山羊瘤胃温室气体生成的生物数学机制

瘤胃是反刍动物胃肠道甲烷和二氧化碳等温室气体生成的重要部位。选择反刍动物常用的6种类型饲料，利用体外模拟瘤胃发酵技术，研究各类饲料及其组合发酵总气体、甲烷和二氧化碳的生成曲线，及微生物种群动态变化过程。选择17个经典模型拟合气体曲线，综合分析R2、RMS、MSPE、AIC检验、sign检验和Durbin-Watson检验结果，阐明各模型对不同发酵曲线类型的适应性及优缺点，选择最优模型并依据其基本假说揭示气体生成的生物数学机制；通过监测瘤胃总微生物、原虫、细菌、真菌、古菌和甲烷菌等微生物种群的发酵动态过程，验证气体生成的生物数学机制，提取重要模型参数反演发酵微生物及其种群变化过程；优化经典模型理论的基本假说并提出适应性更广、生物学意义更清晰的发酵气体生成的动力学新模型。本项目在国内率先开展瘤胃发酵过程气体生成的生物数学研究，研究结果将为反刍动物胃肠道温室气体排放量的精确估算提供科学依据。

反刍动物瘤胃发酵所产生的气体主要成份为CH4和CO2温室气体。发酵动力学模型的参数不仅是理解发酵气体生成过程的重要依据，而且能间接表征体内营养物质的降解状况，已经成为瘤胃温室气体产生和筛选反刍动物优质饲料原料和饲料添加剂的重要凭据之一。项目负责人以瘤胃微生物和发酵底物为核心，以气体生成速率(dv/dt)同瘤胃微生物(M)和发酵底物(S)量成正比例为假说前提(dv/dt＝αMS)，构建了我国首个描述反刍家畜瘤胃气体排放模型，并将其命名为逻辑指数(LE)模型。体外试验也证明该假说的有效性，即不同接种瘤胃微生物量和底物量对气体生成成正相关。另外，项目系统分析23条饲草的瘤胃温室气体生成曲线，对比研究LE、EXP、GOM、LOG、MM和GM经典模型的生物学意义、拟合效果及预测能力。研究结果表明：相对GOM和LOG模型，LE模型能更好反映一定营养物质条件下瘤胃微生物发酵温室气体累积的生物数学机制；相对EXP和GM模型，LE模型在统计学上拥有更好拟合效果；相对MM模型，LE模型对瘤胃温室气体累积总量、累积速率等重要参数拥有更为准确的预测能力。该论文受国内外同行高度关注，中国科学网，生物谷等多家专业网站以新闻报道，文章点击下载次数进入该期刊Top10。在此基础上，项目负责人提出底物降解分率（降解加速度）新概念和方程（FRD=k/(1+exp(b-kt))），提出了量化体外模拟瘤胃发酵早期、中期和后期饲草降解速率和时间的计算模型，这为深入挖掘体外发酵气体曲线的生物学信息提供了新的方法。我们利用课题组研究试验数据，新西兰AgResearch温室气体研究中心和荷兰Wageningen大学反刍动物营养研究组的气体数据。结果发现，起始降解分率可以代表体外发酵的前期速率（< 12h）。另外，项目还做一些扩展性研究，即提出了描述气体氢气生成过程的新模型，该模型是在LE模型基础上引入消耗组分，可很好描述和量化了瘤胃氢气动态平衡过程。本项目已发表正式期刊论文5篇（其中SCI收录4篇）、会议论文2篇（其中国际会议论文1篇）；申请发明专利３项；获湖南省科技进步一等奖1项（排名第９）；项目组成员中有２人晋升副研究员，培养硕士研究生２名（其中已经毕业１名）；参加国内外学术交流会３次，作会议报告２次。本项目的实施建立的LE系列模型，分别为模拟体外发酵气体生成、体外饲草降解和体外氢气累积过程提供了新方法。