反刍动物瘤胃氮代谢及其与瘤胃微生物相关性的研究进展

易思宇，张 洁，林 波，邹彩霞

（广西大学动物科学技术学院，广西南宁 530005）

反刍动物的瘤胃是一个密集多样的微生物生态系统，能够通过微生物发酵将低质量蛋白质和非蛋白氮转化为短链脂肪酸和微生物蛋白质等高质量的营养成分[1]。然而，在这种发酵过程中伴随着氨（NH3）和甲烷（CH4）的产生[2]。反刍动物对氮的平均利用效率只有25% 左右[3]，这意味着有大量的摄入氮未被动物利用，主要以尿氮（超过60%）的形式排出[4]。氮的低效利用不仅造成了饲料浪费，同时也造成了环境污染。尽管近年来许多研究致力于通过饲料养分调控瘤胃氮代谢来提高反刍动物的氮利用效率，并发现饲料养分中的能量和蛋白质对瘤胃氮代谢的影响尤为显著，但其中涉及的微生物学机理和调控机制尚未十分明了，导致反刍动物在实践中的整体氮利用效率依旧很低。瘤胃中的氮代谢是由瘤胃微生物所主导的，瘤胃内细菌、原虫与真菌三大微生物均参与了瘤胃中的氮代谢过程，能量和蛋白质可能通过影响瘤胃微生物而调控了氮代谢过程。因此，对能量和蛋白质与瘤胃微生物的关系进行更为深入、系统地探究至关重要。本文主要综述了瘤胃中氮代谢的过程、尿素氮循环、能氮平衡对瘤胃氮代谢的调控以及能量和蛋白质与瘤胃微生物之间的关系，为提高反刍动物氮利用率和减少氮排泄对环境污染的研究提供科学依据。

1 瘤胃氮降解

日粮中的蛋白质分为瘤胃可降解蛋白质和瘤胃不可降解蛋白质，瘤胃可降解蛋白质由非蛋白质氮和真蛋白质组成，其中真蛋白质在瘤胃中被降解为肽和氨基酸[5]。肽可被肽酶进一步水解成氨基酸或直接被水解成氨，而氨基酸则被瘤胃微生物所利用，生成微生物蛋白质，或进一步脱氨生成挥发性脂肪酸（VFA）、二氧化碳和氨[6]。瘤胃中氨基酸的脱氨作用是导致反刍动物氮利用率低下的主要原因之一[7]。

氨基酸的脱氨作用是由瘤胃微生物所介导，介导氨基酸脱氨的细菌主要有两类，第一类为数量多但脱氨活性较低的普通产氨细菌，如栖瘤胃普雷沃菌（Pievotella ruminicola）[8]和布氏普雷沃氏菌（Prevotella bryantii）等[9]；第二类为数量少但脱氨活性较高的细菌，即高效产氨菌（HAB）。高效产氨菌主要包括厌氧消化链球菌（Peptostreptococcus anaerobius）、斯氏梭菌（Clostridium sticklandii）和嗜胺梭菌（Clostridium aminophilum）等[10]。瘤胃中的原虫不仅可以进行脱氨作用，还可以通过吞噬细菌分解菌体蛋白而产生氨[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够产生少量氨[12]。

2 内源尿素氮循环及其调控

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质[13]；另一部分氨经门静脉随血液进入肝脏被合成为尿素，大部分随尿液排出体外[14]，其余部分尿素通过唾液或消化道上皮重新进入消化道[15]。进入消化道的尿素又可被再次降解成氨，而再被重新吸收进入肝脏，这便形成了内源尿素氮再循环机制[15]。减少尿中流失的尿素氮而增加进入消化道的尿素氮比例是增加反刍动物氮利用效率的一项有效措施。

2.1 饲料养分对尿素氮循环的调控 能量和蛋白质对尿素氮循环具有调控作用。有研究表明，随着饲料中粗蛋白质水平的增加，循环尿素氮的利用率下降[16-17]，说明高粗蛋白质水平可能不利于内源尿素氮的循环利用。樊艳华等[18]研究发现，周期性变动的低蛋白质水平显著降低了尿中尿素氮与肝脏中合成的尿素氮比例，表明变动性的低蛋白质水平有利于内源尿素氮的循环利用。Broderick[17]研究还发现，降低饲料中中性洗涤纤维比例而增加非纤维碳水化合物的比例可减少尿中尿素氮的排泄量，表明可发酵碳水化合物比例的增加使进入消化道的尿素氮比例增加。但Sun 等[19]发现，不同的能量源葡萄糖和淀粉对尿中尿素氮排泄无影响。Schuba 等[20]的芸萃分析表明，尿中尿素氮浓度与氮摄入量的相关性最强。而能量水平对尿素氮循环的影响可能小于蛋白质水平。Recktenwald 等[21]研究发现，淀粉水平对尿素氮循环中尿素分配比例的影响并不显著。因此，适当降低饲料中粗蛋白质水平，或平衡补充能量和蛋白质，或许能有效提高循环尿素的氮利用率。

2.2 瘤胃发酵参数和内环境对尿素氮循环的影响 瘤胃VFA 和pH 等均对尿素氮循环有影响。付彤等[15]研究表明，瘤胃中的丁酸可能通过影响尿素转运因子B2 而促进尿素氮转入瘤胃，说明瘤胃VFA 对尿素氮转运有刺激作用。Lu 等[22]研究发现，在短链脂肪酸和二氧化碳存在的情况下，尿素氮的转运量随pH 的降低而增加，在pH 下降到5.8 时达到峰值，成钟型曲线。Abdoun 等[23]也发现，单独改变pH 对尿素氮转运无影响，但在短链脂肪酸存在时，pH 从7.4 降低到5.4 显著影响了尿素氮的转运量，在pH 为6.2 出现峰值，这说明pH 能影响尿素氮循环，但单独改变pH 没有该效果。Abdoun 等[23]也发现，二氧化碳对尿素氮转运也有影响，但在pH 等于6.4 时影响最为显著，表明二氧化碳对尿素氮转运的影响程度依赖于pH。因此，瘤胃内环境和发酵参数对尿素氮循环有影响，但各影响因素之间的相关性还需进一步研究。降低循环尿素氮量是降低尿中尿素氮流失的另一项有效措施，这或许可以通过调控瘤胃相关微生物的数量或活性来调节瘤胃中氨态氮浓度而实现。

3 能氮平衡对瘤胃氮代谢的调控

反刍动物的氮利用效率取决于瘤胃中可发酵能量和可降解蛋白质之间的平衡[24]。有体内研究表明，给反刍动物饲喂易发酵的碳水化合物（如淀粉）显著降低了瘤胃中的氨态氮浓度[25]；在反刍动物的饲料中补充多种碳水化合物均降低了瘤胃中的氨态氮浓度，减少了尿氮排泄量，提高了氮的利用效率[21,26-27]，导致这一结果的原因或许是碳水化合物为瘤胃微生物合成蛋白质提供了能量，显著提高了瘤胃微生物捕获氨的速率，平衡了氨的生成速率，从而保持瘤胃氨态氮浓度处于适宜的范围内。但由于动物种类或评判标准存在差异，相关研究报道的瘤胃适宜氨态氮浓度范围也存在一定差异，如奶牛的适宜瘤胃氨态氮浓度为61.2～93.5 mg/L[28]或73.5 mg/L[29]，肉牛为85～187 mg/L[30]或3.5～290 mg/L[31]，羊为63～275 mg/L[32]或60～300 mg/L[33]。

相关研究表明，提高水溶性碳水化合物和粗蛋白质的比例会导致尿氮排泄量的降低和奶中氮含量的提高[34]，但由于反刍动物个体和种类之间存在差异，对能量和蛋白质之间的适宜比例还需要进行更多的研究论证。也有研究表明，蛋白质和能量同时补充提高了瘤胃微生物蛋白质的合成效率并降低了尿氮的排泄量[35-36]，说明同时补充能量和蛋白质使瘤胃中蛋白质降解速率和碳水化合物发酵速率趋于平衡，使得更多的氨态氮被合成为微生物蛋白质，而不是被合成尿素排出体外。因此，能氮平衡有利于提高反刍动物的氮利用效率，但该方法可能面临着不同反刍动物种类的最佳平衡浓度存在差异的挑战。

4 蛋白质和能量与瘤胃微生物的关系

4.1 蛋白质和能量与瘤胃细菌的关系 蛋白质水平和来源对瘤胃中不同的细菌种类有不同影响。Mullins 等[37]研究表明，给奶牛补充粗蛋白质增加了瘤胃细菌总数，但降低了白色乳球菌（Ruminococcus albus）数量；Yan 等[38]也发现，给牦牛饲喂较高水平的缓释尿素增加了软壁菌门（Tenericutes）数量，而降低了绿菌门（Chlorobi）数量，说明瘤胃中部分细菌的生长繁殖会受到较高粗蛋白质水平的抑制或者瘤胃微生物之间存在对蛋白质的竞争关系。Belanche 等[28]研究发现，降低饲料中的蛋白质浓度导致奶牛瘤胃细菌数量和多样性显著降低，但栖瘤胃普雷沃菌和反刍硒单胞菌（Selenomonas ruminantium）数量基本不受影响，说明部分细菌受蛋白质浓度的影响较小，但总体上瘤胃细菌总数量和多样性与蛋白质水平呈正相关。但也有研究表明较高的粗蛋白质水平降低了瘤胃细菌的总数量[39]，可能是由于该研究中使用的棉籽粕对瘤胃细菌的生长繁殖存在负面影响。Polyorach 等[40]的体外研究表明，不同氮源对不同瘤胃细菌的影响程度不同，酵母发酵木薯渣使细菌总数和黄色乳球菌（Ruminococcus flavefaciens）、琥珀酸纤维杆菌和白色乳球菌的数量较豆粕更多，可能是由于酵母刺激了瘤胃微生物的生长，以及为瘤胃微生物提供了生长所必须的维生素和有机酸等营养因子。因此，不同的蛋白质水平和种类对瘤胃中不同的细菌有不同程度影响，而酵母发酵产物可能更有利于大部分瘤胃细菌的生长。

能量对瘤胃中不同的细菌种类也有不同影响。有研究表明，在饲料中补充能量增加了牛链球菌和普雷沃氏菌属的数量，但显著降低了溶纤维丁酸弧菌（Butyrivibrio fibrisolvens）、乳杆菌属（Lactobacillus sp）和芽孢杆菌属（Bacillus sp）的数量[41-42]，说明瘤胃中部分细菌与能量水平呈负相关。能量源对瘤胃微生物也有影响。Belanche 等[28]研究发现，奶牛饲喂更多的中性洗涤纤维后其瘤胃细菌的物种多样性较淀粉更高，其中布氏普雷沃氏菌和牛链球菌的数量明显增加，但埃尔氏巨球菌（Megasphera elsdenii）数量显著降低，栖瘤胃普雷沃菌数量基本保持不变，造成这种结果的原因或许是由于中性洗涤纤维比淀粉包含更多种类的碳水化合物（如纤维素和杂多糖）。Liu 等[43]研究也证实，随着饲料中非纤维碳水化合物和中性洗涤纤维比例的提高，山羊瘤胃中的淀粉分解细菌、埃尔氏巨球菌和乳酸杆菌（Lactobacilli）的数量随之增加，说明瘤胃中大部分细菌可能更适合在酸性条件下生长繁殖。但Wanapat等[39]的研究发现，不同的能量源对瘤胃细菌数量的影响无差异，可能是由于瘤胃中大部分的细菌对该研究中所使用的木薯渣和米糠之间并无太大的偏好性。因此，不同的能量源对瘤胃细菌有不同影响，而瘤胃中大部分的细菌可能更偏好于中性洗涤纤维。

4.2 蛋白质和能量与瘤胃原虫的关系 瘤胃原虫在蛋白质降解过程中也起着十分重要的作用，并且其对瘤胃可降解蛋白质和瘤胃非可降解蛋白质均有分解作用[44]，而蛋白质对瘤胃原虫有调控作用。Belanche 等[28]研究发现，降低饲料中的蛋白质含量导致瘤胃原虫的数量和多样性显著下降，表明在一定的蛋白质浓度范围内，原虫的数量和多样性与蛋白质水平呈正相关关系。Wanapat 等[39]发现，水牛瘤胃原虫的数量并不受棉籽粕水平的影响，产生不同的研究结果可能是由于动物种类之间的差异或棉籽粕不受瘤胃原虫的喜爱。Franzolin等[45]研究发现，饲喂不同氮源的水牛瘤胃内原虫总数没有差异，但饲喂尿素后内纤毛虫（Entodinium）数量显著增加，而双烯虫（Diplodiniinae）在饲喂豆粕后数量显著增加。Polyorach 等[40]和Chanjula 等[46]的研究也发现，不同氮源对瘤胃原虫的总数量无显著影响。综上分析，不同的氮源对瘤胃内总原虫数量无影响，但对不同原虫种类会产生不同的影响。

能量对瘤胃原虫也有显著影响。张海波等[41]研究表明，在饲料中补充能量增加了瘤胃中原虫数量，说明原虫总数量与能量水平也呈正相关。有研究发现，不同的能量源对瘤胃原虫的数量和多样性有影响[28,39]，并且Belanche 等[28]还发现瘤胃原虫可能更偏好于中性洗涤纤维，这与瘤胃细菌相似。但Liu 等[43]研究发现，随着饲料中中性洗涤纤维比例的提高，山羊瘤胃中原虫的数量先增加后减少，说明瘤胃原虫在酸性较低的环境中生长繁殖受到抑制。Sato 等[47]研究发现，犊牛补充碳水化合物后瘤胃中内纤毛虫、异鞭虫（Isotricha）、厚毛虫（Dasytricha）和前毛虫（Epidinium）的数量增长了3～12 倍，尽管随着碳水化合物在瘤胃内消耗，原虫的数量会逐渐回缓，但回缓到稳定水平的原虫数量却高于之前稳定水平，这可能是因为犊牛自身瘤胃发育或原虫适应了长期能量补充所导致，但对于长期补充能量是否会导致瘤胃原虫数量的永久性增长还需要更多的研究验证。总的来说，瘤胃中原虫数量会受到不同能量源以及能量水平的影响，并且在一定数量范围内其可能更偏好于中性洗涤纤维。

4.3 蛋白质和能量与瘤胃真菌的关系 瘤胃真菌在瘤胃中也有降解蛋白质的作用，但其蛋白质水解活性相对于瘤胃细菌和原虫较低[44]，而蛋白质与瘤胃真菌的关系也十分复杂。Belanche 等[28]研究发现，降低蛋白质浓度显著降低了瘤胃真菌的数量和多样性，表明瘤胃真菌的总数量和多样性与蛋白质水平也呈正相关。然而，Wanapat 等[39]研究发现，棉籽粕水平对瘤胃真菌数量无显著影响，这说明棉籽粕可能同样不适合于瘤胃真菌的生长繁殖。Yan 等[38]研究发现，牦牛采食较高浓度的缓释尿素增加了瘤胃中大多数真菌数量，但显著降低了明梭孢属（Monographella sp）、毕赤酵母属（Pichia sp）和地丝菌属（Geotrichum sp）的数量，说明部分瘤胃真菌的生长繁殖甚至会受到高粗蛋白质水平的抑制。Chanjula 等[46]研究发现，对奶牛饲喂木薯其瘤胃真菌数量较饲喂玉米更多，表明不同的蛋白质源对瘤胃真菌也有不同影响。Polyorach 等[40]发现不同能量源对瘤胃真菌总数量的影响无差异，这或许是由氮源的氨基酸组成决定的。Messana 等[48]研究发现，使用干甘蔗酵母代替一定量棉籽残渣后，尽管粗蛋白质浓度增高，但显著降低了瘤胃中真菌数量，表明蛋白质源可能比蛋白质水平对瘤胃真菌数量的影响更大。

能量对瘤胃真菌也有不同影响。如Mullins 等[37]研究发现，不同的能量源对瘤胃真菌数量有一定程度影响。Belanche 等[28]也发现，相比于淀粉，奶牛饲喂更多的中性洗涤纤维显著增加了瘤胃真菌的数量和多样性，说明不同的能量源对瘤胃真菌的影响程度不同，中性洗涤纤维可能更适合于大多数瘤胃真菌的生长。然而，Wanapat 等[39]发现，木薯渣和米糠作为不同的能量源饲喂水牛后，其瘤胃真菌数量并无显著差异，这可能是由能量源中不同碳水化合物组成导致的。此外，Dias 等[49]研究表明，奶牛饲喂纤维含量较低的饲料时，瘤胃中细菌数量发生显著变化，而真菌数量变化却并不明显，说明不同的能量源对瘤胃细菌和真菌的影响程度也存在差异。总体上，瘤胃微生物总数量在一定范围内与能量和蛋白质水平呈正相关，但不同的能量和蛋白质水平及种类对瘤胃中不同微生物种类存在不同程度的影响。

5 小 结

目前，能量和蛋白质的平衡补充在提高反刍动物氮利用率和减少氮排泄量方面取得了一定效果，但能量和蛋白质与瘤胃中微生物的关系十分复杂，而且它们之间的相关关系也并不明确。今后的研究需要进一步探究不同的能量和蛋白质来源和水平与瘤胃微生物的相关关系。在保证饲料养分能满足动物需求和不影响动物生产效率的情况下，通过调节饲料养分来调控相关微生物的数量或活性以控制瘤胃中氨态氮浓度，将是一个较有前景的研究领域。