全 文 ：主要生态环境变化对离体瘤胃菌丛
降解粗纤维能力的影响*
胡代泽 邓茂常 郎家文 谭祖群 王淑娟 杨 忠
(四川省自然资源研究所, 成都 610015)
摘要 瘤胃微生物动物体外发酵是在模拟反刍动物瘤胃生态环境的装置中进行的. 用
长期在动物体外培养和筛选、继代的瘤胃菌丛 905231 在人工瘤胃装置中研究主要生态
条件变化对其降解粗纤维能力的影响, 发现在温度 30 ~ 40 ! , 扰动 60~ 72 r∀min- 1、20
min∀h- 1和底物 C/ N 比为 10/ 1的生态条件下分解粗纤维的能力最强.发酵 5 d 可达到纤
维分解率 36~ 41%的水平.
关键词 瘤胃菌丛 生态条件 粗纤维分解率
Influence of ecoenvironment on crude f ibre resolvability of ruminal microbial flora in vitro
culture. Hu Daize, Deng Maochang , Lang Jiawen, Tan Zuqun, Wang Shujuan and Yang Zhong
( Sichuan Natural Resour ces Institute, Chengdu 610015) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 1997, 8
( 5) : 531~ 534.
With the equipments simulat ing the environment in a ruminant# s paunch the in vitro fermenta
tio n of ruminal microbial flora w as performed to study the influence o f major eco logical condi
tio ns on crude fibr e r esolvability. It shows that the crude fibre resolvability is the strongest at
the temperature of 30~ 40 ! , stir ring intensity of 60~ 72 r∀min- 1 wit h 20 min∀h- 1 and C/ N
of 10/ 1 in culture medium. The fibre resolv ing r ate may r each 36~ 41% after five days of fer
mentation.
Key words Ruminal microbial flora, Ecological condition, Crude fibr e resolvability.
* 国家自然科学基金资助项目( 39270017) .
1995年 10月 20日收稿, 1996年 8月 9日接受.
1 引 言
利用反刍动物瘤胃微生物降解粗纤维
的巨大功能来提高粗饲料的营养价值, 为
单胃动物开辟大宗饲料来源以发展节粮型
畜牧业,在耕地资源和饲粮供应都比较紧
缺的态势下意义十分重大. 但必须筛选出
优良离体菌丛并在工业化生产条件下保持
较高的粗纤维分解力,才有实际应用价值.
了解人工瘤胃装置中离体瘤胃菌丛生存与
繁殖对主要生态条件的适应范围, 摸清微
生态环境变化对优良瘤胃菌丛降解粗纤维
能力的影响, 才能为工业化发酵提供最基
本的调控参数, 把丰富的秸秆类饲料资源
经发酵后广泛用作单胃动物基础饲料这种
可能性变为现实.
本试验是在人工瘤胃发酵饲料工业化
生产技术研究已进行数年并取得成果的基
础上进行的. 905231 离体瘤胃菌丛已经
过 5年的继代培养和扩大应用.其菌群组
成比较简单而稳定,降解纤维能力较强,试
验中对温度、扰动强度、底物 C/ N 比等主
要生态条件进行了调控, 以观测其对该菌
丛降解粗纤维能力的影响.
应 用 生 态 学 报 1997 年 10 月 第 8 卷 第 5 期
CH INESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Oct. 1997, 8( 5)∃531~ 534
2 材料与方法
2. 1 供试材料
供试菌种系 1990 年从牛瘤胃内容物中分
离、培养、筛选定型的90523- 1 菌丛,供试前检验
其消化滤纸的能力正常. 发酵底物用干燥、无霉
变的新鲜稻草粉碎过筛, 草粉吸水膨胀率约为
118. N 源为( NH4 ) HCO3 , 微量元素添加剂为含
P、Ca、Cu、Mg、Zn、Mn、I、Co 等元素的无机盐配制
成的5%水溶液, 碱化剂为012%的 NaOH 溶液.
2. 2 试验方法及处理设置
试验在自行设计的人工瘤胃发酵装置内进
行.用 2 个 3 % 104 ml的圆形玻璃罐, 加不锈钢罐
盖用胶皮垫圈密闭. 罐盖上有可密闭的进料孔、
取样孔、测温孔、排气孔、滴入碱液孔. 用恒温水
浴槽调控温度,罐内有定时搅拌器调控搅动强度
(图 1) .
图 1 人工瘤胃发酵装置
Fig. 1 Fermented equipment of art ificial rumen.
1恒温水浴槽 Constant temperature bathing t rough, 2
园形玻璃罐 Circular glass pot , 3 紧固螺杆 T ight screw ,
4不锈钢罐盖 S tainless steel pot lid, 5 橡胶垫 Rubber
pad, 6 测温孔 Th ermometric hole, 7 进料孔 Material
putinto hole, 8 低速电机 Lowrate motor, 9 取样孔
S ampling hole, 10 桨叶 Oar leaf, 11 电热管 Elect ro
thermal tube, 12 控温探头 Control thermom etric probe,
13排气管 Exhaust tube, 14 滴碱液孔 Alkalin e solut ion
dripping hole, 15 碱量调节夹 Alkalin e solut ion regulator,
16.高位碱液瓶 High level alkaline solution bot tle, 17 电
子控时计 Elect ron cont rol t im er, 18 电子控温仪 Elec
t ron control thermometer.
处理设置是人工调控温度、扰动强度和底物
C/ N比 3个主要生态条件的变化. 设温度 40 ! ,
扰动 5 min∀h- 1和 C/ N 为 162∃1 为基础条件.每
个处理只变动其中一个条件 ,其它均维持基础条
件不变. 温度变化为 20、25、30、35 和 45 ! . 扰动
强度变化为不扰动、10、20、30 和 50 min∀h- 1 , C/
N 比变化为 12 3∃1、10∃1、84∃1. 以 5~ 7 d 为一
个发酵周期, 每处理均称取草粉 3 kg , 加入
0 12%碱液 15000 ml拌匀后碱化 48 h,第三天加
清水 15000 ml使草液比达到 1∃10, 接入菌种液
12000~ 16000 ml(根据镜检含活菌量适当加碱) ,
微量元素营养液 280 ml, 碳铵 120 kg ,分 2 份装入
1# 、2# 罐内作平行发酵试验.
2 3 取样及测定
在每一处理的整个发酵周期内, 每日上午定
时取样 1 次, 按常规方法测定草粉粗纤维分解
率; 每日上午各定时取样 1 次, 用 SY211ZJ1 型
低压钾钠快速分析离子色谱仪测定 VFA 的含
量. 同时测定发酵液的 pH 值 ;每日上下午各定时
取样 1 次, 经稀释和磁力搅拌器分散和染色后,
用 1500 倍生物显微镜对活菌观察计数, 并算出 1
ml发酵液的球菌、弧菌、杆菌含量和细菌总量; 每
个发酵周期结束前取样 1 次, 用凯氏定 N 法测定
其含 N 量并计算出粗蛋白质含量.
3 结果与讨论
31 温度变化对底物粗纤维降解的影响
试验各处理均能正常发酵, 2 个发酵
罐之间有一些平行误差但不显著,粗纤维
含量测定结果均以平均值为准(表 1) . 从
表 1可以看出,在 25 ! 以下时稻草粉的粗
纤维降解率较低,除最后一天升高较快外,
也只有 26~ 27%.而 30~ 40 ! 范围内粗纤
维降解率均在 36% 以上, 最高者接近
37%, 比 25 ! 以下的增加了 10% , 说明
905231菌丛虽有一定的耐常温的能力,
但仍以接近瘤胃内的温度为其最适范围.
45 ! 时热量增加, 而粗纤维降解率反而下
降.据观察, 50 ! 时瘤胃细菌存活很少,
45 ! 已接近发酵温度的上限.从发酵的动
态过程可以看出, 碱化草粉在入罐前纤维
分解率仅 063%,入罐后第一天粗纤维降
解最快 , 达17~ 27% . 后4d虽然继续降
532 应 用 生 态 学 报 8 卷
表 1 温度变化对粗纤维降解的影响(%)
Table 1 Effect of temperature change on crude fibre resolution
温 度
T empe
rature
( ! )
发酵天数 Fermentat ive days
1
含 量
Content
降解率
Resolved
rate
2
含 量
Content
降解率
Resolved
rate
3
含 量
Content
降解率
Resolved
rate
4
含 量
Content
降解率
Resolved
rate
5
含 量
Content
降解率
Resolved
rate
20 3212 1944 3205 1961 3091 2247 3065 2313 2876 2787
25 3305 1711 3156 2084 3086 2260 2967 2558 2915 2689
30 3100 2225 2916 2686 & & 2652 3348 2513 3697
35 3008 2455 & & 2841 2874 2757 3085 2535 3645
40 2900 2726 2873 2794 2821 2925 2670 3303 2526 3664
45 & & 3079 2277 2923 2669 & & 2744 3118
注:底物发酵前粗纤维含量为 3987% ,其它生态条件保持扰动 5 min∀h- 1, C/ N= 162/ 1不变,表中含量与降解率均
为 2罐平均数.
解,但速度相对减缓,只增加了 9~ 10%.
3∀2 扰动强度变化对粗纤维降解的影响
在人工瘤胃内进行密闭搅拌, 并以每
小时内连续搅拌时间的长短来调节扰动强
度的变化, 桨叶的转速控制在 60~ 72 r∀
min- 1之间. 试验各处理的测定结果见表
2. 进行密闭搅拌是模拟牛羊瘤胃的蠕动、
反刍和咀嚼的作用, 使瘤胃微生物增加与
底物的接触面, 防止发酵液产生浮壳而保
持均质状态.
表 2 扰动强度变化对粗纤维降解的影响(%)
Table 2 Effect of stirred intensity change on crude fibre resolution
扰动强度
S tirred
intensity
( min∀h- 1)
发酵天数 Fermentat ive days
1
含 量
Content
降解率
Resolved
rate
2
含 量
Content
降解率
Resolved
rate
3
含 量
Content
降解率
Resolved
rate
4
含 量
Content
降解率
Resolved
rate
5
含 量
Content
降解率
Resolved
rate
0 3046 2360 & & 2829 2904 2644 3368 2604 3469
5 2900 2726 2873 2794 2821 2925 2670 3303 2526 3664
10 3085 2262 3064 2315 2813 2945 2778 3032 2643 3371
20 3022 2420 2809 2955 2674 3293 2642 3373 2511 3702
30 & & 3048 2355 2789 3005 2688 3258 2606 3464
50 2946 2611 2845 2864 2781 3025 2711 3200 2599 3481
注:底物发酵前粗纤维含量为 3987% ,其它生态条件为温度 40! , C/ N= 162/ 1,搅拌器转速 60~ 72 r∀min- 1, 表中
含量及降解率均为 2罐平均数.
试验结果以不扰动即静置发酵效果最
差,发酵的前 3 d纤维降解率都较低, 而且
有明显的浮壳产生.当扰动强度为 5 m in∀
h- 1时, 已不产生浮壳, 纤维分解也较快.
达到 20 m in∀h- 1的扰动强度时, 纤维分解
更快, 最终降解率达到 3702%. 但扰动强
度继续增加至 30~ 50 m in∀h- 1时,虽然发
酵液十分均匀, 但纤维降解率已不再增加,
而且有下降趋势.可能强烈的紊流环境对
瘤胃菌丛的繁殖带来了不利影响. 对活菌
含量的镜检结果印证了这一推论. 在扰动
20∀min- 1时, 活菌数量在第二天即高达
905 % 109 个∀ml- 1,至发酵结束时也保持
在 623 % 109 个∀ml- 1的水平.比不扰动者
第二天才 235 % 109个∀ml- 1,最终只保持
200 % 109个∀ml- 1要高得多. 而扰动强度
增至 30 min∀h- 1和 50 min∀h- 1时,仅分别
保持 193 % 109 个∀ml- 1和 263 % 109 个∀
ml- 1的一般水平.
33 底物 C/ N比的变化对粗纤维降解的
影响
稻草是作物秸秆中粗纤维含量较高而
蛋白质含量较低的粗饲料, 其粗纤维含量
为 3987% ,粗蛋白质含量只有 41%, 连
同其它营养成份计算, C/ N 比约为 50/ 1,
为了保证发酵时 N 源的供给, 定量添加
5335 期 胡代泽等:主要生态环境变化对离体瘤胃菌丛降解粗纤维能力的影响
NH4HCO3至底物中来调控 C/ N 比并使发
酵液的 pH 值保持在 68~ 72之间. 经在
20∋C室温下静置预发酵 2 d才正式入罐发
酵,基础生态条件保持温度 40∋C 和扰动强
度为 30 min∀h- 1. 从表 3 可以看出, C/ N
比的变化对瘤胃菌丛分解粗纤维的能力产
表 3 C/ N 变化对粗纤维降解的影响(%)
Table 3 Effect of C/ N ratio change on crude fibre resolution
C/ N 比
C/ N
ratio
发酵天数 Fermentat ive days
1
含 量
Content
降解率
Resolved
rate
2
含 量
Content
降解率
Resolved
rate
3
含 量
Content
降解率
Resolved
rate
4
含 量
Content
降解率
Resolved
rate
5
含 量
Content
降解率
Resolved
rate
162∃1 & & 3048 2355 2789 3005 2688 3258 2606 3464
123∃1 2946 2611 2845 2864 2794 2992 2583 3521 2465 4068
100∃1 2789 3005 2645 3366 2365 4068 2466 3815 2341 4128
84∃1 2863 2819 2801 2975 2679 3281 2504 3720 2420 3930
注:底物发酵前粗纤维含量为 3987% , C/ N= 50/ 1,表中所列 C/ N 比是由加入碳铵量换算的.其它生态条件保持扰动
30 min∀h- 1,温度 40 ! ,表中含量与降解率均为 2罐平均数.
生了明显的影响.
以上结果表明, 在 N 源不足时, 虽然
粗纤维在 5 d内逐步降解,但最终只达到
3464%. C/ N 比降至 123/ 1 时, 粗纤维
降解率上升到 4068% . C/ N 比降至 10/ 1
时,瘤胃菌丛对纤维的分解明显加快,最终
达到 4128%的最好水平. 而 C/ N 比继续
下降至 84/ 1 时, 该菌丛降解粗纤维的能
力反而减弱, 最高才达到 393%. 活菌数
量观测的结果表明细菌的增殖速度和底物
含N 量增加呈正相关. 特别是 C/ N 比为
10/ 1 至 84/ 1 的范围内最明显. 如 C/ N
比为 10/ 1 时活菌总数从初始的 197 %
109个∀ml- 1逐步增至最终的 444 % 109
个∀ml- 1, C/ N 比为 84/ 1 时, 活菌总数从
初始的 320 % 109 个∀ml- 1逐步增至最终
的 612 % 109个∀ml- 1.虽然粗纤维降解率
没有提高, 但粗蛋白质的含量却从 C/ N 比
为 10/ 1 时的 635% 上升到 C/ N 比为
84/ 1时的 78%.这一现象与瘤胃细菌的
菌体蛋白质合成有关.
4 结 语
本试验对经过筛选的瘤胃微生物菌丛
用人工瘤胃装置进行发酵动力学研究. 其
装置的容积比植村定治郎[ 2]、施学仕[ 1]等
的半自动人工瘤胃装置都要大得多.
905231瘤胃菌丛以白色瘤胃球菌 ( Ru
minococcus albus )、黄色瘤胃球菌 ( R .
f lavef aciens)为主体, 少部分为溶纤维丁
酸弧菌( Buty rivibrio f ibrisolvens ) 和产琥
珀酸拟杆菌( Bacteroides succinogenes )等菌
群.因缺少原生动物和其它瘤胃细菌的共
同作用,其纤维降解能力比原生瘤胃微生
物生态系要差一些.但与 80年代初的研究
结果相比已有较大提高.目前可以肯定,该
瘤胃菌丛适应温度、扰动强度和底物 C/ N
比等主要生态条件的范围较广.而温度 30
~ 40 ! ,扰动强度 60~ 72 r∀min- 1, 20 min
∀h- 1,底物 C/ N 比为 10/ 1, 是人工瘤胃装
置内最适宜的生态环境. 在实验室中等规
模试验的结果,粗纤维降解率可以达到 36
~ 41%的较高水平.
致谢 杨雪梅、陈庆今同志参加了测定工作.
参考文献
1 施学仕、韩正康. 1983.瘤胃发酵的体外模拟 & & & 人
工瘤胃和山羊瘤胃纤毛虫培养中数量和 pH 及 Eh
变化的观察.南京农学院学报, 83( 1) : 122~ 126.
2 植村定治郎等编著 (天津市工业微生物研究所译) .
1979.发酵与微生物( .瘤胃发酵与微生物.北京:科
学出版社, 292~ 307.
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