反刍动物甲烷的产生、测定及减排调控的研究

李恩凯，杨在宾

（山东农业大学动物科技学院，泰安 271018）

反刍动物甲烷的产生、测定及减排调控的研究

李恩凯，杨在宾

（山东农业大学动物科技学院，泰安 271018）

文章综述了反刍动物甲烷的产生机制和瘤胃内主要的产甲烷菌种类，并阐明了不同的产甲烷菌的甲烷合成底物及甲烷合成途径。文章还阐明了反刍动物甲烷产量的测定方法以及减排措施。关键词：甲烷；产甲烷菌；产生机制；测定；减排

21世纪以来，伴随着经济的快速发展，温室气体大量排放，从而引起一系列严重的环境问题。因此，温室气体的减排越来越引起人们的重视。而反刍动物消化代谢过程中产生的甲烷也是导致环境温室效应的重要因素之一。因此，控制反刍动物甲烷的排放成为亟待解决的一个问题。甲烷是一种高能物质，但不能被动物利用，它的释放必然造成饲料能量的损失。资料显示，每消化100 g碳水化合物平均产生4～5 g甲烷，以甲烷形式损失的能量平均占饲料总能的7%［1］。因此本文总结了甲烷减排的调控措施和甲烷测定的一些方法，希望能对提高饲料利用率和改善环境状况有一定的实践意义。

1 甲烷的产生

1.1 CH4的产生机制

由于反刍动物瘤胃内的厌氧环境，并且瘤胃内存在大量的纤维分解菌、产甲烷菌及一些厌氧菌，导致了饲料的厌氧发酵。瘤胃微生物把可溶性的碳水化合物分解为丙酮酸，丙酮酸再反应产生VFA。在丙酮酸脱羧生成乙酸过程中产生的CO2会被产甲烷菌利用合成CH4。甲烷是一种高能物质，但是不能被动物利用，大部分通过嗳气和呼吸排出体外，少部分通过大肠发酵经肛门排出。

1.2 产甲烷菌

1974 年Bryant首次提出产甲烷菌一词，将其与以甲烷为能量来源的嗜甲烷菌（methanotrophs）区分开来。到目前为止，分离鉴定的产甲烷菌已有200多种［2］。产甲烷菌产生的CH4是温室气体的主要组成部分。瘤胃内的产甲烷菌主要有4种：甲酸甲烷杆菌目、反刍兽甲烷短杆菌、运动甲烷微菌属以及甲烷八叠球菌属。一般而言，一种产甲烷菌只具有一种甲烷合成途径，但具有多细胞结构的甲烷八叠球菌含有3种甲烷合成途径，而且至少可以利用9种甲烷合成的底物［3］。

1.2.1 产甲烷菌的特征 ①甲酸甲烷杆菌：细胞杆状，无鞭毛，不运动，无芽孢，分散或链状排列，革兰氏阴性。菌落灰白色，凸起，直径2～3 mm，最适生长pH值在6.5～7.5之间。②甲烷八叠球菌：细胞球状，直径1.2～3.0 μm，无鞭毛，不运动，成堆排列，革兰氏阳性。菌落浅黄色凸起，直径3～4 mm，最适生长pH值在7.0～7.5之间。甲酸甲烷杆菌和甲烷八叠球菌属中温性微生物，最适生长温度均在30～37℃之间。③运动甲烷微菌：细胞短杆状，两端圆钝，具一根端生鞭毛，能运动，不形成芽孢，革兰氏阴性，通常

单个存在，从不成链状。菌落很小，圆形，直径0.7～l.0 mm，凸起，边缘完整，半透明，初为乳白色，后中央褐黄色。生长pH值在5.5～7.5之间，最适生长pH值7.0左右。生长温度25～45℃之间，最适生长温度40℃。

1.2.2 产甲烷菌的分离鉴别 产甲烷菌与其他任何细菌的最大区别在于所有产甲烷菌的代谢产物都是CH4和CO2。产甲烷菌的形态有球状、杆状、螺旋状和八叠球状等多种形态，但它们分解利用物质的最终产物是相同的。因此在分离鉴别产甲烷菌时，人们常利用是否产生CH4作为确定是否为产甲烷菌的重要标志。

1.2.3 产甲烷菌的甲烷合成特点 ①甲酸甲烷杆菌：瘤胃内主要的产甲烷菌，主要通过H2、CO2和甲酸等为反应底物生成甲烷［4］，当反刍动物采食大量的结构性碳水化合物时，如纤维素和半纤维素等在瘤胃内发酵会产生大量的CO2和H2，此菌会利用这些气体合成甲烷。②反刍兽甲烷短杆菌：瘤胃内主要的产甲烷菌，当动物采食大量的糖类物质时，通过糖酵解产生大量的CO2和H2，此菌将利用这些气体合成甲烷。③运动甲烷微菌属：只能利用H2、CO2或甲酸盐作为碳源和能源合成甲烷，不能利用甲醇、乙酸盐等，甲烷合成机理和甲酸甲烷杆菌相同。④甲烷八叠球菌属：可以根据所处的环境和生长阶段改变细胞结构，这种多细胞结构使甲烷八叠球菌同时具有3种甲烷合成途径，并且此菌可以利用乙酸、H2、CO2和甲酸盐等多种底物合成甲烷［4］。因此，当反刍动物采食大量的粗饲料及脂类物质时会产生大量的乙酸，此菌的活动将会加强，合成大量的CH4。

1.3 甲烷合成的主要途径

甲烷合成的途径主要为以下3种，瘤胃液中主要以CO2-H2还原途径合成甲烷，而以VFA和甲基化合物为底物的甲烷合成途径仅占很少比例。

①CO2-H2还原途径：主要发生在瘤胃甲烷发酵的初期和旺盛期［5］。瘤胃内的CH4主要通过反刍兽甲烷杆菌和甲烷短杆菌以CO2和H2为底物经还原反应产生，当采食大量的糖类物质时，在糖酵解生成乙酸和丁酸的过程中会产生大量的CO2和H2。在产甲烷菌体内，CO2在一系列酶和辅酶的作用下，与甲基呋喃经过化合，一系列反应后被H2还原生成CH4。反应方程：4H2+HCO3-+H+→CH4+3H2O。②以VFA裂解生成甲烷途径：在反刍动物消化后期主要以此种方式生成甲烷［5］。VFA裂解同时释放CO2和H2O，当动物采食大量的非结构性碳水化合物时，会发酵产生大量的VFA，主要按照如下反应：HCOOH+H2O→CH4+HCO3-；CH3COOH+H2O→CH4+HCO3-；2CH3CH2CH2COOH+2H2O+CO2→CH4+ 4CH3COOH。③甲醇等甲基化合物的发酵产物分解产生CH4：发生在反刍动物消化后期［5］，产甲烷菌利用甲醇、乙醇等甲基化产物生成甲烷。反应方程：4CH3OH→3CH4+HCO3-；2CH3CH2OH+CO2→2CH3COOH+CH4。

1.4 甲烷合成的生物学意义

反刍动物的瘤胃内环境是长期自然选择的结果，这种内环境使反刍动物可以通过发酵纤维素、半纤维素等结构性碳水化合物产生机体所需的可利用能量和营养物质，同时在发酵过程中会产生大量的H2和CO2，产甲烷菌可以利用这些气体合成甲烷，降低瘤胃内的氢分压，提高了纤维分解菌的活性。此外，产甲烷菌对原虫也是有益的，当瘤胃内H2含量过高时，会影响原虫的生长活性，而附着在原虫表面以及原虫内部的产甲烷菌则可以利用H2产生甲烷，降低氢分压，维持原虫的活性。

2 反刍动物甲烷产生量的测定方法

2.1 直接测定法

①呼吸代谢室法：适合于集约化生产动物的测定，测定较为精准。通过精密仪器，准确记录代谢室内的气体进出量，从而测定CH4含量。但是由于被测动物被固定在一定空间内，活动受限，容易造成动物的暴躁不安，对CH4的正常产生有些影响，并且成本太高。②呼吸头箱法：和呼吸面罩法类似，被测动物的头部放在头箱内，测定头箱内CH4的产量，此法的优点是成本较低，操作简单，缺点是忽略了从盲肠产生的甲烷，且会影响动物的进食和饮水［6］。③SF6示踪技术：适合于放牧生产的动物，通过制作呼吸面罩固定在被测动物的面部，准确收集气体样本，通过分析CH4和SF6的比例关系，从而得出CH4的含量。由于此方法容易发生气体泄漏，并且忽略了大肠和盲肠处产生的CH4，所以准确性稍差。④粗测法：一种宏观检测法，在动物草场的下风处勘定10～20个气体探测器，误差较大，并且易受到风向的影响。Mcginn等使用平衡管道系统（bLS）扩散技术测定牛场下风向几百米微量气体浓度，bLS扩散技术是一种测定全牧场气体排放的有用技术，该技术除了具备评估减排措施效果外，还具有操作简便、可行性强等优点［7］。

2.2 间接测定法

①人工瘤胃法：此方法基于利用体外挥发性脂肪酸摩尔产量用来评估甲烷生产，从而得出准确的数量关系。通过气相色谱仪测出乙酸、丙酸以及丁酸的含量，得出CH4的产量。这样的理论计算方程用来估计甲烷排放比较方便，但在体外代谢实验中存在许多因素影响最终产物（VFA和气体）的比例。缺点包括：原生动物和真菌的体外生长不佳；没有最终产物的排放和反应底物的持续供给；饲料颗粒大小不同于体内。②体外产气法：体外产气法的主要理念是通过体外产气装置模拟瘤胃发酵，

与SF6技术测定结果相近［6］。③模型估计法：根据可消化碳水化合物、能量表观消化率、淀粉和NDF含量、干物质进食量等建立模型估测CH4的产量，此方法较为简单，可行性强，准确性稍差［8］。

3 甲烷减排调控方法

3.1 饲养条件的调控

3.1.1 日粮调控 ①降低反刍动物饲养规模：我国畜牧业较为发达，可以通过提高动物的生产性能，让每头动物可以满足更多人的营养需求。所以适当减少反刍动物和草食动物的养殖量，将会从根本上减少甲烷的产生。②采食量调控：提高动物的采食量，进食量大会导致瘤胃通过率提高，减少了养分在瘤胃内停留的时间，降低了甲烷菌的发酵［9］。Johnson等［10］的研究结果表明，提高采食量后，因甲烷损失的日粮总能下降1.6%。③碳水化合物类型：瘤胃内碳水化合物对甲烷生成量的调控主要是通过影响瘤胃pH值和瘤胃微生物区系来实现的，当反刍动物采食大量的非结构性碳水化合物时，丙酮酸将会按照丙酸形式发酵，pH值降低，减少了甲烷的排放。④精粗比：当反刍动物采食大量粗饲料时，碳水化合物将按照乙酸形式发酵，同时产生大量的CO2和H2，在甲烷菌的作用下生成甲烷，而采食精饲料时，将会按照丙酸形式发酵，反而会消耗H2，减少甲烷的产生。Miller等［11］发现，当瘤胃发酵产生的乙酸:丙酸的值为0.5时不产生甲烷，即饲料能的损失为0。还有研究表明，饲喂高精料饲粮（达90%）后，甲烷损失的能量降至总能的2%～3%，是正常情况下的一半，但是如果精料水平过高，会导致酸中毒、蹄叶炎等代谢病，因此合理控制精粗比会有效减少甲烷的产生。⑤饲料加工调制：对于物理加工，由于饲料被磨碎或制粒后，瘤胃食糜的流出速率加快，降低了产甲烷菌对碳水化合物的消化率，从而降低了甲烷产量；对于化学处理，实验表明，动物采食氨化处理和机械切短的秸秆，会减少甲烷的产生。张运涛等［12］研究发现，在生产实践中，反刍动物饲粮中采用氨化和切短的秸秆，生产单位产品的甲烷减少量大于10%。研究还表明，把握适宜的刈割期、一定的加工处理，都可以降低饲料中纤维素和胶质的含量，提高消化率，减少甲烷的排放。

3.1.2 饲养管理调控 ①饲喂方式：研究表明，当饲喂顺序为先粗料后精料时，可以使更多的能量通过瘤胃；同时增加饲喂次数，采用少量多次也可以增加物质的过瘤胃比例，从而减少甲烷的产生［13］。②添加脂类物质：饲料中添加脂肪及其长链脂肪酸可以提高丙酸比例，减少CH4产生。因为一些植物脂肪和高级脂肪酸可以抑制瘤胃内原虫的生长，而大量的产甲烷菌寄生在原虫上，因此可以适当添加脂类物质，减少甲烷的生成。Vander（1981）认为，添加含饱和脂肪酸的保护性脂肪，可使CH4产生量减少10%～15%。③提高动物的生产性能：当反刍动物的产奶量和日增重提高时，每单位的奶产量所对应甲烷的产生量会减少。Kirchgessner等研究指出，1头600 kg奶牛的年产奶量从4 t增加到5 t，虽然总甲烷排放量增加了，但每单位奶产量的甲烷排放量却降低了16%，因此可以通过遗传育种的方法逐代筛选优质品种以减少甲烷的合成。④营养调控：糖蜜舔砖在不同国家和地区已得到广泛应用，它的使用可以使产奶量增加、生长率提高，同时繁殖效率也可以得到改善［14］。⑤环境温度：降低温度可以使瘤胃发酵趋于丙酸发酵以减少CH4的产生。有学者认为，温度降低很可能会刺激动物，使食糜的后移速度加快，从而引起CH4产量降低；也有学者认为当温度较低时，瘤胃发酵会趋向于丙酸发酵，使甲烷的产量下降［15］。⑥添加酶制剂：添加纤维素和半纤维素酶制剂，可以提高纤维的瘤胃降解率，使其发酵类型趋于丙酸形式的发酵，从而降低了CH4的产量。⑦添加丙酸前体物质：提高丙酸前体物质的食入量也可以使排放的甲烷能在饲料总能中的比例下降。Nagaraja等（1997）研究表明，丙酸的前体，延胡索酸和苹果酸，在促进丙酸产生的同时，降低了甲烷的产生。

3.2 生物学调控

①抗生素：盐霉素等醚类离子载体的抗生素可以通过改变细胞膜通透性和细胞内代谢活动，抑制产甲烷菌等菌，同时促进丙酸菌的生长，从而减少甲烷的产量［16］。②细菌素：细菌产生的肽类或者蛋白质复合物，如乳酸链球菌素，通过竞争性作用减少甲烷的生成。Lee（2002）在体外试验中表明，使用Bovicin HC5的细菌素可以显著降低甲烷的生成。③古细菌病毒：某些古细菌病毒具有感染产甲烷菌使其失活的能力，从而抑制甲烷的产生。Nagle（1989）发现，有病毒样颗粒能感染产甲烷菌，使其活性下降。④驱除原虫：Ttabashi等（1984）和Vshida等（1986）研究证明，除去原虫可使甲烷产量下降20%～45%，瘤胃内大量的菌群寄生于原虫身上，因此可以通过驱除原虫，以减少产甲烷菌的数量。研究还表明，较低的pH值、植物油以及某些UFA都对原虫具有毒害作用，可以用于驱除原虫。⑤乙酸菌：因为乙酸生成菌可还原CO2生成乙酸，并且乙酸生成菌的数量与产甲烷菌相近，因此可以通过提高乙酸生成菌利用非氢底物的可能性，改变CO2的发酵方式，使CO2趋向生成乙酸的发酵方式上转化，减少CH4的合成。Lopez等体外试验还发现，瘤胃液中添加乙酸生成菌时，甲烷产量会降低。

3.3 抑制性调控

①抑制H2的产生：通过合理的精粗比，调整瘤胃内

乙酸和丙酸的比例，可以减少H2的生成［17］。②产生H2的竞争性受体：硝酸盐或者与半胱氨酸的复合物，以及UFA等与产甲烷菌竞争H2，从而可以抑制甲烷的生成。Takahashi等［18］研究发现，粗饲料中的硝酸盐可以显著降低甲烷的产量。③抑制产甲烷菌酶活：蒽醌类物质可以作用于甲烷菌，阻断电子传递，并且在ATP合成过程中有解偶联的作用，从而减少甲烷的产生。体外研究已经证实了添加蒽醌能明显降低甲烷产量。④pH值对甲烷的调制：pH可以影响瘤胃内细菌种类和数量，调节瘤胃pH值可以有效地改变瘤胃发酵的产物，进而使乙酸:丙酸的比值减小，减少了甲烷的产生。常用降低pH值的缓冲剂有碳酸氢钠、氧化镁和碳酸钙等。

3.4 添加剂调制

①植物提取物：一些植物源性添加剂不仅具有营养作用，同时可以减少甲烷的产生。从茶科植物中提取的茶皂素、大蒜素、丝兰提取的丝兰皂苷、单宁、苹果酸以及芥花籽油等都可以抑制原虫的生长，降低甲烷的产量。周弈毅［19］的研究结果显示，添加茶皂素和瘤胃去原虫均可有效抑制湖羊的甲烷排放。②有机酸：有机酸已经被证明可以降低乙酸和丙酸的比例和甲烷的产量。它是通过提高其他菌对甲酸的利用从而对甲烷的生成进行调控。Kolver等研究发现，在以粗料为底物的发酵系统中添加3.5 g/L的富马酸后，瘤胃内甲烷的产量降低了38%［20］。③电子受体：瘤胃内存在多种可以利用H2和甲酸产生甲烷的菌群，添加这些细菌的电子受体如硫酸盐、硝酸盐等，可以改变电子流方向，使硫酸盐还原菌和产甲烷菌竞争氢气以减少甲烷的产生。Anderson等［21］的体外发酵试验表明，在瘤胃液中添加硝基化合物降低了92%的CH4，但瘤胃发酵效率并未受影响。④多卤素化合物：多卤素化合物抑制剂，如美兰、VB2、氯化甲烷以及三氯乙炔等对产甲烷菌均具有毒害作用，可以减少甲烷的产生。但研究发现，存在某些瘤胃微生物可以降解这些化合物，所以甲烷减排效果不太理想［22］。⑤离子载体：莫能菌素是应用最为广泛的抑制甲烷生成的离子载体类抗生素，它可以改变瘤胃发酵类型减少甲烷的产生。Odongo等［23］的研究表明，在精粗比为40:60的全混合日粮中添加24 mg/kgDM的莫能菌素，泌乳期奶牛甲烷的日排放量降低了7%。

3.5 免疫调控

开发产甲烷菌抗原的疫苗或具有降低瘤胃原虫活力的免疫原性制品，可以从根本上减少甲烷的产生，提高动物的生产性能［24］。

3.6 粪便中甲烷的调控

许多甲烷的减排措施，都会导致粪便中甲烷排放增加。例如提高精粗比、月桂酸代替硬脂酸、日粮中添加脂肪等措施，虽然可以减少胃肠甲烷的产生，但是却增加了粪便中甲烷的排放量。因此，合理利用微生物发酵技术，充分利用粪便中甲烷的能量才是甲烷减排最有效的方法［25］。

4 展望

在全球家畜的甲烷排放量中，反刍动物占97%［26］，全球反刍动物年产甲烷约7.7×107t，占散发到大气甲烷总量的15%，而且每年还以1%的速度递增，因此反刍动物甲烷减排必须引起大家足够的重视［27］。本文从饲养管理、生物学以及化学等方面综述了甲烷的减排措施。但是由于很多方法只是减少了瘤胃内甲烷的合成，却增加了粪便中甲烷的排放量，并且由于甲烷在大气中具有较长的半衰期以及较强的辐射吸收力，在短期内仍可以发挥增温效应，因此，开发抗甲烷产生菌疫苗或利用微生物及免疫学知识从根本上降低甲烷的产生，必然是未来研究的重点方向。

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Recent Development in the Methane Production，Measurement and Emission Control in Ruminants

Li En-kai，YangZai-bin
（College ofAnimal Science and Technology，ShandongAgricultural University，Taian 271018，China）

This paper reviewed the methane production mechanism，main mathanogen bacteria and methane synthesis pathway in the rumen ofruminant，alsodiscussed the measurement methods and measures toreduce methane emission.

methane；methanogen；generation mechanism；measurement；emission

S851.2

A

2095-3887（2014）05-0064-05

10.3969/j.issn.2095-3887.2014.05.020

2014-07-08

山东省良种工程

李恩凯（1994-），男，本科。

杨在宾，男，教授，博士。