反刍动物甲烷排放测定和营养调控减排方法

■王 贝 许贵善 董利锋 刁其玉*

（1.中国农业科学院饲料研究所，北京100081；2.塔里木大学动物科学学院，新疆阿拉尔843300）

甲烷（CH4）作为一种主要的温室气体，对太阳光红外线能量具有很强的吸收能力，主要破坏大气中的臭氧层。尽管大气中CH4浓度很低，但由于CH4不同于二氧化碳（CO2）能够被植物利用，参与自然界的物质循环合成碳水化合物，导致释放后在大气中不断累积。研究表明，单位体积CH4的温室效应是CO2的20～25倍，对全球气候变暖的贡献率占到15%～20%[1]。据估计全世界动物CH4的排放量每年约8.0×107t，其中牛的CH4排放量约占73%（Kebreab等，2008）。CH4作为瘤胃正常发酵的产物而存在，化学性质很稳定，在体内很难被吸收，主要以嗳气的形式经口排出，这部分能量损失占总能摄入量的2%～15%[2]。因此，CH4气体减排有助于延缓地球气候变暖趋势，降低瘤胃发酵能量流失，提升生产效率。

本文就CH4生成机制、排放量测定方法和日粮营养调控进行综述，旨在寻找从根本上控制CH4产生量的方法，科学、合理地缓解反刍动物CH4排放。

1 甲烷菌及反刍动物甲烷排放机制

1.1 甲烷菌

甲烷菌是一类能将无机或有机物厌氧发酵转化为CH4和CO2的古细菌，属于严格厌氧的微生物，在营养类型上属于自养型或混合营养型，广泛分布于天然生态系统中，如湖泊、沼泽、海洋沉积物及反刍动物瘤胃等。甲烷菌又分为甲烷杆菌纲（Methanobacteria）、甲烷球菌纲（Methanococci）、甲烷微菌纲（Methanomi⁃crobia）和甲烷火菌纲（Methanopyri），这4个纲包括7目、14科、35属，其中甲烷微菌纲（Methanomicrobia）是研究最多的产甲烷微生物类群，包括4目、9科25属[3]。目前从反刍动物瘤胃中鉴定出的甲烷菌主要属于甲烷杆菌属（Methanobacterium）、甲烷短杆菌属（Methano⁃brevibacter）、甲烷微菌属（Methanomicrobium）和甲烷八叠球菌属（Methanosarcine）4个菌属[4-8]。

1.2 甲烷产生的机制

反刍动物瘤胃是一个大的厌氧发酵罐，内有大量的微生物相互作用、共同生存，保持着动态、稳定的内环境。动物采食饲料的大部分纤维物质、部分淀粉和一些其他的有机物质通过瘤胃微生物的降解作用进而消化利用，包括蛋白质、碳水化合物、挥发性脂肪酸（VFA）和气体。瘤胃微生物主要由大量的细菌、厌氧真菌、原虫和少量噬菌体组成，其中细菌数量最多，约每毫升瘤胃液1010～1011个。原虫由于其体积较大，虽然在数量上较细菌少（约每毫升瘤胃液105～106个），但在瘤胃微生态总量上也占相当大的比例，其中主要是纤毛虫。真菌游动孢子数量在每毫升瘤胃液103～105个之间[9-10]。甲烷菌是一种古细菌，随着动物日粮的不同在每毫升瘤胃液107～109浮动，其易受到日粮中纤维物质的影响。瘤胃发酵过程中产生的氢原子被甲烷菌转移吸收，维持正常的瘤胃发酵过程，同时也造成了大量能量的耗损。

反刍动物的CH4排放与它们特有的消化系统、营养素消化过程有关。瘤胃微生物能将碳水化合物和纤维素转化为反刍动物可消化利用的物质（包括乙酸、丙酸和丁酸等VFA），在厌氧发酵过程中产生大量的 CO2、氢气（H2）和CH4。甲烷短杆菌以CO2和 H2为底物经还原反应生成的CH4占瘤胃内CH4总量的82%[11]。CO2和H2主要来源为糖酵解中丙酮酸转变为乙酸和丁酸的过程，而丙酸可与甲烷菌竞争H2生成糖。因此，CH4产量与乙酸量、乙丙酸比值呈正相关，与丙酸量呈负相关[12]。甲烷菌通过种间氢转移将H2合成CH4，起到了降低瘤胃H2分压的作用，提高纤维分解菌的活力，同时纤维素消化程度增加。瘤胃内H2的大量积累，致使还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的氧化被抑制，其他还原性发酵产物（乳酸等）积累，瘤胃pH值降低，最终使粗饲料消化率降低，有益微生物的生长繁殖受阻[13]。甲烷菌在消除H2的同时，也使单位底物发酵产生的ATP数量增多，进而提高其他微生物的发酵能，尤其是纤维分解菌。

甲烷菌的存在也同样有益于瘤胃原虫，原虫表面附着有许多甲烷菌，甲烷菌和原虫之间也发生着种间氢传递。原虫细胞膜内壁存在许多种脱氢酶，能够催化特异底物脱氢，过程中产生的H2附着在原虫表面[14]。H2在抑制原虫的增殖的同时，能被原虫表面的甲烷菌利用合成CH4。将甲烷菌与原虫混合培养发现，原虫的发酵及ATP的生成量和利用率都得到大幅提高。因此，CH4生成过程有益于瘤胃生态系统的平衡。

以往研究显示，瘤胃产生的CH4占胃肠道CH4总量的94%，后肠道发酵仅占6%左右[15]。瘤胃中甲烷菌合成CH4主要有3种方式[4]：①CO2-H2还原途径。CO2在一系列酶和辅酶的催化作用下，与甲基呋喃化合，经过一系列反应，被H2还原生成CH4。②以甲酸、乙酸和丁酸等VFA为底物的合成途径。③以甲醇、乙醇等甲基化合物为底物的合成途径。瘤胃中CH4发酵初期和旺盛期，主要以CO2-H2还原途径为主，而在消化后期，与脂肪酸和醇等相联系的还原途径则生成较多的CH4。

2 甲烷排放的测定方法

2.1 直接测定法

2.1.1 呼吸代谢箱法

呼吸代谢箱是用于测定动物能量代谢的设备，主要有闭路循环式呼吸室、开闭式和开路循环式呼吸测热室三种，目前普遍采用的是开路式。呼吸代谢箱测定甲烷常用设备和仪器有，呼吸箱、空气管道、空调设备、气压计、真空泵与阀门、空气过滤器、流量计、温湿度计、干燥器和气体分析仪等[16]。

开路循环式呼吸测热室的基本原理是把待测动物放置于特制的密闭呼吸箱里，通过测定一段时间内呼吸箱内CH4浓度变化来计算CH4排放量。该方法能准确测定出完整呼吸道内（包括瘤胃和后肠道）发酵产生的CH4量，目前技术较成熟，是国际上公认的测定结果最为精确的方法。该方法不能测定自然生产条件下动物CH4产量，且单次测定动物的数量较少，动物要经过一定时间的训练，这种方法隔绝了动物与环境，动物与同伴之间的相互影响，不符合实际情况。同时成本较高，后期维护也需要大量人工，这些因素都限制了呼吸代谢箱在实际生产中的应用[17]。

2.1.2 呼吸头箱法和面罩法

呼吸头箱是将动物的整个头部封在一个箱体里，头箱里面放置有料槽和水槽，以维持在采样过程中的正常采食和饮水，呼吸面罩则相对轻便，只将动物口鼻部分罩住，采食和饮水固定时间打开。采用头箱和面罩测定甲烷常用的仪器设备有、头箱或面罩、空气管道、气压计、真空泵与阀门、空气过滤器、流量计、干燥器和气体分析仪等[16]。

基本原理与代谢箱法相似，是将动物的整个头部或口鼻部分罩住，通过泵的抽吸采集动物口鼻周围的气体（包括吸气和呼气）浓度，然后根据CH4浓度和空气流量计算CH4排放浓度。该方法操作简单，测试方便，能够适用于不同环境条件，但限制了动物自由采食和饮水，且忽略了后肠道的CH4排放量，降低了测量结果的精确度。同时，该方法也不适合群体和放牧条件下CH4的测定。

2.1.3 SF6示踪法

2.1.3.1 基本原理

高纯SF6气体在常温常压下是一种无色、无毒、不易燃烧、无腐蚀性的惰性气体，极难溶于水，具有良好的稳定性，其分子量较大（146 g/mol），在标准条件下密度约为6.08 kg/m3，相当于空气的5.1倍，是一种重气体，其化学惰性可与氮气（N2）等惰性气体相比拟。SF6气体具有优良的绝缘性，常用作灭弧介质，主要应用于电力传输和配电系统，作为断路器、高压变压器等广泛应用于高压开关领域。SF6气体可在高温电弧作用下发生分解，释放出有毒分解气体，绝大部分分解物都能在电弧熄灭后复合成SF6气体。SF6气体与周围气体混合速度较快，不发生沉降现象，空气中本底水平极低（ppt级），是一种良好的气体示踪剂。Johnson（1994）等通过大量试验证明了SF6气体对反刍动物和瘤胃内微生物均没有毒害作用，同时也不参与动物体和微生物代谢，也不与瘤胃内其他物质发生化学反应。

SF6示踪法基本原理是将已知渗透速率的SF6渗透管投入待测动物瘤胃中，使其以稳定低速释放SF6，SF6的物理性质与CH4类似，且在反刍动物呼吸和换气过程中随CH4一起排出。由于SF6的释放速度已知，当测得SF6和CH4的浓度后，就可计算出CH4释放速率，进而求得CH4排放量[1,18]。尽管SF6和CH4稀释程度变化与动物头数和周围空气运动有关，但由于CH4和SF6同时被排出，且在同一点用同一个采样器采样，所以CH4和SF6被空气稀释的程度相同，可不用测量动物呼吸和空气的交换率。

2.1.3.2 设备和仪器

SF6示踪技术测定CH4常用设备和仪器包括：SF6渗透管、高纯SF6气体（纯度为99.99%）、电子天平、生化培养箱、气体采样器、真空泵、真空表、气体流量计、压力表、集气罐和气相色谱仪等。SF6示踪技术在测量过程中所需其他试验材料还包括：兽用投药枪、高纯氮气（纯度为99.999%）、SF6标准气体和CH4标准气体等。渗透管由管体、减磨密封垫、渗透膜、支持垫和螺帽组成。所用到的气相色谱仪配备氢火焰离子检测器（FID）和电子捕获检测器（ECD），FID和ECD均使用5A分子筛色谱柱。

2.1.3.3 关键技术及准确性

具有恒定渗透速率的SF6渗透管是SF6示踪技术成功的关键性因素，通常使用相应的渗透管的质量损失斜率来计算SF6渗透管的渗透速率。对于所采集的气体样品和背景气体中ppt级SF6浓度、ppm级CH4浓度的分析技术也是测定结果准确性的关键技术。负压采气系统中，收集罐大小根据待测动物确定，采气过程中应有合适的气体流速。该技术较其他方法简便，具有较强的可操作性和广适性，可进行个体动物或群体动物的测试，其用于体内法准确度可达93%～95%[19]，体外法则可达到 100%[20]。

2.1.3.4 优缺点

SF6示踪技术作为可以准确评估自然放牧和生产条件下动物CH4排放量的实测技术，具有操作较简便、对动物刺激小等优点，结果也较为准确。樊霞等[21]研究发现，使用SF6示踪技术测定肉牛CH4排放量的结果较准确。郭雪峰[22]采用SF6示踪技术对内蒙古白绒山羊的CH4排放量进行了实测，结果表明该方法较体内法简便，结果也较为准确。SF6示踪法的广泛应用对于研究反刍动物CH4排放和开发减排技术有着重要意义。

SF6示踪技术需要在有稳定较小的风速或无风环境中进行，同时SF6是一种温室气体，其增温潜势约是CO2的10 000倍，尽管当前因科学研究释放的SF6远低于其他排放源，但在使用过程中还是应当合理控制SF6排放量。美国由于担心SF6在肉和奶中的残留问题，已经禁止使用该方法测定CH4产量。

2.2 间接测定法

间接测定法主要有体外模拟发酵法和体外产气法等。这些方法通过人为模拟厌氧环境来模拟瘤胃发酵环境，具有操作简便、结果稳定等优点。通过对SF6示踪技术、人工瘤胃法和体外产气法的比较发现，人工瘤胃法所测得的CH4排放量比SF6示踪法低，而体外产气法与SF6示踪法所测结果十分接近，因此，可以采用体外产气法建立不同饲料类型CH4排放的数据库[23-25]。间接测定具有成本低、省时和操作简便的特点，随着人工模拟技术的不断发展和应用，对于瘤胃CH4排放量的估测将会更加准确，在生产中也将会被广泛应用。

2.3 CH4排放的估测模型

在实测技术无法或难以进行的情况下使用间接估测也是较好的方法，近年来许多学者以大量试验研究为基础，提出了有关CH4产量的动力学模型，用以快速估测动物瘤胃CH4产量。估测CH4产量所选取的指标包括VFA产量、日粮组成和日粮消化率等，但结果精确性不够理想，但在急需一个大致数据又没有条件直接测定时，可用估测法。

赵一广[26]对8头肉用绵羊使用Sable开路循环式呼吸测热系统测定连续24 h瘤胃CH4排放量，经过回归分析得到：

① CH4(L/d)=4.250 BW(kg)-105.774（R2=0.671 3，BW为体重）；

② CH4(L/d)=44.034 DMI(kg)-6.514（R2=0.680 1，DMI为干物质采食量）；

③CH4(L/d)=2.813 BW(kg)+29.538 DMI(kg)-88.760（R2=0.900 7）。

其中，模型③预测的CH4排放量所获得的相关系数较高，同时涉及的自变量容易获取，因此具有很大应用价值。

3 优化日粮营养结构能够有效降低甲烷排放

目前有报道使用CH4抑制剂抑制CH4产量，如离子载体（莫能菌素和盐霉素等聚醚类）、电子受体（硝酸盐和硝基化合物）、多卤素化合物（氯化甲烷、水合氯醛、溴氯甲烷、氯化脂肪酸等）及除锈剂等农用化学制剂，然而化学试剂残留问题限制了实际生产中的应用。脂肪、脂肪酸、植物次生代谢产物等也可减少CH4产生，但也会影响瘤胃对粗饲料的降解力。粗饲料是营养而又经济的饲料来源，在反刍动物饲料中的用量也是一直以来的研究热点。因此，通过日粮精粗比来改变日粮成分，进而调节动物生产性能、畜产品质量以及CH4排放，综合考虑动物、日粮、微生物因素的组合措施，通过优化日粮配制提高生产性能，从而达到有效减少CH4排放的目的。

3.1 提高采食量

研究表明，干物质采食量与CH4排放量成正相关关系。采食量增大可以增加瘤胃食糜的通过率，降低营养成分在瘤胃的滞留时间，大量营养物质会进入小肠消化，减少了甲烷菌合成CH4的机会，从而降低单位采食量的CH4排放量。提高动物采食量，可适当增加精料比例，饲喂优质牧草提高适口性，从而降低单位采食量的CH4排放。但随着采食量的增加，总CH4排放量也可能增加，但单位采食量的CH4排放量呈下降趋势[27]。因此，采食水平只能够减少CH4生成过程中能量损失的相对含量，所以通过增加进食量来实现CH4减排不是根本解决办法。

3.2 适宜精粗比

瘤胃微生物发酵产生的CH4是动物胃肠道CH4排放的主要来源。合理搭配日粮营养结构能有效减少CH4排放量，适宜日粮精粗比是CH4减排的关键[28]。CH4排放量与瘤胃发酵类型高度相关[29]。高纤维日粮可加强纤维分解菌与产甲烷菌的共生关系从而影响甲烷产量。高精料日粮能使瘤胃pH值降低，进而抑制产甲烷菌与原虫的增殖，增加丙酸产量，丙酸发酵能与甲烷菌竞争底物氢，最终减少CH4排放量。而粗饲料含量高时，瘤胃内纤维分解菌大量增殖，瘤胃主要进行乙酸发酵，释放大量氢，底物氢的大量增加会刺激产甲烷菌的大量增殖，从而CH4排放量也随之升高。

吴爽等[30]研究发现，将羊草与玉米秸秆混合饲喂干奶期荷斯坦奶牛，可减少其瘤胃CH4产量，同时氮的利用率也会升高。马燕芬等[31]在饲喂奶山羊的试验中发现，粗饲料比例增加会增加CH4排放量；精饲料比例增加则可显著降低CH4排放量。对于以纤维性饲料为主的反刍动物，适当地增加精料添加量，能提高瘤胃内丙酸含量、降低乙丙比，从而提高饲料利用率，降低CH4产量[32]。娜仁花等[33]研究发现，适当增加精料含量可以大幅度减少CH4排放量。

过高的精料比例易引发一系列代谢病，如瘤胃急性、亚急性酸中毒、蹄叶炎和过肥等营养代谢病。程广龙等[34]在奶牛试验中发现，奶牛酮病、蹄叶炎和乳房炎的发病率随着精料比例的增加而增加。丁静美等[35]在饲喂杜泊×小尾寒羊杂交羯羊的试验中发现，在保持维持基础时，日粮NDF/NFC比例为1.05时甲烷排放量较低。孙红梅[36]研究发现，精粗比为70∶30时，牦牛瘤胃甲烷产量最低。此外，提高精饲料比例的同时会增加饲养成本，造成生产效益降低。有研究表明，瘤胃中乙酸发酵产生的氢在乙丙比为1∶2时可完全为丙酸发酵所利用，CH4合成过程因缺乏氢从而减少了产生量[37]；当瘤胃内碳水化合物全部发酵生成乙酸时，CH4能形式损失的量约为33%[38]。因此，应综合考量多方因素制定饲料配方。

3.3 饲喂鲜嫩多汁的优质牧草

增加饲喂鲜嫩多汁的优质新鲜牧草可减少CH4排放量。新鲜牧草适口性强，蛋白质含量高，纤维素较少，还保留了大量维生素及矿物质，具有草香味，能刺激动物味觉，提高食欲，长期饲喂新鲜牧草还可预防动物异食癖。研究表明，单位非结构性碳水化合物发酵产生的CH4产量低于半纤维素，而单位纤维素CH4产量是半纤维素的3倍。当动物采食富含可溶性碳水化合物日粮时，瘤胃降解率提高，乳酸和VFA含量增加，使瘤胃pH值下降，从而抑制了原虫和甲烷菌的活动，减少CH4排放量[39]。添加牧草或淀粉的饲喂量，可使瘤胃内进行低pH值和高降解率的协同作用，抑制原虫和甲烷菌的增殖，增加丙酸生成量，丙酸能经肝脏转变为组织成分，为生长和生产繁殖提供能量，进而提高饲料转化率，降低CH4排放量。

3.4 改善粗饲料品质

改善粗饲料品质，对于节粮型动物来说，在能提高采食量的同时，还可降低动物单位体重CH4排放量。温嘉琪等[40]用青贮代替全贮饲喂奶牛，能显著提高动物采食量和日增重，有明显的育肥效果。娜仁花等[33]研究发现，将玉米秸秆青贮后较直接饲喂动物可以明显减少CH4产量。玉米秸秆经青贮处理后，纤维结构膨胀疏松，增大了与微生物纤维素酶的接触面积，更易于消化，适口性和采食量得到大幅度提高的同时也可有效降低CH4产量。

3.5 适度的饲料加工方式

牧草的成熟度、不同的处理方式（物理、化学、生物）等对CH4产量均有一定程度的影响。CH4排放量随牧草成熟度的增加而呈上升趋势。牧草适当经切碎制粒后，牧草细胞壁被破坏，利用率提高，经发酵生成VFA比例发生变化，饲料利用率升高，可减少CH4排放的20%～40%。同时，经过加工处理的饲料更利于消化，可减少在瘤胃内停留时间，从而降低CH4排放量。但过度加工致使饲料在瘤胃内通过速率过快，这对有特殊消化代谢模式的反刍动物来说，会造成饲料利用率降低。所以在饲料的加工程度上，要将消化效率和饲料有效利用率两个因素综合考虑。因此，饲料颗粒化程度能影响消化率，改变食糜流通速率和瘤胃发酵类型，降低CH4生成量。

秸秆经青贮、氨化和碱化处理后，纤维素类物质分解程度增加，细胞壁膨胀，有利于微生物纤维素酶的渗入，提高消化率。经氨化法处理的饲料具有营养价值高、易消化，还可为微生物提供氮源等优点，可大大缩短动物饲养周期，且可明显降低单位畜产品CH4产量。

辛杭书等[41]发现，对水稻秸秆进行青贮、氨化和碱化处理，可以不同程度地改变瘤胃的发酵模式、微生物区系组成，减少CH4生成。桑断疾等[42]在饲喂新疆细毛羊时，用玉米青贮替代秸秆，CH4产量显著降低。

3.6 添加适当脂肪和蛋白质

脂肪和脂肪酸能在一定程度上抑制甲烷生成，可改变瘤胃VFA比例，提高日粮能量水平，提高动物生产性能。日粮中蛋白质和脂肪能通过调节瘤胃发酵模式而影响CH4产量[43]。张晓明等[44]测定了三种蛋白源对宣汉黄牛胃肠道CH4排放量的影响，结果显示豆粕组CH4量最高，菜籽粕组次之，最低的是棉籽粕组。研究发现，在日粮中添加不饱和长链脂肪酸能有效降低乙丙比约50%～60%，减少CH4产量约10%～15%。这主要是由于不饱和脂肪酸能与CH4竞争氢，从而影响CH4的生成量[2]。Mao等[45]研究发现，给动物日粮添加大豆油，甲烷菌数目显著降低，CH4产量降低13.9%。

3.7 改善饲喂程序

在饲喂程序上采用先粗料后精料顺序可使更多能量通过瘤胃，CH4产量降低。增加粗饲料和水的摄入可增加瘤胃食糜的后送速度，加大过瘤胃数量，减少CH4排放。Kreuzer等[46]发现，少量多次饲喂动物能提高瘤胃食糜流通速率，降低乙丙比，减少CH4产量。推行全价混合日粮以及混合饲喂技术也能提高饲料利用率，减少CH4产生。李长皓等[47]报道，奶牛精粗料分喂，CH4产量增加，混喂CH4产量减少。

3.8 舒适的环境温度

环境温度降低会引起动物瘤胃CH4产量降低。Fahey认为，随着温度降低，瘤胃发酵类型更趋于丙酸发酵，减少CH4产生。此外，也有学者认为温度降低会引起瘤胃食糜流通速率加快，从而降低CH4产量[4]。

4 结语

反刍动物瘤胃CH4的产生不仅是饲料能量的浪费，而且还会增强温室效应，造成全球气候变暖。准确测定反刍动物生产过程中CH4排放量是制定合理有效抑制措施的重要前提。因此，在保证动物营养均衡的前提下，采取绿色安全的营养调控措施，使用SF6示踪技术对反刍动物CH4排放量进行实测，研究反刍动物CH4排放规律，从营养学角度调控CH4产量，对提升畜牧养殖业的生产效率具有重要意义。