综述：基于益生菌饲料添加剂的环境缓解剂对反刍和非反刍动物肠道甲烷产生的胃肠道调控

《Resources, Environment and Sustainability》：Gastrointestinal modification based on probiotic feed additive enviro-alleviators to reduce enteric methane production in ruminant and non-ruminant livestock

　　本综述系统探讨了益生菌饲料添加剂（PFA）通过调控胃肠道（GIT）微生物群落，改善肠道发酵参数，从而在保障 livestock 健康与生产力的同时，有效降低 enteric CH4 排放的核心机制与应用前景。文章比较了不同 PFA 物种、剂量及投喂形式（直接饲喂微生物 DFM 或青贮接种剂 SI）对 ruminant 与 non-ruminant 的影响，总结了其通过促进丙酸盐（PVFA）合成、消耗氢（H2）底物、抑制产甲烷古菌（methanogens）及原生动物（protozoa）等途径实现 CH4 减排的潜在共性作用模式，为开发可持续畜牧业提供了重要见解。

　　

引言

减少牲畜肠道产生的甲烷（CH₄）排放的可持续方法已成为全球科学家和畜牧从业者共同关注的焦点。尽管CH₄在大气中的寿命较短，但其吸收太阳辐射的能力比二氧化碳（CO₂）更强，是导致气候变化的重要温室气体（GHG）之一。随着全球人口增长对动物源性商品需求的增加，畜牧业面临着提高生产效率与减轻环境压力的双重挑战。在众多减排策略中，益生菌饲料添加剂（PFA）作为一种潜在的GIT微生物组调控工具，因其能够改善肠道发酵、提升饲料营养价值，并可能减少CH₄排放而备受关注。

畜牧生产的重要性与环境影响

畜牧业为全球提供了约35%的食物蛋白质供应，特别是在发展中国家，其产品占农业总产出的近40%，维系着约13亿人的生计。然而，畜牧业也是农业温室气体排放的主要来源之一，其中肠道发酵产生的CH₄约占人为CH₄排放的41.55%。在反刍动物（如牛、羊、水牛、山羊）和非反刍动物（如猪、马）的GIT中，微生物发酵分解饲料成分的过程会产生CH₄，这不仅导致饲料能量损失（约2-12%），降低了饲料转化效率（FCE）和动物生产力，也对全球变暖产生显著影响。

饲料添加剂调控胃肠道的命运

为降低CH₄排放，研究人员测试了多种饲料添加剂，包括3-硝基氧丙醇（3-NOP）、海藻提取物、离子载体、单宁、精油以及益生菌（PFA）等。这些添加剂通过不同的作用模式影响GIT发酵过程。其中，PFA因其安全性、无耐药性风险以及对动物健康和环境的潜在益处而成为研究热点。PFA可通过直接饲喂微生物（DFM）或作为青贮接种剂（SI）施用，旨在调节GIT微生物群落，改善发酵效率，从而减少CH₄生成。

PFA在畜牧业中的应用

全球PFA市场预计将持续增长，这得益于其替代抗生素的潜力以及在提高动物生产力方面的积极作用。常见的PFA包括乳酸菌（Lactobacillus spp.）、芽孢杆菌（Bacillus spp.）、丙酸杆菌（Propionibacterium spp.）和酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）等。这些微生物可通过产生抗菌肽（如细菌素）直接抑制产甲烷菌活性，或通过改变发酵途径，促进丙酸（P_VFA）等挥发性脂肪酸（VFA）的产生，从而消耗H₂，减少CH₄合成的底物。

然而，PFA的应用效果受到菌株特性、动物种类、生理状态、日粮成分、投喂剂量和方式等多种因素的影响。其在实际生产中的有效性、稳定性和可重复性仍面临挑战。提高PFA投递效率的策略包括采用微胶囊化技术、与益生元联用、开发多菌株复合制剂，以及利用基因组学等现代生物技术手段筛选和优化菌株。

PFA促进胃肠道调控以减少CH₄排放的机制

CH₄的产生主要依赖于GIT中的氢营养途径，即产甲烷古菌利用H₂和CO₂合成CH₄。PFA的抗甲烷生成机制可能包括：1）直接抑制产甲烷古菌的生长和活性；2）改变GIT微生物群落结构，减少与产甲烷相关的原生动物数量；3）调节发酵模式，提高丙酸比例，降低乙酸（A_VFA）与丙酸之比（A:P），从而增强H₂的消耗。这些变化通常伴随着总挥发性脂肪酸（T_VFA）浓度的增加、干物质消化率（DMD）的提高以及甲基辅酶M还原酶α亚基（mcrA）基因表达的下调，共同导致CH₄排放的减少。

研究表明，在反刍动物和非反刍动物中，特定的PFA干预可观察到类似的发酵参数变化趋势，提示可能存在跨物种的共性减排机制。然而，目前针对非反刍动物的研究相对较少，其具体的微生物相互作用和减排通路仍需进一步阐明。

结论与展望

基于PFA的GIT调控策略在降低牲畜CH₄排放方面展现出巨大潜力，但其广泛应用仍面临诸多挑战。未来研究应关注：1）建立标准化的实验方案和数据库，以准确评估不同PFA的减排效力和作用模式；2）优化农业副产物废弃物经PFA处理后的饲料化利用指南，提高饲料的营养价值和消化率；3）加强对非反刍动物CH₄排放机制及PFA干预效果的研究；4）探索通过营养调控可持续提升GIT内丙酸产量的新方法；5）综合考虑PFA应用的经济性、安全性和环境效益，推动其在现代畜牧业生产体系中的集成应用。通过多学科交叉与合作，PFA有望成为实现畜牧业可持续发展、保障未来粮食安全的重要工具之一。