硝基化合物抑制瘤胃甲烷生成的辅酶学作用机理

Methanoarchaea can utilize ATP yielded in the rumen fermentation and produce methane by the reduction of CO2, H2, formate, acetate as substrates catalyzed by coenzyme M methyltranferase responsable for methyl-group transfer to coenzyme M and methyl-coenzyme M reductase responsible for for hydrogen electron transfering to methane formation. Based on the previous findings of high rumen methanogenesis inhibition by nitroethane, 2-nitroethanol, and 2-nitro -1-propanol, the objectives in this project are firstly to investigate methane emission difference response to dietary nitrocompounds and its association with methane-producing substrate, methanogen community variation, coenzyme M methyltransferase and methyl-coenzyme M reductase activities in the rumen with the open-circiut respiratory chamber technique applied in rumen-fistulated beef cattles, secondly to clarify how the methanogenesis inhibition difference caused by the nitrocompounds in pure-cultured methanogens correspond to different supply of methane-producting substrates, mtrA and mcrA gene expression and their coenzyme M methyltransferase and methyl-coenzyme M reductase activities as well as coenzymes including F420 responsible for tranfering Hydrogen electron. The project expected to elucidate how these nitrocompounds influence on conenzyme activity in terms of methyl group and hydrogen eletron tranfer during the ruminal methanogensis inhibition,and the upcoming results will provide a scientific reference for the practical use of these nitrocompunds to reduce methane emission in ruminant animals.

瘤胃甲烷菌可利用饲料微生物发酵所产生的ATP，以二氧化碳、氢气、甲酸、乙酸等代谢物作为底物，在辅酶M作用下实现氢电子传递、甲基转移、甲烷生成。申请人在前期体外试验确证硝基乙烷、2-硝基乙醇、2-硝基-1-丙醇可高效抑制瘤胃甲烷生成的基础上，本项目拟利用呼吸代谢室进一步比较研究三种硝基化合物对肉牛甲烷排放的抑制差异，分析甲烷生成差异与瘤胃内甲烷菌区系变化、辅酶M甲基转移酶表达活性、甲基辅酶M还原酶表达活性之间的变化规律；在不同二氧化碳、氢气、甲酸、乙酸底物供给条件下，利用甲烷菌厌氧纯培养技术，分析这些硝基化合物甲烷生成抑制作用差异与辅酶M甲基转移酶mtrA基因表达、甲基辅酶M还原酶mcrA基因表达、甲烷生成重要辅酶F420、F430活性变化间的关联性，阐明这些硝基化合物是如何通过调节甲烷菌辅酶活性来实现甲基转移、氢电子传递和甲烷生成的抑制机制，为减少反刍家畜温室气体甲烷排放提供科学依据。

甲烷菌可利用瘤胃酵所产生的二氧化碳、氢气、甲酸、乙酸等代谢物作为底物，在辅酶M作用下实现氢电子传递、甲基转移与甲烷生成。本项目首先通过体外试验比较分析了硝基乙烷（NE）、硝基乙醇（NEOH）和硝基丙醇（NPOH）对瘤胃甲烷菌群区系、甲基辅酶M 还原酶、辅酶F420和F430活性变化和甲烷生成抑制效率的影响，并发现硝基化合物能够通过降低总甲烷菌、甲烷杆菌、甲烷微菌、甲烷球菌以及甲基辅酶M还原酶（mcrA）基因的表达丰度以及辅酶F420和F430活性来抑制瘤胃内甲烷生成，其抑制效率为NEOH（96.8%） >NE （96.4%）>NPOH（35.0%）。其次，通过体内试验比较分析了日粮添加NEOH和莫能菌素对育肥羔羊日粮养分消化、增重性能及甲烷排放的影响。研究发现NEOH能够通过抑制瘤胃甲烷生成来促进育肥羔羊饲料转化效率。此外，项目组还比较研究了NE、NEOH和NPOH微生物代谢转化特性，结果发现硝基化合物可以被转化为亚硝酸盐，而后者能够被瘤胃微生物分解为氨氮，继而促进微生物生长。项目实施以来，培养博士研究生1名，硕士研究生2名, 另有4名研究生参与相关研究；累计发表学术论文6篇，其中SCI论文5篇。项目先后安排研究生参加国内外学术交流4人次，国际会议论文大会报告1次。项目研究阐明了硝基化合物对瘤胃微生物消化代谢与甲烷生成抑制的调节机理，为今后利用硝基化合物来提高饲料转化效率的实践应用提供了理论与科学依据。