欧洲本土与非本土饲用树木、灌木及草本植物的体外筛选与甲烷减排机制研究

这篇综述通过体外批次培养实验，系统评估了45种欧洲本土与非本土植物对反刍动物肠道甲烷(CH4)排放的抑制作用，揭示了植物次级代谢产物(PSM)如单宁(tannins)和皂苷(saponins)通过调控挥发性脂肪酸(VFA)发酵和直接抑制产甲烷菌(methanogens)的双重作用机制，为开发气候智能型畜牧饲料提供了重要理论依据。

　　

摘要

反刍动物肠道甲烷排放占全球人为甲烷排放的30%，本研究通过体外批次培养筛选了45种欧洲植物（2022年7月采集于比利时佛兰德斯），评估其对甲烷产量(μmol/g DM)、总挥发性脂肪酸(VFA)及甲烷/VFA摩尔比的影响。结果显示，黑桤木(Alnus glutinosa)、欧洲栗(Castanea sativa)、黄金树(Catalpa bignonioides)、黑杨(Populus nigra)和常春藤(Hedera helix)的甲烷抑制效果最显著，其作用机制与叶片性状（如干物质含量）和PSM（如单宁、酚类化合物）密切相关。

材料与方法

实验设计分为两阶段：第一阶段筛选45种植物，第二阶段对12种优选物种（2023年7月采集）进行青贮、聚乙二醇(PEG)结合及不同气相条件（100% CO₂ vs. 50% CO₂/50% H₂）处理。采用TRY植物性状数据库的叶片经济谱(LES)参数分析资源利用策略，并通过气相色谱和ICP-OES等技术测定发酵参数与化学成分。

结果

1. 初筛实验：K均值聚类将植物分为三类——无显著效应（如Melilotus albus）、中度效应（如H. helix）和强效应（如C. sativa）。叶片干物质含量与甲烷产量呈负相关（r=-0.44），而木质素等结构防御物质可能通过降低发酵性间接减少甲烷。
2. 青贮影响：青贮导致酚类化合物降解，使C. sativa的甲烷抑制能力丧失，但P. nigra和H. helix的活性成分（如槲皮素）稳定性较高。
3. 机制解析：
   • 单宁作用：PEG实验证实单宁在A. glutinosa和C. avellana中抑制发酵，但对C. sativa的水解单宁无效。
   • 产甲烷菌抑制：C. bignonioides和H. helix在H₂富集条件下仍保持低甲烷产量，提示其皂苷成分可能直接靶向产甲烷菌膜结构。

讨论

研究首次通过调整体外系统（如H₂头空间）揭示PSM的差异化作用：

• 单宁：浓缩单宁（如A. glutinosa）通过结合微生物蛋白抑制发酵，而水解单宁（如C. sativa）可能被青贮细菌的鞣酸酶降解。
• 皂苷与黄酮：H. helix的常春藤皂苷和H. perforatum的槲皮素通过破坏原虫-产甲烷菌共生体降低甲烷生成。

结论与展望

尽管C. sativa和A. glutinosa等物种展现显著减排潜力，但其田间适用性需考虑产量、适口性和毒性（如H. helix的潜在毒性）。未来研究应结合植物化学分析与体内试验，并探索混饲策略以平衡生态效益与畜牧生产需求。