畜牧人

瘤胃產(chǎn)氣量的調(diào)控

        瘤胃內(nèi)甲烷的產(chǎn)量是瘤胃發(fā)酵能量損失多少的主要標(biāo)志。對(duì)于肉牛來(lái)說(shuō)，由甲烷損失的能量占到飼料攝入能量的2%—12% （Johnson and Johnson 1995）.因而減少甲烷的產(chǎn)量，對(duì)提高能量的利用率有重要意義；同時(shí)甲烷也是溫室氣體。降低甲烷產(chǎn)量，勢(shì)在必行。
1甲烷菌
    甲烷菌屬古細(xì)菌，從系統(tǒng)發(fā)生角度講，它不同于“真細(xì)菌”。產(chǎn)甲烷菌可分為兩類：一類為慢速生長(zhǎng)菌，一個(gè)世代約130 h 。它們主要生活在象湖底，沒(méi)有什么物質(zhì)流動(dòng)，或者下水道，雖有物質(zhì)流動(dòng)，但是，其滯留時(shí)間較長(zhǎng)，這樣的環(huán)境中。另一類為快速生長(zhǎng)菌，它們主要生活在瘤胃中，世代周期為4-12h。因?yàn)榱鑫钢形镔|(zhì)的滯留時(shí)間短，不可能建立起慢速生長(zhǎng)菌的菌落，所以，瘤胃中的產(chǎn)甲烷菌為后一種。
    瘤胃中甲烷主要來(lái)自于CO2。CO2在一系列酶和輔酶的參與催化作用下，與還原甲基呋喃化合，經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)，被H2和甲酸還原生成甲烷?？偟姆磻?yīng)式為：
4H2+HCO3-+H+——CH4+3H2O
2阻止甲烷產(chǎn)生的模式
2.1抑制產(chǎn)H2和產(chǎn)CO2的細(xì)菌
    由于甲烷由CO2和H2生成，選擇抑制產(chǎn)H2和產(chǎn)CO2的細(xì)菌的物質(zhì)，如瘤胃素（Chen and wolin 1979），可以抑制甲烷的產(chǎn)生。這種方式，不會(huì)導(dǎo)致H2的積累，同時(shí)降低乙酸、丁酸比例，提高丙酸產(chǎn)量。產(chǎn)氫的細(xì)菌多為纖維素菌,抑制的結(jié)果也導(dǎo)致纖維素降解率下降。
2.2直接對(duì)甲烷菌產(chǎn)生毒性
    能夠?qū)淄榫a(chǎn)生毒性的物質(zhì)，如O2、CO、脂肪酸等，或者提供其他的電子釋放途徑(Rusell和Martin 1984)報(bào)道，CO是通過(guò)抑制水解酶活性和阻止甲烷菌接收H2來(lái)降低甲烷產(chǎn)量的；脂肪酸主要是通過(guò)與甲烷菌爭(zhēng)奪H2，并且它還附在細(xì)胞壁上阻止細(xì)菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的獲得（Jenkins,1993）；不飽和脂肪酸降低甲烷產(chǎn)量的能力與非離子化的羧基以及雙鍵的個(gè)數(shù)相關(guān)（Van Nevel et.al 1971）。一些情況下，NO3-、Fe3+、SO42-也和甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)底物。
    甲烷菌是古細(xì)菌，古細(xì)菌的細(xì)胞膜和真細(xì)菌細(xì)胞膜組成有差異，可以利用這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)對(duì)甲烷菌有特異性的抑制劑。真細(xì)菌的細(xì)胞膜主要是三酰甘油，而古細(xì)菌細(xì)胞膜的脂類甘油通過(guò)醚鍵與長(zhǎng)鏈類異戊二烯醇相連而成（De Rosa et al.,1986）,合成類異戊二烯需要與人類合成膽固醇一樣的前體——甲羥戊酸。甲羥戊酸是由甲羥戊酸SCoA還原而成。Lovastatin是用于降低人的膽固醇的藥物，它的作用目標(biāo)就是甲羥戊酸ScoA還原酶（Endo,1992）。于是有人開(kāi)始琢磨，希望用此藥物抑制甲烷菌細(xì)胞膜的生成，從而達(dá)到抑制甲烷產(chǎn)量的目的。Terry et al.(2001)試驗(yàn)表明，Lovastatin能夠抑制甲烷菌的生長(zhǎng)，而對(duì)于其它細(xì)菌沒(méi)有觀察到任何不良影響，如果能夠用于實(shí)踐的話，那么該藥物將會(huì)是對(duì)甲烷菌最具抑制作用的。
2.3阻止甲烷合成的一些特殊反應(yīng)
    阻止甲烷合成的一些特殊反應(yīng)，如瘤胃中三氯乙醛轉(zhuǎn)化成氯仿時(shí)會(huì)阻止甲基載體向CoM轉(zhuǎn)移甲基，從而影響甲酰CoM的的生成，而甲酰CoM又是甲烷合成過(guò)程中甲酰-S-CoM還原酶的底物（Wood et al 1968）.Balch和Wolfe(1979)論述了從Methanobacterium ruminantium菌株1中分離的CoM載體與2溴乙烷磺酸的親和力較低，并且它使甲酰CoM還原酶失活而阻止甲烷生成，甲烷的鹵素類似物，如CHCl3、CCl4、CH2ClBr可能對(duì)此酶有同樣的作用（Banchop,1967;Trei et al.1970）。
2.4提供電子釋放的新途徑
    甲烷由CO2和H2合成。瘤胃中的H2是有機(jī)物質(zhì)降解過(guò)程中產(chǎn)生的，H2的積累會(huì)阻礙有機(jī)物的進(jìn)一步降解，(Rusell and Jeraci ,1984)。因此，我們不能只通過(guò)減少或者消除產(chǎn)甲烷菌來(lái)控制產(chǎn)氣量，而應(yīng)該建立其他的電子釋放途徑。電子釋放途徑之一是加入可以接受電子的物質(zhì)。一般的象硝酸鹽或者硫酸鹽不能改變甲烷產(chǎn)量，能夠改變發(fā)酵的有蘋果酸、琥珀酸等有機(jī)酸。
第二種改變電子釋放的途徑是使用CO2合成乙酸。從CO2合成乙酸有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：1有豐富的電子受體；2 乙酸是反芻動(dòng)物容易利用的能量形式（Paul J. Weimer,1998）。哺乳動(dòng)物的后腸道存在能夠利用CO2和H2合成乙酸的乙酸菌（Ljungdahl,1986,Lajoie et al.,1988），其反應(yīng)式如下：
2CO2+8H CH3COOH+2H2O
盡管在綿羊和牛的瘤胃里亦能分離出上述菌種，但是在通常情況下，它們只能利用有機(jī)底物（Greening and Heedle 1989）。在瘤胃中，合成乙酸的障礙是無(wú)法克服的，因?yàn)?，甲烷菌?duì)H2的親和力遠(yuǎn)大于乙酸菌對(duì)H2的親和力。瘤胃中的H2濃度本來(lái)都很低（<1μM）情況下，乙酸菌難以和甲酸菌競(jìng)爭(zhēng)。有報(bào)道，如果人工施以實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)菌落高濃度的H2（80%vol/vol 氣相），加入化學(xué)抑甲烷菌物質(zhì)（如2-BES）同時(shí)添加益生素可刺激乙酸合成。但是在活體上，Lopez et al.(1989)做了一些嘗試，沒(méi)有一例成功。
2.5分解已經(jīng)產(chǎn)生的甲烷
    英國(guó)Rowett研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)，一種土壤細(xì)菌能夠?qū)⒓淄榉纸獬蔀镠2和CO2。他們希望通過(guò)向瘤胃中引入這種細(xì)菌來(lái)達(dá)到降低甲烷產(chǎn)量的目的。體外試驗(yàn)證明，引入該菌，甲烷產(chǎn)量下降一半；用綿羊做的試驗(yàn)表明，引入該菌以后，甲烷產(chǎn)量下降17%。據(jù)研究人員計(jì)算，這種細(xì)菌可以降低甲烷產(chǎn)量20%。
3甲烷產(chǎn)量的估計(jì)
3.1根據(jù)瘤胃VFA來(lái)估計(jì)
該法于1982年由Van Soest提出，依據(jù)為，瘤胃甲烷和二氧化碳的產(chǎn)量與瘤胃發(fā)酵模式有關(guān)。表示如下：
CO2=乙酸/2+丙酸/4+3丁酸/2
CH4=CO2－（丙酸/2+丁酸）
此法適合于科研。
3.2利用飼料成分來(lái)估計(jì)甲烷產(chǎn)量
    該法基于飼料中的各成分對(duì)甲烷產(chǎn)量影響不同，而得出的回歸方程。日糧中的纖維素對(duì)甲烷產(chǎn)量影響最大，每1kg粗纖維可產(chǎn)甲烷79克，每1kg蛋白質(zhì)產(chǎn)甲烷26g，1kg無(wú)氮浸出物產(chǎn)生甲烷10g，而脂肪每增加1kg減少甲烷產(chǎn)量220g?？傻靡韵路匠蹋?BR>CH4=63+79CF+26CP+10NFE－212EE（R2=0.92）(Kirchgessner et al.,1994)
此公式適合于生產(chǎn)中對(duì)甲烷的估計(jì)。
4影響甲烷產(chǎn)量的因素
4.1采食水平
    提高動(dòng)物采食量，甲烷損失的日糧GE可下降到1.6%。（Johnson et al.1993b）。Okine et al. (1989)也證實(shí)動(dòng)物采食量提高時(shí)，甲烷產(chǎn)量下降。限飼時(shí)，可獲得的碳水化合物水平越高，甲烷損失的部分也越大。高水平攝入消化率高的日糧時(shí)，甲烷損失部分越小。當(dāng)采食量提高到兩倍的維持水平時(shí)，總的甲烷產(chǎn)量上升，但單位攝入能量的甲烷損失下降12-30%（Blaxter,1989）。如果在維持水平加入易降解的碳水化合物，會(huì)導(dǎo)致原蟲(chóng)增殖，原蟲(chóng)增殖會(huì)提高甲烷產(chǎn)量（Bonhomme,1990）.S.C.Lee（2000）認(rèn)為，谷物的加入，可能會(huì)導(dǎo)致氫在微生物之間的轉(zhuǎn)運(yùn)增強(qiáng)。
4.2碳水化合物類型
碳水化合物的類型影響甲烷產(chǎn)量可能是通過(guò)影響瘤胃PH和瘤胃菌群來(lái)實(shí)現(xiàn)的。細(xì)胞壁成分發(fā)酵會(huì)產(chǎn)生高的乙酸/丙酸和高的甲烷損失（Moe and Tyrrell,1979;Beever et al.,1989）。而淀粉和可溶性碳水化合物的發(fā)酵則甲烷損失較小。一些飼喂高精料日糧（達(dá)90%）的農(nóng)場(chǎng)，其甲烷損失率降至2%-3%（Abo-Omar, 1989; Carmean,1991; Hutcheson, 1994），是正常情況下的一半。
4.3飼料加工處理和貯存
    對(duì)飼草進(jìn)行碾壓和制粒可以降低甲烷的產(chǎn)量(Blaxter,1989).這種處理在限飼時(shí)無(wú)效?？磥?lái)，加工處理主要是提高了動(dòng)物的采食量。另外，提高食糜通過(guò)瘤胃的速度也有助于甲烷產(chǎn)量下降。V.K.KHATTA等（1997）研究表明：玉米經(jīng)蒸煮后甲烷產(chǎn)量提高；麥麩經(jīng)reconsitution甲烷產(chǎn)量也提高；燕麥、大麥、珍珠粟、麥麩和玉米經(jīng)浸泡后產(chǎn)氣量下降；而reconsitution可以降低花生餅、菜子餅和葵花子餅的產(chǎn)氣量。
甲烷產(chǎn)量還與牧草的成熟度有關(guān)，牧草越成熟，甲烷產(chǎn)量越高，同時(shí)，制成干草的甲烷產(chǎn)量比青貯要高（Armstrong,1960; Sundstol,1981）。對(duì)牧草進(jìn)行粗切要比粉碎或者制粒甲烷產(chǎn)量高（Hironaka et al.,1996）。
　　我們可以得出一個(gè)結(jié)論，降低飼料的可消化性或者延長(zhǎng)飼料在瘤胃里的停留時(shí)間的因素均提高甲烷產(chǎn)量。
4.4脂肪的添加
    肪可以通過(guò)多種途徑減少甲烷產(chǎn)量，包括不飽和脂肪酸的生物氫化作用、提高丙酸比例和抑制原蟲(chóng)生長(zhǎng)。Czerkawksi et al.(1966)指出添加長(zhǎng)鏈多不飽和脂肪酸減少甲烷的原因在于，長(zhǎng)鏈多不飽和脂肪酸提供了H2釋放的途徑。綿羊或者肉牛添加動(dòng)物脂或者豆油，甲烷產(chǎn)量明顯低于同等能量的對(duì)照組（Swift et al.,1948;Haaland,1978;Van der Honing et al.,1981）。
4.5離子載體
    離子載體，如瘤胃素，可以降低肉牛的采食量5%-6%，降低乙酸：丙酸值，減少甲烷損失（Goodrich et al.1984）。甲烷產(chǎn)量減少范圍在0-25%之間（Benz and Johnson,1982;Garrett,1982;Wedegaertner and Johnson,1983）。但是，離子載體具有短效性（Carmean,1991），試驗(yàn)證明，無(wú)論是以谷物還是以草料為主的日糧，應(yīng)用離子載體兩周后，甲烷產(chǎn)量都會(huì)恢復(fù)到最初水平(Johnson et al.,1991)。然而，O’Kelly and Spiers(1992)經(jīng)計(jì)算得出，給肉牛飼喂瘤胃素，55%減少的甲烷量是由于采食量下降所至，而只有45%的緣于瘤胃發(fā)酵的改變。
4.6原蟲(chóng)
甲烷菌與瘤胃原蟲(chóng)存在依賴關(guān)系，原蟲(chóng)的體積比甲烷菌大得多，甲烷菌可以吸附在原蟲(chóng)表面，利用原蟲(chóng)產(chǎn)生的H2，因此滅蟲(chóng)可以降低甲烷產(chǎn)量。以大麥為主要日糧的肉牛，滅蟲(chóng)后甲烷產(chǎn)量下降一半(Whitelaw et al.,1984)。但是以草料為主要日糧的動(dòng)物卻無(wú)此反應(yīng)（Itabashi et al.,1984）。有資料顯示，滅蟲(chóng)后，隨著甲烷產(chǎn)量的下降，纖維素的消化率也下降（Itabashi et al.,1994），因此滅蟲(chóng)減少甲烷產(chǎn)量的作用被認(rèn)為與減弱發(fā)酵有關(guān)。滅蟲(chóng)的效果報(bào)道不一，對(duì)于日增重和飼料轉(zhuǎn)化率來(lái)講，有正效應(yīng)、有負(fù)效應(yīng)、也有沒(méi)有效果的。但是，對(duì)于羊毛產(chǎn)量目前均為正效應(yīng)（Van Nevel and Demeyer 1995）。
目前，大規(guī)模的滅蟲(chóng)，還沒(méi)有滿意的方法。滅蟲(chóng)劑應(yīng)該具有選擇性、有效性和持久性等特點(diǎn)，同時(shí)，方法必須是容易操作、對(duì)動(dòng)物無(wú)害。