综述：缓解肠道甲烷排放：产甲烷作用、抑制剂及未来展望

本文聚焦反刍动物肠道甲烷排放问题，综述了瘤胃产甲烷机制、多种抑制剂（如脂质、硝酸盐等）的减排效果、抑制产甲烷的后果、新一代抑制剂设计原则及未来方向，对推动反刍动物甲烷减排研究有重要意义。

　　

1. 引言

反刍动物在全球粮食安全中至关重要，能将人类无法食用的复杂碳水化合物转化为高价值动物蛋白。然而，其肠道发酵产生的甲烷是强效温室气体，全球约 30% 的人为甲烷排放源自牲畜生产，其中 88% 来自肠道发酵，这不仅加剧全球变暖，还造成 2% - 12% 的饲料能量损失。因此，减少反刍动物肠道甲烷排放对减缓全球变暖、实现国际气候目标意义重大。近年来，反刍动物营养学在甲烷减排策略研究上取得进展，但实际应用仍面临挑战，开发新型高效抑制剂迫在眉睫，本文旨在系统评估现有抑制剂效果，探讨其潜在影响和未来发展方向。

2. 瘤胃氢代谢和产甲烷作用

反刍动物瘤胃拥有复杂的微生物生态系统，其中细菌、真菌、原生动物、产甲烷古菌和噬菌体协同作用，将植物碳水化合物转化为挥发性脂肪酸（VFAs）和微生物蛋白。在瘤胃厌氧发酵过程中，电子从摄入的饲料中释放，可转移至细胞电子载体，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP⁺）和铁氧还蛋白。这些电子的最终受体包括参与微生物氨基酸合成的氨氮、用于丙酸合成的草酰乙酸和富马酸，以及用于丁酸合成的巴豆酰辅酶 A 等。未被利用的电子则通过产氢氢化酶生成氢气（H₂）。

产甲烷古菌约占瘤胃微生物的 0.3% - 3%，是主要的氢营养型原核生物，其中甲烷短杆菌（Methanobrevibacter）是优势菌属，还有甲烷球形菌（Methanosphaera）、甲烷微球菌（Methanimicrococcus）和甲烷杆菌（Methanobacterium）等。产甲烷古菌可利用 H₂、CO₂和甲酸生成甲烷，其产甲烷过程依赖甲基辅酶 M 还原酶（MCR），该酶催化甲基辅酶 M（甲基 - S - CoM）与辅酶 B（CoB - SH）反应生成甲烷和异二硫化合物（CoM - S - S - CoB）。此外，瘤胃中还存在一些利用甲基化合物（如甲胺和甲醇）产甲烷的甲基营养型产甲烷菌，如甲烷八叠球菌目（Methanosarcinales）、甲烷球形菌属和甲烷马赛球菌科。

瘤胃中除产甲烷古菌外，还有多种氢营养型微生物竞争 H₂。例如，还原型产乙酸作用可将 CO₂与 H₂转化为乙酸，但该过程对 H₂的亲和力低于产甲烷作用，且吉布斯自由能变化较大。此外，富马酸还原菌（如反刍月形单胞菌 Selenomonas ruminantium）可利用 H₂将富马酸还原为琥珀酸；硝酸盐还原菌（如 Selenomonas、Wolinella）可通过硝酸盐氨化作用将硝酸盐还原为氨；硫酸盐还原菌（如 Desulfovibrio）可将硫酸盐还原为 H₂S。这些非产甲烷途径在低排放反刍动物中显著上调，但瘤胃中这些氧化剂浓度较低，限制了其功能，除非在饮食中安全补充。

3. 各类产甲烷抑制剂对肠道甲烷减排的效果

通过在 Google Scholar 和 Web of Science 数据库检索 2020 - 2024 年的文献，筛选出 78 项体内研究，分析了脂质、硝酸盐、皂苷、单宁、精油、离子载体、宏藻、小分子靶向抑制剂和益生菌等 9 类抑制剂对反刍动物肠道甲烷排放的影响，具体数据如下表所示：

单位	变量	抑制剂
		脂质	硝酸盐	皂苷	单宁	精油	离子载体	宏藻	靶向抑制剂	益生菌
78 项同行评审体内研究中的研究数量		15	6	3	12	10	5	10	12	6
甲烷排放量（g/d）	有显著减少的研究数量	14	6	2	8	7	3	8	12	1
	平均值	-23%	-18%	-26%	-26%	-15%	-21%	-42%	-31%	-11%
	最大值	-41%	-22%	-47%	-39%	-32%	-34%	-75%	-62%	ND
	最小值	-5%	-11%	-4%	-5%	-5%	-8%	-22%	-13%	ND
甲烷产量（g/kg 干物质摄入量）	有显著减少的研究数量	12	6	1	5	6	3	7	11	2
	平均值	-21%	-17%	-48%	-20%	-18%	-17%	-36%	-26%	-11%
	最大值	-39%	-26%	ND	-36%	-29%	-34%	-70%	-54%	-11%
	最小值	-5%	-10%	ND	-11%	-6%	-2%	-16%	-14%	-10%
甲烷强度（g/kg 牛奶产量或平均日增重）	有显著减少的研究数量	11	4	1	2	1	3	7	8	0
	平均值	-26%	-27%	-50%	-25%	-26%	-14%	-37%	-28%	ND
	最大值	-62%	-32%	ND	-37%	ND	-20%	-74%	-59%	ND
	最小值	-14%	-22%	ND	-13%	ND	-11%	-20%	-11%	ND

3.1. 脂质

脂质可提高饲料能量密度，改善动物生产性能。其抑制产甲烷作用的机制是通过中长链脂肪酸抑制和破坏产甲烷菌细胞膜，从而降低甲烷生成。理论上，不饱和脂肪酸因额外的 H₂吸收位点，比饱和脂肪酸抑制作用更强，且不饱和度越高，抑制效果越好，但脂肪酸氢化对甲烷减排的作用有限。此外，油脂补充还可改善牛奶和肉类的脂肪酸谱。近期研究表明，脂质补充可使每日甲烷排放量平均降低 24%（ - 5% 至 - 41%），甲烷产量平均降低 23%（ - 9% 至 - 39%），甲烷强度平均降低 29%（ - 14% 至 - 62%）。然而，高脂肪补充会影响动物采食量和饲料消化率，过量补充还会降低牛奶脂肪含量和产量，其毒性与碳链长度和饱和度有关。

3.2. 硝酸盐

硝酸盐可作为替代 H₂的吸收剂，将 H₂从产甲烷途径转移至硝酸盐还原为氨的过程，氨可用于合成微生物氨基酸，具有营养益处。在瘤胃中，硝酸盐先被还原为亚硝酸盐，再进一步还原为氨，这两个过程的吉布斯自由能变化均低于产甲烷作用，因此在竞争 H₂时更具优势，可减少甲烷产生。研究表明，硝酸盐补充可使每日甲烷排放量平均降低 17%（ - 11% 至 - 22%），甲烷产量平均降低 18%（ - 10% 至 - 26%），甲烷强度平均降低 27%（ - 22% 至 - 32%）。但高浓度硝酸盐补充存在中毒风险，其代谢中间产物亚硝酸盐可氧化血红蛋白，导致高铁血红蛋白血症。此外，硝酸盐补充还可能降低牛奶脂肪和蛋白质含量，影响氮的利用和微生物蛋白合成。

3.3. 皂苷

皂苷是一类广泛存在于陆地植物中的糖苷，可与原生动物细胞膜表面的甾醇结合，导致细胞裂解。由于大量产甲烷菌附着于原生动物，皂苷对原生动物的抑制作用可间接减少甲烷产生。此外，皂苷还可抑制纤维素降解细菌和真菌，减少产甲烷所需的 H₂。体外研究表明，皂苷可降低甲烷产量 14.8%，体内研究的荟萃分析显示可降低 37%。近期研究表明，皂苷补充可使每日甲烷排放量平均降低 28%（4% 至 47%），但由于体内研究有限，未计算甲烷产量和强度的平均降低值。高剂量皂苷补充会抑制纤维素降解微生物活性，降低饲料消化率，其效果还与来源有关，推荐使用Quillaja saponaria用于大型反刍动物。

3.4. 单宁提取物

单宁是一种多酚化合物，分为缩合单宁和水解单宁，两者都能减少甲烷排放。其作用机制包括直接抑制产甲烷古菌、控制原生动物数量和促进 H₂吸收。研究表明，单宁补充可使每日甲烷排放量平均降低 28%（15% 至 39%），甲烷产量平均降低 20%（11% 至 36%），甲烷强度平均降低 25%（13% 至 25%）。但单宁会降低饲料适口性，影响动物采食量，其降解产物可能有毒，高剂量补充还会影响营养利用和生产性能，且不同来源的单宁效果不同，使用时需考虑饲料成分的影响。

3.5. 精油

精油是植物衍生的挥发性化合物，具有抗菌性，可间接抑制原生动物生长或与产甲烷菌竞争 H₂利用，从而减少甲烷排放。适当补充精油可增强丙酸生成，降低瘤胃氨氮浓度，不影响瘤胃发酵，还能增加牛奶脂肪产量和不饱和脂肪酸浓度，提高肉牛平均日增重和饲料效率。研究表明，精油补充可使每日甲烷排放量平均降低 15%（6% 至 32%），甲烷产量平均降低 18%（6% 至 29%），甲烷强度平均降低 26%。但精油作为抗甲烷饲料添加剂可能存在短期效应，体内效果不一致，还可能增加肝脏脓肿风险，影响肉品风味，需要进一步研究其作用机制和对动物代谢的影响。

3.6. 离子载体

离子载体在畜牧行业广泛用作抗菌剂，如莫能菌素和拉沙洛西，可与细胞内外阳离子结合，破坏革兰氏阳性菌、主要 H₂产生菌和原生动物的细胞膜，减少附着的原生动物和产甲烷菌数量，从而降低甲烷排放。此外，离子载体补充还可提高奶牛产奶效率。研究表明，离子载体补充可使每日甲烷排放量平均降低 21%（8% 至 34%），甲烷产量平均降低 17%（2% 至 34%），甲烷强度平均降低 14%（11% 至 20%）。但离子载体使用不当会导致动物中毒，其抗甲烷作用可能是暂时的，且未代谢的离子载体可能污染农田，引发公众对抗生素使用的担忧，目前正在研究替代物质。

3.7. 宏藻

宏藻作为抗甲烷饲料添加剂成为研究热点，如海藻中的卤代化合物（如氯仿和溴仿）可抑制 MCR 活性，抑制Methanobrevibacter smithii和Methanobrevibacter ruminantium生长，减少甲烷合成。其中，Asparagopsis taxiformis和Asparagopsis armata富含卤代生物活性化合物，A. taxiformis对甲烷减排效果最强，可使肉牛和泽西奶牛的甲烷排放量降低 64% 以上。研究表明，宏藻补充可使每日甲烷排放量平均降低 44%（22% 至 75%），甲烷产量平均降低 32%（16% 至 70%），甲烷强度平均降低 30%（20% 至 74%）。但海藻可能含有重金属和高碘，高浓度A. taxiformis油浸物可能导致瘤胃壁炎症，其中的溴氯甲烷可能转移到尿液和牛奶中，且海藻大规模种植受限，使用前需量化卤代化合物含量。

3.8. 小分子靶向抑制剂

小分子靶向抑制剂包括 MCR 蛋白抑制剂，如 3 - 硝基氧基丙醇（3 - NOP）和卤代化合物。3 - NOP 可提高生产性能，减少甲烷排放 30% 以上，且对动物生产性能无不良影响，长期效果良好。卤代化合物可结合细胞内的类咕啉和类卟啉酶，转移电子流，减少甲烷生成，但由于潜在毒性，体内研究有限。研究表明，3 - NOP 补充可使每日甲烷排放量平均降低 33%（13% 至 62%），甲烷产量平均降低 27%（14% 至 54%），甲烷强度平均降低 30%（11% 至 59%）。设计小分子抑制剂需确定靶催化位点，微生物基因组测序有助于预测潜在靶酶，但并非所有鉴定的蛋白都适合作为干预靶点，还需评估其长期影响和潜在风险。

3.9. 古菌噬菌体

古菌噬菌体及其遗传物质可裂解宿主细胞，特异性感染和裂解产甲烷古菌，不影响瘤胃其他微生物。已鉴定出多种古菌噬菌体，如Metanobacterium噬菌体 psi M1 等，全基因组测序和宏基因组分析有助于发现更多噬菌体和噬菌体酶。但目前该领域研究有限，古菌噬菌体的宿主特异性带来挑战，瘤胃微生物的适应性可能限制其抗甲烷效果，在产品开发前需解决安全性、重复性和稳定性问题。

3.10. 益生菌

益生菌被认为是安全的饲料添加剂，可刺激细菌活性，维持瘤胃发酵，改善动物健康。一些细菌和酵母（如Bacillus、Bifidobacterium、Propionibacterium、乳酸菌和Saccharomyces cerevisiae）在减少甲烷排放方面有潜力，但机制不明。补充活酵母可促进产乙酸菌利用 H₂，抑制产甲烷作用。此外，益生菌还可提高采食量、消化率、产气率，调节瘤胃 pH，增加牛奶产量和免疫功能，提高肉牛平均日增重。研究表明，益生菌补充可使每日甲烷排放量平均降低 11%，甲烷产量平均降低 11%（ - 10% 至 - 11%）。但益生菌的效果存在差异，可能与菌株、酸碱平衡和生产系统有关，需要进一步研究确定最有效的益生菌及其作用机制。

4. 抑制产甲烷的后果

抑制产甲烷被认为可提高饲料能量利用效率和动物生产力，但实际效果因实验而异。肠道甲烷排放仅占总能量摄入的 2% - 12%，减少甲烷排放对生产力的直接影响可能有限。大量抑制产甲烷会改变瘤胃微生物功能，导致 H₂利用失衡，增加 H₂产生和排放，影响瘤胃消化和纤维素降解，降低生产力。抑制产甲烷还会改变瘤胃发酵模式，促进丙酸和丁酸生成，减少牛奶脂肪含量，其对动物生产性能的影响可能源于饮食变化，需谨慎考虑因果关系。

5. 新一代产甲烷抑制剂的设计原则

新一代抑制剂必须以安全为首要原则，包括对反刍动物、人类和环境的安全。一些传统抑制剂因对人类和环境有害而无法实际应用，如卤代化合物的代谢产物会破坏臭氧层。因此，新型抑制剂需通过体内外实验验证其安全性，这是监管审批的关键因素。

抑制剂的有效性也至关重要，尤其是长期有效性。许多现有抑制剂在短期实验中效果良好，但长期使用后，瘤胃产甲烷菌会逐渐适应，导致抑制效果减弱甚至消失。例如，离子载体长期使用后效果下降，小分子靶向抑制剂受产甲烷菌多样性影响实际效果有限。设计新一代抑制剂时，需通过体内外实验评估其长期抑制能力。

生命周期评估是评估抑制策略的重要因素，需考虑肠道甲烷排放、供应链和土壤碳足迹。从碳足迹角度看，不同抑制剂或策略的减排效果可能与预期不同。例如，草 - 三叶草青贮的生产碳足迹高于玉米青贮，但考虑土壤碳变化后，其碳足迹更低。改变管理方式比饲料调控更能有效减少碳足迹，评估抑制剂对动物产品碳足迹的影响有助于选择更环保的策略。

成本效益也是设计抑制剂时需考虑的重要因素。虽然畜牧业减排技术潜力大，但在合理经济成本下的实际潜力可能较小。一些抑制剂（如硝酸盐和亚麻籽）的边际减排成本已超过 550 欧元 / 二氧化碳当量（CO?eq），使用抑制剂可能增加饲料成本，降低生产经济效益，限制其应用。因此，需在有限预算内实现最大甲烷减排，同时考虑成本分担问题。

6. 未来产甲烷抑制剂的发展方向和前景

畜牧业是温室气体甲烷排放的主要来源之一，减少反刍动物甲烷排放对减缓全球变暖至关重要。目前的饲料调控和添加剂使用策略虽有一定效果，但长期使用效果有待验证，且在放牧和粗放养殖系统