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

飼糧添加玉米蛋白對山羊瘤胃發酵、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

研究系統評估了用玉米蛋白粉（corn gluten, CG）替代日糧中的玉米粉（corn meal, CM）對山羊采食量、消化率、瘤胃發酵特性、微生物群落結構及甲烷排放的影響。以下是對論文的詳細總結。

 

摘要概括

摘要指出，用玉米蛋白粉替代玉米粉會提高日糧中的纖維、蛋白質和硫含量，同時降低淀粉含量。這種改變促進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估用玉米蛋白粉完全替代玉米粉對山羊的采食量、養分消化率、瘤胃發酵參數（包括溶解氣體、揮發性脂肪酸和氨濃度）、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日糧組成（如降低淀粉、增加纖維和硫）來調控瘤胃微生物代謝，進而影響甲烷生成。

 

研究思路

研究采用隨機區組設計，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個區組，每個區組內山羊隨機分配至兩種日糧處理組：

 

CM組：基礎日糧，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）。

 

實驗期包括28天適應期和19天數據收集期。數據收集包括：

 

采食量和消化率：測量干物質（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。

瘤胃發酵參數：在晨飼后0、2.5和6小時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）、揮發性脂肪酸（VFA）和氨濃度。

甲烷排放：使用呼吸室系統連續測量個體山羊的每日甲烷和二氧化碳排放量。

 

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

 

數據分析采用SPSS軟件，以日糧為固定效應、區組為隨機效應進行線性混合模型分析。

測量數據及其研究意義

以下列出關鍵測量數據、其來源（圖表編號）及研究意義：

 

采食量與消化率數據（來源：Table 3）

 

數據：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組有機物質（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現了營養組成的調整（纖維和蛋白增加、淀粉減少），消化率變化反映了纖維更難發酵，而蛋白更易利用，為后續發酵差異奠定基礎。

 

瘤胃發酵參數（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小時顯著增加63%（P < 0.001），6小時后降低15%（P = 0.04），存在日糧與時間的交互作用（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的時空變化證實硫還原作為競爭性氫匯；VFA譜變化反映發酵模式從淀粉驅動（丁酸生成）轉向纖維/蛋白驅動（支鏈VFA增加）。

 

甲烷排放數據（來源：Table 5）

 

數據：CG組每日甲烷排放量（g/d）降低22.3%，單位干物質攝入甲烷排放量（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，凸顯其環保應用潛力。

 

微生物豐度數據（來源：Table 6）

 

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

 

研究意義：日糧改變直接調控了微生物群落結構，纖維增加促進纖維分解菌生長，淀粉減少抑制淀粉分解菌，這解釋了發酵產物變化。

 

時間動態數據（來源：Figure 1）

 

數據：Figure 1通過曲線圖展示了dH2、dCH4和dH2S在晨飼后0、2.5和6小時的變化趨勢，CG組dH2S在2.5小時峰值顯著高于CM組。

 

研究意義：直觀顯示硫還原活動在喂食后迅速激活，強調了氫匯作用的瞬時性，為機制解釋提供時間維度證據。

 

研究結論

本研究主要結論如下：

 

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18-22%），且日糧硫含量處于安全范圍內（<2.5 g S/kg DM），無代謝疾病風險。

 

玉米蛋白粉可作為安全有效的替代飼料，用于降低反芻動物生產中的腸道甲烷排放。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

本研究中使用丹麥Unisense微電極測量了瘤胃內容物中的溶解硫化氫（dH2S）濃度，這部分數據具有關鍵的研究意義：

 

測量背景與數據：Unisense電極是一種高精度微傳感器，用于原位實時測量瘤胃液中的dH2S濃度。數據顯示（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小時出現峰值（+63%, P < 0.001），6小時后略有下降，表明硫還原活動在喂食后快速增強。

研究意義解讀：

 

直接證實硫作為氫匯的競爭性優勢：瘤胃中氫氣的主要去向是甲烷生成（由產甲烷菌完成）和硫還原（由硫酸鹽還原菌完成）。熱力學上，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，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制證據。

揭示氫代謝的時空動態：Figure 1的時間序列數據顯示，dH2S峰值出現在喂食后2.5小時，這與養分發酵產氫的高峰期吻合。Unisense電極的高時間分辨率捕捉到了這一關鍵窗口期，說明硫還原是響應日糧輸入快速啟動的活躍過程。這種動態變化有助于解釋為何CG組dH2和dCH4濃度持續較低——氫氣被優先用于硫還原。

評估安全性并提供應用邊界：通過定量測量dH2S濃度，研究確認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數據因此不僅證明了機制，還界定了這種干預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。結合微生物數據，表明日糧硫增加塑造了微生物功能，優化了氫流方向。這種由物理化學測量（Unisense電極）到生物學功能（微生物代謝）的鏈接，增強了研究的整體說服力。

 

總之，丹麥Unisense電極提供的dH2S數據是本研究的核心證據之一，它從化學計量學角度直接驗證了“硫作為氫匯減少甲烷”的假設，揭示了瘤胃內氫代謝的實時競爭關系，并為玉米蛋白粉的實際應用提供了安全和有效的科學依據。