大蒜素通过抑制脲酶活性和调节瘤胃微生物组促进尿素氮向微生物氮的转化

为解决反刍动物瘤胃中脲酶活性高导致尿素氮利用率低的问题，研究人员探讨大蒜素作为脲酶抑制剂的潜力。通过酶抑制动力学、分子对接等发现大蒜素可抑制脲酶，调节微生物组成，促进尿素 - N 转化为微生物 - N，为优化瘤胃尿素代谢提供新策略。

　　

在反刍动物养殖领域，蛋白质饲料资源短缺和尿素氮利用率低是长期困扰行业的难题。豆粕作为主要蛋白源，受限于土地资源和生产效率，难以满足需求。而尿素虽因高氮含量（46.7%）成为理想替代物，但其在瘤胃中会被脲酶迅速分解为氨，导致氮浪费和环境污染。如何抑制脲酶活性、提高尿素氮向微生物氮的转化效率，成为改善反刍动物氮营养和可持续养殖的关键。

中国农业科学院北京畜牧兽医研究所的研究人员针对这一挑战，开展了大蒜素（一种大蒜来源的生物活性化合物）调控瘤胃尿素代谢的研究。该研究成果发表在《Microbiome》，为解决反刍动物氮利用低效问题提供了新视角。

研究主要采用以下关键技术方法：

1. 酶抑制动力学分析：测定大蒜素对瘤胃脲酶的半抑制浓度（IC₅₀）及动力学参数变化。
2. 分子对接技术：解析大蒜素与脲酶的结合位点及相互作用机制。
3. 体外瘤胃模拟发酵系统：评估大蒜素对尿素水解、氨生成和挥发性脂肪酸（VFAs）的影响。
4. 宏基因组学（Metagenomics）：分析大蒜素对瘤胃微生物群落组成和功能的调控作用。
5. 15N - 尿素代谢通量分析：追踪尿素氮在微生物氨基酸和核苷酸中的掺入效率。

研究结果

1. 大蒜素对瘤胃脲酶的抑制作用

通过酶活性测定发现，大蒜素对瘤胃脲酶的 IC₅₀为 126.77±1.21 μM，属于中强度抑制剂。迈克尔 is-Menten 动力学显示，随着大蒜素浓度增加，脲酶的米氏常数（K_m）和最大反应速率（V_max）均降低，表明其通过降低底物亲和力和反应速率发挥抑制作用。分子对接进一步揭示，大蒜素通过与脲酶活性中心的镍离子（Ni²⁺）和精氨酸残基（ARG¹³³⁶）形成氢键，竞争性占据尿素结合位点，阻止尿素水解。

2. 大蒜素对瘤胃发酵参数的影响

在体外模拟发酵体系中，大蒜素显著减缓尿素降解速率，降低氨氮（NH₃-N）生成量，其中 2 mM 和 4 mM 大蒜素组在 2 小时时氨氮水平显著低于对照组。同时，4 mM 大蒜素组的总挥发性脂肪酸（TVFA）产量在 24 小时时显著升高，乙酸、丙酸和丁酸含量增加，提示微生物发酵效率提升。

3. 大蒜素对瘤胃微生物群落的调控

宏基因组分析表明，大蒜素处理显著改变瘤胃微生物组成：普雷沃氏菌属（Prevotella sp.）丰度降低，而瘤胃杆菌属（Ruminobacter sp.）、RC9 属和解毒脱氮杆菌（Denitrobacterium detoxificans）等有益菌丰度增加。功能注释显示，这些微生物与氮代谢、氨基酸合成和硝基化合物代谢密切相关，可能协同促进尿素氮的利用。

4. 尿素氮向微生物氮的转化效率提升

15N - 尿素代谢通量分析显示，大蒜素组的尿素氮掺入微生物氨基酸和核苷酸的效率显著高于对照组。具体而言，标记氮在烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）、尿苷二磷酸 - N - 乙酰葡糖胺（UDP-GlcNAc）等代谢物中的丰度增加，表明尿素氮被有效用于微生物生长和代谢活动。

结论与讨论

本研究证实，大蒜素通过抑制瘤胃脲酶活性和重塑微生物群落，显著提高尿素氮向微生物氮的转化效率。其机制包括：

• 酶抑制机制：大蒜素与脲酶活性中心结合，竞争性抑制尿素水解，减少氨的生成。
• 微生物调控机制：抑制脲酶产生菌（如普雷沃氏菌），促进氮代谢功能菌（如解毒脱氮杆菌）生长，优化瘤胃氮循环。
• 代谢通路激活：促进尿素氮向氨基酸、核苷酸等关键生物分子的代谢通量，增强微生物蛋白合成。

该研究不仅揭示了大蒜素作为天然脲酶抑制剂的潜力，也为开发环保型反刍动物饲料添加剂提供了理论依据。未来若能在活体动物中验证其效果，并进一步优化添加剂量，有望减少豆粕依赖、降低氮排放，推动畜牧业的绿色可持续发展。