反芻動(dòng)物瘤胃氮代謝及其與瘤胃微生物相關(guān)性的研究進(jìn)展

易思宇，張 潔，林 波，鄒彩霞

（廣西大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧 530005）

反芻動(dòng)物的瘤胃是一個(gè)密集多樣的微生物生態(tài)系統(tǒng)，能夠通過微生物發(fā)酵將低質(zhì)量蛋白質(zhì)和非蛋白氮轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸和微生物蛋白質(zhì)等高質(zhì)量的營(yíng)養(yǎng)成分[1]。然而，在這種發(fā)酵過程中伴隨著氨（NH3）和甲烷（CH4）的產(chǎn)生[2]。反芻動(dòng)物對(duì)氮的平均利用效率只有25% 左右[3]，這意味著有大量的攝入氮未被動(dòng)物利用，主要以尿氮（超過60%）的形式排出[4]。氮的低效利用不僅造成了飼料浪費(fèi)，同時(shí)也造成了環(huán)境污染。盡管近年來許多研究致力于通過飼料養(yǎng)分調(diào)控瘤胃氮代謝來提高反芻動(dòng)物的氮利用效率，并發(fā)現(xiàn)飼料養(yǎng)分中的能量和蛋白質(zhì)對(duì)瘤胃氮代謝的影響尤為顯著，但其中涉及的微生物學(xué)機(jī)理和調(diào)控機(jī)制尚未十分明了，導(dǎo)致反芻動(dòng)物在實(shí)踐中的整體氮利用效率依舊很低。瘤胃中的氮代謝是由瘤胃微生物所主導(dǎo)的，瘤胃內(nèi)細(xì)菌、原蟲與真菌三大微生物均參與了瘤胃中的氮代謝過程，能量和蛋白質(zhì)可能通過影響瘤胃微生物而調(diào)控了氮代謝過程。因此，對(duì)能量和蛋白質(zhì)與瘤胃微生物的關(guān)系進(jìn)行更為深入、系統(tǒng)地探究至關(guān)重要。本文主要綜述了瘤胃中氮代謝的過程、尿素氮循環(huán)、能氮平衡對(duì)瘤胃氮代謝的調(diào)控以及能量和蛋白質(zhì)與瘤胃微生物之間的關(guān)系，為提高反芻動(dòng)物氮利用率和減少氮排泄對(duì)環(huán)境污染的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 瘤胃氮降解

日糧中的蛋白質(zhì)分為瘤胃可降解蛋白質(zhì)和瘤胃不可降解蛋白質(zhì)，瘤胃可降解蛋白質(zhì)由非蛋白質(zhì)氮和真蛋白質(zhì)組成，其中真蛋白質(zhì)在瘤胃中被降解為肽和氨基酸[5]。肽可被肽酶進(jìn)一步水解成氨基酸或直接被水解成氨，而氨基酸則被瘤胃微生物所利用，生成微生物蛋白質(zhì)，或進(jìn)一步脫氨生成揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、二氧化碳和氨[6]。瘤胃中氨基酸的脫氨作用是導(dǎo)致反芻動(dòng)物氮利用率低下的主要原因之一[7]。

氨基酸的脫氨作用是由瘤胃微生物所介導(dǎo)，介導(dǎo)氨基酸脫氨的細(xì)菌主要有兩類，第一類為數(shù)量多但脫氨活性較低的普通產(chǎn)氨細(xì)菌，如棲瘤胃普雷沃菌（Pievotella ruminicola）[8]和布氏普雷沃氏菌（Prevotella bryantii）等[9]；第二類為數(shù)量少但脫氨活性較高的細(xì)菌，即高效產(chǎn)氨菌（HAB）。高效產(chǎn)氨菌主要包括厭氧消化鏈球菌（Peptostreptococcus anaerobius）、斯氏梭菌（Clostridium sticklandii）和嗜胺梭菌（Clostridium aminophilum）等[10]。瘤胃中的原蟲不僅可以進(jìn)行脫氨作用，還可以通過吞噬細(xì)菌分解菌體蛋白而產(chǎn)生氨[11]。此外，瘤胃中的非蛋白氮（如尿素）被瘤胃微生物所分泌的脲酶水解也能夠產(chǎn)生少量氨[12]。

2 內(nèi)源尿素氮循環(huán)及其調(diào)控

瘤胃中的氨一部分被瘤胃微生物所利用合成了微生物蛋白質(zhì)[13]；另一部分氨經(jīng)門靜脈隨血液進(jìn)入肝臟被合成為尿素，大部分隨尿液排出體外[14]，其余部分尿素通過唾液或消化道上皮重新進(jìn)入消化道[15]。進(jìn)入消化道的尿素又可被再次降解成氨，而再被重新吸收進(jìn)入肝臟，這便形成了內(nèi)源尿素氮再循環(huán)機(jī)制[15]。減少尿中流失的尿素氮而增加進(jìn)入消化道的尿素氮比例是增加反芻動(dòng)物氮利用效率的一項(xiàng)有效措施。

2.1 飼料養(yǎng)分對(duì)尿素氮循環(huán)的調(diào)控 能量和蛋白質(zhì)對(duì)尿素氮循環(huán)具有調(diào)控作用。有研究表明，隨著飼料中粗蛋白質(zhì)水平的增加，循環(huán)尿素氮的利用率下降[16-17]，說明高粗蛋白質(zhì)水平可能不利于內(nèi)源尿素氮的循環(huán)利用。樊艷華等[18]研究發(fā)現(xiàn)，周期性變動(dòng)的低蛋白質(zhì)水平顯著降低了尿中尿素氮與肝臟中合成的尿素氮比例，表明變動(dòng)性的低蛋白質(zhì)水平有利于內(nèi)源尿素氮的循環(huán)利用。Broderick[17]研究還發(fā)現(xiàn)，降低飼料中中性洗滌纖維比例而增加非纖維碳水化合物的比例可減少尿中尿素氮的排泄量，表明可發(fā)酵碳水化合物比例的增加使進(jìn)入消化道的尿素氮比例增加。但Sun 等[19]發(fā)現(xiàn)，不同的能量源葡萄糖和淀粉對(duì)尿中尿素氮排泄無影響。Schuba 等[20]的蕓萃分析表明，尿中尿素氮濃度與氮攝入量的相關(guān)性最強(qiáng)。而能量水平對(duì)尿素氮循環(huán)的影響可能小于蛋白質(zhì)水平。Recktenwald 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，淀粉水平對(duì)尿素氮循環(huán)中尿素分配比例的影響并不顯著。因此，適當(dāng)降低飼料中粗蛋白質(zhì)水平，或平衡補(bǔ)充能量和蛋白質(zhì)，或許能有效提高循環(huán)尿素的氮利用率。

2.2 瘤胃發(fā)酵參數(shù)和內(nèi)環(huán)境對(duì)尿素氮循環(huán)的影響 瘤胃VFA 和pH 等均對(duì)尿素氮循環(huán)有影響。付彤等[15]研究表明，瘤胃中的丁酸可能通過影響尿素轉(zhuǎn)運(yùn)因子B2 而促進(jìn)尿素氮轉(zhuǎn)入瘤胃，說明瘤胃VFA 對(duì)尿素氮轉(zhuǎn)運(yùn)有刺激作用。Lu 等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在短鏈脂肪酸和二氧化碳存在的情況下，尿素氮的轉(zhuǎn)運(yùn)量隨pH 的降低而增加，在pH 下降到5.8 時(shí)達(dá)到峰值，成鐘型曲線。Abdoun 等[23]也發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)改變pH 對(duì)尿素氮轉(zhuǎn)運(yùn)無影響，但在短鏈脂肪酸存在時(shí)，pH 從7.4 降低到5.4 顯著影響了尿素氮的轉(zhuǎn)運(yùn)量，在pH 為6.2 出現(xiàn)峰值，這說明pH 能影響尿素氮循環(huán)，但單獨(dú)改變pH 沒有該效果。Abdoun 等[23]也發(fā)現(xiàn)，二氧化碳對(duì)尿素氮轉(zhuǎn)運(yùn)也有影響，但在pH 等于6.4 時(shí)影響最為顯著，表明二氧化碳對(duì)尿素氮轉(zhuǎn)運(yùn)的影響程度依賴于pH。因此，瘤胃內(nèi)環(huán)境和發(fā)酵參數(shù)對(duì)尿素氮循環(huán)有影響，但各影響因素之間的相關(guān)性還需進(jìn)一步研究。降低循環(huán)尿素氮量是降低尿中尿素氮流失的另一項(xiàng)有效措施，這或許可以通過調(diào)控瘤胃相關(guān)微生物的數(shù)量或活性來調(diào)節(jié)瘤胃中氨態(tài)氮濃度而實(shí)現(xiàn)。

3 能氮平衡對(duì)瘤胃氮代謝的調(diào)控

反芻動(dòng)物的氮利用效率取決于瘤胃中可發(fā)酵能量和可降解蛋白質(zhì)之間的平衡[24]。有體內(nèi)研究表明，給反芻動(dòng)物飼喂易發(fā)酵的碳水化合物（如淀粉）顯著降低了瘤胃中的氨態(tài)氮濃度[25]；在反芻動(dòng)物的飼料中補(bǔ)充多種碳水化合物均降低了瘤胃中的氨態(tài)氮濃度，減少了尿氮排泄量，提高了氮的利用效率[21,26-27]，導(dǎo)致這一結(jié)果的原因或許是碳水化合物為瘤胃微生物合成蛋白質(zhì)提供了能量，顯著提高了瘤胃微生物捕獲氨的速率，平衡了氨的生成速率，從而保持瘤胃氨態(tài)氮濃度處于適宜的范圍內(nèi)。但由于動(dòng)物種類或評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)存在差異，相關(guān)研究報(bào)道的瘤胃適宜氨態(tài)氮濃度范圍也存在一定差異，如奶牛的適宜瘤胃氨態(tài)氮濃度為61.2～93.5 mg/L[28]或73.5 mg/L[29]，肉牛為85～187 mg/L[30]或3.5～290 mg/L[31]，羊?yàn)?3～275 mg/L[32]或60～300 mg/L[33]。

相關(guān)研究表明，提高水溶性碳水化合物和粗蛋白質(zhì)的比例會(huì)導(dǎo)致尿氮排泄量的降低和奶中氮含量的提高[34]，但由于反芻動(dòng)物個(gè)體和種類之間存在差異，對(duì)能量和蛋白質(zhì)之間的適宜比例還需要進(jìn)行更多的研究論證。也有研究表明，蛋白質(zhì)和能量同時(shí)補(bǔ)充提高了瘤胃微生物蛋白質(zhì)的合成效率并降低了尿氮的排泄量[35-36]，說明同時(shí)補(bǔ)充能量和蛋白質(zhì)使瘤胃中蛋白質(zhì)降解速率和碳水化合物發(fā)酵速率趨于平衡，使得更多的氨態(tài)氮被合成為微生物蛋白質(zhì)，而不是被合成尿素排出體外。因此，能氮平衡有利于提高反芻動(dòng)物的氮利用效率，但該方法可能面臨著不同反芻動(dòng)物種類的最佳平衡濃度存在差異的挑戰(zhàn)。

4 蛋白質(zhì)和能量與瘤胃微生物的關(guān)系

4.1 蛋白質(zhì)和能量與瘤胃細(xì)菌的關(guān)系 蛋白質(zhì)水平和來源對(duì)瘤胃中不同的細(xì)菌種類有不同影響。Mullins 等[37]研究表明，給奶牛補(bǔ)充粗蛋白質(zhì)增加了瘤胃細(xì)菌總數(shù)，但降低了白色乳球菌（Ruminococcus albus）數(shù)量；Yan 等[38]也發(fā)現(xiàn)，給牦牛飼喂較高水平的緩釋尿素增加了軟壁菌門（Tenericutes）數(shù)量，而降低了綠菌門（Chlorobi）數(shù)量，說明瘤胃中部分細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖會(huì)受到較高粗蛋白質(zhì)水平的抑制或者瘤胃微生物之間存在對(duì)蛋白質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。Belanche 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，降低飼料中的蛋白質(zhì)濃度導(dǎo)致奶牛瘤胃細(xì)菌數(shù)量和多樣性顯著降低，但棲瘤胃普雷沃菌和反芻硒單胞菌（Selenomonas ruminantium）數(shù)量基本不受影響，說明部分細(xì)菌受蛋白質(zhì)濃度的影響較小，但總體上瘤胃細(xì)菌總數(shù)量和多樣性與蛋白質(zhì)水平呈正相關(guān)。但也有研究表明較高的粗蛋白質(zhì)水平降低了瘤胃細(xì)菌的總數(shù)量[39]，可能是由于該研究中使用的棉籽粕對(duì)瘤胃細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖存在負(fù)面影響。Polyorach 等[40]的體外研究表明，不同氮源對(duì)不同瘤胃細(xì)菌的影響程度不同，酵母發(fā)酵木薯渣使細(xì)菌總數(shù)和黃色乳球菌（Ruminococcus flavefaciens）、琥珀酸纖維桿菌和白色乳球菌的數(shù)量較豆粕更多，可能是由于酵母刺激了瘤胃微生物的生長(zhǎng)，以及為瘤胃微生物提供了生長(zhǎng)所必須的維生素和有機(jī)酸等營(yíng)養(yǎng)因子。因此，不同的蛋白質(zhì)水平和種類對(duì)瘤胃中不同的細(xì)菌有不同程度影響，而酵母發(fā)酵產(chǎn)物可能更有利于大部分瘤胃細(xì)菌的生長(zhǎng)。

能量對(duì)瘤胃中不同的細(xì)菌種類也有不同影響。有研究表明，在飼料中補(bǔ)充能量增加了牛鏈球菌和普雷沃氏菌屬的數(shù)量，但顯著降低了溶纖維丁酸弧菌（Butyrivibrio fibrisolvens）、乳桿菌屬（Lactobacillus sp）和芽孢桿菌屬（Bacillus sp）的數(shù)量[41-42]，說明瘤胃中部分細(xì)菌與能量水平呈負(fù)相關(guān)。能量源對(duì)瘤胃微生物也有影響。Belanche 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，奶牛飼喂更多的中性洗滌纖維后其瘤胃細(xì)菌的物種多樣性較淀粉更高，其中布氏普雷沃氏菌和牛鏈球菌的數(shù)量明顯增加，但埃爾氏巨球菌（Megasphera elsdenii）數(shù)量顯著降低，棲瘤胃普雷沃菌數(shù)量基本保持不變，造成這種結(jié)果的原因或許是由于中性洗滌纖維比淀粉包含更多種類的碳水化合物（如纖維素和雜多糖）。Liu 等[43]研究也證實(shí)，隨著飼料中非纖維碳水化合物和中性洗滌纖維比例的提高，山羊瘤胃中的淀粉分解細(xì)菌、埃爾氏巨球菌和乳酸桿菌（Lactobacilli）的數(shù)量隨之增加，說明瘤胃中大部分細(xì)菌可能更適合在酸性條件下生長(zhǎng)繁殖。但Wanapat等[39]的研究發(fā)現(xiàn)，不同的能量源對(duì)瘤胃細(xì)菌數(shù)量的影響無差異，可能是由于瘤胃中大部分的細(xì)菌對(duì)該研究中所使用的木薯渣和米糠之間并無太大的偏好性。因此，不同的能量源對(duì)瘤胃細(xì)菌有不同影響，而瘤胃中大部分的細(xì)菌可能更偏好于中性洗滌纖維。

4.2 蛋白質(zhì)和能量與瘤胃原蟲的關(guān)系 瘤胃原蟲在蛋白質(zhì)降解過程中也起著十分重要的作用，并且其對(duì)瘤胃可降解蛋白質(zhì)和瘤胃非可降解蛋白質(zhì)均有分解作用[44]，而蛋白質(zhì)對(duì)瘤胃原蟲有調(diào)控作用。Belanche 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，降低飼料中的蛋白質(zhì)含量導(dǎo)致瘤胃原蟲的數(shù)量和多樣性顯著下降，表明在一定的蛋白質(zhì)濃度范圍內(nèi)，原蟲的數(shù)量和多樣性與蛋白質(zhì)水平呈正相關(guān)關(guān)系。Wanapat 等[39]發(fā)現(xiàn)，水牛瘤胃原蟲的數(shù)量并不受棉籽粕水平的影響，產(chǎn)生不同的研究結(jié)果可能是由于動(dòng)物種類之間的差異或棉籽粕不受瘤胃原蟲的喜愛。Franzolin等[45]研究發(fā)現(xiàn)，飼喂不同氮源的水牛瘤胃內(nèi)原蟲總數(shù)沒有差異，但飼喂尿素后內(nèi)纖毛蟲（Entodinium）數(shù)量顯著增加，而雙烯蟲（Diplodiniinae）在飼喂豆粕后數(shù)量顯著增加。Polyorach 等[40]和Chanjula 等[46]的研究也發(fā)現(xiàn)，不同氮源對(duì)瘤胃原蟲的總數(shù)量無顯著影響。綜上分析，不同的氮源對(duì)瘤胃內(nèi)總原蟲數(shù)量無影響，但對(duì)不同原蟲種類會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

能量對(duì)瘤胃原蟲也有顯著影響。張海波等[41]研究表明，在飼料中補(bǔ)充能量增加了瘤胃中原蟲數(shù)量，說明原蟲總數(shù)量與能量水平也呈正相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，不同的能量源對(duì)瘤胃原蟲的數(shù)量和多樣性有影響[28,39]，并且Belanche 等[28]還發(fā)現(xiàn)瘤胃原蟲可能更偏好于中性洗滌纖維，這與瘤胃細(xì)菌相似。但Liu 等[43]研究發(fā)現(xiàn)，隨著飼料中中性洗滌纖維比例的提高，山羊瘤胃中原蟲的數(shù)量先增加后減少，說明瘤胃原蟲在酸性較低的環(huán)境中生長(zhǎng)繁殖受到抑制。Sato 等[47]研究發(fā)現(xiàn)，犢牛補(bǔ)充碳水化合物后瘤胃中內(nèi)纖毛蟲、異鞭蟲（Isotricha）、厚毛蟲（Dasytricha）和前毛蟲（Epidinium）的數(shù)量增長(zhǎng)了3～12 倍，盡管隨著碳水化合物在瘤胃內(nèi)消耗，原蟲的數(shù)量會(huì)逐漸回緩，但回緩到穩(wěn)定水平的原蟲數(shù)量卻高于之前穩(wěn)定水平，這可能是因?yàn)闋倥Ｗ陨砹鑫赴l(fā)育或原蟲適應(yīng)了長(zhǎng)期能量補(bǔ)充所導(dǎo)致，但對(duì)于長(zhǎng)期補(bǔ)充能量是否會(huì)導(dǎo)致瘤胃原蟲數(shù)量的永久性增長(zhǎng)還需要更多的研究驗(yàn)證?？偟膩碚f，瘤胃中原蟲數(shù)量會(huì)受到不同能量源以及能量水平的影響，并且在一定數(shù)量范圍內(nèi)其可能更偏好于中性洗滌纖維。

4.3 蛋白質(zhì)和能量與瘤胃真菌的關(guān)系 瘤胃真菌在瘤胃中也有降解蛋白質(zhì)的作用，但其蛋白質(zhì)水解活性相對(duì)于瘤胃細(xì)菌和原蟲較低[44]，而蛋白質(zhì)與瘤胃真菌的關(guān)系也十分復(fù)雜。Belanche 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，降低蛋白質(zhì)濃度顯著降低了瘤胃真菌的數(shù)量和多樣性，表明瘤胃真菌的總數(shù)量和多樣性與蛋白質(zhì)水平也呈正相關(guān)。然而，Wanapat 等[39]研究發(fā)現(xiàn)，棉籽粕水平對(duì)瘤胃真菌數(shù)量無顯著影響，這說明棉籽粕可能同樣不適合于瘤胃真菌的生長(zhǎng)繁殖。Yan 等[38]研究發(fā)現(xiàn)，牦牛采食較高濃度的緩釋尿素增加了瘤胃中大多數(shù)真菌數(shù)量，但顯著降低了明梭孢屬（Monographella sp）、畢赤酵母屬（Pichia sp）和地絲菌屬（Geotrichum sp）的數(shù)量，說明部分瘤胃真菌的生長(zhǎng)繁殖甚至?xí)艿礁叽值鞍踪|(zhì)水平的抑制。Chanjula 等[46]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)奶牛飼喂木薯其瘤胃真菌數(shù)量較飼喂玉米更多，表明不同的蛋白質(zhì)源對(duì)瘤胃真菌也有不同影響。Polyorach 等[40]發(fā)現(xiàn)不同能量源對(duì)瘤胃真菌總數(shù)量的影響無差異，這或許是由氮源的氨基酸組成決定的。Messana 等[48]研究發(fā)現(xiàn)，使用干甘蔗酵母代替一定量棉籽殘?jiān)?，盡管粗蛋白質(zhì)濃度增高，但顯著降低了瘤胃中真菌數(shù)量，表明蛋白質(zhì)源可能比蛋白質(zhì)水平對(duì)瘤胃真菌數(shù)量的影響更大。

能量對(duì)瘤胃真菌也有不同影響。如Mullins 等[37]研究發(fā)現(xiàn)，不同的能量源對(duì)瘤胃真菌數(shù)量有一定程度影響。Belanche 等[28]也發(fā)現(xiàn)，相比于淀粉，奶牛飼喂更多的中性洗滌纖維顯著增加了瘤胃真菌的數(shù)量和多樣性，說明不同的能量源對(duì)瘤胃真菌的影響程度不同，中性洗滌纖維可能更適合于大多數(shù)瘤胃真菌的生長(zhǎng)。然而，Wanapat 等[39]發(fā)現(xiàn)，木薯渣和米糠作為不同的能量源飼喂水牛后，其瘤胃真菌數(shù)量并無顯著差異，這可能是由能量源中不同碳水化合物組成導(dǎo)致的。此外，Dias 等[49]研究表明，奶牛飼喂纖維含量較低的飼料時(shí)，瘤胃中細(xì)菌數(shù)量發(fā)生顯著變化，而真菌數(shù)量變化卻并不明顯，說明不同的能量源對(duì)瘤胃細(xì)菌和真菌的影響程度也存在差異。總體上，瘤胃微生物總數(shù)量在一定范圍內(nèi)與能量和蛋白質(zhì)水平呈正相關(guān)，但不同的能量和蛋白質(zhì)水平及種類對(duì)瘤胃中不同微生物種類存在不同程度的影響。

5 小 結(jié)

目前，能量和蛋白質(zhì)的平衡補(bǔ)充在提高反芻動(dòng)物氮利用率和減少氮排泄量方面取得了一定效果，但能量和蛋白質(zhì)與瘤胃中微生物的關(guān)系十分復(fù)雜，而且它們之間的相關(guān)關(guān)系也并不明確。今后的研究需要進(jìn)一步探究不同的能量和蛋白質(zhì)來源和水平與瘤胃微生物的相關(guān)關(guān)系。在保證飼料養(yǎng)分能滿足動(dòng)物需求和不影響動(dòng)物生產(chǎn)效率的情況下，通過調(diào)節(jié)飼料養(yǎng)分來調(diào)控相關(guān)微生物的數(shù)量或活性以控制瘤胃中氨態(tài)氮濃度，將是一個(gè)較有前景的研究領(lǐng)域。