綿羊甲烷排放規律及減排技術研究

■劉云龍 王 炳 刁其玉 屠 焰

（中國農業科學院飼料研究所農業部飼料生物技術重點實驗室，北京100081）

近年來，溫室氣體排放的增加引起的全球變暖已經成為各國共同關注的話題，并逐漸演變成制約社會經濟發展和威脅人類生存環境的重要因素。甲烷是導致全球變暖的主要溫室氣體之一[1]。雖然甲烷排放量低于二氧化碳，但同體積的溫室效應是二氧化碳的20～25倍。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）報道，農業占甲烷排放量的47%，其中32%來源于反芻動物胃腸道發酵[2]。我國作為畜牧業大國，反芻動物胃腸道發酵產生的甲烷占總排放量的29.7%[3]。這使得反芻動物養殖業對氣候變化產生了廣泛而深遠的影響，并逐漸成為環境決策時一個重要關注的因素。同時，在反芻動物的生產中，產生甲烷是日糧消化代謝過程中養分損失和能量浪費的主要途徑，通常有2%～12%的總能轉變為甲烷能以噯氣的形式排至大氣中[4]。因此，降低反芻動物甲烷排放，對提高能量利用率和減緩氣候變暖具有重要意義。本文就探究肉用綿羊甲烷排放規律和建立預測模型，并通過調控日糧結構及篩選天然植物提取物和益生菌等減排技術進行綜述，為準確估測肉用綿羊甲烷排放量，評價甲烷減排效果提供參考。

1 甲烷產生機制

反芻動物產生甲烷與其特有的消化特點有關。在反芻動物瘤胃中，存在大量的產甲烷菌、纖維分解菌和其它厭氧型微生物。被動物采食后的飼料進入瘤胃內首先進行厭氧發酵。瘤胃微生物把碳水化合物和其它的植物纖維降解成揮發性脂肪酸、氫氣和二氧化碳等。甲烷菌可利用產生的二氧化碳、甲酸、乙酸、甲胺和次甲胺等通過一系列復雜的化學過程合成甲烷。但合成的甲烷很難被動物機體消化利用，反芻動物主要以呼吸或噯氣的方式將甲烷排出體外。

產甲烷菌主要通過以下3種途徑產生甲烷[5]：①CO2-H2還原途徑。CO2在一些相關酶和輔酶的催化作用下，與甲基呋喃發生化合，經過復雜的化學反應過程后，CO2被H2還原生成甲烷。② 以甲酸、乙酸和丁酸等揮發性脂肪酸為底物的合成途徑。③以甲醇、乙醇等甲基化合物為底物的合成途徑。

在瘤胃發酵的初期和高峰期，甲烷的生成主要以CO2-H2還原途徑為主；在消化后期，主要以脂肪酸和醇等相關的還原途徑生成更多的甲烷。

2 甲烷生成調控

反芻動物甲烷排放量的降低，具有環境和經濟的雙重效益。大量的科研人員為此探索了很多的途徑，但目前重點研究的是調控瘤胃內產甲烷菌合成甲烷的過程。調控甲烷的生成主要包括三種模式：第一種是生物學調控，通過直接作用于產甲烷菌抑制其生長來降低產甲烷菌的數量，以達到減少甲烷產生的目的；第二種方法是降低產甲烷菌合成甲烷所利用的底物，即降低氫氣生成量；第三種是通過特異性抑制產甲烷菌合成甲烷過程中相關酶或輔酶的活性而抑制甲烷的產生。

2.1 生物學調控

生物學調控即通過離子載體化合物，如鹽霉素和莫能菌素等聚醚類離子載體抗生素以及鹵素化合抑制劑，如二氯乙炔、溴氯甲烷、氯化甲烷、水合氯醛等通過改變細胞膜的通透性、影響微生物的代謝活動而直接抑制產甲烷菌的生長，達到降低甲烷產生的目的。大量的研究表明，有20%的產甲烷菌附著在原蟲的表面，帶纖毛的原蟲與產甲烷菌之間可形成一種內源共生系統，寄生在原蟲表面的產甲烷菌所合成的甲烷占反芻動物甲烷總排放量的37%[6]。因此，通過去原蟲可降低產甲烷菌的數量，進而降低甲烷的排放量。

2.2 對生成甲烷底物氫氣的調控

通過抑制氫氣的生成或者添加替代性氫氣受體來爭奪氫以減少甲烷的產生。減少瘤胃可發酵的有機物或調控瘤胃揮發性脂肪酸之間的平衡（主要是乙酸和丙酸之間）來抑制氫氣的產生。因此，可通過一些飼料加工措施及飼喂方式來提高瘤胃流通速率和過瘤胃率，以減少氫氣的產生，達到間接降低甲烷產生的目的。Hungate[7]研究表明，揮發性脂肪酸中乙酸∶丙酸為0.5時不會產生甲烷，此時，瘤胃內乙酸發酵時產生的氫完全被丙酸發酵所利用，產甲烷菌因為缺少底物氫而不能合成甲烷或只能少量合成甲烷。通過添加替代性氫氣受體，如硝酸鹽或硝酸鹽與半胱氨酸的混合物、不飽和脂肪酸等，與產甲烷菌爭奪氫氣來降低產甲烷菌合成甲烷。

2.3 對甲烷合成相關酶活性的調控

通過特異性抑制產甲烷菌合成甲烷過程中相關酶或輔酶的活性來降低甲烷的產生。蒽醌類物質可直接作用于產甲烷菌，阻斷電子傳遞鏈，并在電子傳遞和ATP合成的偶聯反應中起到解偶聯的作用，阻止CH3-CoM被還原成甲烷。Garcia-Lopez等[8]通過體外研究表明，添加蒽醌類物質能明顯降低甲烷的排放量。添加RFA-P合成酶抑制劑也可降低甲烷的產生，且對VFA和乙酸菌沒有影響。

3 綿羊甲烷排放估測模型的建立

針對個體動物的甲烷排放含量可以通過試驗手段測定，但對于群體動物的甲烷排放含量只能通過建立甲烷排放預測模型進行估測。國外許多研究工作者利用試驗實際測定的甲烷排放數據或者通過整合大量相關文獻數據進行回歸分析，總結出一些用于估測甲烷排放量的回歸模型，但目前國內缺乏系統性的研究。趙一廣[9]通過試驗研究，分別測定了肉用綿羊在同一種日糧不同的采食水平下和不同日糧同一采食水平下的甲烷排放量，建立了以肉用綿羊體重、干物質采食量、能量攝入量、營養物質攝入量、可消化營養物質、瘤胃可發酵營養物質、瘤胃液揮發性脂肪酸等為自變量，用以估測綿羊甲烷排放量的估測模型。為準確估測肉用綿羊甲烷排放量，闡明綿羊甲烷排放規律，評價減排技術效果和評定飼料能量價值提供參考。

3.1 不同采食水平下肉用綿羊甲烷排放預測模型的建立

試驗采用單因素完全隨機試驗設計，設置同一日糧的不同采食水平，通過Sable開路循環氣體代謝系統測定試驗肉用綿羊的甲烷排放量，采用統計分析軟件中的直線回歸、非線性回歸和多元回歸程序進行回歸分析，建立甲烷排放量的估測模型。試驗研究結果表明，以肉用綿羊體重（BW）、干物質采食量（DMI）和總能攝入量（GEI）為自變量，以肉用綿羊CH4排放量為因變量建立的線性模型和非線性模型之間都存在極顯著的相關性，且決定系數（R2）均在0.67以上，表明肉用綿羊的CH4排放量能夠用一系列的因變量來進行準確預測。與此同時，與采用BW來預測CH4排放相比，采用DMI和GEI為自變量能夠提高CH4排放的準確度；通過采用BW和DMI為自變量建立起來的非線性模型對CH4排放預測的準確度最高，R2達到0.901，相關關系（P）值小于0.000 1。說明采用不同的自變量因子建立起來的非線性模型能夠較大幅度地提高預測模型的相關性和估測的準確性。

表1 不同采食水平下杜寒雜交肉羊瘤胃甲烷排放量預測模型

3.2 不同營養組成下肉用綿羊甲烷排放預測模型的建立

日糧的營養組成對肉用綿羊CH4排放存在重要影響，如果僅依靠采食量去評定肉用綿羊CH4排放，會由于不同日糧在肉用綿羊消化道具有不同的消化特性而帶來誤差。試驗設置了8種不同NDF含量的日糧，采用開路式循環氣體代謝系統測定肉用綿羊瘤胃CH4排放量，研究日糧不同營養組成對肉用綿羊瘤胃CH4排放量的影響，并建立CH4排放預測模型。試驗結果表明，利用有機物采食量（OMI）、粗蛋白采食量（CPI）、中性洗滌纖維采食量（NDFI）、酸性洗滌纖維采食量（ADFI）和粗脂肪采食量（EEI）共同建立的多元回歸模型，得到R2=0.999 2且P=0.002 1，說明這五種營養物質攝入量與CH4/FOM排放量有著極顯著相關關系。利用可消化有機物（DOM）、可消化粗蛋白（DCP）、可消化中性洗滌纖維（DNDF）和可消化粗脂肪（DEE）建立的多元回歸模型得到了較高的決定系數（R2=0.918 0），但模型的相關關系（P）并未達到顯著水平。將5種瘤胃液揮發性脂肪酸一起進行多元回歸分析后，得到的多元回歸模型中CH4/FOM與它們之間存在極顯著相關關系，且模型的準確性較高（R2=0.998 9，P=0.002 8）。

不同采食水平和不同營養組成下肉用綿羊甲烷排放預測模型的建立，對綿羊CH4排放量的預測具有實際應用價值。

表2 不同營養組成下杜寒雜交肉羊瘤胃甲烷排放量預測模型

4 減排技術

4.1 日糧NDF/NFC比例

影響反芻動物甲烷排放的因素有很多，包括動物的干物質采食量、日糧類型、日糧結構以及日糧的加工方式等，還與動物體重、瘤胃發酵模式和瘤胃微生物區系有關。大量研究表明，日糧中的精粗比可影響反芻動物的甲烷排放量，其中起主要作用的為日糧中的纖維成分。日糧中的纖維成分經反芻動物采食后在瘤胃內發酵產生揮發性脂肪酸，一部分為動物機體供能，另一部分經進一步分解產生甲烷，排出體外。甲烷的排放量與纖維組分在瘤胃內的降解率及在瘤胃內的發酵模式有關。主要包括兩個方面：①日糧中的纖維水平能夠改變瘤胃微生物區系，纖維水平越高，瘤胃內的纖維分解菌和原蟲的數量越多。②高纖維水平的日糧在瘤胃內的發酵主要為乙酸型發酵（1 mol乙酸產生2 mol氫氣），為合成甲烷提供底物氫氣[10]。

日糧中不同水平的精粗比主要是中性洗滌纖維（NDF）與非纖維性碳水化合物（NFC）的不同。丁靜美[11]以玉米秸稈為粗飼料來源，在維持水平下，配制不同NDF/NFC比例（3.02、2.32、1.58、1.04）日糧飼喂肉用綿羊，研究日糧NDF/NFC比例對甲烷排放量的影響。試驗結果表明，在維持水平下，隨著玉米秸稈日糧中NDF/NFC比例的降低，肉用綿羊甲烷日排放量和單位代謝體重的甲烷日排放量逐漸降低，每千克DOM的甲烷排放量逐漸減少，每千克NDF采食量和每千克可消化中性洗滌纖維（NDF）采食量的甲烷排放量逐漸升高。建議采用飼喂NDF/NFC為1.04的日糧作為甲烷減排的配方最為合適。

4.2 植物提取物

天然植物提取物活性成分主要有生物堿、皂苷、萜類、酚類和揮發精油等，具有抗菌抗氧化、促生長和提高免疫力的功能[12]。植物提取物由于其副作用小、無殘留或殘留少、不易產生抗藥性的特點，作為反芻動物瘤胃甲烷調控劑已成為國內外研究熱點。根據近年研究發現，植物提取物不僅可以調控瘤胃發酵模式，還可以減少甲烷的排放。

桑葉黃酮是一種黃酮類化合物，具有抗氧化、抑制真菌的功效，其分子中有一個酮式羰基，第一位上的氧原子具有堿性，能與強酸成鹽，其羥基化合物多具黃色，故又稱黃堿素或黃酮。白藜蘆醇主要存在于葡萄、虎杖、花生等植物中，是一種具有重要生物活性的非黃酮類多酚化合物，其化學結構中含有多個苯環和羥基，具有抗氧化、抗自由基和抗炎抑菌等多種功效。大蒜素是從大蒜的鱗莖中提取的一種有機硫化合物，其分子中的活性基團是硫醚基，對多種球菌、桿菌、真菌和病毒等具有抑殺作用。茶皂素是從山茶科植物中提取的一種五環三萜類糖苷化合物，其基本結構由皂苷配基、糖體和有機酸組成，是一種天然的非離子型表面活性劑。

雖然天然植物提取物在抑制甲烷方面取得了一些進展，但從研究方法上大都是通過體外培養法，沒有對瘤胃甲烷排放進行實測，由于體外培養法與瘤胃的內環境存在一定的差別，并不能真實反映實際值。陳丹丹[13]以植物提取物桑葉黃酮、白藜蘆醇、大蒜素、茶皂素為添加劑，采用自身對照，分為對照期和試驗期（四期），試驗期時分別添加植物提取物的不同添加水平。通過動物飼養試驗、氣體代謝試驗，采用開路式循環氣體代謝系統對肉羊甲烷排放量進行實測。試驗結果表明：添加桑葉黃酮、白藜蘆醇、大蒜素、茶皂素可降低體重為60 kg（代謝體重21 kg）左右的肉用綿羊CH4排放量，其中，桑葉黃酮在2.0 g/d、白藜蘆醇在0.25 g/d、大蒜素在2.0 g/d或茶皂素在2.0 g/d的添加量下效果最佳，分別降低CH4排放量6.38%、10.11%、6.38%和9.57%。在前人研究的基礎上進一步探索植物提取物在肉羊甲烷排放上的抑制效果，并確定最佳添加水平，為實際生產中減少甲烷排放，提高能量利用效率提供科學依據。

4.3 益生菌

益生菌是指能夠直接飼喂動物并且以活的形式存在于動物消化系統中，能夠改善動物胃腸道微生態平衡的微生物[14]。目前益生菌的種類很多，根據菌種的不同主要分為芽孢桿菌制劑、酵母菌制劑和乳酸菌制劑。

芽孢桿菌為革蘭氏陽性需氧菌，是動物胃腸道內以孢子的形式存在的微生物菌群。通過選育的芽孢桿菌具有耐酸、耐堿、耐高溫的穩定性和產酸、產酶、產維生素的優良性。已廣泛應用于生產的主要有枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌。芽孢桿菌的孢子在裂解過程中會消耗大量氧氣，維持腸道內的厭氧環境，為胃腸道內厭氧菌的生長繁殖提供有利的條件，同時抑制需氧型的病原菌，從而能調控微生態的平衡。

酵母菌屬于天然真菌類物質，菌體自身含有豐富的優質蛋白質。研究表明，酵母菌能夠分泌多種高活性的消化酶，能顯著提高動物對飼料中營養物質的消化率[15]。同時，酵母菌所產生的B族維生素、氨基酸等次級代謝產物，含有豐富的礦物質元素，能夠被動物直接吸收利用。酵母菌制劑能夠調控瘤胃發酵環境和維持瘤胃微生物菌群的穩定，日糧中添加適量的酵母菌制劑能夠改善動物健康和提高生產性能，目前已在反芻動物中廣泛應用。

乳酸菌是胃腸道的常在菌，厭氧或微需氧，為無芽孢革蘭氏陽性菌。目前在動物生產中應用較多的有嗜酸性乳桿菌、糞鏈球菌和雙歧桿菌。這些乳酸菌通常為動物體內主要的共生菌，能夠競爭性抑制體內有害菌的增殖，并有利于有益菌的生長。對于維持機體健康和胃腸道微生態平衡具有重要作用。

益生菌作為一種副作用小、安全有效的飼料添加劑，被廣泛應用于畜禽養殖中，在提高生產效益的同時，還能夠降低環境污染，但有關益生菌在動物應用上的研究多集中動物生產性能、免疫性能以及飼料轉化率等方面。近年來，有研究表明，益生菌作為一種綠色的添加劑，在反芻動物甲烷減排方面也具有一定的潛力。肖怡[16]以益生菌中的地衣芽孢桿菌、熱帶假絲酵母和植物乳酸桿菌為肉用綿羊日糧添加劑，通過動物飼養試驗，采用開路式氣體代謝系統對綿羊甲烷排放量進行實時測量，旨在篩選出合適的益生菌和最佳添加水平，為利用益生菌減少甲烷排放，提高飼料轉化效率提供理論依據。

肖怡[16]試驗結果表明，添加地衣芽孢桿菌可以降低肉用綿羊的CH4排放量，當添加水平為2.4×108CFU/d和2.4×109CFU/d時，降低了肉用綿羊CH4的日排放量，降幅分別為5.18%和9.33%。添加水平2.4×108、2.4×109、2.4×1010CFU/d時，降低了單位可消化干物質采食量的CH4排放量，降幅分別為11.52%、13.12%、6.87%。地衣芽孢桿菌抑制肉用綿羊CH4排放的最佳添加水平為2.4×109CFU/d。

添加熱帶假絲酵母可以降低肉用綿羊的CH4排放量，當添加水平為4×108、4×109和4×1010CFU/d時，肉用綿羊單位可消化干物質基礎的CH4排放量分別降低了17.5%、5.34%和9.62%，熱帶假絲酵母抑制肉用綿羊CH4排放的最佳添加水平為4×108CFU/d。

在肉用綿羊日糧中添加了植物乳桿菌后，與對照組相比，中劑量組（5×1010CFU/d）顯著降低了CH4的日排放量、干物質采食量基礎的CH4排放量、代謝體重基礎的CH4排放量和干物質采食量代謝體重基礎的CH4排放量，而高劑量組（5×1011CFU/d）的以上指標均顯著升高，低劑量組（5×109CFU/d）的以上指標則差異不顯著。在相同干物質采食量下，與對照組相比，低和中劑量組顯著降低了可消化干物質基礎的CH4排放量，高劑量組則差異不顯著。從試驗結果可以看出，植物乳桿菌對肉用綿羊CH4的排放具有一定程度的抑制作用，當植物乳桿菌的添加水平為5×1010CFU/d時CH4排放量的抑制效果最佳。

5 結語

反芻動物的品種、生理發育階段、飼養模式、瘤胃微生物菌群結構等都是影響反芻動物甲烷產生的重要因素。本團隊針對我國肉用綿羊飼養模式和日糧結構開展研究，確定了可用于生產實際的肉用綿羊甲烷排放量預測模型，并通過調控日糧結構，添加天然植物提取物和益生菌來降低甲烷排放量，明確了可在實際生產中操作的推薦量。該研究成果的應用與推廣，將推動我國綿羊產業發展，更加關注低碳減排技術，并為我國養殖業向環保型轉變提供理論和技術支持。