反芻動物瘤胃氮代謝及其與瘤胃微生物相關性的研究進展

易思宇，張 潔，林 波，鄒彩霞

（廣西大學動物科學技術學院，廣西南寧 530005）

反芻動物的瘤胃是一個密集多樣的微生物生態系統，能夠通過微生物發酵將低質量蛋白質和非蛋白氮轉化為短鏈脂肪酸和微生物蛋白質等高質量的營養成分[1]。然而，在這種發酵過程中伴隨著氨（NH3）和甲烷（CH4）的產生[2]。反芻動物對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，同時也造成了環境污染。盡管近年來許多研究致力于通過飼料養分調控瘤胃氮代謝來提高反芻動物的氮利用效率，并發現飼料養分中的能量和蛋白質對瘤胃氮代謝的影響尤為顯著，但其中涉及的微生物學機理和調控機制尚未十分明了，導致反芻動物在實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的，瘤胃內細菌、原蟲與真菌三大微生物均參與了瘤胃中的氮代謝過程，能量和蛋白質可能通過影響瘤胃微生物而調控了氮代謝過程。因此，對能量和蛋白質與瘤胃微生物的關系進行更為深入、系統地探究至關重要。本文主要綜述了瘤胃中氮代謝的過程、尿素氮循環、能氮平衡對瘤胃氮代謝的調控以及能量和蛋白質與瘤胃微生物之間的關系，為提高反芻動物氮利用率和減少氮排泄對環境污染的研究提供科學依據。

1 瘤胃氮降解

日糧中的蛋白質分為瘤胃可降解蛋白質和瘤胃不可降解蛋白質，瘤胃可降解蛋白質由非蛋白質氮和真蛋白質組成，其中真蛋白質在瘤胃中被降解為肽和氨基酸[5]。肽可被肽酶進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，或進一步脫氨生成揮發性脂肪酸（VFA）、二氧化碳和氨[6]。瘤胃中氨基酸的脫氨作用是導致反芻動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，介導氨基酸脫氨的細菌主要有兩類，第一類為數量多但脫氨活性較低的普通產氨細菌，如棲瘤胃普雷沃菌（Pievotella ruminicola）[8]和布氏普雷沃氏菌（Prevotella bryantii）等[9]；第二類為數量少但脫氨活性較高的細菌，即高效產氨菌（HAB）。高效產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行脫氨作用，還可以通過吞噬細菌分解菌體蛋白而產生氨[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生少量氨[12]。

2 內源尿素氮循環及其調控

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[13]；另一部分氨經門靜脈隨血液進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入消化道[15]。進入消化道的尿素又可被再次降解成氨，而再被重新吸收進入肝臟，這便形成了內源尿素氮再循環機制[15]。減少尿中流失的尿素氮而增加進入消化道的尿素氮比例是增加反芻動物氮利用效率的一項有效措施。

2.1 飼料養分對尿素氮循環的調控 能量和蛋白質對尿素氮循環具有調控作用。有研究表明，隨著飼料中粗蛋白質水平的增加，循環尿素氮的利用率下降[16-17]，說明高粗蛋白質水平可能不利于內源尿素氮的循環利用。樊艷華等[18]研究發現，周期性變動的低蛋白質水平顯著降低了尿中尿素氮與肝臟中合成的尿素氮比例，表明變動性的低蛋白質水平有利于內源尿素氮的循環利用。Broderick[17]研究還發現，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，表明可發酵碳水化合物比例的增加使進入消化道的尿素氮比例增加。但Sun 等[19]發現，不同的能量源葡萄糖和淀粉對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性最強。而能量水平對尿素氮循環的影響可能小于蛋白質水平。Recktenwald 等[21]研究發現，淀粉水平對尿素氮循環中尿素分配比例的影響并不顯著。因此，適當降低飼料中粗蛋白質水平，或平衡補充能量和蛋白質，或許能有效提高循環尿素的氮利用率。

2.2 瘤胃發酵參數和內環境對尿素氮循環的影響 瘤胃VFA 和pH 等均對尿素氮循環有影響。付彤等[15]研究表明，瘤胃中的丁酸可能通過影響尿素轉運因子B2 而促進尿素氮轉入瘤胃，說明瘤胃VFA 對尿素氮轉運有刺激作用。Lu 等[22]研究發現，在短鏈脂肪酸和二氧化碳存在的情況下，尿素氮的轉運量隨pH 的降低而增加，在pH 下降到5.8 時達到峰值，成鐘型曲線。Abdoun 等[23]也發現，單獨改變pH 對尿素氮轉運無影響，但在短鏈脂肪酸存在時，pH 從7.4 降低到5.4 顯著影響了尿素氮的轉運量，在pH 為6.2 出現峰值，這說明pH 能影響尿素氮循環，但單獨改變pH 沒有該效果。Abdoun 等[23]也發現，二氧化碳對尿素氮轉運也有影響，但在pH 等于6.4 時影響最為顯著，表明二氧化碳對尿素氮轉運的影響程度依賴于pH。因此，瘤胃內環境和發酵參數對尿素氮循環有影響，但各影響因素之間的相關性還需進一步研究。降低循環尿素氮量是降低尿中尿素氮流失的另一項有效措施，這或許可以通過調控瘤胃相關微生物的數量或活性來調節瘤胃中氨態氮濃度而實現。

3 能氮平衡對瘤胃氮代謝的調控

反芻動物的氮利用效率取決于瘤胃中可發酵能量和可降解蛋白質之間的平衡[24]。有體內研究表明，給反芻動物飼喂易發酵的碳水化合物（如淀粉）顯著降低了瘤胃中的氨態氮濃度[25]；在反芻動物的飼料中補充多種碳水化合物均降低了瘤胃中的氨態氮濃度，減少了尿氮排泄量，提高了氮的利用效率[21,26-27]，導致這一結果的原因或許是碳水化合物為瘤胃微生物合成蛋白質提供了能量，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，從而保持瘤胃氨態氮濃度處于適宜的范圍內。但由于動物種類或評判標準存在差異，相關研究報道的瘤胃適宜氨態氮濃度范圍也存在一定差異，如奶牛的適宜瘤胃氨態氮濃度為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]，羊為63～275 mg/L[32]或60～300 mg/L[33]。

相關研究表明，提高水溶性碳水化合物和粗蛋白質的比例會導致尿氮排泄量的降低和奶中氮含量的提高[34]，但由于反芻動物個體和種類之間存在差異，對能量和蛋白質之間的適宜比例還需要進行更多的研究論證。也有研究表明，蛋白質和能量同時補充提高了瘤胃微生物蛋白質的合成效率并降低了尿氮的排泄量[35-36]，說明同時補充能量和蛋白質使瘤胃中蛋白質降解速率和碳水化合物發酵速率趨于平衡，使得更多的氨態氮被合成為微生物蛋白質，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物的氮利用效率，但該方法可能面臨著不同反芻動物種類的最佳平衡濃度存在差異的挑戰。

4 蛋白質和能量與瘤胃微生物的關系

4.1 蛋白質和能量與瘤胃細菌的關系 蛋白質水平和來源對瘤胃中不同的細菌種類有不同影響。Mullins 等[37]研究表明，給奶牛補充粗蛋白質增加了瘤胃細菌總數，但降低了白色乳球菌（Ruminococcus albus）數量；Yan 等[38]也發現，給牦牛飼喂較高水平的緩釋尿素增加了軟壁菌門（Tenericutes）數量，而降低了綠菌門（Chlorobi）數量，說明瘤胃中部分細菌的生長繁殖會受到較高粗蛋白質水平的抑制或者瘤胃微生物之間存在對蛋白質的競爭關系。Belanche 等[28]研究發現，降低飼料中的蛋白質濃度導致奶牛瘤胃細菌數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）數量基本不受影響，說明部分細菌受蛋白質濃度的影響較小，但總體上瘤胃細菌總數量和多樣性與蛋白質水平呈正相關。但也有研究表明較高的粗蛋白質水平降低了瘤胃細菌的總數量[39]，可能是由于該研究中使用的棉籽粕對瘤胃細菌的生長繁殖存在負面影響。Polyorach 等[40]的體外研究表明，不同氮源對不同瘤胃細菌的影響程度不同，酵母發酵木薯渣使細菌總數和黃色乳球菌（Ruminococcus flavefaciens）、琥珀酸纖維桿菌和白色乳球菌的數量較豆粕更多，可能是由于酵母刺激了瘤胃微生物的生長，以及為瘤胃微生物提供了生長所必須的維生素和有機酸等營養因子。因此，不同的蛋白質水平和種類對瘤胃中不同的細菌有不同程度影響，而酵母發酵產物可能更有利于大部分瘤胃細菌的生長。

能量對瘤胃中不同的細菌種類也有不同影響。有研究表明，在飼料中補充能量增加了牛鏈球菌和普雷沃氏菌屬的數量，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）的數量[41-42]，說明瘤胃中部分細菌與能量水平呈負相關。能量源對瘤胃微生物也有影響。Belanche 等[28]研究發現，奶牛飼喂更多的中性洗滌纖維后其瘤胃細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量明顯增加，但埃爾氏巨球菌（Megasphera elsdenii）數量顯著降低，棲瘤胃普雷沃菌數量基本保持不變，造成這種結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，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菌、埃爾氏巨球菌和乳酸桿菌（Lactobacilli）的數量隨之增加，說明瘤胃中大部分細菌可能更適合在酸性條件下生長繁殖。但Wanapat等[39]的研究發現，不同的能量源對瘤胃細菌數量的影響無差異，可能是由于瘤胃中大部分的細菌對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，不同的能量源對瘤胃細菌有不同影響，而瘤胃中大部分的細菌可能更偏好于中性洗滌纖維。

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

能量對瘤胃原蟲也有顯著影響。張海波等[41]研究表明，在飼料中補充能量增加了瘤胃中原蟲數量，說明原蟲總數量與能量水平也呈正相關。有研究發現，不同的能量源對瘤胃原蟲的數量和多樣性有影響[28,39]，并且Belanche 等[28]還發現瘤胃原蟲可能更偏好于中性洗滌纖維，這與瘤胃細菌相似。但Liu 等[43]研究發現，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量先增加后減少，說明瘤胃原蟲在酸性較低的環境中生長繁殖受到抑制。Sato 等[47]研究發現，犢牛補充碳水化合物后瘤胃中內纖毛蟲、異鞭蟲（Isotricha）、厚毛蟲（Dasytricha）和前毛蟲（Epidinium）的數量增長了3～12 倍，盡管隨著碳水化合物在瘤胃內消耗，原蟲的數量會逐漸回緩，但回緩到穩定水平的原蟲數量卻高于之前穩定水平，這可能是因為犢牛自身瘤胃發育或原蟲適應了長期能量補充所導致，但對于長期補充能量是否會導致瘤胃原蟲數量的永久性增長還需要更多的研究驗證。總的來說，瘤胃中原蟲數量會受到不同能量源以及能量水平的影響，并且在一定數量范圍內其可能更偏好于中性洗滌纖維。

4.3 蛋白質和能量與瘤胃真菌的關系 瘤胃真菌在瘤胃中也有降解蛋白質的作用，但其蛋白質水解活性相對于瘤胃細菌和原蟲較低[44]，而蛋白質與瘤胃真菌的關系也十分復雜。Belanche 等[28]研究發現，降低蛋白質濃度顯著降低了瘤胃真菌的數量和多樣性，表明瘤胃真菌的總數量和多樣性與蛋白質水平也呈正相關。然而，Wanapat 等[39]研究發現，棉籽粕水平對瘤胃真菌數量無顯著影響，這說明棉籽粕可能同樣不適合于瘤胃真菌的生長繁殖。Yan 等[38]研究發現，牦牛采食較高濃度的緩釋尿素增加了瘤胃中大多數真菌數量，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）的數量，說明部分瘤胃真菌的生長繁殖甚至會受到高粗蛋白質水平的抑制。Chanjula 等[46]研究發現，對奶牛飼喂木薯其瘤胃真菌數量較飼喂玉米更多，表明不同的蛋白質源對瘤胃真菌也有不同影響。Polyorach 等[40]發現不同能量源對瘤胃真菌總數量的影響無差異，這或許是由氮源的氨基酸組成決定的。Messana 等[48]研究發現，使用干甘蔗酵母代替一定量棉籽殘渣后，盡管粗蛋白質濃度增高，但顯著降低了瘤胃中真菌數量，表明蛋白質源可能比蛋白質水平對瘤胃真菌數量的影響更大。

能量對瘤胃真菌也有不同影響。如Mullins 等[37]研究發現，不同的能量源對瘤胃真菌數量有一定程度影響。Belanche 等[28]也發現，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量和多樣性，說明不同的能量源對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瘤胃真菌的生長。然而，Wanapat 等[39]發現，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，瘤胃中細菌數量發生顯著變化，而真菌數量變化卻并不明顯，說明不同的能量源對瘤胃細菌和真菌的影響程度也存在差異。總體上，瘤胃微生物總數量在一定范圍內與能量和蛋白質水平呈正相關，但不同的能量和蛋白質水平及種類對瘤胃中不同微生物種類存在不同程度的影響。

5 小 結

目前，能量和蛋白質的平衡補充在提高反芻動物氮利用率和減少氮排泄量方面取得了一定效果，但能量和蛋白質與瘤胃中微生物的關系十分復雜，而且它們之間的相關關系也并不明確。今后的研究需要進一步探究不同的能量和蛋白質來源和水平與瘤胃微生物的相關關系。在保證飼料養分能滿足動物需求和不影響動物生產效率的情況下，通過調節飼料養分來調控相關微生物的數量或活性以控制瘤胃中氨態氮濃度，將是一個較有前景的研究領域。