瘤胃產氣量的調控

awang · 發表于 2008-1-22 10:09:22

瘤胃產氣量的調控

        瘤胃內甲烷的產量是瘤胃發酵能量損失多少的主要標志。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。降低甲烷產量，勢在必行。
1甲烷菌
    甲烷菌屬古細菌，從系統發生角度講，它不同于“真細菌”。產甲烷菌可分為兩類：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，沒有什么物質流動，或者下水道，雖有物質流動，但是，其滯留時間較長，這樣的環境中。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。因為瘤胃中物質的滯留時間短，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，經過一系列反應，被H2和甲酸還原生成甲烷。總的反應式為：
4H2+HCO3-+H+——CH4+3H2O
2阻止甲烷產生的模式
2.1抑制產H2和產CO2的細菌
    由于甲烷由CO2和H2生成，選擇抑制產H2和產CO2的細菌的物質，如瘤胃素（Chen and wolin 1979），可以抑制甲烷的產生。這種方式，不會導致H2的積累，同時降低乙酸、丁酸比例，提高丙酸產量。產氫的細菌多為纖維素菌,抑制的結果也導致纖維素降解率下降。
2.2直接對甲烷菌產生毒性
    能夠對甲烷菌產生毒性的物質，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來降低甲烷產量的；脂肪酸主要是通過與甲烷菌爭奪H2，并且它還附在細胞壁上阻止細菌對營養物質的獲得（Jenkins,1993）；不飽和脂肪酸降低甲烷產量的能力與非離子化的羧基以及雙鍵的個數相關（Van Nevel et.al 1971）。一些情況下，NO3-、Fe3+、SO42-也和甲烷菌競爭底物。
    甲烷菌是古細菌，古細菌的細胞膜和真細菌細胞膜組成有差異，可以利用這一特點，設計對甲烷菌有特異性的抑制劑。真細菌的細胞膜主要是三酰甘油，而古細菌細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胞膜的生成，從而達到抑制甲烷產量的目的。Terry et al.(2001)試驗表明，Lovastatin能夠抑制甲烷菌的生長，而對于其它細菌沒有觀察到任何不良影響，如果能夠用于實踐的話，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
    阻止甲烷合成的一些特殊反應，如瘤胃中三氯乙醛轉化成氯仿時會阻止甲基載體向CoM轉移甲基，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是有機物質降解過程中產生的，H2的積累會阻礙有機物的進一步降解，(Rusell and Jeraci ,1984)。因此，我們不能只通過減少或者消除產甲烷菌來控制產氣量，而應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。一般的象硝酸鹽或者硫酸鹽不能改變甲烷產量，能夠改變發酵的有蘋果酸、琥珀酸等有機酸。
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，它們只能利用有機底物（Greening and Heedle 1989）。在瘤胃中，合成乙酸的障礙是無法克服的，因為，甲烷菌對H2的親和力遠大于乙酸菌對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，如果人工施以實驗室培養菌落高濃度的H2（80%vol/vol 氣相），加入化學抑甲烷菌物質（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分解已經產生的甲烷
    英國Rowett研究所的研究人員發現，一種土壤細菌能夠將甲烷分解成為H2和CO2。他們希望通過向瘤胃中引入這種細菌來達到降低甲烷產量的目的。體外試驗證明，引入該菌，甲烷產量下降一半；用綿羊做的試驗表明，引入該菌以后，甲烷產量下降17%。據研究人員計算，這種細菌可以降低甲烷產量20%。
3甲烷產量的估計
3.1根據瘤胃VFA來估計
該法于1982年由Van Soest提出，依據為，瘤胃甲烷和二氧化碳的產量與瘤胃發酵模式有關。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甲烷產量
    該法基于飼料中的各成分對甲烷產量影響不同，而得出的回歸方程。日糧中的纖維素對甲烷產量影響最大，每1kg粗纖維可產甲烷79克，每1kg蛋白質產甲烷26g，1kg無氮浸出物產生甲烷10g，而脂肪每增加1kg減少甲烷產量220g。可得以下方程：
CH4=63+79CF+26CP+10NFE－212EE（R2=0.92）(Kirchgessner et al.,1994)
此公式適合于生產中對甲烷的估計。
4影響甲烷產量的因素
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)也證實動物采食量提高時，甲烷產量下降。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。當采食量提高到兩倍的維持水平時，總的甲烷產量上升，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，會導致原蟲增殖，原蟲增殖會提高甲烷產量（Bonhomme,1990）.S.C.Lee（2000）認為，谷物的加入，可能會導致氫在微生物之間的轉運增強。
4.2碳水化合物類型
碳水化合物的類型影響甲烷產量可能是通過影響瘤胃PH和瘤胃菌群來實現的。細胞壁成分發酵會產生高的乙酸/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酵則甲烷損失較小。一些飼喂高精料日糧（達90%）的農場，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
    對飼草進行碾壓和制粒可以降低甲烷的產量(Blaxter,1989).這種處理在限飼時無效。看來，加工處理主要是提高了動物的采食量。另外，提高食糜通過瘤胃的速度也有助于甲烷產量下降。V.K.KHATTA等（1997）研究表明：玉米經蒸煮后甲烷產量提高；麥麩經reconsitution甲烷產量也提高；燕麥、大麥、珍珠粟、麥麩和玉米經浸泡后產氣量下降；而reconsitution可以降低花生餅、菜子餅和葵花子餅的產氣量。
甲烷產量還與牧草的成熟度有關，牧草越成熟，甲烷產量越高，同時，制成干草的甲烷產量比青貯要高（Armstrong,1960; Sundstol,1981）。對牧草進行粗切要比粉碎或者制粒甲烷產量高（Hironaka et al.,1996）。
　　我們可以得出一個結論，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量。
4.4脂肪的添加
    肪可以通過多種途徑減少甲烷產量，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），試驗證明，無論是以谷物還是以草料為主的日糧，應用離子載體兩周后，甲烷產量都會恢復到最初水平(Johnson et al.,1991)。然而，O’Kelly and Spiers(1992)經計算得出，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%的緣于瘤胃發酵的改變。
4.6原蟲
甲烷菌與瘤胃原蟲存在依賴關系，原蟲的體積比甲烷菌大得多，甲烷菌可以吸附在原蟲表面，利用原蟲產生的H2，因此滅蟲可以降低甲烷產量。以大麥為主要日糧的肉牛，滅蟲后甲烷產量下降一半(Whitelaw et al.,1984)。但是以草料為主要日糧的動物卻無此反應（Itabashi et al.,1984）。有資料顯示，滅蟲后，隨著甲烷產量的下降，纖維素的消化率也下降（Itabashi et al.,1994），因此滅蟲減少甲烷產量的作用被認為與減弱發酵有關。滅蟲的效果報道不一，對于日增重和飼料轉化率來講，有正效應、有負效應、也有沒有效果的。但是，對于羊毛產量目前均為正效應（Van Nevel and Demeyer 1995）。
目前，大規模的滅蟲，還沒有滿意的方法。滅蟲劑應該具有選擇性、有效性和持久性等特點，同時，方法必須是容易操作、對動物無害。