植物提取物组合对弯曲画眉草体外瘤胃发酵与甲烷排放的协同调控作用研究

《Scientific Reports》：Synergistic effects of bioactive plant extract mixtures on methane reduction and rumen fermentation of eragrostis curvula hay in vitro

　　本研究针对反刍动物养殖中甲烷排放导致的能量损失与环境污染问题，系统评估了六种药用植物提取物（Aloe vera, Carica papaya, Azadirachta indica, Jatropha curcas, Moringa oleifera, Tithonia diversifolia）及其两两组合对弯曲画眉草（Eragrostis curvula）体外瘤胃发酵参数的影响。结果表明，特定组合（如AV+JA、CP+MO）可显著降低甲烷产量超50%，并优化挥发性脂肪酸比例，同时维持有机物消化率。该研究为开发天然替抗添加剂、实现畜牧业低碳转型提供了理论依据。

　　

反刍动物作为农业生态系统的核心组成部分，能够将纤维性饲料转化为肉、奶等优质蛋白，但其独特的消化过程伴随大量甲烷（CH₄）排放。CH₄的温室效应强度是二氧化碳（CO₂）的23倍，不仅加剧气候变化，还导致饲料能量损失（约2–12%）。长期以来，抗生素生长促进剂（如莫能菌素）被用于抑制瘤胃甲烷菌活性，但因其耐药性风险已被多国禁用。因此，开发天然、安全的替代策略成为畜牧研究的热点。

在此背景下，药用植物因其丰富的次生代谢物（如黄酮类、皂苷、生物碱）展现出抗甲烷潜力。然而，单一植物提取物的效果有限，且可能对瘤胃发酵产生负面影响。南非比勒陀利亚大学的Abiodun Mayowa Akanmu团队提出假设：特定植物提取物的组合可能通过协同作用更高效地调控瘤胃微生物群落，在降低CH₄的同时维持或改善饲料消化效率。为此，他们在《Scientific Reports》发表了题为“Synergistic effects of bioactive plant extract mixtures on methane reduction and rumen fermentation of eragrostis curvula hay in vitro”的研究，系统评估了六种植物提取物及其二元混合物对低质粗饲料（弯曲画眉草干草）体外发酵的影响。

研究团队采用甲醇提取法制备植物粗提物，通过液相色谱-质谱联用（LC-MS）和高效液相色谱（HPLC）进行植物化学分析，鉴定出黄酮、蒽醌、萜类等关键活性成分。体外发酵实验以绵羊瘤胃液为 inoculum（样本来源：南非美利奴羊），将提取物以50 mg/L浓度添加至400 mg底物中，48小时孵育期内监测总产气量（TGP）、CH₄产量、有机物体外消化率（IVOMD）、氨态氮（NH₃-N）及挥发性脂肪酸（VFA）谱。通过主成分分析（PCA）和卡方检验评估混合物与单一提取物的关联效应。

植物化学分析揭示代谢物多样性

LC-MS与HPLC结果显示，所有植物提取物均含有多类次生代谢物，其中AZ（印楝）的总酚含量最高（248 mg/g Quebracho当量）。AV（芦荟）中鉴定出芦荟素A/B（Aloin A/B）、马米辛半乳糖苷（Marmesin galactoside）等蒽醌类物质；CP（番木瓜）和JA（麻风树）富含皂苷与脂肪酸；MO（辣木）和TD（肿柄菊）则以黄酮和萜类为主。这些化合物与抗菌、抗寄生虫活性密切相关，为后续发酵调控提供了物质基础。

混合物显著降低甲烷产量并优化发酵模式

与对照组相比，单一提取物均能降低CH₄产量（降幅57–71%），其中CP效果最佳。二元混合物进一步强化了这一作用，AV+JA与CP+MO组合的CH₄减排率高达74%，且未抑制总产气量。值得注意的是，莫能菌素组虽减少CH₄，但差异不显著，而植物提取物组合在减排效率上优于该阳性对照。

在发酵参数方面，CP、JA、MO单用显著提高IVOMD，表明其促进纤维降解；但部分组合（如AV+CP、AV+MO）出现拮抗效应，IVOMD低于单用组，可能与代谢物相互作用干扰微生物酶活性有关。VFA分析显示，混合物普遍提高丙酸比例并降低乙酸/丙酸比值（如AV+MO组比值降至1.23），暗示发酵方向向 glucogenic（生糖型）能量转化，有利于减少H₂用于甲烷生成。此外，所有处理组NH₃-N浓度均低于对照组，反映蛋白质降解受抑或微生物氮利用效率提升。

协同效应评估与机制探讨

卡方检验表明，AV+JA、CP+MO等组合对CH₄/IVOMD、CH₄/TVFA等比值产生显著协同降低效应（p<0.05）。PCA进一步揭示，AV中的芦荟素、AZ中的槲皮素（Quercetin）等成分与丙酸产量正相关，而TD的神经烯素（Neurolenin）等萜类可能与甲烷菌抑制直接相关。研究者推测，混合物的协同机制包括：（1）多靶点抑制甲烷菌与原虫活性；（2）调控H₂分流至丙酸生成；（3）通过酚类物质改变微生物群落结构。

本研究证实，特定药用植物提取物组合（如AV+JA、CP+MO）可通过协同作用实现高效甲烷减排（>70%），同时优化瘤胃发酵模式，其效果优于传统添加剂莫能菌素。尽管部分组合存在消化率拮抗问题，但整体结果表明，基于植物化学特征设计混合配方，有望成为替代抗生素、推动畜牧业可持续发展的可行策略。未来需深入解析关键活性成分（如芦荟素、皂苷）的作用机制，并开展动物试验验证其应用潜力。