瘤胃產(chǎn)氣量的調(diào)控

awang · 發(fā)表于 2008-1-22 10:09:22

        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。對于肉牛來說，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，對提高能量的利用率有重要意義；同時甲烷也是溫室氣體。降低甲烷產(chǎn)量，勢在必行。
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：一類為慢速生長菌，一個世代約130 h 。它們主要生活在象湖底，沒有什么物質(zhì)流動，或者下水道，雖有物質(zhì)流動，但是，其滯留時間較長，這樣的環(huán)境中。另一類為快速生長菌，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)的滯留時間短，不可能建立起慢速生長菌的菌落，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)過一系列反應(yīng)，被H2和甲酸還原生成甲烷。總的反應(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，不會導(dǎo)致H2的積累，同時降低乙酸、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)報道，CO是通過抑制水解酶活性和阻止甲烷菌接收H2來降低甲烷產(chǎn)量的；脂肪酸主要是通過與甲烷菌爭奪H2，并且它還附在細(xì)胞壁上阻止細(xì)菌對營養(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數(shù)相關(guān)（Van Nevel et.al 1971）。一些情況下，NO3-、Fe3+、SO42-也和甲烷菌競爭底物。
    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醚鍵與長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，而對于其它細(xì)菌沒有觀察到任何不良影響，如果能夠用于實(shí)踐的話，那么該藥物將會是對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)化成氯仿時會阻止甲基載體向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)降解過程中產(chǎn)生的，H2的積累會阻礙有機(jī)物的進(jìn)一步降解，(Rusell and Jeraci ,1984)。因此，我們不能只通過減少或者消除產(chǎn)甲烷菌來控制產(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合成乙酸有兩個主要優(yōu)勢：1有豐富的電子受體；2 乙酸是反芻動物容易利用的能量形式（Paul J. Weimer,1998）。哺乳動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法克服的，因?yàn)?，甲烷菌對H2的親和力遠(yuǎn)大于乙酸菌對H2的親和力。瘤胃中的H2濃度本來都很低（<1μM）情況下，乙酸菌難以和甲酸菌競爭。有報道，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，沒有一例成功。
2.5分解已經(jīng)產(chǎn)生的甲烷
    英國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。他們希望通過向瘤胃中引入這種細(xì)菌來達(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利用飼料成分來估計(jì)甲烷產(chǎn)量
    該法基于飼料中的各成分對甲烷產(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)動物采食量提高時，甲烷產(chǎn)量下降。限飼時，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，甲烷損失部分越小。當(dāng)采食量提高到兩倍的維持水平時，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，會導(dǎo)致原蟲增殖，原蟲增殖會提高甲烷產(chǎn)量（Bonhomme,1990）.S.C.Lee（2000）認(rèn)為，谷物的加入，可能會導(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)量可能是通過影響瘤胃PH和瘤胃菌群來實(shí)現(xiàn)的。細(xì)胞壁成分發(fā)酵會產(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，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).這種處理在限飼時無效?？磥恚庸ぬ幚碇饕翘岣吡藙游锏牟墒沉?。另外，提高食糜通過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，制成干草的甲烷產(chǎn)量比青貯要高（Armstrong,1960; Sundstol,1981）。對牧草進(jìn)行粗切要比粉碎或者制粒甲烷產(chǎn)量高（Hironaka et al.,1996）。
　　我們可以得出一個結(jié)論，降低飼料的可消化性或者延長飼料在瘤胃里的停留時間的因素均提高甲烷產(chǎn)量。
4.4脂肪的添加
    肪可以通過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生長。Czerkawksi et al.(1966)指出添加長鏈多不飽和脂肪酸減少甲烷的原因在于，長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物脂或者豆油，甲烷產(chǎn)量明顯低于同等能量的對照組（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
甲烷菌與瘤胃原蟲存在依賴關(guān)系，原蟲的體積比甲烷菌大得多，甲烷菌可以吸附在原蟲表面，利用原蟲產(chǎn)生的H2，因此滅蟲可以降低甲烷產(chǎn)量。以大麥為主要日糧的肉牛，滅蟲后甲烷產(chǎn)量下降一半(Whitelaw et al.,1984)。但是以草料為主要日糧的動物卻無此反應(yīng)（Itabashi et al.,1984）。有資料顯示，滅蟲后，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)。滅蟲的效果報道不一，對于日增重和飼料轉(zhuǎn)化率來講，有正效應(yīng)、有負(fù)效應(yīng)、也有沒有效果的。但是，對于羊毛產(chǎn)量目前均為正效應(yīng)（Van Nevel and Demeyer 1995）。
目前，大規(guī)模的滅蟲，還沒有滿意的方法。滅蟲劑應(yīng)該具有選擇性、有效性和持久性等特點(diǎn)，同時，方法必須是容易操作、對動物無害。