反芻動物甲烷排放調控的研究進展

杜 瑋,張 楊＊,張金山,張 辛,李紅波,閆向民,周振勇,卡德爾

(1.新疆畜牧科學院畜牧研究所,新疆烏魯木齊 830000;2.山西省中北大學環境工程學院,山西太原市 030000)

聯合國政府間氣候變化專業委員會(IPCC)在1995年的報告中指出,全球每年排入大氣的甲烷(CH4)量是535(410～660)Tg/a,反芻動物排放量為85(65～100)Tg/a,占排放總量的15%～25%對全球溫室效應的“貢獻率”達2%。我國農業部環境保護科研監測所對我國家養動物和動物廢棄物甲烷排放量的估算結果是,1988年為6.314 T g,其中反芻動物排放5.67 T g,占89%;1990年為6.61 T g,其中反芻動物排放5.91 T g,占89.4%,甲烷排放量平均每年大約以2.34%的速度上升[1]。2009年12月7日哥本哈根聯合國氣候變化大會在丹麥首都哥本哈根舉行,大會圍繞溫室氣體減排問題展開激烈討論,最終達成2020年發達國家整體減排量6%的指標,我國也自愿向聯合國提交了減排目標,到2020年使單位國內生產總值(GDP)二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。可見隨著全球溫室效應的加劇,各國已把減排提上日程,因此我們要采取各種措施減少溫室氣體排放,本文主要對反芻動物甲烷的生成機制,腸道甲烷排放量調控,糞便甲烷排的回收利用等方面的研究進展進行概述。(注: 1Tg=1 012g,a表示hm2)

1 甲烷的生成機制

反芻動物在消化食物時,各種微生物包括細菌、原蟲、真菌和古菌等,都在忙著打破其瘤胃內的纖維和其他營養素。反芻動物在消化過程中會釋放出氫氣和二氧化碳,產甲烷菌把這兩種氣體轉化為甲烷,通過傳統方法從瘤胃中已鑒定出的產甲烷菌主要有反芻獸甲烷桿菌、甲酸甲烷桿菌、巴氏甲烷八疊球菌和可活動甲烷細菌4個菌屬。利用分子生物技術鑒別出的瘤胃產甲烷菌不止這些,其中只有反芻獸甲烷短桿菌和甲烷八疊球菌在瘤胃中的數目達到100萬個/mL[2,3]。研究表明反芻動物飼喂的粗飼料(草)特別是作物秸稈中的未能有效降解消化吸收的纖維素和膠質是反芻動物產生大量甲烷的元兇。

同時家畜糞肥中也會產生大量甲烷,規模化養殖場的糞便主要采取堆放、厭氧池或氧化塘處理,有機物在厭氧的環境中降解,每年的甲烷排放量也很大。據統計全球家畜糞便甲烷排放總量中,肉牛每年排放9.2 Tg、奶牛5.9 Tg/a、豬5.8 T g/a、羊2.5 Tg/a、家禽1.7 Tg/a,其他2.9 Tg/a[1]。

2 降低甲烷排放的調控措施

2.1 粗飼料收割期、加工工藝,添加劑及科學飼喂技術對甲烷的調控

我國是秸稈資源最為豐富的國家之一,每年生產6.4億多t的秸稈,其中玉米稈通常是被用來作為反芻動物的主要粗飼料來應用。然而玉米稈含有大量的纖維素和膠質,這些不是好的營養物質。高含量的纖維素和膠質能夠引起較高的甲烷和牛奶/牛肉產量比,這就是說一部分的粗能量沒有被有效利用至生產奶和肉。據研究表明青貯玉米的品種篩選和種植后適時的玉米秸稈收割期,不同加工貯藏工藝技術與添加劑以及科學的飼喂技術都是影響纖維素和膠質有效降解的重要因素。因此不僅要篩選合適的玉米品種,把握好玉米秸稈的收割期,而且需要對玉米秸稈進行加工處理,通過黃貯、微貯或氨化或者添加微生物、有機物發酵制劑等添加劑對玉米秸稈或粗飼料進行處理達到長期的保存效果,通過這些手段有效降低纖維素和膠質的含量,增加反芻動物粗飼料消化率,降低甲烷產量。同時科學飼喂技術也非常重要,目前技術普及比較落后,約有15%的秸稈經過處理用作飼料,大部分不經任何處理,只是鍘切至3～5 cm長飼喂牲畜。這種簡單的飼喂方式不僅使粗飼料的消化率低,粗蛋白含量低,適口性差,采食量低,而且導致了大量的甲烷產生同時影響了奶和肉的產量。

2.2 日糧組成及采食量對甲烷的調控

丙酸與甲烷的生成之間呈負相關(Church, 1976)[4],當日糧中精料比例增加時,丙酸含量增加,丙酸與乙酸的比值下降,吸收的乙酸除一部分用作合成乳脂的原料外,相當大的部分被氨化供能,而丙酸主要經肝臟轉變為組織成分,成為貯存和產乳,產肉的能量,因此增加丙酸的產量相應的降低了甲烷損失的能量。R.S.Hegarty等研究表明奶牛有較低的凈采食量時,能降低甲烷的釋放量。這是由于較低的凈采食量減少了對產甲烷菌底物的提供,使甲烷的產量下降。

2.3 日糧中脂肪及脂肪酸對甲烷排放的影響

甲烷的產量和日糧的纖維素、半纖維素以及非結構型碳水化合物的消化率呈正相關,而日糧中添加脂肪和脂肪酸則會降低甲烷產量。(Haaland, 1978;VanderHoning等,1981)添加動物脂肪或豆油飼喂牛羊,與飼喂等能量日糧的對照組相比減少了甲烷的生成量[5]。趙廣永(1999)利用人工瘤胃技術研究皂化菜籽油腳對體外發酵產氣量的影響試驗表明,隨著皂化油腳水平的提高,甲烷有減少的趨勢[6]。閆偉杰等的研究表明,含250 g/kg全棉籽的基礎日糧飼喂綿羊和含150 g/kg全棉籽的日糧飼喂奶牛相比,甲烷的產氣量減少了12%～14%[7]。N.E.Odongo的研究表明,日糧中添加肉豆蔻酸可以抑制反芻動物產甲烷菌的活性,降低甲烷產量[8]。Machmuller等報道了椰子油(富含飽和中鏈脂肪酸)、葵花油(富含亞油酸)和亞麻籽(富含亞油酸和亞麻酸)均可顯著降低甲烷產量和原蟲數量,并證明添加3%和6%的椰子油可分別降低甲烷產量40%和60%[9]。

2.4 飼料添加劑對甲烷排放的影響

英國威爾士大學農村科學研究所則正試驗在奶牛飼料中摻入大蒜,初步結果表明,此方法可減少高達50%的甲烷氣體產生。研究表明大蒜素(大蒜素是蒜中所有含硫化合物的總稱,這些物質中的硫原子具有高度的活性.能自發地轉變成多種有機硫化合物)對瘤胃微生物發酵有一定影響。Busquet等(2005)在體外產氣試驗中,分別添加300 mg/L大蒜素、二烯丙基二硫化物(DAD)、烯丙硫醇(ALM),甲烷產氣量分別降低了73.6%、68.5%、19.5%,在這3種含硫化合物中大蒜素抑制甲烷的效果最顯著[11]。

日本北海道帶廣畜產大學教授高橋潤一領導的小組在研究因食用含有硝酸鹽的飼料而中毒的家畜時發現,食用含有大量硝酸鹽的牧草的奶牛打嗝時,幾乎不排出甲烷。這就意味著硝酸鹽對甲烷有抑制作用。他們進一步的研究則發現,如果在含硝酸鹽的牧草中摻入一種半胱氨酸,就可以防止動物中毒,而且不會影響到牛奶和動物肉的品質。

茶皂素對瘤胃原蟲也有抑制作用,郭嫣秋等(2005)的體外試驗發現,添加0.4 mg/mL茶皂素處理組的原蟲數比對照組減少16.39%,甲烷產量下降15.79%[7]。還有研究發現,飼料中添加縮合單寧能減少山羊的甲烷排放,但是K.A.Beauchemin 2007年對縮合單寧能否降低牛腸道甲烷的排放進行研究,結果發現縮合單寧對降低牛腸道甲烷的排放量沒有任何效果,反而會嚴重影響粗蛋白的吸收[10]。

2.5 pH值對甲烷的調控

瘤胃內的pH值影響瘤胃細菌種類及其發酵產物,調節瘤胃pH值可以有效地改變瘤胃發酵的產物。降低pH,能縮小乙酸與丙酸的比值,對甲烷氣的產生起抑制作用,反之,則增大該比值。常用降低pH的緩沖劑有碳酸氫鈉、氧化鎂、碳酸鈣。

2.6 糞便中甲烷排放的調控措施

通過對腸道內甲烷產量的調控措施,雖然可以有效的降低腸道中甲烷的排放,但是減少的甲烷排放量完全被糞便甲烷的排放量的增加所抵消。提高日糧精粗比,對粗飼料(秸稈)在加工貯存利用過程中,通過物理、化學和生物添加劑進行加工處理,有效的降解飼料中的纖維素和膠質的含量,提高粗飼料的轉化吸收利用率,使得反芻動物腸道甲烷排放降低,但是糞便甲烷排放量增加,在日糧中添加脂肪,使得腸道甲烷排放降低,同樣增加了糞便中甲烷的排放量[2]。然而傳統的糞便處理方法(堆肥發酵、還田等方法)不僅污染環境,而且露天堆放發酵可產生大量甲烷,因此利用生物發酵技術(沼氣池發酵)變廢為利,把甲烷轉化為可利用的能量是減少糞便甲烷排放的最好方法。利用厭氧消化技術將糞便中的甲烷回收,當作一種能源用于發電,發熱,以及發動機、鍋爐或制冷機等燃氣設備,以彌補農業能源的不足,同時降低糞便等污染物經過堆放發酵所產生的甲烷等有害氣體對大氣和生態環境的污染。

3 結語

綜上所述,隨著畜牧業的迅速發展,甲烷的排放也以驚人的速度增加,據估計,一只羊每天生產20 g甲烷(CH4),一年就是7 kg,而一頭牛,每年甚至要排放114 kg的甲烷,其污染程度甚至超過一輛小型汽車。2007年我國牲畜年末存欄84 863.5萬頭(只),其中牛10 594.8萬頭,羊28 564.7萬只,因此減少反芻動物甲烷排放迫在眉睫。因此今后畜牧科研工作者應從以下四個方面進行深入研究:①是研究通過對青貯玉米品種的篩選,最終確定最適合新疆種植并且纖維素和膠質較低的玉米品種;②是研究開發粗飼料的加工貯存技術,通過研究乳熟期到蠟熟期這段時間玉米中干物質、粗蛋白、粗脂肪、無氮浸出物、粗纖維含量的變化,最終確定最佳收獲期;③是通過篩選不同加工貯存工藝和添加劑特別是微生物制劑來降低玉米青貯或粗飼料中纖維素和膠質的含量,提高粗飼料消化率,降低甲烷排放量,增加奶和肉產量;④是研究反芻動物瘤胃的化學反應和養分含量的變化過程,研究玉米秸稈或粗飼料如何被反芻動物瘤胃有效利用,提高轉化率,減少采食量;⑤是篩選出合適日糧的配方,能有效降低甲烷/奶(肉)產量的比率的技術方案;⑥是研究反芻動物糞便等污染物的無害化處理技術,通過對沼氣發酵菌和發酵工藝的研究,大力推廣沼氣發酵綜合利用技術,對畜禽糞便等污染物進行綜合循環利用,最終實現甲烷排放的減量化和低碳效益。

[1] 張運濤,方德羅.反芻動物甲烷排放及其對全球變暖的影響[J].中國畜牧雜志,1999,35(1):47-49.

[2] 游玉波,董紅敏.家畜腸道和糞便甲烷排放研究進展[J].2006全國畜禽健康養殖模式與產業發展學術研討會.

[3] 毛華明,張春霞.反芻動物甲烷排放量營養調控的研究進展[J].飼料研究,2009,8:57.

[4] 李建新,高騰云.影響瘤胃甲烷氣產量的因素及其調控措施[J].家畜生態,2002,23(4):67-69.

[5] 王麗鳳.日糧中添加甲烷抑制劑對綿羊瘤胃中甲烷產量影響的研究[M].內蒙古大學碩士學位論文,2004.

[6] 趙廣永.皂化菜籽油腳對人工瘤胃發酵產氣量的影響[J].中國畜牧雜志,1999,35(1):10-11.

[7] 閆偉杰,劉建新.全棉籽在奶牛生產中的應用[J].飼料研究, 2004,7:22-23.

[8] Odongo N E,劉件軍.日糧中添加肉豆蔻酸對反芻動物甲烷產量和乳脂脂肪酸組成的影響[J].中國畜牧獸醫,2007,34(4): 28.

[9] Machmuller A,K reuzer M.Methane suppression by coconut oil and associated effects on nutrient and energy balance in sheep [J].Can J Anim Sci,1999,79:65-72.

[10] Beauchemin K A,McGinn S M,Martinez T F,et al.Use of condensed tannin extract from quebracho trees to reduce methane emissions from cattle[J].The American Society of Animal Science,2007,85:1990-1996.

[11] 陸燕,王恬石,放雄.大蒜素對嘧胃發酵和甲烷產量的影響[J].中國飼料,2009,10:11-13.