综述：红藻芦笋属（Asparagopsis）作为反刍动物肠道甲烷减排饲料添加剂的局限性

本综述系统评价了红藻Asparagopsis作为高效甲烷（CH4）抑制剂在反刍动物生产中的应用潜力与挑战。文章重点探讨了其活性成分溴仿（CHBr3）通过抑制甲基辅酶M还原酶（MCR）实现显著减排（高达98%）的机制，同时深入分析了伴随出现的干物质采食量（DMI）下降、瘤胃氢（H2）代谢改变、发酵模式转变（如乙酸丙酸比A:P降低）以及动物健康与产品安全（如溴/碘残留）等关键问题，为未来标准化应用方案的开发提供了重要见解。

　　

实验设计在芦笋属饲喂试验中的限制

将芦笋属（Asparagopsis）纳入反刍动物日粮对动物生产性能的影响表现不一。一些体内研究报告了近乎完全（>95%）的肠道CH₄抑制且无负面反应，这些研究使用了完整的Asparagopsis生物质和提取的Asparagopsis-CHBr₃作为饲料添加剂。然而，其他研究报告了抑制作用伴随生产性能指标的下降，例如采食量降低。采食量下降与饲喂方法（全混合日粮或脉冲饲喂）、Asparagopsis产品形式（冻干或加工）或奶牛泌乳阶段之间没有明显的相关性。观察到的采食量下降归因于多种因素，包括向补充剂的过渡时间短、试验期间频繁处理动物、使用呼吸室可能限制采食量和自然行为等实验设计限制。短期测试期是拉丁方或交叉试验设计的一个关键局限性，它妨碍了对长期变化的评估，例如瘤胃微生物组对AMFA补充的适应。研究表明，改变饲料后，瘤胃发酵模式和微生物组通常在4到16天内稳定下来。因此，拉丁方设计实验应辅以更长期的纵向研究，或者采用连续设计实验，以评估AMFA的长期效应。在田间试验中，实施明确的向处理日粮过渡的方法，可以减少在饲喂递增水平的Asparagopsis以实现显著肠道CH₄减排时对DMI的潜在不利影响。逐步引入低浓度Asparagopsis超过30天，可以使动物适应加速增加的补充剂至目标（高）水平，这可能减少补充剂目标摄入水平对采食量以及随后的增重和产奶量的负面影响。

芦笋属对产甲烷作用和干物质采食量的剂量依赖性效应

含有CHBr₃的饲料添加剂，无论是天然来源还是合成来源，目前在澳大利亚已达到商业水平。研究表明，Asparagopsisspp.抑制瘤胃产甲烷作用的程度取决于日粮中整个红藻生物质的摄入水平（基于有机物摄入量）以及加工后的Asparagopsis配方中CHBr₃的浓度。Asparagopsis对瘤胃产甲烷作用表现出剂量依赖性效应，较高剂量下观察到更显著的CH₄排放减少。然而，CH₄减排的效果大小受基础日粮（高纤维与高谷物）的影响，在低纤维日粮中观察到更大的抗产甲烷功效。不同研究的结果难以比较，因为试验方法、基础物质组成、Asparagopsis-CHBr₃的添加水平以及存在不同的植物化学化合物存在差异。多项体内研究发现，日粮中添加Asparagopsis对DMI、平均日增重（ADG）、产奶量和能量校正乳（ECM）产量等性能指标具有剂量依赖性效应。高添加水平通常与更显著的DMI下降和性能指标降低相关。与任何饲料添加剂一样，采用安全边际以允许Asparagopsis在农场或田间应用中的方差和潜在错误至关重要。使用Asparagopsis并非没有风险，可能对动物健康产生剂量依赖性的不良影响，包括在某些情况下可能导致瘤胃壁病变，如瘤胃乳头侵蚀、增生、炎症甚至微脓肿。然而，目前尚不清楚这些宏观病变是CHBr₃暴露的直接结果，还是与高CH₄抑制相关的DMI减少间接导致的，后者可能损害瘤胃微生物功能。在肉类和奶制品中检测到的溴仿残留物水平远低于人类安全消费限值。然而，在饲喂Asparagopsis的动物中，奶和肉中溴和碘的残留水平呈剂量依赖性增加，这引发了关于动物健康和产品安全的担忧，需要持续监测。

芦笋属对瘤胃H₂和发酵动态的影响

通过CO₂还原进行的产甲烷作用是未受抑制瘤胃中主要的电子汇，显著去除了发酵过程中产生的H₂。瘤胃中的H₂水平主要受动力学控制。产甲烷作用将H₂维持在足够低的浓度，以使发酵在热力学上保持有利。然而，Asparagopsis抑制产甲烷作用会导致功能性电子汇的丧失，从而破坏产H₂微生物和利用H₂的产甲烷菌之间关键的共生相互作用。已发表的研究表明，在反刍动物日粮中补充含有CHBr₃的Asparagopsis产品会深刻影响瘤胃微生物组，特别是产甲烷菌，并间接影响其他纤维降解和挥发性脂肪酸（VFA）产生的瘤胃微生物。抑制产甲烷作用会导致瘤胃中溶解H₂（dH₂）和气态H₂（gH₂）排放的积累。产甲烷作用抑制期间瘤胃H₂分压增加可能限制还原型电子辅因子（如还原型铁氧还蛋白Fd_red^2-和NADH）的再氧化，从而可能损害瘤胃发酵和植物纤维的降解，进而影响动物生产力。除非H₂分压维持在显著较低的水平，否则反应平衡倾向于NADH的形成。在反刍动物日粮中补充Asparagopsisspp.会使发酵转向乙酸减少、丙酸和丁酸浓度增加，但对总VFA产量没有不利影响。这些瘤胃发酵的变化是产甲烷作用被抑制后可用H₂增加的结果，这些H₂被用于丙酸生成和一定程度的丁酸生成，它们作为Asparagopsis补充期间观察到的电子增加的替代汇。然而，增加的丙酸生成不足以吸收瘤胃中所有的过量H₂。增加的丙酸生产和吸收已被提出作为产甲烷作用抑制期间导致DMI下降的另一种机制，因为吸收的丙酸在肝脏中氧化会诱导反刍动物的饱腹感。当CH₄生产受到抑制时，各种适应性和补偿性氢营养过程会被激活，例如丙酸生成和还原性乙酸生成。将瘤胃H₂流从产甲烷作用重新导向替代的氢营养途径，如乙酸生成，是最有希望的策略之一。然而，乙酸菌在瘤胃中与产甲烷菌竞争H₂时处于劣势。最近的研究发现，在犊牛中，3-硝基氧基丙醇（3-NOP）抑制产甲烷作用导致H₂积累，促使瘤胃发酵菌转向途径，从乙酸生产转向形成不良化合物如乙醇。对瘤胃微生物群竞争性相互作用的阐明对于通过将H₂从产甲烷作用重新导向替代途径来减少肠道CH₄排放至关重要。最近的研究揭示了在饲喂A. armata的奶牛瘤胃液中，氢营养和甲基营养产甲烷作用被有效抑制，以及氢营养途径的启动，这表明在Asparagopsis抑制产甲烷作用的情况下，存在将甲烷生成底物重新导向更理想代谢产物的潜在机制。抑制产甲烷作用期间产生的过量H₂的氧化通过丙酸生成和还原性乙酸生成比产甲烷汇有优势，因为产生了可转化为动物蛋白质的有价值的代谢终产物。理解产甲烷作用抑制对代谢氢[H]平衡的影响可以为合理的实验设计策略提供信息，以操纵瘤胃[H]流，这可能涉及补充替代电子受体以克服瘤胃环境中的动力学或热力学限制。例如，最近在饲喂高纤维日粮的山羊中证明，一种基于饲喂递增剂量的替代电子受体间苯三酚的新营养策略，可以在Asparagopsis抑制产甲烷作用的情况下改变瘤胃生态系统，促进能量（H₂）重新导向乙酸生成（增加11.8%），同时减少瘤胃H₂排放（减少68.1%）。Asparagopsis与H₂汇的联合使用有可能提高日粮效率和生产性能。

结论与建议

使用Asparagopsis作为饲料添加剂来减少肠道CH₄已显示出许多有希望的结果，多项研究报告对生产没有负面影响。然而，其他研究指出了动物生产性能的下降，包括采食量和产奶量减少。因此，更好地理解产甲烷抑制剂对瘤胃功能的影响对于避免对动物生产性能产生不良后果至关重要。在观察到DMI减少的情况下，当以强度为基础（例如，每公斤牛奶或肉类产生的CH₄克数）表示时，Asparagopsis对肠道CH₄产量的已知抑制效应可能会有所减弱，特别是在伴有动物生产性能下降的情况下。这种情况会阻碍Asparagopsis补充在农场的采纳。因此，必须在实现产甲烷作用持续减少而不对生产产生不利影响之后，才能实现广泛的自愿采纳。成本、政府干预和消费者为低碳足迹动物产品支付溢价的意愿等因素将决定畜牧业温室气体减排策略的广泛采纳。虽然在补充Asparagopsis配方的动物的肉和奶中观察到CHBr₃和卤素（溴或碘）残留增加，但检测到的水平显著低于人类安全消费限值。在反刍动物日粮中补充Asparagopsis产品可能影响动物健康或危及食品安全，因为动物源性产品中CHBr₃和卤素水平增加的风险。因此，必须在饲喂试验期间和之后监测动物健康，并定期评估补充Asparagopsis动物的肉或奶中的CHBr₃和卤素浓度。Asparagopsis为增强畜牧业生产系统的可持续性提供了一个令人兴奋且有价值的机会，但其成功采纳取决于在日粮中包含它时能维持瘤胃功能和动物生产性能。尽管最近在各种Asparagopsis配方（例如，全生物质、油浸CHBr₃和颗粒化CHBr₃）的使用方面取得了进展，但CHBr₃调节瘤胃微生物组、H₂代谢和发酵的程度尚未完全了解。需要进一步的研究来确定是否可以通过延长过渡期或共同补充H₂受体来增强CH₄抑制下的瘤胃功能，从而改善动物生产性能。