調(diào)控瘤胃發(fā)酵對(duì)甲烷及共軛脂肪酸(CLA，CLnA)生成機(jī)制影響研究.pdf

1、一.研究意義及目的 1.1研究意義： 隨著人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類(lèi)生活質(zhì)量不斷提高，但全球暖化的效應(yīng)也持續(xù)加劇，暴風(fēng)雨、水災(zāi)、旱災(zāi)、熱浪和颶風(fēng)等天災(zāi)越趨頻繁猛烈。眾所周知，二氧化碳是第一大溫室氣體，甲烷是第二大溫室氣體，每噸甲烷造成全球暖化的威力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)二氧化碳。在諸多甲烷排放源中，反芻動(dòng)物是甲烷的主要排放源之一，其甲烷排放量占世界甲烷排放總量的25%。自從畜牧業(yè)對(duì)溫室氣體的“貢獻(xiàn)”引起全球關(guān)注以來(lái)，牛羊等牲畜就

2、成為環(huán)保專(zhuān)家們重點(diǎn)“整治”對(duì)象。甲烷是在反芻動(dòng)物瘤胃微生物在分解、發(fā)酵植物纖維的過(guò)程中產(chǎn)生的，以CO2+4 H2→CH4+2 H2O為甲烷的主要生成途徑。因此抑制反芻動(dòng)物“甲烷”排放對(duì)保護(hù)人類(lèi)賴(lài)以生存的自然環(huán)境具有非常重要的研究意義。 共軛啞油酸（Conjugated Linoleic Acid，CLA）是具有共軛雙鍵的啞油酸的一組構(gòu)象和位置異構(gòu)體，共軛亞麻酸（Conjugated linoleinic acid，CLnA）是具

3、有共軛雙鍵的亞麻酸的一組構(gòu)象和位置異構(gòu)體。反芻動(dòng)物脂肪中發(fā)現(xiàn)的共軛亞油酸與共軛亞麻酸有兩種來(lái)源：瘤胃微生物對(duì)亞油酸或亞麻酸的生物加氫作用和動(dòng)物組織從trans11C18：1的生物合成。CLA在人類(lèi)和動(dòng)物中具有重要的功能，特別是cis9，trans11C18：2（cis9，trans11CLA）和trans10，cis12C18：2（trans10，cis12CLA）不僅具有抗癌和促生長(zhǎng)作用，還具有降低體脂、增強(qiáng)免疫功能等生物學(xué)功能。近年

4、對(duì)CLnA的研究表明，CLnA具有比CLA更理想的抗癌、促生長(zhǎng)作用，和降低體脂、增強(qiáng)免疫功能等生物學(xué)特性。反芻動(dòng)物源食品是人類(lèi)通過(guò)天然食品攝入CLA和CLnA的唯一渠道。增加反芻動(dòng)物源食品中共軛亞油酸和共軛亞麻酸的含量，從而改善動(dòng)物產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)人類(lèi)健康具有重要的研究意義。 1.2研究目的： 在以基礎(chǔ)日糧添加共軛脂肪酸生成前體調(diào)控反芻動(dòng)物瘤胃脂肪代謝的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系列奶牛瘤胃微生物體外（in vitro）發(fā)酵試驗(yàn)和山羊體內(nèi)（

5、in vivo）代謝試驗(yàn)，利用瘤胃微生物種間對(duì)氧的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理，改變瘤胃內(nèi)代謝氧途徑，進(jìn)而影響亞油酸及亞麻酸的生物氧化機(jī)制，探討調(diào)控反芻動(dòng)物瘤胃微生物發(fā)酵作用下對(duì)共軛亞油酸、共軛亞麻酸及甲烷生成的途徑和機(jī)理。本研究旨在最大限度提高瘤胃微生物合成共軛脂肪酸（CLA，CLnA）的生物學(xué)效率的同時(shí)，最大限度抑制代謝過(guò)程中甲烷的生成效率。 二.主要研究結(jié)果概述 2.1試驗(yàn)一.丙酸生成前體對(duì)體外瘤胃微生物發(fā)酵特性及甲烷生成的影響

6、 在瘤胃內(nèi)，碳水化合物的降解過(guò)程可分為兩個(gè)階段：首先是復(fù)雜的碳水化合物在各種酶的作用于下降解成簡(jiǎn)單的糖類(lèi)，然后這些簡(jiǎn)單的糖類(lèi)迅速被微生物利用轉(zhuǎn)化成丙酮酸，丙酮酸再經(jīng)過(guò)各種代謝途徑進(jìn)行發(fā)酵，終產(chǎn)物為丙酸等揮發(fā)性脂肪酸及甲烷等產(chǎn)物。瘤胃微生物生成丙酸（propionate）的途徑主要有兩種，在正常情況下，二羧酸途徑（蘋(píng)果酸（malate）-琥珀酸（succinate）生成途徑）為丙酸生成主要途徑。富馬酸（fumarate）、蘋(píng)果酸作為瘤胃

7、微生物丙酸生成前體，可作為電子受體接受質(zhì)子氫生成丙酸。研究證明富馬酸和蘋(píng)果酸作為控制甲烷的有效途徑是轉(zhuǎn)移合成甲烷的前體-氫，從而抑制反芻動(dòng)物甲烷生成。本試驗(yàn)的主要目的是通過(guò)研究二羧酸途徑中丙酸生成的主要前體-富馬酸（Fumarate）和蘋(píng)果酸（malate）不同作用水平及化學(xué)類(lèi)型對(duì)體外瘤胃微生物發(fā)酵特性及甲烷的影響，為開(kāi)展后續(xù)系列研究確定最佳作用水平及化學(xué)類(lèi)型。 2.2試驗(yàn)二.丙酸生成前體對(duì)亞油酸（Linoleic acid）生

8、物合成共軛亞油酸（CLA）及甲烷的影響 本試驗(yàn)旨在研究丙酸生成前體在瘤胃微生物作用下對(duì)亞油酸（Linoleic acid，C18：2）代謝生物合成共軛啞油酸（CLA）及其脂肪代謝過(guò)程中對(duì)甲烷生成的影響。 2.3試驗(yàn)三.丙酸生成前體對(duì)亞麻酸（Linolenic acid）生物合成共軛亞油酸（CLA），共軛亞麻酸（CLnA）及甲烷的影響 本試驗(yàn)旨在研究丙酸生成前體在瘤胃微生物作用下對(duì)亞麻酸（Linolenic aci

9、d，α-C18：3）代謝生物合成共軛亞油酸（CLA）及共軛亞麻酸（CLnA）及其調(diào)控脂肪代謝進(jìn)程中對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響。 2.4試驗(yàn)四，富馬酸及多不飽和脂肪酸影響紅花油脂肪酸代謝生成CLA及甲烷的機(jī)理研究 本試驗(yàn)旨在研究丙酸生成前體（富馬酸）及多不飽和脂肪酸（C20：5，C22：6）在瘤胃微生物作用下對(duì)富含亞油酸（Linoleic acid，C18：2）的紅花油（safflower oil）代謝機(jī)制及其調(diào)控脂肪酸代謝過(guò)程中對(duì)

10、甲烷合成效率的影響。 2.5試驗(yàn)五.富馬酸及多不飽和脂肪酸影響亞麻子油脂肪酸代謝生成CLA，CLnA及甲烷機(jī)理研究 本試驗(yàn)旨在研究丙酸生成前體（富馬酸）及多不飽和脂肪酸（C20：5，C22：6）在瘤胃微生物作用下對(duì)富含亞麻酸（Linolenic acid，C18：3）的亞麻子油代謝機(jī)制及其調(diào)控脂肪酸代謝過(guò)程中對(duì)生成甲烷的影響。 2.6試驗(yàn)六.富含亞油酸的植物油對(duì)奶山羊瘤胃及乳脂中CLA含量及甲烷理論產(chǎn)量影響

11、 本試驗(yàn)旨在研究反芻動(dòng)物口糧中添加富含亞麻酸的植物油對(duì)奶山羊瘤胃及乳脂中CLA含量及甲烷理論產(chǎn)量的影響。選擇4只體況良好體重為65kg+15的Saanne奶山羊，安裝永久性瘤胃瘺管。以全價(jià)濃縮顆粒飼料（80%）與干黑麥草（20%）作為基礎(chǔ)日糧；分別添加黃豆油（富含亞油酸的植物油），碳酸氫鈉（瘤胃緩沖劑）和瘤胃素（莫能菌素，調(diào)控瘤胃發(fā)酵）。 三.研究結(jié)論： 3.1富馬酸和蘋(píng)果酸作為在“草酰乙酸-丙酸”途徑中生成丙酸的主要

12、前體，提高了丙酸生成量，有利于瘤胃微生物發(fā)酵。同時(shí)，在合成丙酸的代謝途徑中，作為電子受體接受氨電子合成丙酸，降低了甲烷的產(chǎn)生。在本試驗(yàn)中，添加24mM的丙酸前體（鈉鹽或酸形式）效果比較理想。 3.2富馬酸和蘋(píng)果酸在作為電子受體利用氫電子合成丙酸的代謝途徑中，影響了亞油酸及亞麻酸代謝中的生物氰化進(jìn)程，使CLA及CLnA生成效率得到提高。同時(shí)由于在上述代謝過(guò)程中氫電子的轉(zhuǎn)移，使甲烷生成菌利用二氧化碳和氫電子合成甲烷的效率被抑制。亞油

13、酸及亞麻酸在其代謝過(guò)程中也抑制了甲烷的產(chǎn)生。 3.3富馬酸和多不飽和脂肪酸不影響瘤胃微生物發(fā)酵。多不飽和脂肪酸富含多個(gè)不飽和雙鍵，雙鍵的氧化飽和作用影響了亞油酸的生物氫化作用，使CLA及CLnA生成效率提高，甲烷產(chǎn)量降低。富馬酸和多不飽和脂肪酸的協(xié)同作用，加快了代謝氫轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致CLA及CLnA生成量達(dá)到最高，甲烷產(chǎn)量降至最低。 3.4反芻動(dòng)物日糧中添加適量的富含亞油酸的植物油，可提高瘤胃與乳脂肪中CLA含量，降低甲烷理論

14、產(chǎn)量。 四.本研究的創(chuàng)新點(diǎn) 4.1綜合利用反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)碳水化合物及脂肪代謝途徑，研究丙酸生成前體、脂肪代謝的生物氧化作用及甲烷生成過(guò)程中瘤胃微生物種間代謝氫競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)丙酸生成前體利用代謝氧提高丙酸含量，使氧電子轉(zhuǎn)移降低甲烷生成效率，同時(shí)抑制脂肪酸生物氫化效率，使CLA和CLnA累積量提高；發(fā)現(xiàn)亞油酸和啞麻酸以及富含亞油酸或亞麻酸的植物油作用可抑制甲烷氣體的產(chǎn)生。 4.2發(fā)現(xiàn)丙酸生成前體與多不飽和脂肪酸

15、協(xié)同作用，可加快代謝氫的轉(zhuǎn)移，最大限度提高功能性共軛脂肪酸生成效率，最大限度降低甲烷產(chǎn)量。為反芻動(dòng)物提高功能性共軛脂肪酸含量及抑制甲烷產(chǎn)量的雙重目的提供了重要理論價(jià)值。 4.3對(duì)功能性脂肪酸CLA和CLnA進(jìn)行同時(shí)研究，發(fā)現(xiàn)CLnA的生物氫化速度比CLA較為緩慢。 4.4通過(guò)在奶山羊日糧中添加適量的富含亞油酸的植物油，發(fā)現(xiàn)瘤胃CLA生物合成量提高的同時(shí)，乳脂中CLA含量也得到相應(yīng)提高。同時(shí)發(fā)現(xiàn)亞油酸的生物氫化使甲烷理論產(chǎn)

16、量得到降低。 五.有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題 5.1本試驗(yàn)開(kāi)展的體外研究數(shù)據(jù)不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用到活體動(dòng)物條件下，有必要以本研究為基礎(chǔ)，開(kāi)展進(jìn)一步的活體動(dòng)物代謝與飼養(yǎng)研究，獲取必要的定量參數(shù)為實(shí)際生產(chǎn)提供重要的理論依據(jù)。 5.2多不飽和脂肪酸影響共軛脂肪酸生物氫化作用機(jī)制尚未明晰，有待于對(duì)其進(jìn)行更深入的理論研究。 5.3日糧中添加適量的富含亞油酸的植物油可抑制甲烷理論產(chǎn)量，但在實(shí)際生產(chǎn)中日糧中添加脂肪對(duì)反芻動(dòng)物的適應(yīng)