李 帥 閔 力 孫加節(jié) 李大剛*

(1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院動物科學(xué)研究所，畜禽育種國家重點實驗室，農(nóng)業(yè)部華南動物營養(yǎng)與飼料重點實驗室，廣東省動物育種與營養(yǎng)公共實驗室，廣東省畜禽育種與營養(yǎng)研究重點實驗室，廣州510640；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，廣東省動物營養(yǎng)調(diào)控重點實驗室，廣州510642)

在全球變暖的氣候問題愈發(fā)嚴(yán)重的背景下，聯(lián)合國糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO)在第26屆聯(lián)合國氣候變化大會(COP26)中發(fā)布報告指出，2019年中國農(nóng)業(yè)糧食系統(tǒng)的溫室氣體排放量占全國總溫室氣體排放量的14%[1]。中國作為農(nóng)業(yè)大國，減少畜牧業(yè)生產(chǎn)中的溫室氣體排放是我國達成“雙碳”戰(zhàn)略的重要策略之一。

甲烷(CH4)是反芻動物生產(chǎn)中最大的溫室氣體來源，約占全球溫室氣體總排放量的18%[2]。與此同時，反芻動物排放甲烷會帶來2%～12%的能量損失[3]，緩解甲烷的排放具有重要的生態(tài)價值和經(jīng)濟價值。現(xiàn)有的緩解反芻動物甲烷排放的方式為通過飼料添加劑影響動物飼糧構(gòu)成，并促進瘤胃中產(chǎn)乙酸菌和甲基利用菌的活性，抑制產(chǎn)甲烷古菌的活性，從而達到緩解甲烷排放的效果[4]。這些飼料添加劑包括離子載體、單寧、蘋果酸、醋酸、脂肪、氨基三氯醛和植物次生代謝產(chǎn)物(如碘、鹵化物、皂苷、多酚酸等)等[4-5]，但它們的作用機制并不相同，例如，離子載體(莫能菌素)通過控制瘤胃發(fā)酵(抑制產(chǎn)氫細(xì)菌)來降低甲烷的排放[4]；單寧通過去除原蟲，減少原蟲上附著的產(chǎn)甲烷菌來抑制甲烷的排放[6]。

大型海藻作為家畜飼料添加劑已經(jīng)有悠久的傳統(tǒng)，早在幾千年前的古希臘時代，大型海藻就被應(yīng)用為家畜飼料，全世界范圍內(nèi)都存在大量種類繁多的大型海藻。目前，只有少數(shù)幾種類型的大型海藻被作為緩解反芻動物甲烷排放的飼料添加劑進行了試驗研究[7]。近年來，研究表明，紫衫狀海門冬、刺海門冬、馬尾藻等大型海藻作為飼料添加劑添加到反芻動物飼糧中時，具有緩解甲烷排放的潛力。大型海藻中緩解甲烷排放的有效物質(zhì)為海藻生物活性物質(zhì)和次生代謝產(chǎn)物，其中的溴仿、褐藻多酚、多糖等物質(zhì)被證實具有緩解甲烷排放的功能[8-9]。大型海藻緩解反芻動物甲烷排放量的效果與其在飼糧中的添加量呈正相關(guān)[10]。但是，大型海藻的添加量過大會引起反芻動物干物質(zhì)攝入量下降、瘤胃消化率降低等問題，影響反芻動物的生產(chǎn)性能。

1 大型海藻的營養(yǎng)成分

全世界范圍內(nèi)的大型海藻主要分為紅藻、褐藻、綠藻3種類型，其中最為常見的是褐藻。大型海藻作為反芻動物飼料添加劑，其營養(yǎng)價值存在差別較大，這主要是因為大型海藻的營養(yǎng)成分是高度變化的，大型海藻的營養(yǎng)成分受到大型海藻種類、收獲季節(jié)和外部生長環(huán)境包括水溫、光照強度、水中養(yǎng)分等因素影響[7]。

作為一種潛在的蛋白質(zhì)飼料原料，其蛋白質(zhì)含量并不穩(wěn)定，在3種大型海藻中紅藻的粗蛋白質(zhì)含量最高，可達干物質(zhì)的38.1%，綠藻次之，可達干物質(zhì)的15.3%～18.6%，褐藻最低，為干物質(zhì)的6.0%～16.6%[11]。一些種類的紅藻，其粗蛋白質(zhì)含量可以與豆粕等優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)原料處于相同水平。實際生產(chǎn)中，作為動物飼料添加劑和潛在的反芻動物蛋白質(zhì)來源，還需要針對大型海藻類型和攝入量進行進一步的研究，以得到最佳的使用效果，避免反芻動物的生產(chǎn)性能受到負(fù)面影響。

大型海藻富含礦物質(zhì)(包括碘和砷)，大型海藻的礦物質(zhì)含量為陸生植物的10～20倍[12]，3種大型海藻中褐藻的礦物質(zhì)含量最為豐富。此外，大型海藻還易于沉積重金屬元素(鐵、鋁、錳和銅等)[12]。因此，飼喂大型海藻可能對反芻動物的健康造成負(fù)面影響，以及人類食用該類畜產(chǎn)品后會對自身健康造成一定負(fù)面影響。因此，需要定期檢測大型海藻中的礦物質(zhì)含量，防止家畜與消費者出現(xiàn)中毒等不良情況。

大型海藻中含有大量的中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維，紅藻中的中性洗滌纖維含量最高(27.2% DM～43.1% DM)，普遍高于綠藻(15.3% DM～18.6% DM)和褐藻(16.6% DM～22.0% DM)[10]。大型海藻的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)與陸地植物大有不同，其主要成分為海藻酸鹽、纖維素、木聚糖和木葡聚糖。雖然結(jié)構(gòu)上存在差異，但大型海藻中不同活性的多糖成分在反芻動物的消化系統(tǒng)中都會被碳水化合物活性酶發(fā)酵和水解，同時，大型海藻中多糖的生物利用度還具備降低瘤胃中甲烷生成的還原潛力[13]。

2 不同大型海藻減少甲烷排放的效果

截止到2016年，全球范圍內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖新鮮大型海藻產(chǎn)量超過3 000萬t[14]。全球范圍內(nèi)大約有10 000種不同的大型海藻種類[15]，但只有少數(shù)的大型海藻種類作為緩解反芻動物甲烷排放的飼料添加劑被研究。大型海藻作為傳統(tǒng)的動物飼料，展現(xiàn)出了緩解甲烷排放的潛力，大型海藻種類、添加劑量的不同，其緩解甲烷排放的潛力也不同。本文整理了不同大型海藻在體外瘤胃發(fā)酵試驗中緩解甲烷排放的效果，見表1。

表1 不同大型海藻在體外瘤胃發(fā)酵試驗中緩解甲烷排放的效果

1Types of large-sized seaweeds Names of large-sized seaweeds Additive dose Alleviation effect on methane emission References 5%DM↓12%[23]Furcellaria spp.0.5%DM↓10%[23]Gigartina spp.25%DM↓56%[24] 25%DM↓41%[24]16.6%OM↓42.6%[25]16.6%OM↓26.6%[25]Laurencia filiformis 16.6%OM↓40%[25]Brown seaweedsDictyota bartayresii 16.6%OM↓92%[25]Cystoseira trinodis 16.6%OM↓45.4%[25]Hormophysa triquetra16.6%OM↓43.7%[25]Sargassum flavicans 16.6%OM↓34.3%[25]16.6%OM↓50.3%[25]16.6%OM↓49.2%[25]11.1%DM ↓15%(24 h)[26]Zonaria farlowii5%DM↓11%[16]Green seaweeds 16.6%OM↓32.6%[25]16.6%OM↓39.8%[25]16.6%OM↓27.1%[25]16.6%OM↓66.3%[25]16.6%OM ↓10%[25]16.6%OM↓50.3%[25]U. ohnoi16.6%OM↓45.4%[25]

從表1中可以看出，紅藻中的紫衫狀海門冬可以在低添加量的情況下相較其他大型海藻更加有效地緩解甲烷的排放；在相同添加量的情況下，褐藻中的Dictyotabartayresii緩解甲烷排放的效果優(yōu)于其他褐藻和綠藻；總的來看，綠藻緩解甲烷排放的效果相比紅藻和褐藻要差。

3 大型海藻中緩解甲烷排放的主要活性物質(zhì)及其作用機制

作為傳統(tǒng)飼料資源，國內(nèi)外科研人員針對大型海藻的營養(yǎng)和生化價值展開了許多的研究。大型海藻以富含蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、纖維素聞名，同時，大型海藻中還富含許多生物活性物質(zhì)，并且其細(xì)胞壁中還含有微量的次生代化合物[27-28]，包括碘、溴仿、單寧、褐藻多酚以及溴氯甲烷等。這使大型海藻具備了抗菌、抗病毒等特性[29]，其中大型海藻中的生物活性物質(zhì)緩解甲烷排放的特性在近些年得到廣泛關(guān)注。本文中整理了3種類型大型海藻中的主要活性物質(zhì)，見表2。

表2 3種類型大型海藻中的主要活性物質(zhì)

3.1 大型海藻緩解甲烷排放的主要活性物質(zhì)

3.1.1 溴仿

反芻動物瘤胃內(nèi)的產(chǎn)甲烷古菌主要通過3條營養(yǎng)途徑排放甲烷，包括氫營養(yǎng)途徑、解乙酸途徑和甲基營養(yǎng)途徑(圖1)，這3條途徑的最后1步反應(yīng)均是甲基輔酶M被甲基輔酶M還原酶還原成甲烷，而溴仿(圖2)作為緩解甲烷生成的抑制劑，其作用機制被認(rèn)為是與維生素B12反應(yīng)競爭性抑制甲基輔酶M還原酶，最終阻斷甲烷生成的反應(yīng)[32]。

圖2 溴仿的結(jié)構(gòu)式

在體外瘤胃發(fā)酵試驗中，溴仿添加量達到發(fā)酵底物中有機物的2.0%時，緩解甲烷排放的效果最佳，對甲烷排放的抑制率達到98.9%[10]。在28 d的飼養(yǎng)試驗中，溴仿能夠增加荷斯坦閹公牛平均日增重(ADG)，屠宰后在胴體中并未檢測到溴仿的殘留，并不影響牛肉品質(zhì)的客觀評價，包括肉質(zhì)顏色、風(fēng)味、嫩度、多汁性、消費者感官評價等[11]。

紅藻中具有豐富的抗甲烷鹵化物資源，包括溴仿、二溴氯甲烷、溴氯乙酸、二溴乙酸和二氯甲烷，其中溴仿的含量最高，尤其是在紫衫狀海門冬與刺海門冬這2種紅藻之中，溴仿的含量最為豐富(1 723 μg/g DM)[34]。研究表明，紫衫狀海門冬中起到緩解甲烷排放作用的有效物質(zhì)為鹵素化合物中溴仿。當(dāng)使用紫衫狀海門冬作為反芻動物飼料添加劑緩解甲烷排放時，溴仿還可以降低瘤胃內(nèi)乙酸的產(chǎn)量，并提高瘤胃內(nèi)丙酸的產(chǎn)量，由此降低瘤胃內(nèi)乙丙比(A∶P)。瘤胃內(nèi)丙酸的生成需要利用氫氣(H2)作為底物，甲烷的生成同時也需要H2作為底物還原二氧化碳(CO2)，二者形成競爭，當(dāng)丙酸的生成量增多時，生成甲烷的底物減少，可以競爭性抑制甲烷生成的還原反應(yīng)，從而緩解甲烷的排放[11]。

在體外瘤胃發(fā)酵試驗中，以有機物底物0、2.0%、4.0%的劑量添加紫衫狀海門冬或刺海門冬時，添加量的越大，緩解甲烷排放的效果越好[35]。與其他緩解甲烷的排放策略不同的是，低添加量的紫衫狀海門冬(占飼糧有機物的0.05%～0.20%)并不會對肉牛的干物質(zhì)攝入量、瘤胃消化率等造成影響，對肉牛的生產(chǎn)性能也沒有負(fù)面影響；但在奶牛高采食量情況下，添加占飼糧有機物1.0%的刺海門冬時，奶牛瘤胃甲烷產(chǎn)量降低67.2%，干物質(zhì)攝入量降低38%，產(chǎn)奶量降低11.6%[22]。由此可知，添加刺海門冬作為奶牛飼料添加劑時，在降低奶牛甲烷排放的同時會降低奶牛的生產(chǎn)性能。

3.1.2 褐藻多酚

褐藻由于體積大、覆蓋面積廣，作為反芻動物飼料原料得到了更廣泛的研究，但其作為緩解甲烷生成的飼料添加劑的效果相比于紅藻較差。有研究證明，褐藻之一的Dictyotabartayresii作為反芻動物飼料添加劑時可降低瘤胃內(nèi)53.2%的總產(chǎn)氣量和92%的甲烷產(chǎn)量[25]。

褐藻中主要起到抑制反芻動物甲烷排放作用的物質(zhì)為褐藻多酚[36-37]。褐藻多酚廣泛存在于褐藻中，其在褐藻干物質(zhì)中的含量可達20～140 g/kg，在泡葉藻和墨角藻這2種褐藻中含量較高，分別可達到干物質(zhì)的14%和12%[38]。褐藻內(nèi)褐藻多酚的含量與所處季節(jié)、褐藻生長階段以及褐藻不同部位都存在關(guān)聯(lián)。褐藻在自然界中可以通過褐藻多酚的作用來免受紫外線的輻射，同時褐藻多酚還可以通過增加旁路蛋白的數(shù)量減少微生物對飼料顆粒的附著，減少纖維在瘤胃內(nèi)的降解，防止蛋白質(zhì)降解，提高反芻動物對氮的利用效率[38]。

褐藻多酚的基本單位為間苯三酚(1-，3-，5-三羥基苯)[29]，其存在多種結(jié)構(gòu)式(圖3)。褐藻多酚類似于縮合單寧，單寧可以作為反芻動物飼料添加劑，通過減少瘤胃內(nèi)原蟲的數(shù)量來緩解瘤胃內(nèi)甲烷的排放，但褐藻多酚緩解甲烷排放的具體作用機制還有待研究，現(xiàn)有的被接受的觀點褐藻多酚對瘤胃內(nèi)產(chǎn)甲烷過程的底物起到抑制作用[39](促進瘤胃內(nèi)丙酸的合成途徑，減少產(chǎn)甲烷菌可利用的氫)、抑制酶的作用[40]和直接抑制瘤胃內(nèi)特定的產(chǎn)甲烷微生物的活性[41]。

Vissers等[42]通過24 h體外瘤胃發(fā)酵試驗表明，從掌狀海帶中提取的褐藻多酚降低了蛋白質(zhì)消化率和40%的甲烷排放量。巖衣藻同樣富含褐藻多酚，在體外瘤胃發(fā)酵試驗中，巖衣藻粉降低了甲烷產(chǎn)量，并增加了蛋白質(zhì)的降解率和中性洗滌纖維的消化率，在低能量飼糧條件下更有利于飼料消化率的提升。

褐藻被證實有作為飼料添加劑緩解甲烷排放的潛力，但因其種類以及褐藻多酚含量的不同，可能會降低反芻動物的干物質(zhì)攝入量、蛋白質(zhì)消化率，減少動物體重增長，以及減少反芻動物體內(nèi)酶活性，所以要進一步研究其適宜的添加種類和最佳的添加劑量，在確保不影響反芻動物生產(chǎn)性能的情況下，達到最好的緩解反芻動物甲烷排放的效果。

3.2 大型海藻緩解甲烷排放的作用機制

大型海藻緩解甲烷生成的過程中會對瘤胃內(nèi)微生物造成影響，其中主要是抑制產(chǎn)甲烷菌減少甲烷的排放。

Roque等[20]研究表明，在體外瘤胃發(fā)酵試驗中，當(dāng)紫衫狀海門冬的添加量達到有機物的5%時，與不添加大型海藻的空白對照組相比，在對揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)量沒有顯著影響的情況下，瘤胃甲烷的排放量降低了95%；高通量16S rRNA基因擴增子測序表明，在試驗處理3 d后，試驗組的發(fā)酵罐中，產(chǎn)甲烷菌的相對豐度顯著降低，對瘤胃內(nèi)其他微生物的相對豐度沒有顯著影響。綜上可知，紫衫狀海門冬對瘤胃內(nèi)產(chǎn)甲烷菌的代謝功能具有直接影響，在短時間內(nèi)就可起到緩解甲烷排放的作用。與其他飼料添加劑相比，紫衫狀海門冬緩解甲烷排放的作用效果更顯著，達到同等效果所需的添加量更低。

Belanche等[36]研究發(fā)現(xiàn)，占有機物5%添加量的巖衣藻、掌狀海帶使產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量降低，原生動物的數(shù)量減少，但細(xì)菌與厭氧真菌的數(shù)量并沒有受到影響。Roque等[20]的試驗結(jié)果顯示，巖衣藻與掌狀海帶均以占有機物5%的劑量添加至飼糧中，對瘤胃發(fā)酵、飼料降解率和甲烷排放量均無顯著影響，對細(xì)菌和厭氧真菌的總數(shù)、瘤胃內(nèi)主要細(xì)菌屬和產(chǎn)甲烷菌的生物多樣性指數(shù)與相對豐度均沒有顯著影響。造成這種結(jié)果的原因可能是因為此次試驗的周期僅有18 d，試驗周期較短，2種褐藻還未對產(chǎn)甲烷菌在內(nèi)的瘤胃微生物的相對豐度、群落組成等因素造成較明顯影響，導(dǎo)致對緩解甲烷的排放效果同樣不顯著。

Kinley等[45]在安格斯閹牛的飼糧中分別添加占飼糧有機物0、0.05%、0.10%、0.20%的紫衫狀海門冬，進行周期為90 d的飼養(yǎng)試驗，結(jié)果顯示，與對照組相比分別緩解了9%、38%、98%的瘤胃甲烷排放，所有組別之間瘤胃內(nèi)總揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)量無顯著差異；隨著紫衫狀海門冬添加劑量的提升，乙酸產(chǎn)量減少，丙酸產(chǎn)量增加，分別使乙丙比降低了14%、29%、35%。正如前文所述，紫衫狀海門冬的添加改變了瘤胃的發(fā)酵模式，促進瘤胃內(nèi)相關(guān)細(xì)菌利用瘤胃內(nèi)的氫生成丙酸。在生產(chǎn)性能方面，90 d飼養(yǎng)試驗結(jié)束后，在添加量分別為0.10%、0.20%的試驗組中，安格斯閹牛的平均日增重分別提高了51%、42%[45]。

對于現(xiàn)有已經(jīng)被證實具有緩解反芻動物甲烷排放能力的大型海藻，其長期作為飼料添加劑飼喂給反芻動物，瘤胃內(nèi)微生物，尤其是產(chǎn)甲烷菌是否會逐漸適應(yīng)大型海藻中緩解甲烷排放的有效物質(zhì)等一系列問題，還有待后續(xù)進行相關(guān)的試驗探索。

圖3 褐藻多酚的多種結(jié)構(gòu)式

4 小結(jié)與展望

大型海藻作為一種有潛力的反芻動物飼料添加劑，其除可以滿足反芻動物一部分日常所需的營養(yǎng)物質(zhì)如蛋白質(zhì)、纖維素和礦物質(zhì)等外，還具備降低甲烷排放、抗氧化、抗炎癥、抗菌[29]等生物功能，在反芻動物生產(chǎn)中具有獨特的價值。

大型海藻作為飼料添加劑，所提供的鹵代甲烷類似物與褐藻多酚等生物活性化合物，在對反芻動物瘤胃發(fā)酵無明顯負(fù)面影響前提下，為緩解甲烷排放提供了一個具有潛力的全新方案。在體外瘤胃發(fā)酵試驗中，紅藻和褐藻相較于綠藻，展現(xiàn)出了較好的緩解甲烷排放的潛力，其中紅藻之中的紫衫狀海門冬的潛力最大。但是此種大型海藻目前還難以做到商業(yè)化供應(yīng)，在未來如何大面積推廣種植、簡化收割方法、減少儲存和運輸途中的浪費、提高其經(jīng)濟效益將是這種紅藻所面臨的主要問題。此外，目前大型海藻中的生物活性化合物緩解甲烷排放的具體作用機制和通路還有待研究，大型海藻長期的添加使用對瘤胃的發(fā)酵功能、微生物種群變化的影響也有待進一步研究。

任何緩解反芻動物甲烷排放的策略，都必須要滿足可持續(xù)性、實用性與經(jīng)濟性，在后續(xù)的研究中可進行針對性篩選，選出既具有良好緩解甲烷排放效果又適合大面積推廣種植的大型海藻種類，并對其最佳的添加劑量、對瘤胃內(nèi)微生物和瘤胃發(fā)酵參數(shù)影響的等方面進行研究，在保證生產(chǎn)性能不受負(fù)面影響或提高生產(chǎn)性能的情況下，最大程度地緩解反芻動物甲烷排放。