探究不同基础日粮（青贮草料与青贮玉米）与3-硝基氧丙醇互作对奶牛瘤胃发酵、甲烷排放动态及微生物组的影响

《Journal of Dairy Science》：Investigating interactions between grass silage– or corn silage–based diets and 3-nitrooxypropanol on fermentation and methane emission dynamics and rumen microbiome in dairy cattle

本研究针对如何有效降低反刍动物肠道甲烷（CH4）排放这一关键问题，探讨了基础日粮（BD）组成（青贮草料GS vs. 青贮玉米CS）与甲烷抑制剂3-硝基氧丙醇（3-NOP）的互作效应。研究通过双4×4拉丁方设计，结合气候呼吸室（CRC）和瘤胃微生物组分析，发现3-NOP（80 mg/kg DM）可显著降低CH4排放量（平均减排约20%），并增加氢气（H2）排放，同时改变瘤胃挥发性脂肪酸（VFA）谱，促进Wood-Ljungdahl途径（产乙酸作用）。结果表明，3-NOP在不同日粮背景下均能有效抑制甲烷生成，为开发针对性减排策略提供了重要理论依据。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，减少温室气体排放已成为国际社会的共同目标。在畜牧业中，反刍动物（如奶牛）因其独特的消化系统，在肠道发酵过程中会产生大量甲烷（CH₄），这是一种强效温室气体。据估计，奶牛生产系统中超过92%的甲烷排放来源于此。因此，开发有效的甲烷减排策略对于实现农业可持续发展至关重要。在各种减排方法中，使用饲料添加剂，如3-硝基氧丙醇（3-NOP），因其能特异性抑制甲烷生成的关键酶而备受关注。然而，3-NOP的减排效果可能受到基础日粮（BD）组成的显著影响。例如，先前研究表明，在高淀粉日粮（如以青贮玉米CS为基础的日粮）中，3-NOP的减排效果可能优于高纤维日粮（如以青贮草料GS为基础的日粮）。但其背后的机制，特别是对瘤胃微生物群落和发酵动态的影响，尚不完全清楚。为了深入探究日粮组成与3-NOP之间的相互作用及其对甲烷排放和瘤胃功能的影响，由Sanne van Gastelen、Jan Dijkstra等人组成的研究团队在《Journal of Dairy Science》上发表了一项深入研究。

为了回答上述问题，研究人员设计了一项严谨的动物试验。他们采用了双4×4拉丁方试验设计，使用8头带有瘤胃瘘管的多产荷斯坦-弗里生奶牛作为试验动物。试验采用2×2因子设计，两个因子分别是基础日粮（GS：66.5%青贮草料+33.5%精料；CS：54.2%青贮玉米+12.7%青贮草料+33.1%精料）和3-NOP添加水平（0或80 mg/kg DM）。每个试验期持续17天，包括14天的适应期和3天的测量期。测量在先进的气候呼吸室（CRC）中进行，以精确监测气体排放（如CH₄, H₂, CO₂, O₂）。同时，研究人员还采集了饲料、粪便、牛奶和瘤胃液样品，用于分析营养成分、表观全肠道消化率（ATTD）、牛奶成分、瘤胃pH值（使用Dascor记录仪连续监测）、挥发性脂肪酸（VFA）和氨氮（N-NH₃）浓度。此外，还利用宏基因组学技术（如Illumina NovaSeq 6000测序平台）对瘤胃微生物群落进行了深入的分类学和功能（如KEGG通路分析）分析。关键的计算包括能量和氮平衡、脂肪和蛋白质校正奶（FPCM, ECM）以及基于瘤胃pH数据的逻辑曲线参数分析。统计分析则采用了SAS的MIXED过程以及R语言中的多种包（如LIMMA, clusterProfiler）来处理重复测量数据和进行差异丰度分析。

养分摄入和消化率

研究结果显示，日粮基础（BD）和3-NOP的添加对养分摄入和消化率存在交互作用。与GS日粮相比，CS日粮显著提高了干物质采食量（DMI）和有机物（OM）摄入量，但降低了中性洗涤纤维（NDF）的表观全肠道消化率（ATTD）。当添加3-NOP时，DMI有所下降。在表观消化率方面，BD和3-NOP对干物质（DM）、有机物（OM）、粗蛋白（CP）和淀粉的ATTD存在显著的交互作用。例如，在不添加3-NOP（NOP0）时，CS日粮的DM、OM和总能（GE）的ATTD低于GS日粮；而添加3-NOP（NOP80）后，CS日粮的CP消化率显著提高。这表明日粮组成影响了3-NOP对养分消化利用的效果。

泌乳性能

在泌乳性能方面，未观察到BD与3-NOP之间存在显著的交互作用。与GS日粮相比，CS日粮提高了乳蛋白含量和产量，但降低了乳脂含量和饲料效率。3-NOP的添加对产奶量、乳成分和饲料效率均无显著影响，尽管DMI有所降低。这表明在本试验条件下，3-NOP的添加并未对奶牛的产奶性能产生负面影响。

能量和氮平衡

能量和氮平衡分析揭示了BD与3-NOP之间在某些指标上的交互作用。例如，在蛋白质形式沉积的能量和氮平衡方面，CS日粮仅在NOP0时低于GS日粮；而添加NOP80后，CS日粮的这两项指标均有所提高。总体而言，CS日粮导致了更高的粪能、产热量和尿氮排泄，但降低了MEI/GEI的比值和总能量沉积。3-NOP的添加显著降低了甲烷排放产生的能量损失，但对氮平衡相关指标没有显著影响。

瘤胃发酵和pH值

对瘤胃发酵参数的连续监测发现，BD和3-NOP对总挥发性脂肪酸（VFA）浓度和个别VFA的摩尔比例有显著影响。时间（采样点）是一个关键因素，饲喂后VFA浓度显著升高。CS日粮的总VFA浓度低于GS日粮。3-NOP的添加导致VFA谱发生变化，乙酸比例下降，而丙酸和丁酸比例上升，乙酸/丙酸比值降低。对于瘤胃pH值，虽然BD本身没有显著影响，但3-NOP的添加提高了瘤胃pH的拐点值，并显著减少了pH值低于5.8和6.0的持续时间及曲线下面积，表明3-NOP有助于缓解瘤胃酸化的风险。

气体交换

气体排放数据显示，3-NOP的添加显著降低了甲烷（CH₄）的所有排放指标（例如，CH₄产量平均降低约20%），同时大幅增加了氢气（H₂）的排放（增加了约7.6倍）。虽然BD与3-NOP对CH₄排放的交互作用未达到统计学显著性，但数值上CS日粮结合3-NOP的减排效果（-25.9%）优于GS日粮结合3-NOP（-12.9%）。H₂排放的增加也呈现类似趋势。气体排放存在明显的昼夜波动，与饲喂事件密切相关。CS日粮还导致了更高的二氧化碳（CO₂）产量和氧气（O₂）消耗。

瘤胃微生物组

宏基因组学分析表明，基础日粮（BD）是驱动瘤胃微生物群落结构和功能变化的最主要因素，而3-NOP的添加对其影响相对较小。CS日粮与GS日粮的微生物群落存在显著差异，例如CS日粮中乳杆菌科（Lactobacillaceae）和双歧杆菌科（Bifidobacteriaceae）的相对丰度较高，而GS日粮中普雷沃菌科（Prevotellaceae）的相对丰度较高。在功能层面，3-NOP的添加显著抑制了氢营养型和甲基营养型产甲烷途径，同时促进了Wood-Ljungdahl途径（还原性乙酰辅酶A途径，即产乙酸作用）的富集。这表明在甲烷生成被抑制后，瘤微生物可能通过增强产乙酸作用来消耗部分积累的氢气。

综上所述，这项研究系统地评估了不同基础日粮（青贮草料与青贮玉米）与甲烷抑制剂3-硝基氧丙醇（3-NOP）对奶牛瘤胃发酵、甲烷排放动态及微生物组的综合影响。研究得出结论：虽然基础日粮和3-NOP之间对甲烷排放的交互作用在本试验条件下未达到统计学显著性，但3-NOP在不同日粮背景下均能有效降低甲烷排放（平均减排约20%），并伴随氢气排放的显著增加和瘤胃发酵模式向更多丙酸和丁酸产生的转变。重要的是，微生物功能分析揭示了在3-NOP作用下，产甲烷途径受到抑制，而替代性的氢消耗途径——Wood-Ljungdahl途径（产乙酸作用）被激活。这一发现为了解3-NOP的作用机制提供了新的视角，表明瘤胃微生物生态系统具有一定的代谢冗余和适应性。研究还发现，日粮组成本身对瘤胃微生物群落有深远影响，但3-NOP对微生物群落结构的影响相对较小，其主要作用体现在功能层面。这些结果强调了在评估甲烷减排策略时，考虑日粮背景的重要性，并为未来开发更精准、高效的减排方案奠定了坚实的科学基础。该研究发表在《Journal of Dairy Science》上，为畜牧业可持续发展和应对气候变化提供了有价值的科学证据。