多維度調(diào)控反芻動物甲烷減排的研究進展

安濟山 萬發(fā)春 沈維軍 蘭欣怡

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長沙 410128)

全球氣候變暖問題已迫使世界各國著力研究和發(fā)展低碳經(jīng)濟模式[1]。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)報道，畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的溫室氣體排放量約占全球人為排放總量的14.5%，且主要來源于動物、糞便、飼料生產(chǎn)和耕地占用等[2]。反芻動物胃腸道發(fā)酵和糞污分解每年會產(chǎn)生57億t二氧化碳當(dāng)量(CO2-eq)的溫室氣體，約占畜牧業(yè)排放總量的80%，其中生產(chǎn)牛肉和牛奶過程中的溫室氣體排放總量約占畜牧業(yè)排放總量的65%，水牛和小型反芻動物的溫室氣體排放總量分別占畜牧業(yè)排放總量的8.7%和6.7%，而單胃動物(主要是豬、家禽)的溫室氣體排放總量僅占畜牧業(yè)排放總量的17%。隨著我國消費者膳食結(jié)構(gòu)的調(diào)整，預(yù)測2030年畜產(chǎn)品(肉蛋奶)需求量較2020年增長20.03%，若不采取措施，反芻動物生產(chǎn)系統(tǒng)的溫室氣體排放總量也將隨之劇增，從而對環(huán)境造成更大的生態(tài)壓力。反芻動物的胃腸道甲烷(CH4)排放量約占全球人為CH4排放總量的17%，占反芻動物溫室氣體排放總量的47%，損失2%～12%的飼料總能[3-4]。

為了加速實現(xiàn)“碳達峰和碳中和”目標(biāo)，我國“十四五”應(yīng)對氣候變化的專項規(guī)劃中將畜牧業(yè)溫室氣體列為重要減排領(lǐng)域，研究反芻動物的CH4減排的策略，對減緩全球溫室效應(yīng)和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義。

1 反芻動物CH4排放的影響因素

反芻動物生產(chǎn)系統(tǒng)中的碳排放是畜牧業(yè)溫室氣體增長的重要源頭。諸多研究表明，反芻動物通過胃腸道、排泄物和畜產(chǎn)品生產(chǎn)等途徑釋放二氧化碳(CO2)、CH4和氧化亞氮(N2O)等溫室氣體[5-6]，并且同體積的CH4、N2O增溫潛勢分別為CO2的25倍、298倍[4]，而大氣中CH4的半衰期卻僅為CO2的1/10。反芻動物產(chǎn)生CH4的機理是瘤胃和后腸道的微生物發(fā)酵碳水化合物為合成CH4提供底物[7]，如氫、CO2、甲酸鹽、乙酸鹽和甲基化合物等，而產(chǎn)甲烷菌主要利用氫氣(H2)和CO2的還原反應(yīng)路徑產(chǎn)生CH4。同時有研究發(fā)現(xiàn)，相較于低產(chǎn)甲烷率(CH4排放量/干物質(zhì)采食量，g/kg)的動物，高產(chǎn)甲烷率的動物中此路徑的相關(guān)基因表達量顯著提高[8]。

反芻動物CH4排放主要受以下因素的影響：1)存欄量和排泄物量[9]；2)動物品種和遺傳因素[10]，不同動物品種的產(chǎn)CH4效率由動物消化生理特性所決定，而這種差異來源于遺傳因素；3)動物不同生長階段瘤胃發(fā)育程度和瘤胃微生物區(qū)系的差異，以及不同生理階段[11]如初產(chǎn)與經(jīng)產(chǎn)、泌乳階段和胎次；4)糞污堆肥貯存的環(huán)境溫度[12]，夏季為排放高漲期；5)飼糧組成、粗飼料加工方式和飼糧中精粗比[13]。因此，基于反芻動物的CH4生成的機理和影響因素為切入點，可以制定具有針對性和長期穩(wěn)定的CH4減排措施。

2 營養(yǎng)干預(yù)瘤胃CH4排放

反芻動物瘤胃產(chǎn)CH4的機制表明，瘤胃微生物產(chǎn)H2過程和產(chǎn)甲烷菌與合成CH4之間存在密切聯(lián)系，營養(yǎng)干預(yù)瘤胃內(nèi)CH4生成途徑的任一環(huán)節(jié)，即能有效降低CH4產(chǎn)量[14-16]。

2.1 降低合成CH4的底物氫水平

反芻動物瘤胃產(chǎn)CH4速率和產(chǎn)量與飼糧中碳水化合物發(fā)酵產(chǎn)生合成CH4的底物量相關(guān)，其中結(jié)構(gòu)性碳水化合物(纖維素和半纖維素)發(fā)酵產(chǎn)生乙酸和丁酸，增加瘤胃內(nèi)H2含量，而非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(淀粉)與之相反，更有利于發(fā)酵產(chǎn)生丙酸，并且前者產(chǎn)生CH4的效率是后者的2～5倍[17]。提高飼料原料(粗飼料)品質(zhì)和調(diào)整飼糧中精粗比可以改變反芻動物瘤胃發(fā)酵模式和終產(chǎn)物的類型與比例，降低瘤胃內(nèi)CH4合成底物的生成量。占今舜等[18]在不同精粗比飼糧對湖羊羔羊瘤胃發(fā)酵試驗中發(fā)現(xiàn)，高精飼糧可使瘤胃趨于丙酸發(fā)酵模式，增加代謝能的利用，減少H2的產(chǎn)生；Giger-Reverdin等[19]也得到相似的研究結(jié)果。然而，諸多學(xué)者認(rèn)為與調(diào)整飼糧精粗比相比，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物與中性洗滌纖維的比例(NFC/NDF)可以更加準(zhǔn)確反映飼糧中碳水化合物的結(jié)構(gòu)組成[20]。飼糧中不同的NFC/NDF會改變瘤胃發(fā)酵模式，但需要多方面考慮這種改變對反芻動物生理功能的影響，研究表明過高或過低的NFC/NDF對瘤胃pH、瘤胃微生物活性和營養(yǎng)物質(zhì)消化有負(fù)面影響[20-21]。此外，粗飼料原料品質(zhì)和物理特性也會影響CH4排放[22]。郭同軍等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在秸稈配合顆粒飼料中粗飼料粉碎粒度為16 mm時可有效提高綿羊的生產(chǎn)性能，降低CH4排放量，其原因主要是該粒度下飼糧中適宜的物理有效中性洗滌纖維水平刺激了瘤胃發(fā)酵。除此之外，青貯發(fā)酵、生物發(fā)酵、蒸汽爆破、氨化和酶制劑預(yù)處理等技術(shù)都可以提升粗飼料的品質(zhì)和消化率[24-25]，進而改善反芻動物瘤胃發(fā)酵模式，提高瘤胃流通速率，降低瘤胃內(nèi)H2的產(chǎn)生量。

在飼糧中添加耗氫化合物以消耗或競爭的方式增加瘤胃內(nèi)H2的釋放途徑也可減少CH4產(chǎn)生。諸多體內(nèi)、體外試驗發(fā)現(xiàn)，不飽和脂肪酸、硝酸鹽、硫酸鹽、延胡索酸及其鹽等物質(zhì)在保障瘤胃正常發(fā)酵的前提下，可調(diào)節(jié)瘤胃內(nèi)耗氫微生物的活性和改變合成CH4底物氫的利用去向，從而降低產(chǎn)甲烷菌對H2的利用率[26]。Wang等[27]研究表明，在泌乳期奶牛的低蛋白飼糧中添加硝酸鹽(14.6 g/kg DM)顯著提高了奶牛瘤胃微生物蛋白、丙酸的比例和產(chǎn)奶量，并且有效減少約15%的CH4排放量，這與Lee等[28]研究結(jié)果相似，其機理是硝酸鹽對氫的競爭性強以及其還原中間體亞硝酸鹽對瘤胃微生物的毒性，進而影響瘤胃內(nèi)產(chǎn)甲烷菌的活性和H2的水平。但Shi等[29]研究發(fā)現(xiàn)，綿羊飼糧中添加硝酸鹽對CH4的產(chǎn)生沒有抑制作用，這可能與動物品種、飼糧類型以及在體內(nèi)外的試驗條件有關(guān)。硫酸鹽與硝酸鹽抑制瘤胃CH4生成的機理一致[30]，但二者在動物飼糧中的適宜添加量仍需進一步探究。

2.2 調(diào)控瘤胃微生物區(qū)系

瘤胃微生物的種類和活性決定了瘤胃發(fā)酵產(chǎn)物，并且原蟲、細菌和真菌與甲烷古菌之間的共生、黏附和伴生的關(guān)系也是影響瘤胃內(nèi)H2水平的因素。有報道稱，植物次級代謝產(chǎn)物如皂苷、萜類、植物油、單寧和酚類化合物等能夠直接或間接影響產(chǎn)甲烷菌、原蟲和纖維降解菌的細胞膜滲透性和細胞膜上呼吸酶的活性，抑制或抑殺產(chǎn)甲烷菌和原蟲，改善瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)，從而降低CH4合成量[31-32]。Sallam等[33]利用體外產(chǎn)氣法證實，在精粗比為50∶50的飼糧中添加25、50、100和150 μL的桉樹油可分別降低26.8%、46.8%、73.3%和85.3%的CH4產(chǎn)量。Chandrasekharaiah等[34]利用體外產(chǎn)氣法在瘤胃液中添加不同水平的香茅油、白珠樹油和丁香油，發(fā)現(xiàn)瘤胃CH4產(chǎn)量呈線性降低，而對瘤胃發(fā)酵沒有負(fù)面影響。Goel等[35]利用體外產(chǎn)氣法在瘤胃液中添加不同水平的皂苷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加6%可顯著降低49.66%的CH4產(chǎn)量。然而，諸多植物提取物抑制瘤胃CH4的試驗基于體外法，與在動物體內(nèi)的添加量和耐受量存在明顯的差異，并且瘤胃微生物的自我調(diào)節(jié)能力會制約植物提取物抑制CH4產(chǎn)生的效果[36]。此外，微生態(tài)制劑因能夠改善瘤胃和后腸道微生物結(jié)構(gòu)也具有減少CH4產(chǎn)生的潛力。肖怡[37]研究發(fā)現(xiàn)，肉羊飼糧中添加2.4×108、2.4×109和2.4×1010CFU/(只·d)水平的地衣芽孢桿菌可以顯著減少瘤胃中產(chǎn)甲烷菌和原蟲的數(shù)量，并且提高飼料的利用效率，降低CH4排放量；孫凱佳[38]在肉牛飼糧中添加米曲霉菌也得到相似的結(jié)論。謝明欣等[39]在綿羊不同精粗比的飼糧中添加相同劑量的復(fù)合益生菌，發(fā)現(xiàn)復(fù)合益生菌在精粗比為3∶7的飼糧中可以顯著增加瘤胃中乳酸利用菌和纖維降解菌的數(shù)量，而產(chǎn)甲烷菌與纖維降解菌的變化趨勢一致，可減少H2的產(chǎn)生，從而改善瘤胃中有益菌的數(shù)量，在保障纖維素利用的同時，降低CH4的合成。一些抗生素也表現(xiàn)出良好的抑制CH4生成的能力，已知莫能菌素抑制產(chǎn)甲烷菌的活性效果最好[7,40]，但由于擔(dān)心抗生素類藥物在畜產(chǎn)品中殘留等因素而被限制或禁止使用。此外，飲水品質(zhì)和溫度對不同生長或生理階段反芻動物瘤胃微生物區(qū)系和瘤胃生理功能有重要影響，可間接改變瘤胃發(fā)酵模式和終產(chǎn)物的類型，減少CH4的產(chǎn)生[41-42]。

2.3 抑制合成CH4關(guān)鍵酶的活性

瘤胃CH4的生成也是許多關(guān)鍵酶和輔酶參與的過程，包括甲基輔酶M、甲酰甲烷呋喃脫氫酶和甲酸脫氫酶等，其中甲基輔酶M是所有瘤胃CH4生成途徑的關(guān)鍵酶，也是產(chǎn)甲烷菌特有的酶[43]。因此，失活CH4生成途徑中關(guān)鍵酶位點的活性，可有效阻斷CH4合成途徑和阻礙瘤胃內(nèi)產(chǎn)甲烷菌對氫的利用率，減少瘤胃內(nèi)CH4的產(chǎn)生。3-硝基氧丙醇(3-nitrooxypropanol,3-NOP)具有與甲基輔酶M相似的結(jié)構(gòu)，可替代甲基輔酶M與甲基輔酶M還原酶(methyl-coenzyme M reductase,MCR)的活性位點結(jié)合，進而氧化其活性位點Ni(Ⅰ)而失活MCR，降低瘤胃內(nèi)20%～40%的CH4生成[44-45]，并且具有減少產(chǎn)甲烷菌數(shù)量的特性[46]。Vyas等[40]在育肥肉牛高精和高粗飼糧中分別添加200 mg/kg DM的3-NOP，發(fā)現(xiàn)高精飼糧組CH4排放量顯著降低37%，其原因是飼喂高精飼糧牛的瘤胃中MCR的濃度低，而3-NOP能高效失活關(guān)鍵酶的結(jié)合位點。Dijkstra等[47]研究發(fā)現(xiàn)，3-NOP抑制瘤胃CH4生成的效率也會因為牛的品種而存在明顯差異，添加等量3-NOP奶牛的效果優(yōu)于肉牛，并且間斷添加3-NOP，CH4減排效果減弱。3-NOP具有水溶特性可在瘤胃中被快速代謝，因此在不同反芻動物生產(chǎn)上的添加水平和方式以及使用周期也是抑制瘤胃CH4生成效率的重要因素[48]。此外，3-NOP毒藥物動力學(xué)試驗結(jié)果表明，3-NOP在小鼠血漿中無遺傳毒性和致突變型[49]，但仍然要將評估3-NOP對反芻動物的安全性作為研究重點。

3 科學(xué)化飼養(yǎng)管理降低CH4排放

科學(xué)化、現(xiàn)代化的飼養(yǎng)管理模式主要包括生物安全防治、飼養(yǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、營養(yǎng)精準(zhǔn)與均衡和改善飼養(yǎng)環(huán)境與條件[50-52]，可保障反芻動物機體健康，提升生產(chǎn)單位畜產(chǎn)品的效率，減少非生產(chǎn)性動物的數(shù)量，縮短生產(chǎn)性動物的飼養(yǎng)周期，從而減少能源和資源的消耗，降低養(yǎng)殖生產(chǎn)中溫室氣體的排放量。

反芻動物的飼養(yǎng)密度會影響生長性能和畜產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)效率，進而影響生產(chǎn)單位畜產(chǎn)品的CH4排放量。Lee等[52]研究表明，降低飼養(yǎng)密度可顯著改善肉?？偛墒沉俊暳限D(zhuǎn)化效率和生長性能，增加胴體重和背最長肌眼肌面積。有研究證實，干預(yù)反芻動物光照周期可影響奶畜產(chǎn)奶量、絨山羊產(chǎn)絨量及繁殖性能[53-54]，其機理是光信號通過調(diào)控反芻動物下丘腦-垂體-性腺軸上相關(guān)的褪黑素、生長激素、促黃體素、催乳素和類胰島素生長因子等激素的分泌水平，進而提高生產(chǎn)性能和縮短生產(chǎn)單位動物產(chǎn)品的時間，降低反芻動物在生產(chǎn)周期內(nèi)的CH4排放量。此外，飲水的來源、品質(zhì)和溫度與反芻動物瘤胃功能存在緊密相關(guān)性，也會影響CH4產(chǎn)生[55]。Grossi等[42]研究發(fā)現(xiàn)，在冬季育肥期肉牛飲用25 ℃的溫水能顯著提高肉牛日增重和干物質(zhì)采食量，其原因在于溫水能夠維持肉牛瘤胃微生物的活性和正常生理功能，提高飼料轉(zhuǎn)化效率和生產(chǎn)性能，進而減少CH4排放，這與陳昭輝等[56]的研究結(jié)果一致。泌乳期奶牛的產(chǎn)奶量、犢牛的生長發(fā)育也與飲水溫度存在密切聯(lián)系[57]。由此可知，在反芻動物的不同生長階段、生理階段和生存環(huán)境下對飼養(yǎng)密度、飲水量和飲水溫度以及光照周期等方面進行科學(xué)化、精準(zhǔn)化的管理，可以有效減少反芻動物胃腸道和排泄物產(chǎn)生的CH4總量。

4 遺傳選育反芻動物低產(chǎn)甲烷性狀

不同品種動物間生理特征差異主要是由遺傳因素導(dǎo)致的，其中包括瘤胃產(chǎn)甲烷性狀，可通過遺傳選育的技術(shù)手段提高反芻動物飼料利用效率，降低單位干物質(zhì)采食量的CH4排放，實現(xiàn)反芻動物瘤胃的低甲烷產(chǎn)率，是有效可行的CH4減排策略[58]。

在反芻動物CH4生產(chǎn)遺傳力度評估報道中[58]，以CH4絕對排放為基礎(chǔ)(g/d CH4)，牛和羊的遺傳力度分別為0.40和0.29；而以采食干物質(zhì)生產(chǎn)量為基礎(chǔ)(g/kg CH4)，分別為0.19和0.13。Richardson等[59]對比了9種評估奶牛剩余甲烷產(chǎn)量(residual methane production,RMP)候選性狀的方法，并采用奶牛干物質(zhì)采食量和能量矯正乳間的組合進行遺傳和表型回歸矯正CH4產(chǎn)量，結(jié)果表明RMP具有0.10～0.21的遺傳力度，其中能量矯正乳的表型與RMP相關(guān)性最高，可作為評價飼料利用效率和奶牛牧場CH4排放量的關(guān)鍵指標(biāo)。剩余采食量(residual feed intake,RFI)的遺傳力度為0.26～0.43，與RMP均能評價動物飼料轉(zhuǎn)化率，可作為反芻動物遺傳改良生產(chǎn)性能的首選性狀[60]，并且，Hegarty[61]研究發(fā)現(xiàn)，低RFI的安格斯牛的CH4排放量顯著低于高RFI的安格斯牛。甲烷產(chǎn)率是CH4排放量與干物質(zhì)采食量的比值，Jonker等[62]、Roehe等[63]研究發(fā)現(xiàn)，綿羊甲烷產(chǎn)率的高低不受環(huán)境和飼糧的影響，并且證實選育低甲烷產(chǎn)率的動物可以在短期內(nèi)有效降低CH4排放。St-Pierre等[64]報道稱，奶牛耐熱性提高25%，其死亡率和淘汰率會分別降低0.5%和2.5%，產(chǎn)奶量損失降低1 000 kg/(頭·年)，從而使CH4排放顯著降低約10%。總之，選擇耐熱性、抗病性、高適應(yīng)性和低甲烷產(chǎn)率的性狀可以顯著增強動物免疫能力，提高動物生長性能和生產(chǎn)效率，縮短飼養(yǎng)周期和加快動物出欄率，從而降低反芻動物生產(chǎn)單位畜產(chǎn)品的CH4排放量[50,65]。然而，有部分研究發(fā)現(xiàn)，基因選擇低產(chǎn)甲烷性狀會降低奶牛的產(chǎn)奶性能或飼料轉(zhuǎn)化率[60]，其原因可能與測定反芻動物排放CH4的濃度和個體動物RFI的精確度低有關(guān)。此外，遺傳選育低產(chǎn)甲烷性狀是否會影響動物生產(chǎn)性能和飼料消化率是未來研究的重要方向。

5 糞便合理資源化減少CH4排放

除了重要的胃腸道CH4排放源外，反芻動物糞尿排泄物的發(fā)酵分解是CH4的第2大排放源。在堆積過程中糞便中的碳以CH4的形式損耗0.4%～9.7%[66]，同時會釋放CO2、N2O、硫化氫(H2S)和氨氣(NH3)等有害氣體。因此，如何高效資源化利用反芻動物糞便是畜牧領(lǐng)域CH4減排的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。有研究表明，反芻動物糞便產(chǎn)生CH4的機制與瘤胃內(nèi)相似，但糞便中微生物主要利用乙酸為底物合成CH4[67]。影響糞便CH4產(chǎn)量的因素包括環(huán)境溫度、糞便中含水量、可揮發(fā)性固體的化學(xué)組成和貯存方式等[38,68]，可知通過控制和管理以上影響因素的方式能減少糞便堆積過程中CH4等溫室氣體排放量。游玉波[69]研究發(fā)現(xiàn)，降低貯存環(huán)境溫度會顯著降低肉牛糞便CH4排放量，而且CH4產(chǎn)量隨著堆放高度單位表面積的增大而顯著上升，這與Van der Weerden等[70]研究報道一致。

反芻動物糞尿成分中主要含有有機質(zhì)和氮磷鉀元素，有機質(zhì)中可揮發(fā)性固體組成和含量因動物瘤胃微生物差異、不同類型飼糧和飼料品質(zhì)而存在明顯不同。諸多試驗利用高溫好氧堆肥技術(shù)分別與微生物菌劑[71]、無機肥料[72]和硫磺粉[73]等添加劑配伍，有效提高了牛糞堆肥營養(yǎng)物質(zhì)品質(zhì)和縮短堆肥發(fā)酵時間，提高了糞便肥料化的利用效率和化肥替代比例，降低了CH4等溫室氣體排放。在施肥時要考慮糞便有機肥中營養(yǎng)物質(zhì)組成和含量與農(nóng)作物營養(yǎng)物質(zhì)需求的關(guān)系，以實現(xiàn)精準(zhǔn)施肥和改善土壤肥力。反芻動物糞便發(fā)酵產(chǎn)生的CH4是一種高能物質(zhì)，相比于傳統(tǒng)的沼氣化、乙醇化利用糞便供能的方式，Ma等[74]利用牛糞與梅花井煙煤以1∶3的比例進行共熱解氣化，有效提高了煙煤的利用效率，且顯著降低了CH4、N2O和含硫氣體的排放量，從而減輕化石能源碳排放和增加牛糞的清潔能源化利用途徑。此外，蠅蛆系類昆蟲可利用反芻動物糞便中的營養(yǎng)物質(zhì)增殖，已被作為一類非常規(guī)蛋白質(zhì)飼料資源應(yīng)用于水產(chǎn)動物養(yǎng)殖中[75-76]，但是仍需要進一步評估蠅蛆堆肥利用模式和生產(chǎn)方式的安全性。

6 小 結(jié)

在反芻動物生產(chǎn)系統(tǒng)的任一環(huán)節(jié)進行調(diào)控均可降低CH4排放水平，其中營養(yǎng)干預(yù)瘤胃CH4排放是短期內(nèi)有效、直接的措施。目前，不同維度降低反芻動物CH4排放的措施在動物實際生產(chǎn)中已取得較好的效果，然而，制定長期、穩(wěn)定的CH4減排措施仍然需要綜合考慮以下方面：1)研究并闡明CH4減排措施在動物機體的作用機制以及對動物生產(chǎn)性能影響；2)CH4減排措施之間的聯(lián)合應(yīng)用需要建立在反芻動物實際生產(chǎn)中的生理特征和生存特性之上，尤其需要充分了解不同品種反芻動物瘤胃CH4排放的特點。此外，研究制定安全有效的反芻動物CH4減排措施，可保障動物及其畜產(chǎn)品安全，并有利于提高我國飼料資源的利用以及加速實現(xiàn)“雙碳”事業(yè)目標(biāo)。