减少奶牛甲烷产出的营养策略/碳达峰碳中和

减少奶牛甲烷产出的营养策略

| Charles Qin

来自牲畜(动物、粪便、饲料生产和耕地占用)的全球温室气体排放总量估计占人为排放总量的14.5%(Gerberet al., 2013), 畜牧生产的大部分温室气体是甲烷，主要来自胃肠道发酵和粪便少量分解产生，肠道甲烷既是温室气体，也是膳食能量损失，且损失高达11%(Beaucheminet al., 2020)。反刍动物肠道甲烷产出约占全球人为温室气体排放总量的6%，占所有牲畜甲烷排放量的40%(Gerberet al.,2013)。甲烷的半衰期8.6年，比大气二氧化碳的半衰期短得多(Muller and Muller, 2017)，因而对减缓全球变暖短期收益最具吸引力。减少肠道甲烷排放可降低畜牧业对气候变化的影响，节约饲料资源并提高动物生产能力和效率。

反刍动物甲烷产出或排放通常以克/天/头，或g/kg干物质采食量核计。就营养调控途径，有多种方法减少肠道甲烷产出和排放，包括饲料添加剂、日粮成分及处理、饲草品质等，改变瘤胃环境或直接抑制甲烷生成，从而减少肠道甲烷产出。

过去50年发表了大量的研究 告，提高了对反刍动物瘤胃发酵和甲烷产生复杂过程的理解，虽然在科学和认知方面有了长足的进步，而生产者可以应用且经济有效的解决方案很少，大多数解决方案对减少甲烷产出和排放的影响有限，通常不超过20%。抑制剂除外，养殖环节减少20-40%的产出和排放，长期来看是可行的(Beaucheminet al., 2020)。

动物生产力

通过遗传改良、饲养管理、营养健康等途径改善动物生成性能，从而减少动物饲养数量降低甲烷排放强度，也减少等量畜产品所需的饲料消耗(Capperet al., 2009)，例如印度一头奶牛每天生产2公斤牛奶的甲烷排放强度远远大于北美一头奶牛每天生产50公斤的排放强度。此外，降低非生产性动物维持需要，也可减少甲烷排放强度。

性状遗传

甲烷产出与其他经济性质之间的遗传关系尚未可知，以甲烷绝对排放量(克/天)估计的遗传力为中等遗传力性状，如绵羊的遗传力为0.29，牛的遗传力为0.40；若以单位干物质采食量估计甲烷排放的遗传力相对较低，分别为0.13和0.19(Pickeringet al., 2015)。饲料效率如采食量剩余属中等遗传力性状，遗传力在0.26-0.43。若以上两者互作，也可能成为遗传选择降低甲烷排放的另一种途径。

营养策略

日粮组成和处理是一种高效缓解甲烷排放的方法(Beaucheminet al.,2009; Hristov et al., 2013; Knappet al., 2014)，其效果取决于瘤胃氢浓度和流量、微生物菌群、发酵途径、饲料在瘤胃滞留时间以及这些因素之间的互作。

脂质：

精料:

淀粉发酵通常会产生丙酸盐和丁酸盐，会利用来自饲料消化产生的氢，与甲烷生成竞争，进而减少甲烷产出(Johnsonand Johnson, 1995)，但淀粉摄入量过高会降低瘤胃pH，增加酸中毒的风险(Hristovet al., 2013; Knappet al.,2014)。淀粉发酵通常也会产生丙酸和己糖，与膳食纤维 比较，淀粉在瘤胃发酵利于丙酸盐和丁酸盐的形成，降低肠道氢分子与碳结合产生甲烷的机会，减少肠道甲烷产出(Banninket al., 2006)。精料中的淀粉与纤维和糖不同，大部分可发酵淀粉在小肠被酶消化，也可能从瘤胃发酵逸出，作为能量用于动物生产，而不是形成甲烷而导致能量损失(Dijkstraet al., 2012)。用玉米等慢发酵淀粉替代大麦或小麦等快发酵淀粉可能减少甲烷产出(Millset al., 1999, 2001)。有个模型曾估计过瘤胃发酵少的淀粉取代纤维类精料和淀粉类精料，瘤胃甲烷产出分别减少17%和22%(Benchaaret al., 2001)。

草料：

饲喂优质牧草的动物产量更高，因而甲烷排出的强度更低。种植优质牧草、安排刈割或轮牧、妥善储存牧草等措施，饲喂丹宁含量较高的牧草，能保持牧草的消化率，在一定程度上减少草料瘤胃发酵和甲烷产出。优质牧草的非纤维碳水化合物中性洗剂纤维较多，而木质化中性洗剂纤维较少，有利于促进有机物在瘤胃降解(Hristovet al., 2013)。优质牧草通常会提升干物质采食量，加快过瘤胃速率，减少单位干物质摄入的甲烷排出强度。由于摄入更多干物质，瘤胃会有更多的氢与碳结合形成甲烷。

抑制剂：

甲烷类似物或甲基辅酶M类似物，作为甲烷生成过程中参与甲基转移的辅助因子，对动物、人类和环境无毒副作用，成本低，适用于畜牧业，若商业化推广通过监管评估，应该是减少甲烷排放最有希望的策略之一。3-硝氧基丙醇(3-NOP)是小分子化合物，结构与甲基辅酶M相似，抑制甲烷菌非常有效，低剂量1-2克/天就可减少甲烷产出20-40%(Hristovet al., 2015; Dijkstraet al., 2018; Vyaset al., 2018)，该抑制剂是否为市场接受还需要时间，成本也是问题。

藻类：

一些呈绿色、红色或棕色的微藻或藻类生物，栖息在淡水或海水中，根皮丹宁、溴仿、卤化物含量丰富，可以抑制依赖钴胺的辅酶M，从而抑制甲烷的产生(Machado et al., 2014; Liet al., 2018) 。体外试验数据显示，芦笋属的海带A. taxiformis可将反刍动物肠道甲烷产出减少99%，饲料添加这种A. taxiformis可显著减少反刍动物碳排放，并有可能提高生产效率(Roqueet al, 2021) 。藻类通常含碘多，长期大量应用此类添加剂可能会影响动物的生理健康，最终导致应用受限，目前在奶牛饲养中就受到限制。

瘤胃氢受体-硝酸盐：

纤维素、半纤维素和淀粉等多糖在瘤胃水解为葡萄糖和其他己糖、戊糖等单糖，这些单糖代谢产生挥发性脂肪酸和二氧化碳，此过程释放代谢氢，并在瘤胃以溶解性氢分子和气化氢分子存在，但瘤胃微生物只能利用溶解性氢分子(Wanget al., 2014)。溶解性氢分子不会在瘤胃积聚，在细菌、原生菌和真菌发酵过程中产生甲烷菌，甲烷菌再通过氢营养途径将二氧化碳和其他一碳化合物还原为甲烷，具有发酵能力的微生物产生的大部分溶解性氢分子转移到甲烷菌并产出甲烷，甲烷是瘤胃氢汇集的结果(Janssen, 2010; Ungerfeld, 2018)。此外，瘤胃溶解性氢分子也可用于丙酸与盐类反应产生丙酸盐(Wanget al., 2016)。硝酸盐可以作为瘤胃氢的受体，与甲烷生成竞争氢分子，在瘤胃1摩尔(相当于62克)硝酸盐吸收氢并还原为氨，可能使甲烷产出减少1摩尔(相当于16克)，肉牛和奶牛持续补充20克硝酸盐，甲烷产出分别减少12%(Leeet al., 2017)和16%(van Zijderveldet al., 2011)， 但硝酸盐或亚硝酸盐都可以从瘤胃吸收或排出，可能被当作具有毒性的代谢产物，一氧化二氮就是一种强效温室气体，硝酸盐的成本是尿素的两倍，出于对动物安全风险的考虑，许多国家不允许硝酸盐补充剂用于畜牧养殖(van Zijderveldet al., 2011; Lee and Beauchemin, 2014)。

植物次生化合物：

精油、丹宁、皂苷、黄酮、有机硫等植物次生化合物已显示潜在抑制甲烷生成的特性。一些植物精油在体外可以减少甲烷产生，但缺乏体内长期有效的数据。大蒜油似乎是减少甲烷排出最有效的植物次生化合物，丹宁缩合和水解也有望发挥作用(Jayanegaraet al., 2012; Cobelliset al., 2016)。

瘤胃微生物与发酵

疫苗：

为减少甲烷排出，已经推广了抑制瘤胃甲烷菌的疫苗接种，但需要确认疫苗对动物健康和生成性能的长远影响(Wedlocket al., 2010)。

早期菌群控制：

在动物生命早期整编瘤胃微生物，限制瘤胃甲烷菌群落，减少甲烷产出，这种操作更有可能产生持久的影响。尽管这些研究在生命早期显著减少了甲烷产出，但不确定是否在整个成年期都能持续有效，对动物健康和性能的影响还不明确(Yanez-Ruizet al., 2015)。

全球范围内减少肠道甲烷排放的主要制约因素是方案难以落地，并应用于放牧的反刍动物，但有些经验可以借鉴，如莫能菌素丸剂作为典型的离子载体能提高饲料效率6-10%；澳大利亚和新西兰给牧场喷一层轻油，利用单不饱和脂肪酸抑制甲烷菌。在特定生产条件下，明确可以有效地减少多少甲烷产出，用于牧场的产品或方剂应该经济有效，确实能减少畜牧业温室气体净排放。