瘤胃产气量的调控

awang · 发表于 2008-1-22 10:09:22

瘤胃产气量的调控

        瘤胃内甲烷的产量是瘤胃发酵能量损失多少的主要标志。对于肉牛来说，由甲烷损失的能量占到饲料摄入能量的2%—12% （Johnson and Johnson 1995）.因而减少甲烷的产量，对提高能量的利用率有重要意义；同时甲烷也是温室气体。降低甲烷产量，势在必行。
1甲烷菌
    甲烷菌属古细菌，从系统发生角度讲，它不同于“真细菌”。产甲烷菌可分为两类：一类为慢速生长菌，一个世代约130 h 。它们主要生活在象湖底，没有什么物质流动，或者下水道，虽有物质流动，但是，其滞留时间较长，这样的环境中。另一类为快速生长菌，它们主要生活在瘤胃中，世代周期为4-12h。因为瘤胃中物质的滞留时间短，不可能建立起慢速生长菌的菌落，所以，瘤胃中的产甲烷菌为后一种。
    瘤胃中甲烷主要来自于CO2。CO2在一系列酶和辅酶的参与催化作用下，与还原甲基呋喃化合，经过一系列反应，被H2和甲酸还原生成甲烷。总的反应式为：
4H2+HCO3-+H+——CH4+3H2O
2阻止甲烷产生的模式
2.1抑制产H2和产CO2的细菌
    由于甲烷由CO2和H2生成，选择抑制产H2和产CO2的细菌的物质，如瘤胃素（Chen and wolin 1979），可以抑制甲烷的产生。这种方式，不会导致H2的积累，同时降低乙酸、丁酸比例，提高丙酸产量。产氢的细菌多为纤维素菌,抑制的结果也导致纤维素降解率下降。
2.2直接对甲烷菌产生毒性
    能够对甲烷菌产生毒性的物质，如O2、CO、脂肪酸等，或者提供其他的电子释放途径(Rusell和Martin 1984)报道，CO是通过抑制水解酶活性和阻止甲烷菌接收H2来降低甲烷产量的；脂肪酸主要是通过与甲烷菌争夺H2，并且它还附在细胞壁上阻止细菌对营养物质的获得（Jenkins,1993）；不饱和脂肪酸降低甲烷产量的能力与非离子化的羧基以及双键的个数相关（Van Nevel et.al 1971）。一些情况下，NO3-、Fe3+、SO42-也和甲烷菌竞争底物。
    甲烷菌是古细菌，古细菌的细胞膜和真细菌细胞膜组成有差异，可以利用这一特点，设计对甲烷菌有特异性的抑制剂。真细菌的细胞膜主要是三酰甘油，而古细菌细胞膜的脂类甘油通过醚键与长链类异戊二烯醇相连而成（De Rosa et al.,1986）,合成类异戊二烯需要与人类合成胆固醇一样的前体——甲羟戊酸。甲羟戊酸是由甲羟戊酸SCoA还原而成。Lovastatin是用于降低人的胆固醇的药物，它的作用目标就是甲羟戊酸ScoA还原酶（Endo,1992）。于是有人开始琢磨，希望用此药物抑制甲烷菌细胞膜的生成，从而达到抑制甲烷产量的目的。Terry et al.(2001)试验表明，Lovastatin能够抑制甲烷菌的生长，而对于其它细菌没有观察到任何不良影响，如果能够用于实践的话，那么该药物将会是对甲烷菌最具抑制作用的。
2.3阻止甲烷合成的一些特殊反应
    阻止甲烷合成的一些特殊反应，如瘤胃中三氯乙醛转化成氯仿时会阻止甲基载体向CoM转移甲基，从而影响甲酰CoM的的生成，而甲酰CoM又是甲烷合成过程中甲酰-S-CoM还原酶的底物（Wood et al 1968）.Balch和Wolfe(1979)论述了从Methanobacterium ruminantium菌株1中分离的CoM载体与2溴乙烷磺酸的亲和力较低，并且它使甲酰CoM还原酶失活而阻止甲烷生成，甲烷的卤素类似物，如CHCl3、CCl4、CH2ClBr可能对此酶有同样的作用（Banchop,1967;Trei et al.1970）。
2.4提供电子释放的新途径
    甲烷由CO2和H2合成。瘤胃中的H2是有机物质降解过程中产生的，H2的积累会阻碍有机物的进一步降解，(Rusell and Jeraci ,1984)。因此，我们不能只通过减少或者消除产甲烷菌来控制产气量，而应该建立其他的电子释放途径。电子释放途径之一是加入可以接受电子的物质。一般的象硝酸盐或者硫酸盐不能改变甲烷产量，能够改变发酵的有苹果酸、琥珀酸等有机酸。
第二种改变电子释放的途径是使用CO2合成乙酸。从CO2合成乙酸有两个主要优势：1有丰富的电子受体；2 乙酸是反刍动物容易利用的能量形式（Paul J. Weimer,1998）。哺乳动物的后肠道存在能够利用CO2和H2合成乙酸的乙酸菌（Ljungdahl,1986,Lajoie et al.,1988），其反应式如下：
2CO2+8H CH3COOH+2H2O
尽管在绵羊和牛的瘤胃里亦能分离出上述菌种，但是在通常情况下，它们只能利用有机底物（Greening and Heedle 1989）。在瘤胃中，合成乙酸的障碍是无法克服的，因为，甲烷菌对H2的亲和力远大于乙酸菌对H2的亲和力。瘤胃中的H2浓度本来都很低（<1μM）情况下，乙酸菌难以和甲酸菌竞争。有报道，如果人工施以实验室培养菌落高浓度的H2（80%vol/vol 气相），加入化学抑甲烷菌物质（如2-BES）同时添加益生素可刺激乙酸合成。但是在活体上，Lopez et al.(1989)做了一些尝试，没有一例成功。
2.5分解已经产生的甲烷
    英国Rowett研究所的研究人员发现，一种土壤细菌能够将甲烷分解成为H2和CO2。他们希望通过向瘤胃中引入这种细菌来达到降低甲烷产量的目的。体外试验证明，引入该菌，甲烷产量下降一半；用绵羊做的试验表明，引入该菌以后，甲烷产量下降17%。据研究人员计算，这种细菌可以降低甲烷产量20%。
3甲烷产量的估计
3.1根据瘤胃VFA来估计
该法于1982年由Van Soest提出，依据为，瘤胃甲烷和二氧化碳的产量与瘤胃发酵模式有关。表示如下：
CO2=乙酸/2+丙酸/4+3丁酸/2
CH4=CO2－（丙酸/2+丁酸）
此法适合于科研。
3.2利用饲料成分来估计甲烷产量
    该法基于饲料中的各成分对甲烷产量影响不同，而得出的回归方程。日粮中的纤维素对甲烷产量影响最大，每1kg粗纤维可产甲烷79克，每1kg蛋白质产甲烷26g，1kg无氮浸出物产生甲烷10g，而脂肪每增加1kg减少甲烷产量220g。可得以下方程：
CH4=63+79CF+26CP+10NFE－212EE（R2=0.92）(Kirchgessner et al.,1994)
此公式适合于生产中对甲烷的估计。
4影响甲烷产量的因素
4.1采食水平
    提高动物采食量，甲烷损失的日粮GE可下降到1.6%。（Johnson et al.1993b）。Okine et al. (1989)也证实动物采食量提高时，甲烷产量下降。限饲时，可获得的碳水化合物水平越高，甲烷损失的部分也越大。高水平摄入消化率高的日粮时，甲烷损失部分越小。当采食量提高到两倍的维持水平时，总的甲烷产量上升，但单位摄入能量的甲烷损失下降12-30%（Blaxter,1989）。如果在维持水平加入易降解的碳水化合物，会导致原虫增殖，原虫增殖会提高甲烷产量（Bonhomme,1990）.S.C.Lee（2000）认为，谷物的加入，可能会导致氢在微生物之间的转运增强。
4.2碳水化合物类型
碳水化合物的类型影响甲烷产量可能是通过影响瘤胃PH和瘤胃菌群来实现的。细胞壁成分发酵会产生高的乙酸/丙酸和高的甲烷损失（Moe and Tyrrell,1979;Beever et al.,1989）。而淀粉和可溶性碳水化合物的发酵则甲烷损失较小。一些饲喂高精料日粮（达90%）的农场，其甲烷损失率降至2%-3%（Abo-Omar, 1989; Carmean,1991; Hutcheson, 1994），是正常情况下的一半。
4.3饲料加工处理和贮存
    对饲草进行碾压和制粒可以降低甲烷的产量(Blaxter,1989).这种处理在限饲时无效。看来，加工处理主要是提高了动物的采食量。另外，提高食糜通过瘤胃的速度也有助于甲烷产量下降。V.K.KHATTA等（1997）研究表明：玉米经蒸煮后甲烷产量提高；麦麸经reconsitution甲烷产量也提高；燕麦、大麦、珍珠粟、麦麸和玉米经浸泡后产气量下降；而reconsitution可以降低花生饼、菜子饼和葵花子饼的产气量。
甲烷产量还与牧草的成熟度有关，牧草越成熟，甲烷产量越高，同时，制成干草的甲烷产量比青贮要高（Armstrong,1960; Sundstol,1981）。对牧草进行粗切要比粉碎或者制粒甲烷产量高（Hironaka et al.,1996）。
　　我们可以得出一个结论，降低饲料的可消化性或者延长饲料在瘤胃里的停留时间的因素均提高甲烷产量。
4.4脂肪的添加
    肪可以通过多种途径减少甲烷产量，包括不饱和脂肪酸的生物氢化作用、提高丙酸比例和抑制原虫生长。Czerkawksi et al.(1966)指出添加长链多不饱和脂肪酸减少甲烷的原因在于，长链多不饱和脂肪酸提供了H2释放的途径。绵羊或者肉牛添加动物脂或者豆油，甲烷产量明显低于同等能量的对照组（Swift et al.,1948;Haaland,1978;Van der Honing et al.,1981）。
4.5离子载体
    离子载体，如瘤胃素，可以降低肉牛的采食量5%-6%，降低乙酸：丙酸值，减少甲烷损失（Goodrich et al.1984）。甲烷产量减少范围在0-25%之间（Benz and Johnson,1982;Garrett,1982;Wedegaertner and Johnson,1983）。但是，离子载体具有短效性（Carmean,1991），试验证明，无论是以谷物还是以草料为主的日粮，应用离子载体两周后，甲烷产量都会恢复到最初水平(Johnson et al.,1991)。然而，O’Kelly and Spiers(1992)经计算得出，给肉牛饲喂瘤胃素，55%减少的甲烷量是由于采食量下降所至，而只有45%的缘于瘤胃发酵的改变。
4.6原虫
甲烷菌与瘤胃原虫存在依赖关系，原虫的体积比甲烷菌大得多，甲烷菌可以吸附在原虫表面，利用原虫产生的H2，因此灭虫可以降低甲烷产量。以大麦为主要日粮的肉牛，灭虫后甲烷产量下降一半(Whitelaw et al.,1984)。但是以草料为主要日粮的动物却无此反应（Itabashi et al.,1984）。有资料显示，灭虫后，随着甲烷产量的下降，纤维素的消化率也下降（Itabashi et al.,1994），因此灭虫减少甲烷产量的作用被认为与减弱发酵有关。灭虫的效果报道不一，对于日增重和饲料转化率来讲，有正效应、有负效应、也有没有效果的。但是，对于羊毛产量目前均为正效应（Van Nevel and Demeyer 1995）。
目前，大规模的灭虫，还没有满意的方法。灭虫剂应该具有选择性、有效性和持久性等特点，同时，方法必须是容易操作、对动物无害。