作者：龚飞飞，邵伟，胡登林，余雄
甲烷（Methane，CH4）是一种重要的温室气体，它主要破坏大气的臭氧层。其红外吸收值（3.3μm处有特征吸收值）远高于二氧化碳，单位体积造成的温室效应是二氧化碳的30倍，对全球气候变暖的影响占了15%～20%。全球CH4排放量的75%来自于家畜饲养、水稻种植、生物质燃烧等。反刍动物甲烷的排放量占其排放总量的97%。
牛粪便最常见的处理方式是堆放，全球动物粪便排放的CH4大约占已知CH4排放总量的5.5%～8.0%。年和年全球排放的甲烷分别为Tg（1Tg=g）和Tg（～Tg），其中反刍动物的贡献率分别为15%～25%和12%～19%。
我国家养动物和动物废弃物的甲烷排放量在年和年分别为6.31Tg和6.61Tg，其中反刍动物排放5.67Tg和5.91Tg，分别占89%和89.4%。年我国反刍动物甲烷排放量为6.Tg，年为8.85Tg，占世界排放总量的10.3%。
欧美等国的氨气排放总量中有80%～95%来源于农业生产，其中来源于动物粪便的超过80%，来源于动物饲料的不足20%。畜禽舍中的氨气主要来源于其粪便、尿液、垫料和地板上浪费饲料中的有机氮的分解。粪氮和尿氮散发到空气中，会成为酸雨形成的因素之一。长期堆放的粪便会造成土壤板结，危害植物。粪尿会污染地表水和地下水，危害人类的健康。大量的含氮物质会造成水体富营养化，导致水生动物和植物死亡，还会使水稻等作物大量减产，并严重影响沿岸的生态环境。
1牛舍中碳和氮的排放
1.1奶牛碳排放的来源
饲料中的淀粉和蛋白质在瘤胃微生物的作用下，被分解成VFA（挥发性脂肪酸）、氢气和二氧化碳等物质，在产甲烷菌的作用下生成甲烷。产生的甲烷通过动物反刍以嗳气的方式排出体外。甲烷菌合成甲烷主要有三个途径：（1）以CO2和H2为底物；（2）以甲酸、乙酸和丁酸等VFA为底物；（3）以甲基化合物为底物。以乙酸为底物的甲烷合成占30%，以氢和二氧化碳为底物的占70%。瘤胃八叠球菌是唯一可以利用甲胺、甲醇或乙酸的微生物。甲烷的生成是放能反应，可以合成ATP。此外，粪便堆放也可产生大量的甲烷气体。其原理是在厌氧条件下，微生物和甲烷菌分解VFA、CO2、H2和醇类等有机化合物而产生。
二氧化碳的排放主要来自家畜的呼吸。此外，以甲酸、乙酸和丁酸等挥发性脂肪酸为底物的甲烷合成及以甲基化合物为底物的甲烷合成，其产物除生成甲烷外，还产生了大量的二氧化碳。据报道，瘤胃气体的主要成分为：二氧化碳40%、甲烷30%～40%、氢气5%以及比例不恒定的少量氧和氮气（从空气中摄入），这些气体以嗳气的方式经口腔排出体外。
1.2奶牛氮排放的来源
牛舍中的氨气主要来源于粪便、尿液、垫料和地板上浪费饲料中的有机氮的分解。奶牛向环境中排泄的氮主要是尿氮和粪氮。由于日粮中含有角蛋白等不溶性蛋白质，一些难以消化的含氮物质未经消化吸收便排出体外；此外，如果日粮的氨基酸不平衡或蛋白质水平偏高，多余或不配套的氨基酸在体内代谢分解后会随尿液排出体外。
2减少奶牛甲烷生产量的措施
影响甲烷生成量的基本机制主要有两个：一是瘤网胃中可发酵碳水化合物的含量；二是瘤胃发酵产生VFA的比例，通过调节可利用氢的供应量，从而影响甲烷产量。根据以上两种机制，可以采用调控采食水平、碳水化合物类型、改变饲料加工方式，加入脂类添加剂和甲烷抑制剂等方法来降低甲烷的生成。
2.1采食水平
甲烷能的损失对反刍动物来说非常大。当日粮消化率为40%时，反刍动物甲烷能损失为消化能的15%～16%；当维持状态下的粗饲料消化率为80%时，反刍动物甲烷能损失为消化能的9.0%。一般而言，饲养水平、饲粮组成和消化率的差异导致的甲烷能损失占饲料总能的2%～15%。
因此，降低瘤胃内甲烷的产量不仅对缓解温室效应有重要意义，而且可以减少反刍动物瘤胃发酵过程中能量的损失，提高饲料的利用率。随着反刍动物采食量的增加，CH4排放量也随之增加，但饲粮总能中用于甲烷生成损失的能量却相应减少。采食量仅能够减少甲烷生成过程中能量损失的相对含量，其绝对生成量还与其他因素有关。
2.2日粮种类
甲烷的排放量与精料的种类有着密切的联系。以大麦为基础日粮时，甲烷能占总能量的6.5%～12%；以玉米为基础日粮时，甲烷能在5%以下。McCaughey等发现给肉牛饲喂苜蓿和干草的混合物，甲烷损失的能量占采食总能的7.1%；而单独饲喂干草时，占总能的9.5%。
2.3日粮精粗比
韩继福等的研究表明动物瘤胃的丙酸产量与甲烷排放量呈显著负相关（r=-0.）。萧宗法等以半干青贮草为粗料，精粗比分别为0:、30:70、50:50、70:30的日粮饲喂荷兰品种干乳牛，发现其24h的甲烷产量分别为L、L、L及L。张爱忠等以青干草为粗饲料，分别饲喂绒山羊精粗比为3:7和2:8的日粮，发现后者的丙酸产量明显低于前者。
改变精粗比虽然可以有效降低CH4的产量，但也产生了一定的副作用，如与人争粮，增加了氮的投入与排放等。当丙酸比例过高（33%以上）时，还会影响生产性能，乳用反刍动物的乳脂率会降低，甚至导致产乳量下降，而且往往容易引起酸中毒、蹄叶炎、过肥等问题。因此，应该合理安排日粮精粗比。
2.4饲料的加工和贮存方式
牧草的物理处理（例如切碎和制粒）、化学处理（如氨化和碱化）和生物处理（如青贮）等对甲烷的排放也有一定影响。粗切的牧草比切短的牧草会使反刍动物排放的甲烷增多。牧草的细胞壁在加工时被破坏，从而提高了饲料的利用率，同时VFA比例也发生改变。秸秆经化学或生物处理后，纤维素类物质的分解度增加，秸秆细胞壁膨胀，便于微生物纤维素酶渗入，易于消化。
在生产实践中，反刍动物饲粮中采用氨化和切碎的秸杆，生产单位产品的甲烷减少量大于10%。碱处理对提高秸秆的消化率也非常有效，但是成本较高、还容易造成钠离子的污染，并且具有腐蚀性。氨化饲料不存在上述缺点，还可为瘤胃微生物提供氮源和节约成本，应推广使用。
2.5饲喂方式
反刍动物日粮中的粗饲料具有保持瘤胃食物结构层正常的作用，而加入精料会使之破坏，少量而多次地饲喂精料有助于提高食糜在瘤胃内的通过速度，有利于提高饲料的利用率和吸收率，有利于纤维物质在瘤胃内的降解和发酵。先粗后精，以及先饲喂粗饲料，然后多次添加精料，使得瘤胃内产生的VFA以丙酸为主，这样既可以减少饲料的损耗，又可以减少CH4和CO2的排放，还可以改善动物的生产性能，且不会影响产奶量和乳成分。
2.6环境温度
反刍动物瘤胃甲烷的产量与环境温度呈正相关。在温度较低时，绵羊瘤胃生成的甲烷会降低30%，这是由于随着温度的降低，瘤胃内的发酵趋向于丙酸型发酵，因此甲烷的产量会降低。
2.7脂类物质对甲烷生成的调控
饲粮中添加椰子油、菜籽油、葵花油和亚麻酸等油脂可抑制甲烷的生成。其机理如下：
（1）不饱和脂肪酸能竞争性地利用氢，从而抑制甲烷菌的活动。
（2）发酵类型向丙酸发酵类型转变，在丙酸发酵的过程中能竞争性地利用氢，从而减少甲烷的产生。
（3）对原虫具有抑制作用。植物油、乳脂、C18不饱和脂肪酸等对原虫具有毒性。
（4）纤维素等养分被脂肪包裹，导致瘤胃微生物难以发生作用。
油脂对瘤胃中的甲烷生成菌和原虫具有毒害作用，尤其是会减少原虫的数量，所以过量添加油脂将会出现纤维素消化率降低的问题。此外，添加的油脂会在消化道中形成钙皂，降低钙的吸收率。在今后的研究中，需要了解油脂与其他营养成分之间的互作机理，解决油脂降低甲烷产量与降低纤维素消化率之间的矛盾。
2.8驱除原虫
反刍动物的除虫方式有日粮调控、添加天然化合物和生物学试剂等。Newbold等发现一种热带饲料树的叶子具有抗原虫效果；Mclnerney发现皂角苷对原虫有很强的毒性。皂甙类物质可以与真核细胞膜上的胆固醇发生作用，改变细胞膜的通透性。但是使用皂苷有可能会引起胀气。
传统的生物制剂虽然可以减少原虫数量，但是有时原虫数量与甲烷产量并不一致。资料表明，饲喂高精料日粮时，去原虫抑制甲烷生成的效果更明显。驱除原虫可能会改变瘤胃中菌群的微生态环境，从而影响原虫对粗纤维的消化作用，因此运用去原虫的方法减少甲烷的生成还有待于进一步研究。
2.9甲烷抑制剂
在降低甲烷生成方面，许多化合物具有与脂肪酸相同的效果。这类化合物被称为甲烷抑制剂。它们抑制甲烷生成的主要途径有：毒害瘤胃内形成甲烷的微生物；捕获和减少将CO2转变为CH4的电子；抑制甲基化反应的酶。
2.9.1离子载体化合物
莫能菌素和拉沙里菌素均可显著抑制细菌产生氢和甲酸，减少甲烷生成，同时还可以提高饲料的转化率。McGinn等饲喂肉牛75%的大麦青贮+19%的大麦时，添加6%莫能菌素，甲烷产量明显降低。
Tedeschi等认为莫能菌素可以降低25%的甲烷产量。林雪彦等也证明莫能菌素水平与瘤胃微生物产气量呈线性负相关。但Rumpler等发现一些细菌在短期内对离子载体敏感，时间长了便产生适应性。反刍动物甲烷短杆菌对莫能菌素、拉沙里菌素不敏感，可能是由于这些微生物合成ATP时是利用底物磷酸化而不是利用氧化磷酸化的缘故。因此，离子载体化合物在生产中应用时只能产生短期效果。
2.9.2多卤素化合物抑制剂
氯化甲烷等多卤素化合物对甲烷的生成菌均有抑制作用。然而，这类物质容易被一些瘤胃微生物适应或降解，并且容易挥发，所以在生产上很难取得让人满意的效果。三氯乙酰、三氯乙基己二酸和溴氯甲烷抑制甲烷生成的时间较短。但人们发现溴氯甲烷和α-环式糊精的复合物具有良好的化学稳定性，不但可以明显降低甲烷的产量，还不会影响瘤胃内纤维的消化率。因此，研究并应用含有多氯素化合物的复合物来减少反刍动物甲烷的产生量具有十分重要的意义。
2.9.3有机酸
有机酸可以降低乙酸和丙酸的比值，从而降低甲烷的产量。其原理是通过提高其他菌对H+和甲酸的利用来对甲烷的生成进行调控。苹果酸添加剂可以抑制甲烷的产量。添加延胡索酸盐也有较好的效果，而且不会影响纤维的消化。
2.9.4添加益生素
微生物添加剂能改变微生物区系组成，改变种群平衡，间接地降低甲烷产量。Frumholtz等报道，在不含有底物的人工瘤胃中，每日添加mg米曲酶，甲烷产量下降50%。Mutsvangwa等发现给公牛饲喂酿酒酵母（1.5kg/t饲料）可以明显降低甲烷产量。迄今为止，国内外关于益生素的研究，主要停留在应用效果的研究之上，基础研究十分薄弱，对益生素的作用机制了解更少。因此，关于益生素对甲烷产量的影响，需要进一步研究。
2.9.5抑制甲烷合成相关酶的活性
蒽醌类物质（Anthraquinone，AQ）可以直接作用于甲烷菌，阻断电子传递链，并在电子传递和与细胞色素有关的ATP合成的偶联反应中起解偶联作用，从而阻止甲基辅酶M被还原成甲烷气体。Garcia-Lopez等的体外研究证实了添加蒽醌能明显降低甲烷的产量。四氢甲烷蝶呤（tetrahy-dromethanopterin）是产甲烷菌体内合成甲烷的关键辅因子，RFA-P合成酶可以催化四氢甲烷蝶呤的合成，添加RFA-P合成酶抑制剂可以降低甲烷的生成。甲羟戊二酸单酰辅酶A还原酶的抑制剂美伐他汀和洛伐他汀也是甲烷菌的抑制剂。
2.9.6添加其他抑制剂
除以上所述，还有许多甲烷抑制剂、甲烷营养菌、染料（Dye）、单宁酸等都能够对甲烷的产生起到一定的调控作用。一种日本辣根油可减少牛体内甲烷产生菌的数量，抑制甲烷的生成。Sar等发现一种野生型的大肠杆菌（E.coliW）可降低27%的甲烷产量。反刍动物营养中关于生物素前体物的研究已经取得相当多的成果，多数结果认为其可以降低甲烷产生量。此外，还有利用针对甲烷菌的特异性抗体等新方法来调控甲烷生成的报道。
2.10利用沼气池减少甲烷排放
沼气的主要成分是甲烷，大约占沼气总体积的50%～70%，其次是二氧化碳，约占总体积的30%～40%。每吨干牛粪、鸡粪和猪粪（中温发酵）分别可产生沼气约m3、m3和m3。在保持相同发酵浓度、同等温度的条件下，发酵气体中CH4含量的大小顺序为：牛粪羊粪猪粪。沼气的热值为～kJ/m3，相当于1kg原煤或0.74kg标准煤所产的热量。
按照政府间气候变化专业委员会年推荐的方法学计算，在南方，一个处理4头猪粪便的户用沼气池，每年最大可减排温室气体2.0～4.1tCO2当量。因此，利用畜禽粪便生产清洁能源，对于降低温室气体排放和发展可再生能源都有着重要的意义。
2.11其他方法
研究表明在粪便堆放前期CO2和CH4排放速率较大，中后期较慢。表面覆盖会减少液态粪便CH4排放量，平均减少38%。陆日东等的研究表明牛粪在堆放时覆盖玉米秸秆也会减少CO2的排放。进行家畜的品种改良，提高个体生产性能，可以间接地减少甲烷的排放。随着科技的发展，基因克隆、转基因技术的不断完善，可以利用外来基因来增加瘤胃内的细菌与甲烷菌的竞争能力，从而可以控制甲烷的产生。
3减少氮排放的措施
奶牛氮摄入量与粪氮、尿氮及总氮排泄量呈正相关。尿液总氮中尿素氮的含量占80%以上。增加蛋白质的摄入量能够迅速增加尿氮的含量，并且超过动物蛋白质需要量的氮几乎都是通过尿液排出体外。因此，改变日粮蛋白质水平能够显著影响尿氮排泄量。粪氮排泄量相当稳定，约占干物质采食量的0.6％。可以通过日粮调控等途径以减少排泄物中含氮有机物的含量，从而降低畜舍内空气中氨的浓度。在畜禽饲料内添加丝兰属植物提取物、微生态制剂、合成氨基酸和酶制剂等可以提高畜禽对饲料的利用率，以达到减少氮排放的效果。
3.1丝兰属植物提取物
丝兰属植物提取物的有效成分是丝兰皂甙，能抑制尿酶的活性，使尿素不能分解成氨气和CO2，从而可以降低畜舍空气中氨的浓度。添加丝兰皂甙还可以使血清中肌酸、胰岛素水平上升，促进蛋白质的合成，并且能减少能量、蛋白质和氧气的消耗。
3.2添加合成氨基酸
如果日粮中的氨基酸组成与动物所需的氨基酸相适应，即达到“理想蛋白质”状态，此时蛋白质的利用率最高，氮排出量最少。在奶牛的日粮中，添加过瘤胃保护氨基酸，可提高日粮蛋白质的利用率，减少氮的排出。
3.3饲料的加工方式
合理调制日粮可以提高饲料利用率。将饲料制成大小适中的颗粒，会增加饲料与消化道的接触面积和改善适口性，消化率因而也得到提高。饲料的膨化处理和颗粒化处理能使随粪便排出的干物质减少三分之一。
3.4添加酶制剂
植物性饲料中含有植酸、单宁、胰蛋白酶抑制因子等抗营养因子。饲料中添加酶制剂通过补充动物体消化酶分泌的不足或增加动物体内不存在的酶，能有效降低饲料中的抗营养因子，促进营养物质的消化吸收，提高饲料的利用率，使粪便和氮排出量减少20%。
3.5改善畜舍养殖环境
第一，合理设计畜舍，设置良好的除粪装置和排水系统。
第二，从卫生管理着手，及时清除粪便和污水。
第三，改善舍内的温热环境特别是温度和湿度。由于氨极易溶于水，所以当舍内湿度过大时，氨被吸附在墙体和屋顶上，并随水分渗入建筑材料中，当舍内温度上升时，又挥发逸散出来污染空气。
第四，利用垫料或吸附剂可吸收一定量的氨气。这些吸附剂包括沸石、丝兰提取物、木炭、活性炭、煤渣、生石灰等。此外，对畜禽舍撒过磷酸钙，醋酸熏蒸，喷洒福尔马林、过氧化氢、过氧乙酸、高锰酸钾、硫酸铜、苯甲酸及乙酸等也可以有效地降低空气中氨气的含量。
4小结
如前所述，采用氨化饲料、先粗后精，先粗后多次添加精料的饲喂方式、降低环境温度等方法相比其他方法具有低成本、对牛羊应激较小的优势，但是其减少甲烷排放的量比较少。在我国反刍动物的粗饲料以秸秆为主，其消化率较低，相当于劣质饲草，因此饲喂秸秆的反刍动物产生大量的甲烷，从而导致能量利用效率的下降。
我国对反刍动物甲烷排放量的研究从7年正式开始，起步较晚，目前尚未建立合理的预测排放量的模型和对应的减排措施。上述方法都有一定的缺点，仍不能在不对反刍动物引起任何副作用的条件下减少碳和氮的产生和排放。随着科学技术的发展与科研工作者的探索，相信人们一定能探索到对环境、动物健康及其产品安全都有益的科学合理的调控方法。
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