硝态氮抑制瘤胃甲烷生成的机制

二氧化碳还原产甲烷和硝态氮还原产氨是反刍动物瘤胃中的两个重要的生物学过程。瘤胃发酵产氢还原二氧化碳产生甲烷排入环境中，可造成能量的损失和环境污染；而氢用于硝态氮的还原产氨用于合成瘤胃微生物蛋白质，可用于反刍动物体蛋白的合成。在硝态氮存在条件下，瘤胃微生物发酵产生的氢电子由产甲烷转向硝态氮的还原，从而降低瘤胃甲烷的产生。有关瘤胃硝态氮还原过程微生物区系动态变化和相关酶基因表达变化的研究很少。本项目假设：饲料硝态氮通过增加瘤胃硝态氮还原菌的数量和提高硝态氮还原酶的活力降低瘤胃产甲烷菌的数量和甲烷生成相关酶的活性，进而抑制了甲烷生成。本项目拟研究在添加硝态氮情况下，瘤胃细菌、真菌、原虫、产甲烷菌、硝态氮利用菌、纤维利用菌等微生物区系和相关酶基因表达活性的变化，进而阐明硝态氮还原降低甲烷产生的生物学机制，为生产中调控瘤胃发酵和降低甲烷产量提供理论依据。

本研究采用动物饲养、化学分析、体外产气和分子生物学方法研究硝态氮的代谢及其抑制瘤胃产甲烷的机理。结果发现：硝态氮持续的抑制了瘤胃甲烷产量，无时效性。未经硝态氮适应的瘤胃微生物，硝态氮显著抑制瘤胃产甲烷菌和纤维分解菌的数量。硝态氮适应后，瘤胃原虫无显著变化，降低低浓度硝酸盐组真菌含量，提高纤维分解菌数量（R. flavefaciens，R. ablus，F. succinogenes），B. fibrisolvens除外，并发现瘤胃中的核心的硝酸盐还原菌S. ruminantium，C. fetus，M. succiniciproducens。瘤胃微生物适应日粮硝态氮后，瘤胃中硝酸盐还原酶活性不受影响，但亚硝酸盐还原酶活性降低，然而瘤胃液中亚硝态氮积累量没有显著性变化，说明添加量不高于2%时，“亚硝态氮毒性作用”不是硝态氮抑制瘤胃甲烷的原因。经体外试验发现瘤胃原虫和细菌区系是硝态氮还原、产甲烷和微生物蛋白合成的主要区系，硝态氮的还原有利于微生物蛋白的合成。通过宏基因组技术研究发现硝态氮添加水平对瘤胃细菌菌群α多样性和β多样性无显著影响。1%的硝态氮添加水平显著提高了Ruminobacter, BF311 and CF231的相对丰度。硝态氮显著提高了作为自然界中的硝酸盐还原菌的Campylobacter属和Cyanobacteria门的比例显著升高，说明瘤胃中潜在的硝酸盐还原菌存在于Campylobacter属和Cyanobacteria。本项目研究发现为硝酸盐在生产中的利用提供理论基础。