滕戰(zhàn)偉,齊可喜,陳秋楠,賀永惠,高騰云

(1.河南科技學(xué)院 動(dòng)物科技學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院,河南 鄭州 450046)

溫室氣體的排放造成全球氣候發(fā)生極端性變化,深刻影響著人類(lèi)的生存和發(fā)展。習(xí)近平總書(shū)記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上提出,我國(guó)力爭(zhēng)在2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)。碳中和目標(biāo)不僅針對(duì)二氧化碳(CO2),還包含非CO2溫室氣體,如甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)等,且非CO2溫室氣體危害更大。畜牧業(yè)是重要的非CO2溫室氣體排放來(lái)源,其面臨著高效生產(chǎn)和綠色低碳協(xié)調(diào)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。反芻動(dòng)物生產(chǎn)中產(chǎn)生的CH4是畜牧業(yè)溫室氣體的主要貢獻(xiàn)者,約占整個(gè)畜牧業(yè)CH4排放量的89%[1]。CH4的增溫潛力是CO2的25倍[2-3],CH4在大氣中的留存時(shí)間約為12.2年,CO2在空氣中的留存時(shí)間約為100年[4],由此可見(jiàn),CH4減排是一種較為快速的緩解氣候變化的方法。反芻動(dòng)物以CH4形式損失的能量占其總攝入能的8%～14%,降低飼料能量的利用效率[5]。如果每千克標(biāo)準(zhǔn)乳的CH4排放量降低2.5 g,則每千克飼料可多生成300 mL標(biāo)準(zhǔn)乳[6]。因此,減少反芻動(dòng)物CH4的排放不僅能提升飼料的利用效率,同時(shí)可以較快緩解溫室效應(yīng)。

調(diào)控反芻動(dòng)物CH4的生成,提高飼料報(bào)酬是近年來(lái)科研工作者的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)[7]。WALLACE等[8]采用宏基因組技術(shù)對(duì)高產(chǎn)牛和低產(chǎn)牛的瘤胃微生物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),高產(chǎn)牛瘤胃內(nèi)參與CH4生成途徑的基因的相對(duì)豐度低于低產(chǎn)牛。XUE等[9]采用宏基因組學(xué)和代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn),與高產(chǎn)奶牛組相比,低產(chǎn)奶牛組的古菌和Methanobrevibacter在屬水平上有較高豐度,M.millerae在種水平上有較高豐度,這表明低產(chǎn)奶牛組可能會(huì)產(chǎn)生更多CH4。上述研究表明CH4的生成或許是導(dǎo)致奶牛泌乳量降低和生產(chǎn)效率低下的原因之一。我們以“瘤胃”和“甲烷減排”的英文翻譯的關(guān)鍵詞在Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行檢索,結(jié)果顯示在2018—2022年中,共有10 108篇相關(guān)文章發(fā)表,每年文章發(fā)表數(shù)量較2018年之前大幅增長(zhǎng)。使用一個(gè)詞云來(lái)說(shuō)明這10 108篇論文摘要中出現(xiàn)的高頻詞,其中最常見(jiàn)的有“反芻動(dòng)物”“產(chǎn)甲烷菌”、“日糧組成”(圖1),這表明反芻動(dòng)物CH4減排越發(fā)受到關(guān)注。反芻動(dòng)物CH4的生成受動(dòng)物品種、日糧組成和瘤胃微生物群落結(jié)構(gòu)等諸多因素的影響[5],研究清楚反芻動(dòng)物CH4生成的途徑和影響CH4生成的因素有助于制定有效的CH4減排措施。本文從反芻動(dòng)物瘤胃CH4的生成途徑、產(chǎn)甲烷菌的研究進(jìn)展及調(diào)控CH4生成的措施等方面進(jìn)行綜述,以期為反芻動(dòng)物生產(chǎn)中制定有效的CH4調(diào)控措施提供參考。

1 反芻動(dòng)物瘤胃CH4生成途徑

反芻動(dòng)物CH4主要來(lái)自于瘤胃發(fā)酵,占反芻動(dòng)物CH4生成量的80%以上。反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)棲息著大量的微生物,主要有細(xì)菌、真菌、原蟲(chóng)和古菌等,在這些微生物的協(xié)同作用下,反芻動(dòng)物能夠?qū)⑵洳墒车娘暭Z發(fā)酵成為機(jī)體所需的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),在此過(guò)程中產(chǎn)生大量的CO2、H2、甲酸、乙酸和甲醇等[4]。反芻動(dòng)物瘤胃中CH4的生成是瘤胃發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的氫的重要利用途徑,主要是產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化的結(jié)果,由產(chǎn)甲烷菌生成的CH4占反芻動(dòng)物CH4生成總量的90%以上[7]。根據(jù)CH4生成的前提物不同,可將反芻動(dòng)物CH4生成途徑劃分為3種,分別是CO2-H2還原途徑(氫營(yíng)養(yǎng)型路徑)、乙酸發(fā)酵途徑和甲基轉(zhuǎn)化途徑,其中氫營(yíng)養(yǎng)型路徑是瘤胃內(nèi)甲烷生成的主要路徑,后兩種途徑CH4的生成量較少。為更好的解釋和定義瘤胃微生物的功能,MORAIS等[10]提出“功能組概念”即根據(jù)瘤胃微生物的實(shí)際功能特征對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)研究,而不是分類(lèi)學(xué)特征來(lái)研究。依據(jù)“功能組概念”分析,反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)CH4的生成過(guò)程至少分為3種不同的功能組:首先,氫營(yíng)養(yǎng)型功能組產(chǎn)CH4,代謝輸入物為H2和CO2;其次,甲基營(yíng)養(yǎng)型功能組產(chǎn)CH4,代謝輸入物為甲基化合物;再次,乙酸發(fā)酵型功能組產(chǎn)CH4,代謝輸入物是醋酸鹽。由此可知,調(diào)控反芻動(dòng)物瘤胃甲烷生成的關(guān)鍵在于促進(jìn)瘤胃內(nèi)氫的利用,防止瘤胃內(nèi)生成的氫被產(chǎn)甲烷菌利用。因此,有必要深入了解反芻動(dòng)物瘤胃產(chǎn)甲烷菌的菌群組成和多樣性特征。

2 反芻動(dòng)物瘤胃產(chǎn)甲烷菌研究進(jìn)展

產(chǎn)甲烷菌在CH4的生成中具有重要作用,是一類(lèi)嚴(yán)格厭氧的原核生物。甲基-輔酶M還原酶(methyl-coenzyme reductase,mcr)是產(chǎn)甲烷菌中特有的一種酶,但甲烷營(yíng)養(yǎng)型古菌除外,科研工作者通常采用mcrA基因用于產(chǎn)甲烷菌的分類(lèi)學(xué)研究。目前從反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)被鑒定出廣泛存在的產(chǎn)甲烷菌屬主要有甲烷桿菌屬、甲烷短菌屬、甲烷微菌屬和甲烷八疊球菌屬等4個(gè)菌屬。已知甲酸甲烷桿菌、反芻獸甲烷短桿菌、布氏產(chǎn)甲烷桿菌等7個(gè)種的產(chǎn)甲烷菌能夠在體外培養(yǎng)存活[11]。產(chǎn)甲烷菌合成CH4過(guò)程中,特有3種輔酶即輔酶420、輔酶M和因子B參與甲烷的合成。此外,產(chǎn)甲烷菌細(xì)胞膜的組成與細(xì)菌有所不同,產(chǎn)甲烷菌的細(xì)胞壁無(wú)胞壁酸,細(xì)胞膜的脂質(zhì)通過(guò)類(lèi)異戊二烯、乙醚與甘油或者碳水化合物相連[12]。

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,高通量測(cè)序技術(shù)被廣泛用于瘤胃產(chǎn)甲烷菌的群落結(jié)構(gòu)和功能研究,用于探索產(chǎn)甲烷菌與環(huán)境之間的關(guān)系,以期找到與調(diào)控CH4相關(guān)的靶標(biāo)菌群。GONZALEZ-RECIO等[13]采用荷斯坦牛和瑞士褐牛探究了宿主基因型對(duì)牛瘤胃微生物組成的影響,結(jié)果表明牛瘤胃中甲烷短桿菌和甲烷球菌與CH4的排放高度相關(guān),對(duì)宿主基因型和微生物進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析發(fā)現(xiàn)動(dòng)物品種顯著影響甲烷短桿菌。JEYANATHAN等[14]研究發(fā)現(xiàn)在荷斯坦與娟姍雜交奶牛和綿羊的瘤胃內(nèi)均存在反芻獸甲烷短桿菌、奧氏甲烷短桿菌、戈氏甲烷短桿菌、陶氏甲烷短桿菌和米氏甲烷短桿菌以及Methanosphaera等與CH4生成相關(guān)的產(chǎn)甲烷菌,并且是甲烷生成的核心菌群。董利鋒等[15]綜述表明肉牛瘤胃中甲烷短桿菌屬為CH4生成的優(yōu)勢(shì)菌群,其組成和多樣性不受遺傳背景和菌群研究方法的影響。但是,不同肉牛品種間產(chǎn)甲烷菌區(qū)系的組成及其相關(guān)的代謝通路的差異化機(jī)制仍需深入研究。上述研究表明產(chǎn)甲烷的核心菌群或許不因動(dòng)物種類(lèi)不同而發(fā)生變化,這為進(jìn)一步區(qū)分到底哪些微生物是與CH4產(chǎn)量密切相關(guān)的靶標(biāo)菌群提供了思路。

除甲烷短桿菌屬外,瘤胃C簇甲烷菌也能在反芻動(dòng)物的胃腸道內(nèi)被檢測(cè)到,中國(guó)牦牛瘤胃內(nèi)瘤胃C簇甲烷菌所占比例達(dá)79.4%,這類(lèi)甲烷菌主要以甲胺為底物來(lái)生成CH4[16-18]。WANG等[19]研究發(fā)現(xiàn)隨牦牛日齡的增加,牦牛瘤胃內(nèi)產(chǎn)甲烷菌的區(qū)系結(jié)構(gòu)和相對(duì)豐度會(huì)發(fā)生顯著改變。在成年牦牛和老年牦牛瘤胃中甲烷短桿菌屬和熱無(wú)胞壁單胞菌(Thermogymnomonas)是這2個(gè)生理階段牦牛瘤胃中的優(yōu)勢(shì)菌,但與成年牦牛相比,甲烷短桿菌屬在老年牦牛瘤胃中的相對(duì)豐度較高,而熱無(wú)胞壁單胞菌相對(duì)較低。由此可以看出,動(dòng)物生理階段不同,其瘤胃內(nèi)甲烷菌的構(gòu)成也存在差異,但多數(shù)研究證實(shí)甲烷短桿菌屬及其相關(guān)的產(chǎn)甲烷菌種為瘤胃中CH4生成的優(yōu)勢(shì)菌群,對(duì)CH4生成起著主導(dǎo)作用。

值得注意的是,反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)不同部位所溶解的CH4濃度和產(chǎn)甲烷菌多樣性存在差異,具體表現(xiàn)為背囊部高于腹囊和盲囊部。究其原因是背囊部前段靠近消化道,易混入唾液,混入的唾液升高了該部位的pH值,因此,該部位產(chǎn)甲烷菌的多樣性較高[20]。這一研究結(jié)果提示科研工作者,在開(kāi)展反芻動(dòng)物產(chǎn)甲烷菌試驗(yàn)時(shí)為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和試驗(yàn)結(jié)果之間的可對(duì)比性,采集瘤胃液樣品時(shí)需要考慮采集位點(diǎn)和采集時(shí)間的一致性。

3 調(diào)控反芻動(dòng)物CH4排放的策略

反芻動(dòng)物CH4的生成受到遺傳背景、采食量、采食行為、反芻時(shí)間、瘤胃代謝功能和微生物組成等多種因素的影響[5,21]?？蒲泄ぷ髡邍@影響CH4生成的因素開(kāi)展了大量試驗(yàn),主要有以下幾類(lèi)。日糧組成和飼料品質(zhì):飼喂高品質(zhì)的日糧可以提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能和飼料轉(zhuǎn)化效率;某些日糧可以加強(qiáng)丙酸的生成或者減少乙酸的生成,通過(guò)減少CH4合成需要的底物H2來(lái)減少CH4的生成;瘤胃調(diào)控:通過(guò)飼喂添加劑直接或間接的抑制產(chǎn)甲烷菌或者通過(guò)去除瘤胃原蟲(chóng)、飼喂微生物等方法減少CH4合成;遺傳選育:通過(guò)遺傳選育或者改善管理模式來(lái)提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能,通過(guò)提高飼料的利用效率來(lái)減少每單位產(chǎn)物(肉或奶)的CH4產(chǎn)量;集成措施:在生產(chǎn)上為達(dá)到更好的應(yīng)用效果,根據(jù)動(dòng)物及日糧的不同采用綜合型的技術(shù)措施來(lái)實(shí)施CH4的減排。

3.1 日糧組成調(diào)控瘤胃CH4生成反芻動(dòng)物日糧精飼料和粗飼料的比例影響CH4生成。當(dāng)日糧中精飼料的比例超過(guò)80%時(shí),飼糧總能的3%～4%轉(zhuǎn)化成CH4能,若飼糧全部為粗飼料時(shí),超過(guò)10%的飼糧總能轉(zhuǎn)化成甲烷能[22]。提升日糧中精料水平能夠使甲烷的排放量減少10%～30%。KUMAR等[23]研究表明提高反芻動(dòng)物日糧中的精料比例,其瘤胃內(nèi)的丙酸濃度升高,CH4產(chǎn)量降低。這是因?yàn)榫暳系脑龆嗍沽鑫竝H值降低,進(jìn)而導(dǎo)致原蟲(chóng)數(shù)量減少,由于產(chǎn)甲烷菌附著于原蟲(chóng)上,所以產(chǎn)甲烷菌數(shù)量也隨之減少,從而減少CH4的生成。LI等[24]最新研究表明高纖維飼糧通過(guò)富集以產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌為代表的纖維分解菌群,提高纖維利用率和乙酸產(chǎn)量,促進(jìn)了甲烷菌增殖和CH4生成;高淀粉飼糧則通過(guò)富集以嗜淀粉瘤胃桿菌為代表的淀粉降解菌群和以埃氏巨球形菌為代表的乳酸利用菌群,進(jìn)一步激活以乳酸為中間產(chǎn)物的丙烯酸酯途徑,從而促進(jìn)丙酸生成,這有助于反芻動(dòng)物在高淀粉日糧條件下維持瘤胃健康。高淀粉飼糧顯著增強(qiáng)瘤胃發(fā)酵能力,通過(guò)抑制甲烷菌增殖減少CH4生成。在現(xiàn)代集約化養(yǎng)殖過(guò)程中,大量使用高精料飼糧來(lái)提升反芻動(dòng)物的生產(chǎn)性能,但精飼料飼喂過(guò)多不僅增加飼養(yǎng)成本,而且容易導(dǎo)致反芻動(dòng)物瘤胃酸中毒。有研究指出,當(dāng)反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)發(fā)酵生成的乙酸和丙酸的比值為0.5時(shí),丙酸的生成能夠完全利用乙酸發(fā)酵產(chǎn)生的H2,減少生成CH4所需的底物H2,因此,機(jī)體不生成或者僅少量生成CH4[23]。理想的消耗H2的途徑是將瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生的H2轉(zhuǎn)化為VFA等可以為動(dòng)物提供能量的物質(zhì)。今后,在不影響反芻動(dòng)物正常生產(chǎn)的前提下,可以嘗試通過(guò)調(diào)整日糧組成找到一個(gè)精飼料和粗飼料搭配比例的平衡點(diǎn)使瘤胃發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的乙酸和丙酸的比值盡可能接近0.5,來(lái)減少CH4的生成。

我國(guó)蛋白質(zhì)類(lèi)飼料資源的嚴(yán)重匱乏已成為制約我國(guó)畜牧業(yè)的瓶頸問(wèn)題,嚴(yán)重阻礙了我國(guó)畜牧業(yè)的發(fā)展。在不影響畜禽生產(chǎn)性能的前提下,采用低蛋白飼糧技術(shù)是當(dāng)下解決此類(lèi)問(wèn)題的有效途徑。CH4雖來(lái)源于碳水化合物,但飼糧蛋白水平同樣能影響甲烷排放。WARNER等[25]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與飼喂粗蛋白質(zhì)含量高的飼草相比,飼喂粗蛋白質(zhì)含量極低的飼草CH4產(chǎn)量下降8%。KIGGUNDU等[26]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)短角澤布牛采食含110 g/kg蛋白質(zhì)飼糧時(shí)比130 g/kg蛋白質(zhì)飼糧的甲烷排放量降低30.7%。因此,降低反芻動(dòng)物飼糧蛋白質(zhì)水平,可有效減少CH4的排放。反芻動(dòng)物的瘤胃是一個(gè)復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng),飼糧蛋白質(zhì)水平與瘤胃中微生物的關(guān)系十分復(fù)雜,瘤胃微生物在蛋白質(zhì)利用和CH4生成方面具有重要作用,科研工作者對(duì)它們之間的相關(guān)關(guān)系的認(rèn)知仍然有限。今后需要進(jìn)一步探究飼糧蛋白和能量水平與反芻動(dòng)物瘤胃微生物的相關(guān)關(guān)系,在保證飼料養(yǎng)分滿(mǎn)足反芻動(dòng)物需求且不影響生產(chǎn)性能的前提下,通過(guò)調(diào)節(jié)飼糧蛋白水平來(lái)調(diào)控相關(guān)微生物的數(shù)量或活性來(lái)調(diào)控CH4的生成,為低蛋白飼糧在反芻動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

3.2 添加劑調(diào)節(jié)瘤胃CH4生成反芻動(dòng)物日糧中添加油脂類(lèi)物質(zhì)可降低CH4的排放量[27]。日糧中添加1%～3%的油脂能減少10%～25% CH4的生成量,最高可達(dá)40%[28]。POULSEN等[18]研究表明,奶牛日糧添加菜籽油可顯著抑制CH4的生成,采用宏轉(zhuǎn)錄組技術(shù)對(duì)奶牛的瘤胃液進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),菜籽油的添加降低了瘤胃中甲基營(yíng)養(yǎng)性產(chǎn)甲烷菌熱原體綱和mcrA基因的表達(dá)量。宿主基因型、瘤胃微生物和日糧組成三者之間存在復(fù)雜的交互作用,那么油脂類(lèi)減少CH4的排放是否受到宿主基因型的影響呢?VAN GASTELEN等[29]選用基因型DGAT1 KK和DGAT1 AA各半的產(chǎn)奶牛研究日糧中添加亞麻籽油對(duì)CH4排放的影響以及亞麻籽油與DGAT1基因的交互作用,結(jié)果表明:亞麻籽油通過(guò)降低瘤胃內(nèi)乙酸比例、乙酸/丙酸比值以及古菌在總菌中的比例,來(lái)減少CH4產(chǎn)量。此外,DGAT1基因?qū)H4的產(chǎn)量和產(chǎn)生通路未產(chǎn)生顯著影響,亞麻籽油減少CH4的排放不依賴(lài)于DGAT1基因。不同來(lái)源的油脂會(huì)影響家畜的采食量,從而影響甲烷的減排效果。脂肪酸鈣和硬脂酸等瘤胃惰性脂肪通常不會(huì)影響家畜的采食量,而使用油料種子(菜籽和大豆等)的日糧中粗脂肪含量增加1%會(huì)導(dǎo)致采食量降低(0.90±0.52)kg[6]。此外,脂類(lèi)能夠與單寧酸協(xié)同減少CH4的生成,并且發(fā)現(xiàn)單寧對(duì)CH4的減排效率低于莫能菌素[30]。綜上所述,脂類(lèi)抑制CH4減排的主要原因如下,一是脂類(lèi)使不飽和脂肪酸發(fā)生氫化,減少CH4合成的底物H2;二是脂類(lèi)可以直接抑制產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)或者通過(guò)抑制原蟲(chóng)的生長(zhǎng)來(lái)間接抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng),從而減少CH4的生成。需要注意的是,日糧中添加脂類(lèi)會(huì)對(duì)動(dòng)物的干物質(zhì)采食量以及飼料的消化率產(chǎn)生一定的負(fù)面影響,這是今后要解決的問(wèn)題。

3-硝基氧基丙醇(3-NOP)是一種新型的CH4抑制劑,近年來(lái)受到科研和生產(chǎn)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。MELGAR等[31]在荷斯坦奶牛飼糧中添加60 mg/kg的3-NOP,持續(xù)飼喂15周,結(jié)果表明,3-NOP降低奶牛CH4排放量和排放強(qiáng)度可達(dá)27%～29%,同時(shí)對(duì)采食量、產(chǎn)奶量和飼料消化率未產(chǎn)生不利影響。3-NOP抑制CH4排放的效果受到家畜種類(lèi)、日糧組成和添加劑量的影響。DIJKSTRA等[32]指出3-NOP對(duì)CH4的抑制作用在奶牛上強(qiáng)于肉牛,在奶牛飼糧中添加3-NOP(81 mg/kg DM)的減排效果與肉牛(144 mg/kg DM)相似。上述研究表明較低劑量的3-NOP便可以抑制CH4生成,這可能是因?yàn)?-NOP的化學(xué)結(jié)構(gòu)和甲基輔酶M高度相似,并且能使甲基輔酶M還原酶失去活性。雖然3-NOP具有良好的應(yīng)用前景,但3-NOP在動(dòng)物體內(nèi)的殘留問(wèn)題和安全問(wèn)題還需要進(jìn)一步探究。

3.3 調(diào)控瘤胃氫利用相關(guān)的微生物調(diào)節(jié)CH4生成原蟲(chóng)占據(jù)瘤胃生物的50%以上,是瘤胃內(nèi)主要的產(chǎn)H2微生物。產(chǎn)甲烷菌吸附在原蟲(chóng)表面,可快速利用原蟲(chóng)產(chǎn)生的H2生成CH4,那么,驅(qū)除瘤胃內(nèi)的原蟲(chóng)能否有效減少CH4的生成。李宗軍[33]基于META分析的方法研究了驅(qū)除原蟲(chóng)對(duì)CH4排放的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),短期驅(qū)除原蟲(chóng)(小于10周)可以顯著的減少CH4的排放,而長(zhǎng)期驅(qū)除原蟲(chóng)(大于10周)結(jié)果與之相反,CH4產(chǎn)量反而上升。有趣的是,短期驅(qū)除原蟲(chóng)能夠顯著提升瘤胃中丙酸含量,乙酸和丁酸含量顯著降低;長(zhǎng)期驅(qū)除原蟲(chóng)時(shí),瘤胃內(nèi)乙酸含量顯著升高,丙酸和丁酸含量無(wú)顯著變化。該研究表明隨著驅(qū)除原蟲(chóng)時(shí)間的延長(zhǎng)CH4的產(chǎn)量呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì),這與瘤胃內(nèi)乙酸和丙酸比值先降低再升高相關(guān)。日前,科研工作者公布了世界上首個(gè)瘤胃原蟲(chóng)的基因組目錄,厘清了其系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和分類(lèi)學(xué)框架,鑒定出3 000多個(gè)非冗余的碳水化合物活性酶(CAZymes),發(fā)現(xiàn)原蟲(chóng)是一類(lèi)可媲美腸道真菌的降解微生物且纖毛蟲(chóng)酶在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化方面有巨大應(yīng)用潛力[34]。由此可以看出,短期驅(qū)除反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)原蟲(chóng)可以減少CH4的生成,但長(zhǎng)期驅(qū)除原蟲(chóng)不利于瘤胃內(nèi)碳水化合物代謝對(duì)機(jī)體的能量供應(yīng)。

隨著我國(guó)飼料中全面禁抗政策的發(fā)布,尋找安全、高效的抗生素替代品亟待研究。飼喂微生物以不會(huì)產(chǎn)生藥物殘留的優(yōu)勢(shì)成為科研工作者的研究熱點(diǎn)。產(chǎn)乙酸菌是一種厭氧氫利用菌,在動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)乙酸菌通過(guò)還原性乙酰輔酶A或Wood-Ljungdahl通路將H2和CO2還原成為乙酸重新被動(dòng)物吸收利用,提高了日糧能量的轉(zhuǎn)化效率并減少CH4生成,是CH4減排的一種生物學(xué)途徑[35]。成年反芻動(dòng)物的瘤胃微生物產(chǎn)生氫氣的量遠(yuǎn)低于新生反芻動(dòng)物瘤胃微生物組的產(chǎn)量,同時(shí)隨著日齡的增加,新生動(dòng)物瘤胃中的產(chǎn)乙酸功能組的豐度也隨之降低[36]。這表明產(chǎn)乙酸功能組在低氫的環(huán)境下處于劣勢(shì),產(chǎn)乙酸菌競(jìng)爭(zhēng)氫的能力小于產(chǎn)甲烷菌。楊春蕾[37]在抑制產(chǎn)甲烷菌的基礎(chǔ)上研究添加產(chǎn)乙酸菌對(duì)CH4生成的影響,結(jié)果表明單獨(dú)添加產(chǎn)乙酸菌或者在抑制產(chǎn)CH4的基礎(chǔ)上添加產(chǎn)乙酸菌均未顯著降低CH4的排放,該結(jié)果可能與產(chǎn)乙酸菌的來(lái)源有一定關(guān)系。今后可以通過(guò)研究不同來(lái)源的產(chǎn)乙酸菌對(duì)瘤胃CH4生成的影響,全面研究強(qiáng)化瘤胃乙酸生成途徑降低甲烷的可行性;或通過(guò)基因重組的方法對(duì)產(chǎn)乙酸菌的氫代謝相關(guān)的基因進(jìn)行改造,提升產(chǎn)乙酸菌的氫利用能力,使其能夠與產(chǎn)甲烷菌高效的競(jìng)爭(zhēng)。

生物技術(shù)的快速發(fā)展為CH4的生成調(diào)控提供了新的思路。輔酶F420是產(chǎn)甲烷古菌生成CH4的重要輔酶,CofD酶是輔酶F420生物合成中重要的作用酶。周婷[38]通過(guò)基因敲除的方法將反芻獸甲烷短桿菌CofD基因進(jìn)行敲除,結(jié)果表明,CofD基因敲除降低了CofD酶和輔酶F420的表達(dá)量以及甲烷短桿菌的繁殖能力,從而降低生成CH4的能力。

3.4 其他調(diào)控CH4生成的措施改善牧場(chǎng)的管理方式也是降低牧場(chǎng)整體水平CH4排放量的一種措施。對(duì)放牧動(dòng)物而言,提高草地質(zhì)量可以提高日糧消化率并有助于減少CH4排放,這與草料的成熟度能夠影響飼料的營(yíng)養(yǎng)密度和消化率相關(guān)。但是,若放牧率增加時(shí),CH4的排放量也會(huì)增加[28]。此外,畜牧養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的大量糞便也是溫室氣體主要的來(lái)源之一,同時(shí)也是種植業(yè)有機(jī)肥原料的主要來(lái)源之一。今后可將畜牧業(yè)糞污溫室氣體減排和種植業(yè)緊密的結(jié)合起來(lái),也是未來(lái)畜牧業(yè)CH4減排的重要研究方向。

反芻動(dòng)物產(chǎn)生CH4的性狀是可以遺傳的。與人類(lèi)相比,奶牛的可遺傳微生物是人類(lèi)的10倍,奶牛瘤胃內(nèi)的核心微生物對(duì)奶牛的產(chǎn)奶量、乳品質(zhì)量和CH4排放起主要作用,甚至比奶牛本身基因起到更重要的作用,這表明牛與其瘤胃微生物之間存在更深層次的相互關(guān)系[39]。JONKER等[40]通過(guò)研究低CH4產(chǎn)率和高產(chǎn)率的羊只在不同飼糧和季節(jié)下研究發(fā)現(xiàn),動(dòng)物CH4產(chǎn)率遺傳形狀的表達(dá)和環(huán)境無(wú)關(guān),同時(shí)動(dòng)物遺傳因素對(duì)CH4產(chǎn)率的影響不隨飼糧變化而變化。宿主基因型和瘤胃微生物共同影響反芻動(dòng)物的CH4排放,并鑒定到與CH4生成相關(guān)的靶向微生物,這為后續(xù)精準(zhǔn)調(diào)控CH4生成指明了方向[41-42]。CH4調(diào)控最大的挑戰(zhàn)在于反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)的微生物可能會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)性和耐受性,從而使多種調(diào)控方法只能起到短暫的作用。因此,只有清楚認(rèn)知哪些微生物菌群在纖維消化方面具有重要作用且不需要大量的產(chǎn)甲烷菌群的協(xié)助,才能夠在提升飼料消化率或不影響飼料消化率的情況下減少CH4的生成,從而提升反芻動(dòng)物能量的利用效率。目前,對(duì)反芻動(dòng)物瘤胃微生物的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。MORAIS等[10]提出通過(guò)使用“功能組概念”對(duì)瘤胃微生物進(jìn)行分類(lèi)研究以解決由于水平基因轉(zhuǎn)移事件或功能冗余而造成的分類(lèi)紊亂,從而更好的解析瘤胃中微生物的代謝途徑。此外,對(duì)瘤胃微生物呈現(xiàn)的解析仍需大量的工作,雖然對(duì)瘤胃細(xì)菌、古菌和原蟲(chóng)的研究取得了一些進(jìn)展,但仍需要建立培養(yǎng)方法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究[34,43],使反芻動(dòng)物微生物功能的研究從描述性慢慢的向機(jī)制性轉(zhuǎn)變,構(gòu)建瘤胃微生物的功能性和生態(tài)性網(wǎng)絡(luò),從而通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控反芻動(dòng)物CH4減排并提高其生產(chǎn)效率。因此,在不完全清楚反芻動(dòng)物瘤胃生態(tài)系統(tǒng)中各微生物組的功能的情況下,通過(guò)遺傳手段來(lái)降低CH4排放有可能會(huì)對(duì)反芻動(dòng)物的消化功能產(chǎn)生不利的影響。

綜上所述,從研究角度來(lái)看,對(duì)CH4減排的單項(xiàng)措施進(jìn)行研究是必要的。但從應(yīng)用角度考慮,想要達(dá)到較為理想的減排效果,必須根據(jù)動(dòng)物和日糧的不同采用系統(tǒng)集成型的綜合技術(shù)措施。研究表明,基因組選育、營(yíng)養(yǎng)調(diào)控和調(diào)控瘤胃生態(tài)結(jié)構(gòu)等調(diào)控CH4生成的方法,其降低CH4的最大潛力均不超過(guò)20%;若將上述方法進(jìn)行集成組合,采用集成型的措施降低CH4的最大潛力可以提高到30%[21]。李宗軍[33]以奶山羊?yàn)樵囼?yàn)動(dòng)物,利用硝酸酯構(gòu)建高氫分壓模型,同時(shí)采用延胡索酸作為氫受體研究?jī)烧邔?duì)瘤胃代謝的影響,結(jié)果表明硝酸酯和延胡索酸都可持續(xù)的抑制奶山羊CH4的排放。目前,反芻動(dòng)物CH4減排的研究越來(lái)越多,但集成型的研究尚不完全,許多調(diào)控措施在CH4減排的效果和使用劑量上存在分歧。未來(lái)需要將更加合理的研究方法和手段來(lái)進(jìn)行集成,以期達(dá)到CH4減排的目的?？傊?反芻動(dòng)物的CH4減排是一個(gè)復(fù)雜的工程,只有多策并舉才能實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的突破,從而實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)低碳、可持續(xù)的發(fā)展,進(jìn)而緩解農(nóng)業(yè)對(duì)全球氣候變暖的影響。

4 小結(jié)

減少反芻動(dòng)物CH4排放有助于緩解溫室效應(yīng)并提高飼糧利用效率。調(diào)控瘤胃CH4生成的關(guān)鍵在于促進(jìn)瘤胃內(nèi)氫的利用并防止瘤胃內(nèi)生成的氫被產(chǎn)甲烷菌利用生成CH4。反芻動(dòng)物CH4調(diào)控最大的挑戰(zhàn)在于其瘤胃內(nèi)的微生物會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)性和耐受性,從而導(dǎo)致多種調(diào)控CH4生成的方式存在一定的時(shí)效性。今后需要建立培養(yǎng)方法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究,使反芻動(dòng)物微生物功能的研究從描述性慢慢的向機(jī)制性轉(zhuǎn)變,構(gòu)建瘤胃微生物的功能性和生態(tài)性網(wǎng)絡(luò),從而通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控CH4減排和提高生產(chǎn)效率。針對(duì)我國(guó)蛋白質(zhì)類(lèi)飼料和優(yōu)質(zhì)粗飼料資源嚴(yán)重匱乏的現(xiàn)狀,可在保證飼料養(yǎng)分滿(mǎn)足反芻動(dòng)物需求且不影響生產(chǎn)性能的前提下,通過(guò)開(kāi)發(fā)低蛋白飼喂技術(shù)和改善粗飼料品質(zhì)來(lái)減少CH4排放。目前,我國(guó)采用生命周期評(píng)價(jià)溫室氣體時(shí)所才用的相關(guān)系數(shù)并不完全符合我國(guó)的實(shí)際情況,仍需要進(jìn)一步研究,盡快建立我國(guó)的畜牧養(yǎng)殖數(shù)據(jù)庫(kù),從而系統(tǒng)的評(píng)估溫室氣體排放量,為我國(guó)溫室氣體的減排提供科學(xué)支持。