Effect of dietary corn gluten inclusion on rumen fermentation, microbiota and methane emissions in goats

飼糧添加玉米蛋白對(duì)山羊瘤胃發(fā)酵、微生物群和甲烷排放的影響

來源：Animal Feed Science and Technology S0377-8401(19)30669-8

 

論文總結(jié)

研究系統(tǒng)評(píng)估了用玉米蛋白粉（corn gluten, CG）替代日糧中的玉米粉（corn meal, CM）對(duì)山羊采食量、消化率、瘤胃發(fā)酵特性、微生物群落結(jié)構(gòu)及甲烷排放的影響。以下是對(duì)論文的詳細(xì)總結(jié)。

 

摘要概括

摘要指出，用玉米蛋白粉替代玉米粉會(huì)提高日糧中的纖維、蛋白質(zhì)和硫含量，同時(shí)降低淀粉含量。這種改變促進(jìn)了瘤胃中纖維分解真菌（如真菌和F. succinogenes）的生長，抑制了淀粉分解菌R. amylophilus的生長。增加的硫含量為瘤胃提供了額外的氫匯（hydrogen sink），導(dǎo)致瘤胃溶解硫化氫（dH2S）濃度上升，并減少甲烷排放。最終表明，玉米蛋白粉可作為降低反芻動(dòng)物腸道甲烷排放的替代飼料。

 

研究目的

本研究的主要目的是評(píng)估用玉米蛋白粉完全替代玉米粉對(duì)山羊的采食量、養(yǎng)分消化率、瘤胃發(fā)酵參數(shù)（包括溶解氣體、揮發(fā)性脂肪酸和氨濃度）、甲烷排放量以及特定微生物群落豐度的影響。研究旨在探究這種替代如何通過改變?nèi)占Z組成（如降低淀粉、增加纖維和硫）來調(diào)控瘤胃微生物代謝，進(jìn)而影響甲烷生成。

 

研究思路

研究采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，將24只雄性湘東黑山羊（平均體重17.5 kg）按體重和基線甲烷排放量分為12個(gè)區(qū)組，每個(gè)區(qū)組內(nèi)山羊隨機(jī)分配至兩種日糧處理組：

 

CM組：基礎(chǔ)日糧，含400 g/kg DM的玉米粉。

 

CG組：用玉米蛋白粉完全替代玉米粉（等量替代，400 g/kg DM）。

 

實(shí)驗(yàn)期包括28天適應(yīng)期和19天數(shù)據(jù)收集期。數(shù)據(jù)收集包括：

 

采食量和消化率：測量干物質(zhì)（DM）、中性洗滌纖維（NDF）、粗蛋白（CP）等的攝入量和全消化道消化率。

瘤胃發(fā)酵參數(shù)：在晨飼后0、2.5和6小時(shí)通過口腔胃管采集瘤胃液，測量pH、溶解氫氣（dH2）、溶解甲烷（dCH4）、溶解硫化氫（dH2S）、揮發(fā)性脂肪酸（VFA）和氨濃度。

甲烷排放：使用呼吸室系統(tǒng)連續(xù)測量個(gè)體山羊的每日甲烷和二氧化碳排放量。

 

微生物豐度：通過qPCR定量瘤胃內(nèi)容物中總細(xì)菌、真菌、產(chǎn)甲烷菌及特定細(xì)菌（如R. amylophilus、F. succinogenes）的基因拷貝數(shù)。

 

數(shù)據(jù)分析采用SPSS軟件，以日糧為固定效應(yīng)、區(qū)組為隨機(jī)效應(yīng)進(jìn)行線性混合模型分析。

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

以下列出關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)、其來源（圖表編號(hào)）及研究意義：

 

采食量與消化率數(shù)據(jù)（來源：Table 3）

 

數(shù)據(jù)：CG組顯著提高了NDF和CP攝入量（P < 0.001），但降低了淀粉攝入量；CG組有機(jī)物質(zhì)（OM）和總能（GE）消化率降低（P < 0.001），而CP消化率提高（P < 0.001）。

 

研究意義：表明日糧改變成功實(shí)現(xiàn)了營養(yǎng)組成的調(diào)整（纖維和蛋白增加、淀粉減少），消化率變化反映了纖維更難發(fā)酵，而蛋白更易利用，為后續(xù)發(fā)酵差異奠定基礎(chǔ)。

 

瘤胃發(fā)酵參數(shù)（來源：Table 4 和 Figure 1）

 

 

溶解氣體：CG組瘤胃dH2濃度降低43%（P = 0.009），dCH4濃度降低30%（P = 0.001）。dH2S濃度在晨飼后2.5小時(shí)顯著增加63%（P < 0.001），6小時(shí)后降低15%（P = 0.04），存在日糧與時(shí)間的交互作用（P = 0.03）。

VFA和氨：CG組丁酸鹽摩爾百分比降低（P = 0.004），但戊酸鹽、異丁酸鹽摩爾百分比和氨濃度顯著增加（P < 0.01）。

 

研究意義：dH2和dCH4降低表明氫代謝方向改變；dH2S的時(shí)空變化證實(shí)硫還原作為競爭性氫匯；VFA譜變化反映發(fā)酵模式從淀粉驅(qū)動(dòng)（丁酸生成）轉(zhuǎn)向纖維/蛋白驅(qū)動(dòng)（支鏈VFA增加）。

 

甲烷排放數(shù)據(jù)（來源：Table 5）

 

數(shù)據(jù)：CG組每日甲烷排放量（g/d）降低22.3%，單位干物質(zhì)攝入甲烷排放量（g/kg DMI）降低18.1%（P = 0.01）。

 

研究意義：直接證明玉米蛋白粉替代可有效減少甲烷排放，這與dCH4降低一致，凸顯其環(huán)保應(yīng)用潛力。

 

微生物豐度數(shù)據(jù)（來源：Table 6）

 

數(shù)據(jù)：CG組R. amylophilus（淀粉分解菌）16S rRNA基因拷貝數(shù)降低（P = 0.003），真菌18S rRNA基因拷貝數(shù)（P = 0.05）和F. succinogenes（纖維分解菌）16S rRNA基因拷貝數(shù)增加（P = 0.03）。

 

研究意義：日糧改變直接調(diào)控了微生物群落結(jié)構(gòu)，纖維增加促進(jìn)纖維分解菌生長，淀粉減少抑制淀粉分解菌，這解釋了發(fā)酵產(chǎn)物變化。

 

時(shí)間動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（來源：Figure 1）

 

數(shù)據(jù)：Figure 1通過曲線圖展示了dH2、dCH4和dH2S在晨飼后0、2.5和6小時(shí)的變化趨勢，CG組dH2S在2.5小時(shí)峰值顯著高于CM組。

 

研究意義：直觀顯示硫還原活動(dòng)在喂食后迅速激活，強(qiáng)調(diào)了氫匯作用的瞬時(shí)性，為機(jī)制解釋提供時(shí)間維度證據(jù)。

 

研究結(jié)論

本研究主要結(jié)論如下：

 

用玉米蛋白粉替代玉米粉有效降低了日糧淀粉含量，提高了纖維、蛋白質(zhì)和硫含量。

這種替代減少了瘤胃溶解氫和甲烷濃度，增加了溶解硫化氫，表明硫作為氫匯競爭性抑制了甲烷生成。

微生物群落響應(yīng)日糧變化：纖維分解微生物（真菌和F. succinogenes）富集，淀粉分解菌（R. amylophilus）受抑制。

最終，玉米蛋白粉替代顯著降低了甲烷排放量（降幅達(dá)18-22%），且日糧硫含量處于安全范圍內(nèi)（<2.5 g S/kg DM），無代謝疾病風(fēng)險(xiǎn)。

 

玉米蛋白粉可作為安全有效的替代飼料，用于降低反芻動(dòng)物生產(chǎn)中的腸道甲烷排放。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

本研究中使用丹麥Unisense微電極測量了瘤胃內(nèi)容物中的溶解硫化氫（dH2S）濃度，這部分?jǐn)?shù)據(jù)具有關(guān)鍵的研究意義：

 

測量背景與數(shù)據(jù)：Unisense電極是一種高精度微傳感器，用于原位實(shí)時(shí)測量瘤胃液中的dH2S濃度。數(shù)據(jù)顯示（Table 4和Figure 1），CG組dH2S濃度總體顯著高于CM組，尤其在晨飼后2.5小時(shí)出現(xiàn)峰值（+63%, P < 0.001），6小時(shí)后略有下降，表明硫還原活動(dòng)在喂食后快速增強(qiáng)。

研究意義解讀：

 

直接證實(shí)硫作為氫匯的競爭性優(yōu)勢：瘤胃中氫氣的主要去向是甲烷生成（由產(chǎn)甲烷菌完成）和硫還原（由硫酸鹽還原菌完成）。熱力學(xué)上，硫還原（ΔG° = -84.4 kJ/mol）比甲烷生成（ΔG° = -67.9 kJ/mol）更有利，能更高效地消耗氫氣。Unisense電極測得的dH2S濃度升高，直接證明了CG日糧中增加的硫含量被微生物用于還原反應(yīng)，生成了H2S，從而將氫氣從甲烷生成途徑“分流”出去。這為甲烷減排提供了直接的機(jī)制證據(jù)。

揭示氫代謝的時(shí)空動(dòng)態(tài)：Figure 1的時(shí)間序列數(shù)據(jù)顯示，dH2S峰值出現(xiàn)在喂食后2.5小時(shí)，這與養(yǎng)分發(fā)酵產(chǎn)氫的高峰期吻合。Unisense電極的高時(shí)間分辨率捕捉到了這一關(guān)鍵窗口期，說明硫還原是響應(yīng)日糧輸入快速啟動(dòng)的活躍過程。這種動(dòng)態(tài)變化有助于解釋為何CG組dH2和dCH4濃度持續(xù)較低——?dú)錃獗粌?yōu)先用于硫還原。

評(píng)估安全性并提供應(yīng)用邊界：通過定量測量dH2S濃度，研究確認(rèn)CG日糧的硫含量（約2.5 g S/kg DM）雖提高了dH2S，但未超過安全閾值（NRC推薦上限為4 g S/kg DM），未觀察到腦軟化等硫中毒癥狀。Unisense數(shù)據(jù)因此不僅證明了機(jī)制，還界定了這種干預(yù)策略的安全操作范圍。

 

連接日糧組成與微生物功能：dH2S升高間接反映了硫酸鹽還原菌的活性增強(qiáng)。結(jié)合微生物數(shù)據(jù)，表明日糧硫增加塑造了微生物功能，優(yōu)化了氫流方向。這種由物理化學(xué)測量（Unisense電極）到生物學(xué)功能（微生物代謝）的鏈接，增強(qiáng)了研究的整體說服力。

 

總之，丹麥Unisense電極提供的dH2S數(shù)據(jù)是本研究的核心證據(jù)之一，它從化學(xué)計(jì)量學(xué)角度直接驗(yàn)證了“硫作為氫匯減少甲烷”的假設(shè)，揭示了瘤胃內(nèi)氫代謝的實(shí)時(shí)競爭關(guān)系，并為玉米蛋白粉的實(shí)際應(yīng)用提供了安全和有效的科學(xué)依據(jù)。