全 文 ：基于挥发性脂肪酸化学计量模型体外预测
山羊瘤胃甲烷产量的精度*
王摇 荣1,2摇 杨玲媛1摇 王摇 敏2摇 邓近平1**摇 颜志成2,3摇 汤少勋2摇 周传社2摇 谭支良2
( 1湖南农业大学动物科学技术学院, 长沙 410128; 2中国科学院亚热带农业生态研究所, 长沙 410125; 3湖南农业大学园艺园
林学院, 长沙 410128)
摘摇 要 摇 利用挥发性脂肪酸 (VFA)的化学计量模型 [ CH4 = 0. 5Ace - 0. 25Pro + 0. 5But -
0郾 25Val,模型 1,式中,CH4、Ace、Pro、But 和 Val 分别表示甲烷、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的产
量]预测瘤胃甲烷产量的精度.选用常见的 10 种化学成分差异显著的饲料原料(包括 4 种精
饲料和 6 种粗饲料)进行体外模拟反刍家畜瘤胃发酵试验,测定发酵 72 h 后的 VFA 组成和
CH4产量.利用模型精度分析方法比较 CH4产量预测值与实测值间的差异.结果表明: 模型 1
估算的 CH4生成量普遍高于实测值,其偏差、斜率和随机误差分别为 62. 6% 、11. 7% 和
25郾 7% ,固定误差>70% .考虑到 VFA代谢生成氢的 80%用于合成 CH4,VFA化学计量模型表
达为模型 2[CH4 = 0. 8(0. 5Ace-0. 25Pro+0. 5But-0. 25Val)] .与模型 1 相比(均方预测误差 =
0郾 60),模型 2的预测精度大大提升(均方预测误差=0. 18),模型 2的偏差、斜率和随机误差分别
为 2. 1% 、5. 7%和 92. 3% ,固定误差<10% .模型 1认为 VFA生成过程所产生的氢全部被甲烷菌
用于合成 CH4,没有考虑氢代谢的其他途径,这是导致预测值大于实测值的一个重要原因.
关键词摇 化学计量模型摇 体外发酵摇 氢气摇 瘤胃甲烷摇 碳水化合物
*国家自然科学基金项目(31001023)、中国科学院战略性先导科技专项(XDA05020700)、“十二五冶国家科技支撑计划项目(2012BAD14B17,
2012BAD12B02)和中央驻湘科研机构技术创新发展专项(2013TF3006)资助.
**通讯作者. E鄄mail: dengjinping@ aliyun. com
2013鄄08鄄19 收稿,2014鄄02鄄14 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)05-1518-07摇 中图分类号摇 S11摇 文献标识码摇 A
Accuracy of predicting in vitro ruminal methane production in goats using volatile fatty acids
stoichiometric models. WANG Rong1,2,YANG Ling鄄yuan1, WANG Min2, DENG Jin鄄ping1, YAN
Zhi鄄cheng2,3, TANG Shao鄄xun2, ZHOU Chuan鄄she2, TAN Zhi鄄liang2 ( 1College of Animal Science
and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2 Institute of Subtropical
Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China; 3College of Horticulture Land鄄
scape, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25
(5): 1518-1524.
Abstract: This study was conducted to investigate the accuracy of predicting in vitro ruminal meth鄄
ane (CH4 ) production using volatile fatty acids (VFA) stoichiometric models [CH4 = 0. 5Ace-
0. 25Pro+0. 5But-0. 25Val] (model 1), where CH4, Ace, Pro, But and Val are the production
amounts of CH4, acetate, propionate, butyrate and valerate, respectively. Ten common feedstuffs,
including four concentrates and six roughages with a wide range of chemical composition were incu鄄
bated in serum bottles, and VFAs and CH4 production at 72 h were determined. The differences be鄄
tween the predicted and measured CH4 production were quantified using the model accuracy analy鄄
sis. The results showed that the predicted CH4 production amounts were generally greater than the
measured values obtained using the model 1, and the bias, slope and random error were 62. 6% ,
11. 7% and 25. 7% , respectively, indicating that fixed error exceeded 70% . By assuming 80% of
total hydrogen being used for CH4 synthesis, the VFA stoichiometric model could be re鄄expressed as
[CH4 =0. 8(0. 5Ace-0. 25Pro+0. 5But-0. 25Val)] (model 2). The root mean square prediction
error (rMSPE=0. 18) for model 2 was less than for model 1 ( rMSPE = 0. 60). In addition, the
bias, slope and random error of the model 2 were 2. 1% , 5. 7% , 92. 3% , respectively, indicating
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 5 月摇 第 25 卷摇 第 5 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2014, 25(5): 1518-1524
that fixed error was less than 10% . In model 1, hydrogen formation resulting from VFA production
were assumed to be totally consumed by methanogens for CH4 synthesis, without considering other
pathways of hydrogen metabolism, which was the main factor resulting in the higher predicted values
than the measured values.
Key words: stoichiometric model; in vitro fermentation; hydrogen; ruminal methane; carbohy鄄
drate.
摇 摇 气候变暖及其对环境的影响已经成为国际社会
关注的热点问题[1] . 据政府气候变化专门委员会
(IPCC)报道,最近 100 年(1906—2005 年),地球表
面平均温度上升了 0. 74 益,近 50 年的增温速率是
近 100 年的 2 倍[2] . 除二氧化碳(CO2)以外,甲烷
(CH4)是最主要的温室气体之一,全球 25%的温室
效应由 CH4 引起[3] . CH4 占所有温室气体的
16% [4],尽管总量少于 CO2,但相同体积 CH4 增温
潜能值(GWP)却是 CO2 的 25 倍[5] . 反刍家畜每年
排放 CH4 约 0. 8 伊 108 t,占人类活动排放总量的
33% [6];加之随着饲养数量的增加,全球牛、羊的
CH4 排放量预期每年以 1%的比例递增[7] .因此,反
刍家畜胃肠道 CH4 排放成为全球气候变化背景下
最受关注的热门课题之一.
目前许多研究发现,反刍家畜瘤胃内挥发性脂
肪酸(volatile fatty acids,VFA)的生成会伴随着氢气
的产生,这些氢气为瘤胃内甲烷菌生长提供主要能
量,并最终生成 CH4 [8] .因此,氢气是反刍家畜瘤胃
内 VFA、CO2 和 CH4 生成过程中的重要中间体. 大
量学者已经开始重视并着手研究瘤胃氢气生成路
径、氢气生成和消耗以及相关微生物种群等[9] . 最
近,科学家们开始以氢气动态平衡为核心,构建预测
胃肠道 CH4 排放量模型[10](如 IPCC Tier 3 等). Ke鄄
breab等[11]提出瘤胃 CH4 排放量可以通过 VFA 的
化学计量模型来预测,该模型是以 VFA 化学反应过
程为核心,以氢平衡为基础,根据 VFA 化学反应过
程中没有被利用氢的量来预测瘤胃内 CH4 的生成
量.但根据此方法预测瘤胃内 CH4 的生成量存在一
定误差,产生误差的主要原因是由于 VFA化学反应
过程中没有被利用的氢并不能全部用于瘤胃内 CH4
的生成. Czerkawski 和 Cheng[12]研究结果表明,山羊
瘤胃中的 CO2 利用大约 48%的氢,33%的氢用于
VFA的生成,12% 的氢用于微生物的合成,1% ~
2%的氢应用于脂肪酸生物氢化作用. 本研究选择
10 种营养成分差异较大的饲料原料,尝试通过体外
模拟瘤胃发酵试验并获取 CH4 和 VFA数据;在此基
础上,研究 VFA的化学计量模型预测瘤胃 CH4 产量
的精度,探索提高 CH4 产量预测精度的方法,旨在
为估算反刍家畜胃肠道 CH4 排放量提供方法支持.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 饲料样品
本试验选用 10 种饲料,分为两类. 第一类饲料
样品是 4 种常见的精饲料,分别为玉米、小米、麦麸
和荞麦.第二类饲料样品是 6 种常见的粗饲料,分别
为桂牧 A、桂牧 B、桂牧 C、桂牧 D、菊苣和高羊茅,6
种粗饲料来自于中国科学院环江喀斯特生态系统观
测研究站.其中,桂牧 A 和桂牧 B 分别为 2009 年 4
月 15 日桂牧一号的茎和叶,桂牧 C 和桂牧 D 分别
为 2009 年 11 月 19 日桂牧一号的茎和叶.
精饲料用“按比例分层抽样法冶分别取样 300 g
带回实验室,在鼓风干燥烘箱内 65 益烘干 24 h,然
后用微型植物粉碎机粉碎后过 1. 0 mm 筛. 粗饲料
样品用齐地面刈割法分别取样 300 g 带回实验室,
在鼓风干燥烘箱内 95 益杀青 0. 5 h,然后 65 益烘干
24 h,粉碎后过 1. 0 mm筛.
1郾 2摇 样品常规养分的测定
按常规方法[13]测定样品的粗脂肪 (EE)、粗蛋
白质 (CP)、粗纤维(CF) 、灰分 (Ash)、酸性洗涤纤
维 (ADF)、无氮浸出物 ( NFE)和中性洗涤纤维
(NDF)的含量.
1郾 3摇 人工瘤胃培养液
瘤胃液取自装有永久性瘤胃瘘管的成年浏阳黑
山羊,试验动物每天饲喂 2 次,饲喂时间为 7:00 和
17:00,自由饮水. 晨饲前 1 h 采集瘤胃瘘管中新鲜
瘤胃液,迅速装入保温瓶带回实验室.将采集的瘤胃
液用 6 层脱脂纱布过滤,量取 500 mL的瘤胃液迅速
加入到准备好的 2000 mL 人工瘤胃营养液中(瘤胃
液与人工瘤胃营养液体积比为 1 颐 4),制成混合人
工瘤胃培养液,人工瘤胃营养液的配制参照 Menke
等[14]的方法.整个过程的温度保持在 39. 5 益,通入
纯 CO2 以保持厌氧环境(以刃天青变成无色来判
断),用磁力搅拌器搅拌以保持瘤胃液与培养液混
合均匀.
91515 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 荣等: 基于挥发性脂肪酸化学计量模型预测反刍家畜瘤胃甲烷产量的精度摇 摇 摇 摇
1郾 4摇 体外培养试验
本研究使用的瘤胃体外培养装置由无纸记录仪
(江苏昆山双桥传感器测控技术有限公司)、压力传
感器(江苏昆山双桥传感器测控技术有限公司)、培
养瓶和水浴锅(DSHZ鄄300A,江苏太仓市实验设备
厂)组成.培养瓶中放入培养液和饲料样品后,瓶口
用反口胶塞和塑料盖密封. 在胶塞和塑料盖上插入
针管,针管通过三通阀连接压力传感器.
称取约 0. 6 g 样品置入 145 mL厌氧发酵瓶中,
每个处理设置 1 个平行,试验重复 3 批次(每次所
使用的瘘管羊不同). 每个发酵瓶中加入 60 mL 人
工瘤胃培养液,置于 39. 5 益水浴锅中进行培养.
1郾 5摇 分析样品采集与测定
1郾 5郾 1 CH4 气体的采集与测定摇 利用无纸记录仪实
时监控发酵瓶中的气压,并自动记录数据.气体采样
时间点为 2、4、6、8、10、14、24、36、48 和 72 h. 利用
5 mL注射器通过三通阀与发酵瓶相连接,抽取 5 mL
气体样品并储存于真空瓶中,用气相色谱仪(安捷
伦 7890A)测定气体样品中的 CH4 含量. CH4 产量
使用 Wang等[15]提出的计算公式:
驻VCH4 i = 驻VCH4gi + 驻VCH4hi = 籽P iCCH4 i + Vh ( CCH4 i -
CCH4 i-1)
VCH4n = VCH4 n-1 +驻VCH4n = 移
n
i = 1
驻VCH4i = 移
n
i = 1
籽PiCCH4i
+ VhCCH4n
式中:驻VCH4 i为在时间 ti-1和 ti之间生成的 CH4 体积
(mL);驻VCH4gi为在时间 ti-1和 ti之间释放到大气中的
CH4 体积(mL);驻VCH4hi是在时间 ti -1和 ti之间发酵瓶
中的 CH4 体积(mL);P i为 ti时测定的压强(kPa);籽
为发酵瓶中的压力与气体体积之间的相关常数
(mL·kPa-1);CCH4 i是 ti时发酵瓶中的 CH4 浓度,起
始浓度为 0(CCH40 =0);VCH4n是在 t=0 和 t=n之间发
酵瓶中 CH4 累积产量(mL);i 和 n 分别是放气的次
数和总放气次数,且 i臆n;Vh为发酵瓶上部空间体积
(mL).
1郾 5郾 2 发酵液样品采集与 VFA测定摇 72 h 发酵终止
后,取 2 mL发酵液,15000 r·min-1和 4 益条件下离
心 10 min后,取 1 mL上清液体,加入 0. 1 mL 25%偏
磷酸固定,静置 15 min 后,-20 益保存.样品在37 益
条件下解冻,15000 r·min-1和 4 益条件下离心
10 min,取 0. 8 mL 装于测定瓶中,在气相色谱仪(安
捷伦 7890A)测定发酵液样品中 VFA组分含量.
1郾 6摇 数据处理
1郾 6郾 1 估算 CH4 产量的 VFA 化学计量模型 摇 碳水
化合物在瘤胃微生物作用下降解生成 VFA过程中,
通常伴随着复杂的氢(电子载体)的生成与消耗过
程[16] .如乙酸和丁酸会伴随着大量氢的生成,一部
分氢用于合成丙酸和戊酸,没有被利用的氢在微生
物作用下生成溶解氢气[15] .一部分溶解氢气被甲烷
菌利用合成 CH4,没有被利用的溶解氢气成为气态
氢气[15-17] .在没有抑制剂的条件下,释放到大气中
的气体氢气浓度很低. 为此,Demeyer[18]根据 VFA
化学反应方程和氢平衡理论,提出了根据 VFA产量
预测 CH4 气体产量的化学计量模型.氢的合成和消
耗两个过程的化学方程式可以概括如下[10]:
氢的合成反应主要有:
C6H12O6(葡萄糖)寅2CH3COCOOH(丙酮酸) +
4H
CH3COCOOH + H2O 寅 Ace(乙酸)+ CO2+ 2H
2CH3COCOOH寅 But (丁酸)+ 2CO2
氢的合成总量(PH)为:
PH=4Ace+4But
氢的消耗反应主要有:
CH3COCOOH + 4H 寅 Pro(丙酸)+H2O
H2N(CH2) 4COOH+2H寅NH3+Val(戊酸)
氢的消耗总量(CH4)为:
CH=2Pro +2Val
根据以上化学反应方程,可以计算出剩余氢
(RH)的总量:
RH= PH-CH=4Ace+4But-2Pro -2Val
剩余氢被微生物作用生成溶解氢气,并全部被
甲烷菌合成 CH4:
CO2+ 4H2寅 CH4+ 2H2O
CH4 预测产量(模型 1)的计算公式:
CH4(mol)= RH / 8 =0. 5Ace-0. 25Pro + 0. 5But-
0. 25Val
1郾 6郾 2 模型精度分析摇 模型精度参考 Wang 等[19]使
用的计算方法,包括均方预测误差( rMSPE)以及偏
差(bias)、斜率( slope)和随机误差( random) [20],其
计算公式如下:
rMSPE = 移
n
i = 1
(VP i - VOi) 2
n
Bias = (VP - VO) 2
Slope = (Svp - rSvo) 2
Random = (1 - r2)Svo 2
r = 1n移
n
i = 1
(VOi - VO)(VP i - VP)
SvoSvp
0251 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
式中:VP i为样品 i体外发酵 CH4 产量的预测值;VOi
为样品 i体外发酵 CH4 产量的实测值;VP 为所有样
品体外发酵 CH4 产量预测值的平均值;VO 为所有
样品体外发酵 CH4 产量实测值的平均值;Svo为所有
样品体外发酵 CH4 产量预测值的总体标准差;Svp为
所有样品体外发酵 CH4 产量实测值的总体标准差;
n为样品数量;r为相关系数.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 饲料原料的化学成分
由表 1 可知,试验所使用的饲料原料的化学成
分差异很大.与桂牧、菊苣、高羊茅等粗饲料相比,玉
米、小米等精饲料的无氮浸出物(NFE)含量普遍偏
高,而酸性洗涤纤维(ADF)、中性洗涤纤维(NDF)
含量较低.另外,桂牧 C 和桂牧 D 的粗蛋白质含量
明显低于其他粗饲料,而 NDF 和 ADF 含量明显高
于其他粗饲料,这种差异很显然与收获季节有关.
2郾 2摇 饲料原料体外发酵 VFA和 CH4 产量
本研究使用的饲料原料包括精饲料和粗饲料,
碳水化合物组成复杂,经瘤胃微生物发酵后,产生的
VFA和 CH4 产量区别较大,分别在 2 ~ 8 mmol 和
0 ~ 2. 0 mmol之间.由表 2 可知,玉米和小米等精饲
料的 CH4、VFA及其各组分生成量明显高于其他饲
料.究其原因,相对于粗纤维饲料,精饲料更容易被
瘤胃微生物利用,从而生成较多的 CH4 和 VFA. 其
中,乙酸是 VFA产量的主要组成成分,占 60%以上.
另外,粗饲料乙丙比值普遍高于精饲料,这可能是因
为不同的饲料原料类型不同导致其 VFA 生成路径
不同造成的.
2郾 3摇 VFA与 CH4 生成量的关系
由图 1 可知,乙酸、丙酸和丁酸的生成量与 CH4
的生成量呈极显著正相关性(P<0. 01),其 R2分别
为 0. 6480、0. 7317、0. 7928,表明乙酸、丙酸和丁酸
的生成量越多,CH4 产量越高.根据氢的合成反应,
乙酸和丁酸生成过程伴随着大量氢产生,氢分压迅
速升高,刺激甲烷菌大量繁殖并合成 CH4 . 另外,根
据氢的消耗反应方程,氢分压迅速升高促进丙酸的
生成反应,使得丙酸产量增加.
表 1摇 饲料原料的化学成分 (%,干物质基础)
Table 1摇 Chemical composition of the selected feedstuffs (%, dry matter basis)
饲料原料
Feedstuff
干物质
Dry matter
粗蛋白质
Crude
protein
粗脂肪
Ether
extract
灰分
Ash
无氮浸出物
Nitrogen free
extract
中性洗涤纤维
Neutral
detergent fibre
酸性洗涤纤维
Acid detergent
fibre
玉米 Corn 87. 0 7. 8 5. 4 2. 3 83. 2 - -
小米 Millet 87. 4 10. 5 1. 0 1. 8 85. 6 - -
麦麸 Wheat bran 88. 6 19. 9 1. 4 6. 5 65. 4 - -
荞麦米 Buckwheat 87. 4 13. 5 4. 6 1. 0 79. 1 - -
桂牧 A Guimu A 92. 2 21. 1 8. 0 8. 8 35. 7 51. 0 33. 2
桂牧 B Guimu B 90. 9 25. 3 6. 2 7. 7 35. 4 49. 7 30. 1
桂牧 C Guimu C 92. 2 3. 4 3. 8 7. 9 37. 9 56. 4 62. 5
桂牧 D Guimu D 91. 9 3. 8 4. 2 8. 2 48. 0 51. 9 52. 5
菊苣 Chicory 88. 3 12. 6 4. 4 10. 0 41. 1 68. 0 41. 5
高羊茅 Tall fescue 89. 3 24. 3 5. 1 14. 0 40. 2 38. 2 40. 6
表 2摇 饲料原料 72 h 体外发酵生成挥发型脂肪酸(VFA)和 CH4 生成量
Table 2摇 VFA and CH4 production of feedstuffs after 72 h in vitro fermentation
饲料原料
Feedstuff
乙酸
Acetate
(mmol)
丙酸
Propinate
(mmol)
异丁酸
Isobutyrate
(mmol)
丁酸
Butyrate
(mmol)
异戊酸
Isovalerate
(mmol)
戊酸
valerate
(mmol)
VFA总量
Total VFA
(mmol)
CH4 产量
CH4 production
(mmol)
乙丙酸比
Ace / Pro
玉米 Corn 4. 57 1. 40 0. 08 0. 78 0. 21 0. 12 7. 15 1. 66 3. 27
小米 Millet 4. 83 1. 47 0. 09 0. 79 0. 27 0. 14 7. 60 1. 71 3. 28
麦麸 Wheat brain 2. 89 0. 68 0. 07 0. 52 0. 13 0. 09 4. 39 1. 40 4. 24
荞麦米 Buckwheat meters 4. 06 1. 15 0. 09 0. 80 0. 20 0. 09 6. 39 1. 90 3. 54
桂牧 A GuiMu A 2. 89 0. 59 0. 05 0. 36 0. 11 0. 06 4. 07 0. 74 4. 92
桂牧 B GuiMu B 3. 27 0. 65 0. 08 0. 41 0. 14 0. 08 4. 63 1. 20 5. 05
桂牧 C GuiMu C 1. 98 0. 46 0. 02 0. 19 0. 04 0. 02 2. 70 0. 96 4. 29
桂牧 D GuiMu D 1. 90 0. 50 0. 02 0. 16 0. 03 0. 02 2. 62 0. 83 3. 80
菊苣 Chicory 2. 86 0. 57 0. 03 0. 16 0. 05 0. 03 3. 70 0. 75 4. 97
高羊茅 Tall fescue 2. 99 0. 83 0. 04 0. 25 0. 06 0. 03 4. 21 1. 35 3. 59
12515 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 荣等: 基于挥发性脂肪酸化学计量模型预测反刍家畜瘤胃甲烷产量的精度摇 摇 摇 摇
图 1摇 VFA生成量与 CH4 生成量的关系
Fig. 1摇 Relationship between VFA and CH4 production.
2郾 4摇 VFA化学计量模型的预测精度
由图 2 可知,根据不同饲料原料体外发酵 VFA
生成量估算的CH4生成量普遍高于实际测定值. 模
图 2摇 基于模型 1( a)、模型 2(b)的 CH4 产量预测值与实
测值
Fig. 2摇 Predicted and observed values of CH4 production based
on model 1 (a) and model 2 (b).
黑色实线:CH4 产量预测值与实测值的回归线 Solid line was the re鄄
gression line between predicted and observed CH4 production; 黑色虚线
是 1 颐 1 的标准线 Dashed line was 1:1 standard line.
型 1 预测精度显示,偏差、斜率和随机误差分别为
62郾 6% 、11. 7%和 25. 7% (表 3).说明模型 1 预测所
产生的固定误差高于 70% ,CH4 产量预测值与实测
值间存在较大偏差.
表 3摇 模型预测精度分析
Table 3摇 Prediction accuracy analyses of models 1 and 2
模型
Model
回归方程
Regression equation
均方预测
误差
rMSPE
均方预测误差各组分
The components of
rMSPE (% )
偏差
Bias
斜率
Slope
随机误差
Random
1 OV= 0. 6838 PV+ 0. 1526 0. 60 62. 6 11. 7 25. 7
2 OV= 0. 7958 PV+ 0. 2893 0. 18 2. 1 5. 7 92. 3
PV和 OV分别是 CH4 产量的预测值和实测值. 模型 1: CH4(mol) =
0郾 5Ace-0郾 25Pro + 0. 5But-0. 25Val;模型 2: CH4(mol)= 0. 8(0. 5Ace
-0. 25Pro + 0. 5But-0. 25Val) PV, OV were predicted and measured
values of CH4 yields. Model 1: CH4(mol)= 0. 5Ace-0. 25Pro + 0. 5But
-0. 25Val ; Model 2: CH4(mol) = 0. 8(0. 5Ace-0郾 25Pro + 0. 5But-
0郾 25Val) .
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 饲料原料体外发酵 VFA和 CH4 产量
VFA是饲料中碳水化合物经瘤胃微生物发酵
的产物,是维持反刍动物生命和生产的主要能量来
源,为反刍动物提供其能量需要量的 70% ~ 80% .
VFA 包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸
等,其中,乙酸、丙酸、丁酸约占瘤胃发酵产生 VFA
2251 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
总产量的 95% 左右[21] . 不同饲料原料瘤胃发酵
VFA产量与饲料原料中的碳水化合物结构有关[22] .
精饲料含有较多的非结构性碳水化合物(如淀
粉和糖类),容易被瘤胃微生物降解,有助于甲烷菌
和纤毛虫繁殖,有益于瘤胃微生物的生长和繁殖,从
而生成较多的 CH4 和 VFA.粗饲料含有较高的结构
性碳水化合物,被瘤胃微生物降解和利用所需要的
时间较长,纤维分解菌的活性降低,而甲烷生成菌与
纤维分解菌存在共生关系,从而降低甲烷生成菌的
活性,CH4、VFA及其各组分生成量较低. 桂牧 C 和
桂牧 D的乙酸生成量低于桂牧 A 和桂牧 B,这是因
为收获季节引起的营养成分差异所致.
王丽凤[23]研究结果表明,当反刍家畜采食的饲
料中纤维含量越高时,CH4 产量越高,且随着饲料品
质的降低,反刍家畜瘤胃生成的 CH4 升高,这与本
研究中体外发酵试验结果不一致. 原因在于粗饲料
含有大量的纤维素、半纤维素等结构性碳水化合物,
其在瘤胃中的降解速度小于淀粉等多糖[24-25],而谷
物类精饲料含有大量的淀粉、可溶性蛋白、游离糖等
快速降解的物质[26-28] .由反刍家畜摄入的饲料伴随
着唾液和饮用水一起进入瘤胃,进入瘤胃的饲料颗
粒大小尺寸不同,流通速率也不相同[29-31] . 尽管精
饲料比粗饲料更容易在瘤胃中降解,但反刍家畜采
食的谷物类精饲料颗粒尺寸小于粗饲料,谷物类精
饲料比粗饲料更容易通过瘤胃,减少被瘤胃降解和
利用的时间[24,30-31],因而有可能降低了精饲料在反
刍家畜瘤胃降解过程中的 CH4 产量.
3郾 2摇 VFA 与 CH4 生成量的关系
桂牧 A、菊苣、高羊茅等粗饲料的乙酸 /丙酸值
普遍高于玉米、小米等精饲料(表 2).由此表明:粗
饲料的体外发酵以乙酸代谢通路为主,而精饲料则
以丙酸代谢通路为主. 氢分压迅速升高反过来会抑
制乙酸生成,促进丙酸生成;乙酸 /丙酸值与 CH4 生
成量呈强负相关性(R2 = 0. 5276). 动物试验研究表
明,随着日粮精饲料水平的提高,瘤胃中乙酸比例降
低,丙酸比例升高,瘤胃发酵从乙酸型向丙酸型转
变[32],这与本试验结果一致.
3郾 3摇 VFA的化学计量模型的预测精度
在利用模型 1 预测 CH4 产量过程中,预测值大
于实测值,主要原因可能是模型 1 认为 VFA 生成过
程所产生氢全部转化为溶解氢气,进而被甲烷菌用
于 CH4 合成,没有考虑氢代谢的其他途径.
本研究将供试 10 种饲料甲烷产量的实际测定
值与模型 1 预测值相比,并求得平均值为 0. 8.结果
说明,VFA化学反应过程中没有被利用的氢并未全
部用于瘤胃内 CH4 的生成,被甲烷菌用于合成 CH4
的氢仅占 VFA 生成过程所产生氢的 80% . Czerkaw鄄
ski和 Cheng[12]研究结果表明,山羊瘤胃中大约
48%的氢用于合成甲烷,33%的氢用于 VFA 的生
成,12%的氢用于微生物的合成,1% ~2%的氢应用
于脂肪酸生物氢化作用,其他因素利用了剩余 5%
的氢.说明山羊瘤胃中约 20%的氢用于微生物合
成、脂肪酸氢化以及其他未知因素.
本研究对 CH4 产量预测模型进行了改进,校正
成新的模型 2“CH4(mol) = 0. 8(0. 5Ace-0. 25Pro +
0. 5But-0. 25Val)冶.运用模型 2 所得 CH4 预测值与
实测值进行拟合的偏差、斜率和随机误差分别为
2郾 1% 、5. 7%和 92. 3% ,固定误差<10% .与原模型 1
相比,模型 2 的 CH4 产量预测值与实测值间的偏差
明显降低,模型的预测精度大大提升,其中由偏差和
斜率所引起的误差分别减少了 60%和 6% .
致谢 摇 感谢中国科学院亚热带农业生态研究所谭支良研究
员对英文摘要的修改.
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作者简介摇 王摇 荣,男,1990 年生,硕士研究生.主要从事反
刍动物营养研究. E鄄mail: wangrongfd@ 126. com
责任编辑摇 杨摇 弘
4251 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷