紫花苜蓿非纤维碳水化合物与粗蛋白比例调控瘤胃发酵、氮利用及甲烷生成的体外研究

本研究针对反刍动物饲养中因饲料能量与蛋白质不平衡导致的氮利用率低及温室气体排放问题，通过体外培养技术系统评估了紫花苜蓿非纤维碳水化合物与粗蛋白比例（NFC/CP）对瘤胃发酵特性、微生物蛋白合成及甲烷生成的影响。结果表明，提高NFC/CP比例（2.0 vs. 0.9）可显著提升干物质降解率、挥发性脂肪酸产量和微生物氮利用效率，同时降低氨氮浓度和甲烷排放比例，为通过饲草育种和管理策略减少反刍生产环境足迹提供了重要理论依据。

　　

在反刍动物生产中，饲料中能量与蛋白质的平衡是优化瘤胃发酵、提高氮利用效率和减少环境排放的关键。紫花苜蓿（Medicago sativa L.）作为北美地区最重要的豆科饲草，因其粗蛋白（CP）降解速率快、非纤维碳水化合物（NFC）含量高而备受关注。然而，长期以来，苜蓿中快速降解蛋白与可利用碳水化合物之间的不平衡常常导致瘤胃氨氮（NH₃）积累，不仅降低了氮的利用效率，还增加了尿氮排泄和温室气体排放的风险。尽管在禾本科牧草中已广泛采用水溶性碳水化合物与粗蛋白比例（WSC/CP）作为衡量指标，但由于苜蓿中含有大量果胶和淀粉等非纤维碳水化合物，传统WSC/CP比并不适用。因此，科学界迫切需要一种更适用于豆科饲草的能量蛋白平衡指标，并在此基础上探索其如何影响瘤胃微生物群落功能及甲烷生成机制。

在这一背景下，研究人员在《Canadian Journal of Animal Science》上发表了一项研究，通过体外批量培养技术，系统比较了不同NFC/CP比例（2.0 vs. 0.9）的紫花苜蓿对瘤胃发酵、氮代谢、甲烷生成及微生物组成的影响。该研究首次在保持中性洗涤纤维（NDF）浓度一致的条件下，探讨了NFC/CP比对瘤胃发酵的综合效应，并采用定量PCR技术对微生物种群进行了定量分析，为豆科饲草的高效利用和环境减排提供了新的见解。

本研究采用体外瘤胃批量培养系统，在24小时培养期内监测气体生成动力学、挥发性脂肪酸（VFA）和氨氮浓度，并利用定量PCR技术分析微生物群落结构。供体瘤胃液来自两头瘘管荷斯坦奶牛，饲喂基础日粮。所有样本在化学分析基础上进行了近红外光谱预测，以确保实验材料的一致性。

研究结果显示，高NFC/CP比例（Ratio +）组在24小时累积产气量（263 mL vs. 228 mL）和VFA总浓度（48 mmol L^?1 vs. 42 mmol L^?1）方面均显著高于低比例组（Ratio –），表明发酵效率更高。同时，Ratio +组的表观干物质降解率（57% vs. 53%）和微生物氮效率（69% vs. 56%）也显著提升，而氨氮浓度降低了47%。甲烷排放方面，虽然单位有机物降解产生的甲烷量无显著差异，但每100 mL气体中的甲烷比例显著下降（7%–9%），提示发酵过程更倾向于丙酸和丁酸生成而非乙酸，从而减少了可用于产甲烷的氢源。

微生物群落分析表明，高NFC/CP比例条件下，利用氨氮的细菌如Ruminobacter amylophilus丰度显著增加，而蛋白降解菌如Prevotella spp.则减少。这一变化与氨氮浓度下降和微生物蛋白合成效率提高高度一致。此外，甲烷菌功能基因mcrA的拷贝数在Ratio +组中降低，进一步支持了甲烷生成受到抑制的结论。

综上所述，本研究通过体外实验证明，提高紫花苜蓿的NFC/CP比例可通过调控微生物群落结构，显著改善瘤胃发酵效率和氮利用，同时降低甲烷排放比例。这不仅为选育高能低蛋白型苜蓿品种提供了理论依据，也为减少反刍动物生产中的环境污染提供了可行的营养策略。未来研究需进一步通过体内试验验证这些效应，并确立适用于豆科饲草的最佳能量蛋白比例阈值，以推动可持续畜牧业发展。