TEJIDO M L,et al.Effects of disodium fumarate on in vitro rumen microbial growth,methane production and fermentation of diets differing in their forage:concentrate ratio[J].British Journal of Nutrition,2005,94(1):71-77.

[50] 毛勝勇.體外法研究延胡索酸二鈉對(duì)瘤胃微生物發(fā)酵活力及甲烷產(chǎn)量的影響[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2010,19(2):69-75.

[51] MCALLISTER T A,NEWBOLD C J.Redirecting rumen fermentation to reduce methanogenesis[J].Australian Journal of Experimental Agriculture.2008,48(2):7-13.

[52] ANDERSON R C,HUWE JK,SMITH D J,et al.Effect of nitroethane,dimethyl-2-nitroglutarate and 2-nitro-methyl-propionate on ruminal methane production and hydrogen balance in vitro[J].Bioresource Technology,2010,101(14):5345-5349.

[53] SAENGKERDSUB S,KIM W,ANDERSON R C,et al.Effects of nitrocompounds and feedstuffs on in vitro methane production in chicken cecal contents and rumen fluid[J].Anaerobe,2006,12(2):85-92.

[54] ANDERSON R C,CARSTENSG E,MILLER R K,et al.Effect of oral nitroethane and 2-nitropropanol administration on methane-producing activity and volatile fatty acid production in the ovine rumen[J].Bioresource Technology,2006,97(18):2421-2426.

[55] JOBLIN K N.Ruminal acetogens and their potential to lower ruminant methane emissions[J].Australian Journal of Agricultural Research,1999,50(8):1307-1314.

[56] LOPEZ S,MCINTOSH F M,WALLACE R J,et al.Effect of adding acetogenic bacteria on methane production by mixed rumen microorganisms[J].Animal Feed Science and Technology,1999,78(1/2):1-9.

[57] CHAUCHEYRAS F,FONTY G,BERTIN G,et al.In vitro utilization by a ruminal acetogenic bacterium cultivated alone or in association with an archaea methanogen is stimulated by a probiotic strain of Saccharomyces cerevisiae[J].Applied and Environmental Microbiology,1995,61(9):3466-3467.

[58] 喬國華,單安山.直接飼喂微生物培養(yǎng)物對(duì)奶牛瘤胃發(fā)酵產(chǎn)甲烷及生產(chǎn)性能的影響[J].中國畜牧獸醫(yī),2006,33(5):11-14.

[59] CALLAWAY T,CARNEIRO D M A,RUSSELL J.The effect of nisin and monensin on ruminal fermenta-tion in vitro[J].Current Microbiology,1997,35(2):90-96.

[60] LEE S,HSU J,MANTOVANI H.The effect of bovicin HC5,a bacteriocin from Streptococcus bovis HC5,on ruminalmethane production in vitro[J].FEMS Microbiology Letters,2002,217(1):51-55.