影响反刍动物瘤胃微生物蛋白合成因素的研究综述

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影响反刍动物瘤胃微生物蛋白合成因素的研究综述

陈小连 贾亚红 赵国琦 (扬州大学畜牧兽医学院)

　

反刍动物最大的特点就是借助瘤胃内栖居的厌氧微生物利用日粮蛋白降解产生的氨、肽和氨基酸作为氮源、利用日粮有机物发酵产生的挥发性脂肪酸(VFA)和ATP分别作为碳架和能量合成微生物蛋白（MCP）。MCP是反刍动物最主要的氮源供应者，能提供蛋白需要量的40%~80%（Church,1988），MCP合成需要各种营养物质的供应，包括碳水化合物、维生素、微量及常量元素等，而维持微生物生长最主要的营养源是能量和蛋白质。了解瘤胃MCP合成的因素对于进一研究动物营养调控技术有十分重要的意义。

    1 碳水化合物
    碳水化合物在瘤胃内发酵的最终产物是VFA、ATP、CH4、CO2和H2　，其中ATP是微生物生长和维持的能量，是合成MCP的动力，反刍动物蛋白新体系中认为能量是MCP合成的第一限制性因素。随着氮的来源及水平的不同，碳水化合物的消化量也不同，并由此影响MCP的产量。
    1.1结构性碳水化合物与非结构性碳水化合物比例
    Hoover等(1991)研究认为非结构性碳水化合物（NSC，淀粉、果胶、糖等）与结构性碳水化合物（SC）的比例是影响MCP合成的重要因素。James（1998）报道，当日粮中NSC含量过高时，肽的浓度很高，可抑制蛋白的降解，降低瘤胃NH3浓度，导致总MCP产量降低，但当日粮中SC含量过高时，引起瘤胃内pH值急剧下降，导致微生物活性降低。因此人们对日粮最适SC与NSC比例进行了大量的研究，谭支良等（2000）报道当日粮中SC：NSC为2.64时，瘤胃发酵达到最佳。康奈尔净碳水化合物及净蛋白质体系（CNCPS）根据瘤胃微生物生长效率对氮及不同来源能量的利用率将其分为两大类：一类是发酵NSC的瘤胃细菌，它可以发酵NSC，能以NH3、肽或AA为氮源，也可发酵产生NH3，此类菌生长速度很快，所需氮的66%来自肽；另一类是发酵SC的瘤胃细菌，能发酵细胞壁碳水化合物，并仅以NH3作为氮源，不发酵AA或肽。
    1.2碳水化合物的类型
    McDonald(1952)研究发现快速发酵碳水化合物如淀粉、蔗糖等比其它碳水化合物更能促进微生物生长，将淀粉添加到高粗料日粮能增加氮的利用率（Stern,1978），淀粉促进氮利用可能与其发酵时的能量有关；McAllan等（1976）发现瘤胃微生物所需能量大部分由淀粉发酵提供。另有研究表明，碳水化合物的类型对不同氮源的微生物合成也有影响，当以氨作为唯一氮源时，添加蔗糖比添加淀粉时细菌生长好，这有可能是细菌对蔗糖的发酵比对淀粉的发酵时对氨基酸和肽的依赖性小，因此还要根据日粮不同的氮源形式选用合适的碳源。

    2 蛋白质
    2.1不同形式氮
    2.1.1氨氮
    绝大多数的瘤胃细菌可以利用NH3　和AA作为氮源来合成MCP，体内法用15N的研究证实了这一结论（Mathison等，1971；Pilgrim等，1970）。瘤胃NH3　主要来源于食糜中的蛋白氮和非蛋白氮的降解，瘤胃NH3-N　浓度在一定程度上反映了特定日粮组成下，蛋白降解与合成间所达到的平衡状况（McDonald,1988）。关于微生物最佳生长的NH3-N浓度，体外试验表明为5~8mg/dL(Anision 1970；Satter,1974），体内试验表明为9mg/dL、7mg/dL（Φroskov等，1977）。Mehres等(1980)用尼龙袋法研究表明干物质消失的最佳NH3-N浓度为23.5mg/dL，各试验结果间差异较大的原因可能是因为微生物对不同发酵底物所要求的NH3-N浓度不同。
    2.1.2肽与氨基酸
    Wright（1967）首次发现微生物利用肽合成MCP，且合成效率高于利用AA合成MCP的效率，Armstead等（1993）发现肽是MCP合成的重要底物，Argyle等（1989）证明肽或肽和AA的混合物比单独以NH3　作为氮源更能促进微生物的生长。Cruz Soto等(1994)证明瘤胃微生物的生长速度在有肽时比仅有AA时快70%。肽对瘤胃细菌生长的主要效应是加快细菌的繁殖速度，缩短细胞分裂周期，尽管目前对微生物利用肽的机制还不清楚，但大量试验结果已经表明肽是瘤胃微生物达到最大生长效率的关键因子。CNCPS体系认为肽能否对微生物生长起促进作用，主要取决于碳水化合物的发酵速度，对发酵速度快的可溶性糖，肽能促进微生物生长，而对发酵速度慢的纤维素类物质，肽不能促进微生物生长。
    2.2 N的浓度
    动物摄入氮不足会抑制微生物生长，这种抑制作用主要是通过降低饲料消化率的途径来实现的，反之若氮过量，则通过在瘤胃内降解产生大量不能为微生物充分利用的氨，导致氮源的损失，同时不利于MCP合成效果的充分发挥。Hume等(1970)给绵羊饲喂半纯合无蛋白日粮，当日粮氮由0.95%增加至1.82%时，瘤胃MCP合成量增加，当氮进一步增加到3.29%时，MCP合成量不见增加，说明日粮CP低于11%，MCP合成降低。Satter 和Rofer发现，在日粮CP维持在13%时，微生物生长量最大。因此，传统的CP体系认为在一般营养水平，特别是在放牧营养条件下，12%~13%日粮CP水平就可以保证最大的MCP合成的需要。
    2.3粗蛋白的降解率
    CP的降解率也影响着MCP的合成量，提高CP降解率可促进MCP合成（Putnam等，1994），日粮CP降解率分别为100%、90%及70%时，每MJ代谢能的MCP合成量依次为13.3、11.9及9.3（Poppi等，1995）。

    3 能氮同步释放
    自认识到能量是MCP合成的第一限制性因素以来，就提出了能氮平衡的概念，即瘤胃中有效能与氨基酸的释放在速度和数量上相匹配，以使MCP合成量达到最大。但近年的研究表明，仅仅是碳水化合物和蛋白质的量达到平衡，MCP合成效率并不一定达到最大。在反刍动物的瘤胃发酵中，保持瘤胃中能量与氮源的释放在速度和数量上匹配，是提高 MCP合成量的关键，也是近几年开发非蛋白氮饲料的主攻方向。在饲料投喂顺序上，考虑到各成分发酵速度的不同，一般应最先喂给发酵较慢的纤维质粗饲料，这样，通过唾液和饮水的作用，可提高缓冲能；接着可喂给碳水化合物等一类能量饲料；最后，喂给蛋白质饲料。研究表明，这种喂料顺序对稳定瘤胃的内环境十分有利。另外还可通过饲料搭配、饲料的理化处理 (如降低 NPN释放速度、促进饲料能量的发酵等 )等实现能氮同步释放 (姚军虎等,1996)，但结果尚不一致 (Poppi等,1995)。

    4 维生素
    反刍动物自身合成的B族维生素能满足其代谢与生产需要，但对高产奶牛则需要在日粮中添加适宜的维生素来满足其需要。Riddell等进行的体内与体外试验发现，烟酸可以促进奶牛瘤胃微生物合成蛋白质；林海（1998）发现在以玉米、棉籽饼和粗料为日粮条件下，向牛的瘤胃中分别添加VA、VD、VE，在各自适宜浓度范围内都能促进MCP的合成；许朝芳等（2001）发现胆碱可刺激瘤胃微生物的生长，促进瘤胃微生物合成蛋白质，提高微生物蛋白质产量。

    5 矿物质
矿物质对瘤胃微生物的作用主要有两方面：一是改变瘤胃内环境，如钠与碳酸氢根离子能调节瘤胃pH值，以适应微生物的生长需要；二是作为营养成分供微生物作用，如硫是合成菌体蛋白硫的主要来源(Pittman，1964；Whanger，1972),日粮中适宜的硫水平可提高MCP的合成(Qietc,1993)。Hume（1970）表明，当绵羊每日硫进食量由0.6g(N:S＝34.3)增加到2.0g(N:S＝10.9)时，瘤胃内MCP量由82g增加到94g,但当硫增加到3.4g/d(N:S＝6.4)时，MCP量不再增加，由此得出微生物生长的最适N:S为10：1；Kandylis(1984)也报道反刍动物瘤胃内适宜N:S为10～15：1。Durand等(1980)报道Ca、P、S、K、Na、Mg、Co等元素的缺乏会抑制微生物的生长。

    6 瘤胃内环境
    6.1瘤胃原虫比例
    瘤胃原虫对瘤胃发酵具有重要调节作用。由于原虫比细菌大得多，一些原虫能吞噬和消化大量细菌，这种吞噬作用增加了氮在瘤胃内的周转和消耗。去除原虫可使瘤胃MCP排出量提高约20%(Bird和Ierg，1985)。但目前对于驱除原虫的营养作用还有争议。以Bird等(1987)为代表的澳大利亚学者认为，驱逐原虫对饲喂低质粗饲料的反刍动物有正效应；Ushida 等(1986)用有虫和无虫反刍动物的研究证明，当有原虫时，蛋白消化比仅有细菌时增加，尤其在日粮蛋白的降解率低时更是如此。也有学者认为驱原虫无效甚至负效应( Bonhomme,1990)。针对这一学术争议，卢德勋(1993)提出在大量饲喂粗饲料的条件下，控制瘤胃原虫数量和种群的新学说。
    6.2瘤胃稀释率
    瘤胃稀释率是指每小时排出瘤胃的量占瘤胃总容积的比例，已有大量报道证明了瘤胃稀释率与MCP合成间存在正相关关系。Isaacson(1975)报道，提高瘤胃稀释率能够改变瘤胃发酵参数，提高MCP的合成。Cole等（1976）发现当瘤胃稀释率由0.03/h增加到0.05/h，MCP合成由7.5g提高到11.8g/100gDMD。Kennedy等(1978)通过降温使瘤胃外排速度由0.068/h增至0.136/h,MCP产量提高32%。但外排过速、食糜停留在瘤胃中时间过短，影响微生物的增殖，反而降低MCP产量，由于微生物种类繁多且分裂周期各异，因而很难找到一个最佳的外排速度。
    6.3瘤胃pH值
    瘤胃pH也是影响MCP合成的一个因素，当pH降至5.5或更低时，原虫活力降低，数量减少甚至消失，当pH<6.1时，瘤胃内纤维分解菌受到抑制。Ternouth等(1971)、Mackie等(1984)研究表明，高渗透压抑制瘤胃内纤维分解，并降低采食量。日粮组成和水是影响渗透压的主要因素。反刍动物本身具有调节pH值的能力――缓冲液，唾液是瘤胃缓冲液的主要来源，它能稳定瘤胃pH值，提高食糜流通率，当日粮由高粗料转为高精料时，高精料水平使瘤胃中有机酸总量升高，且唾液分泌减少，导致瘤胃pH值急剧下降，从而抑制微生物的生长。

    7 其它因素
    不同的饲喂频率对瘤胃微生物蛋白也存在影响。Al Attar(1976)的研究发现，每间隔两小时饲喂一次比一天饲喂一次的MCP合成效率高；Jensen等（1977）报道，适当增加饲喂次数可刺激采食，提高干物质的摄食量，减少瘤胃内反应的波动，有利于MCP的合成。
    异位酸(异戊酸，2-甲基丁酸，戊酸，异丁酸的合称)可作为营养添加剂，增加纤维分解菌的数量，并促进MCP合成，尽管支链脂肪酸在瘤胃液中浓度很低，瘤胃纤维分解菌的生长仍需这些异位酸。Hungate(1966)发现，许多瘤胃细菌的生长需要乙酸。
    CNCPS体系中特别强调日粮 NDF含量,低NDF日粮，瘤胃 pH下降,MCP合成受抑。日粮 NDF<20%(DM)时，每降低1% NDF，MCP合成量减少2.5%；如果饲草切得很短或粉碎饲草，单位NDF的MCP合成量减少3% (Russell等,1992 )。
    综上所述，瘤胃微生物蛋白的合成量受众多因素的影响，上述影响因素对于调控瘤胃微生物蛋白合成有明显作用 ；但由于瘤胃内微生物非常复杂，欲改变微生物的种群结构十分困难，今后研究的方向应主要集中于适合瘤胃微生物生长的营养调控剂的适宜用量及应用，调控机理也有待于进一步探讨。
    （参考文献略）

huzhongsheng

很好。学习了。

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