动物营养学报 >

2023 , Vol. 35 >Issue 5: 3052 - 3060

DOI: https://doi.org/10.12418/CJAN2023.284

研究论文

饲粮中添加芥菜籽提取物对肉牛氮代谢、尿液含氮化合物成分及尿液氧化亚氮排放的影响

  • 沈徐 ,
  • 刘玉峰 ,
  • 胡锦明 ,
  • 张硕 ,
  • 李潇潇 ,
  • 李蒙蒙 ,
  • 赵广永 , *
展开
  • 中国农业大学动物科学技术学院,动物营养学国家重点实验室,北京 100193
*赵广永,教授,博士生导师,E-mail:

沈 徐(1997—),女,江苏苏州人,硕士研究生,研究方向为反刍动物营养。E-mail:

Copy editor: 武海龙

收稿日期: 2022-11-22

  网络出版日期: 2023-05-11

基金资助

国家自然科学基金面上项目(31772626)

收起

Effects of Mustard Seed Extract on Nitrogen Metabolism, Urinary Nitrogen Components and Urinary Nitrous Oxide Emissions of Beef Cattle

  • SHEN Xu ,
  • LIU Yufeng ,
  • HU Jinming ,
  • ZHANG Shuo ,
  • LI Xiaoxiao ,
  • LI Mengmeng ,
  • ZHAO Guangyong , *
Expand
  • State Key Laboratory of Animal Nutrition, College of Animal Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China
* professor, E-mail:

Received date: 2022-11-22

  Online published: 2023-05-11

Fold

摘要

本研究旨在探讨饲粮中添加芥菜籽提取物(MSE)对肉牛氮(N)代谢、尿液含氮化合物成分及尿液氧化亚氮(N2O)排放的影响。选取6头体重为(494.7±43.4) kg的健康阉公牛(鲁西黄牛×利木赞牛)作为试验动物,分别向基础饲粮中添加0和120 g/d MSE作为试验处理,采用有重复的2×2拉丁方试验设计,每个重复设置3头牛。每个试验期20 d,其中预试期15 d,采样期5 d。结果表明:1)饲粮中添加120 g/d MSE对肉牛粪氮、尿氮、总排泄氮、粪氮/尿氮、氮沉积、氮利用效率和平均日增重均无显著影响(P>0.05)。2)饲粮中添加120 g/d MSE对尿液中尿素、尿囊素、尿酸、马尿酸和肌酐排泄量均无显著影响(P>0.05),但显著提高了尿液中硫氰酸盐(TC)含量和TC排泄量(P<0.05)。3)饲粮中添加120 g/d MSE对牛尿液N2O-氮排放量和N2O-氮排放因子无显著影响(P>0.05)。综上所述,饲粮中添加120 g/d MSE没有影响肉牛的氮代谢和尿液中含氮化合物成分。MSE中的次级代谢产物硫代葡萄糖苷在肉牛体内被转化为TC,从尿液中排出。尿中的TC对尿液N2O的排放没有造成影响,这可能是因为尿液中TC含量较低造成的。

关键词： 肉牛; 芥菜籽提取物; 氮代谢; 氧化亚氮

本文引用格式

沈徐 , 刘玉峰 , 胡锦明 , 张硕 , 李潇潇 , 李蒙蒙 , 赵广永 . 饲粮中添加芥菜籽提取物对肉牛氮代谢、尿液含氮化合物成分及尿液氧化亚氮排放的影响[J]. 动物营养学报, 2023 , 35(5) : 3052 -3060 . DOI: 10.12418/CJAN2023.284

Abstract

This study was to investigate the effects of mustard seed extract (MSE) on nitrogen metabolism, urinary nitrogen components and urinary nitrous oxide (N2O) emissions of beef cattle. Six castrated steers (Luxi cattle×Limousin cattle) with body weight of (494.7±43.4) kg were used as experimental animals, and 0, 120 g/d MSE were supplemented to the basal diet as experimental treatments, respectively. A replicated 2×2 Latin square design was adopted and three steers were used for each treatment as replicates. Each experimental period lasted for 20 days, including 15 days for adaptation and 5 days for sampling. The results showed as follows: 1) dietary supplementation with 120 g/d MSE had no significant effects on fecal nitrogen, urinary nitrogen, total nitrogen excretions, fecal nitrogen/urinary nitrogen, nitrogen retention, nitrogen utilization rate and average daily gain of beef cattle (P>0.05). 2) Dietary supplementation with 120 g/d MSE had no significant effects on excretions of urea, allantoin, uric acid, hippuric acid and creatinine in urine (P>0.05), but significantly increased urinary thiocyanates (TC) content and TC excretion (P<0.05). 3) Dietary supplementation with 120 g/d MSE had no significant effects on steer urine N2O-nitrogen emission and N2O-nitrogen emission factor (P>0.05). In conclusion, dietary supplementation with 120 g/d MSE do not affect the nitrogen metabolism and urinary nitrogen components. The glucosinolates and their secondary metabolites in MSE are converted into thiocyanates in beef steer body and TC is excreted into the urine. The urinary TC do not affect the urine N2O emission in beef steers, this could possibly be attributed to the low urinary TC content.

Key words： beef steer; mustard seed extract; nitrogen metabolism; nitrous oxide

全球变暖已成为全世界关注的重要问题。2020年我国提出了碳达峰、碳中和的战略目标。氧化亚氮(nitrous oxide,N2O)是重要的温室气体,其产生的温室效应是二氧化碳(carbon dioxide,CO2)的265倍[1]。农业生产活动所产生的温室气体是全球温室气体排放的重要源头之一[2]。2018年,我国发布的《中华人民共和国气候变化第三次国家信息通报》中明确指出,我国甲烷(methane,CH4)和N2O的排放量分别有40.5%和65.4%来自于农业生产活动[3]。在畜牧生产中,温室气体排放主要来自于反刍动物。全球反刍动物每年产生的温室气体排放量约占人类活动排放量的11.6%[4]。反刍动物排放的N2O不仅加重了地球的温室效应,而且也破坏了大气的臭氧层[5],不利于地球生态环境的保护和畜牧业的可持续发展。畜牧生产过程中的N2O主要是在粪尿的堆放、贮藏和作为肥料施用过程中产生的[6]。畜禽粪尿中的含氮化合物含量和成分对N2O的产生具有重要影响[7]。因此,减少反刍动物的氮排泄量、调控粪尿中的含氮化合物成分是提高反刍动物氮利用效率、减少粪尿N2O排放的重要途径。使用低蛋白质饲粮饲喂控肉牛能够减少氮排泄量及尿液N2O排放量,但是长期使用低蛋白质饲粮饲喂肉牛会影响其生产性能,因此,亟需研究新的方法和途径来减少肉牛粪尿中N2O的排放[8]。
芥菜(Brassica juncea)是一种十字花科蔬菜,在世界范围内被广泛用作食品香料和药材。芥菜富含维生素、矿物质、膳食纤维、叶绿素、硫代葡萄糖苷(glucosinolates,GLS)及其降解产物、多酚和挥发性成分异硫氰酸烯丙酯、异硫氰酸3-丁酯等[9]。芥菜籽是芥菜的种子,富含GLS等特殊次级代谢产物。据报道,芥菜籽提取物(mustard seed extract,MSE)对小鼠具有多种有益功能,包括抗癌、抗毒素和抗菌[10]。GLS是MSE的重要成分之一,其水解产物异硫氰酸酯具有抑制硝化反应和减少N2O排放的作用[11-12]。Balvert等[13]研究表明,在实验室土壤静态培养中,GLS的水解产物可以抑制尿液N2O的排放。另据报道,GLS的水解产物异硫氰酸酯对土壤细菌具有很强的抑制作用[14]。肉牛饲粮中添加MSE有可能提高肉牛尿液硫氰酸盐(thiocyanates,TC)的排泄量,并因而抑制尿液中N2O的生成。因此,本试验旨在研究饲粮中添加MSE对肉牛氮代谢、尿液含氮化合物成分及N2O排放的影响,阐明通过饲喂肉牛MSE减少尿液N2O排放的可能性。

1 材料与方法

1.1 肉牛试验

1.1.1 MSE

MSE购买自信阳某生物技术公司。提取过程如下:将芥菜籽清洗并粉碎,使用TQ多功能连续提取罐(北京华强中天流体设备有限公司)用水作为溶剂提取3次,料液比为2∶1,控制温度85 ℃,每次提取2 h,循环提取3次。将3次提取的溶液混合,使用XYA20/800-U箱式压滤机(德州景津环保股份有限公司)过滤后,使用WZ21000双效外循环蒸发器(常州市聚美干燥设备有限公司)于80 ℃浓缩,再通过喷雾干燥器(常州市聚美干燥设备有限公司)获取MSE粉末。MSE的化学组成见表1。
表1 MSE的化学组成(饲喂基础)

Table 1 Chemical composition of MSE (as-fed basis)

项目Items 含量Content
营养成分Nutrients
干物质Dry matter/% 95.44
总能Total energy/(MJ/kg) 13.29
有机物Organic matter/% 93.69
粗蛋白质Crude protein/% 2.36
淀粉Starch/% 21.20
可溶性糖Soluble sugar/(mg/g) 699.22
硫代葡萄糖苷及其代谢产物
Glucosinolates and their
metabolites/(μmol/g)
硫代葡萄糖苷Glucosinolates 22.55
硫氰酸盐Thiocyanates 7.04

1.1.2 试验设计

分别向基础饲粮中添加0和120 g/d MSE作为试验处理。因目前尚无向肉牛及其他反刍动物饲粮中添加MSE的试验研究,本试验MSE添加水平参考Gao等[15]在肉牛饲粮中添加紫甘蓝提取物的试验进行设置。试验采用有重复的2×2拉丁方设计,每组设置3头牛作为重复。每个试验期20 d,其中预试期15 d,采样期5 d。

1.1.3 饲养管理

试验在山东省阳信县鸿安肉牛养殖基地(东经117°41',北纬37°74')进行。试验选取6头体重为(494.7±43.4) kg的育肥期阉公牛(鲁西黄牛×利木赞牛)作为试验动物。试验牛拴系单栏饲养,自由饮水。使用全混合日粮饲喂肉牛,基础饲粮组成及营养水平见表2。饲粮的营养水平参考《肉牛的营养需要和饲养标准》[16]进行设计。根据前期肉牛的采食量,采用约90%的自由采食量饲喂肉牛。每头牛每天采食的全混合日粮包括4 kg精料混合料和12 kg的玉米青贮。将每天的饲粮等量分为2份,分别在06:00和17:00进行饲喂。试验期间,所有肉牛均未剩余饲料。肉牛早晨和下午采食后饮水。在每期试验开始前和结束时,于早晨饲喂前对试验牛称重,计算平均日增重。
表2 基础饲粮组成及营养水平(干物质基础)

Table 2 Composition and nutrient levels of the basal diet (DM basis) %

项目Items 含量Content
原料Ingredients
玉米Corn 30.62
豆粕Soybean meal 10.85
小麦麸Wheat bran 8.44
玉米青贮Corn silage 48.32
碳酸氢钠NaHCO3 1.18
食盐NaCl 0.59
合计Total 100.00
营养水平Nutrient levels
粗蛋白质Crude protein 13.77
有机物Organic matter 94.47
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber 31.73
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber 15.05
综合净能NEmf/(MJ/kg) 5.30

根据冯仰廉[16]的方法计算综合净能,其他营养水平均为实测值。

NEmf was calculated according to the method of Feng[16], while the other nutrient levels were measured values.

1.1.4 样品采集

在试验的每个采样期内,采用全收粪尿法收集每天每头牛的粪便和尿液。将每天每头牛的粪便称重并混合均匀,然后通过四分法取2%的粪便作为样品,并加入30 mL 10% 硫酸(H2SO4)固氮。使用通过塑料管连接塑料桶的尿袋收集牛的全部尿液。塑料桶周围放入冰袋以降低温度,防止尿氮损失。记录每头牛每天的尿液总体积,混合均匀后,分别采集2份70 mL尿液作为样品。一份加入10 mL 10% H2SO4固氮,另一份不添加H2SO4。在肉牛饲养试验的每个采样期内,每天按照随机取样法分别采集混合精料和玉米青贮样品,并将每天采集的饲料样品混匀,然后按照四分法取样。将采集的粪样、尿样及饲料样品均置于-20 ℃冰柜中保存。

1.2 土壤静态培养试验

1.2.1 土壤样品的采集

从山东省鸿安肉牛场附近(东经117°41',北纬37°74')的农田中,纵深0~20 cm处采集土壤样品。土壤质地为52.4%砂粒、26.4%粉粒、21.2%黏粒。将土壤中的植物和杂质去除,用于土壤静态培养。

1.2.2 土壤静态培养

参考Bao等[17]的方法进行土壤静态培养。使用容积为560 mL的广口瓶作为培养容器。每个培养瓶装入干重280.08 g的土壤,均匀压实至5 cm高度,容重约为1.17 g/cm3。使用Parafilm封口膜盖住瓶口,并用注射器针头在封口膜上扎4个小孔,以减少水分蒸发并保证空气流通。将培养瓶放置在温度为25 ℃的SHP-250型生化培养箱(上海培因实验仪器有限公司)中预培养7 d以稳定土壤状态。预培养结束后,取10 mL肉牛试验中未加H2SO4的尿样均匀加入瓶中土壤表面,并通过称重确定每个培养瓶中需要添加水分的量,使用蒸馏水将土壤空隙含水量(WFPS)调至60%。使用2个培养瓶培养每头牛的尿样作为重复。另外,整个培养试验共设置3个培养瓶作为空白(用等量蒸馏水替代尿液)。

1.2.3 气体样品的采集

在土壤静态培养期间,每天08:00开始,按顺序分别采集每天的气体样品,每次采集27个培养瓶里的气体以用于后续测定。采集方法如下:将封口膜揭开,使用微型电扇向广口瓶内吹入空气20 min,使瓶中气体被置换为空气;然后盖上接有注射器和三通阀的橡胶塞,使用注射器抽取20 mL气体,20 min后再用另一个注射器抽取20 mL气体,用于计算N2O排放量。连续13 d采集气体样品。

1.3 指标测定

1.3.1 饲料及粪尿样品中相关成分测定

使用LGJ-12型冷冻干燥机(北京松源华兴科技发展有限公司)将青贮饲料样品和粪样进行冻干处理,使用网筛孔径为0.5 mm的粉碎机粉碎所有风干饲料样品,使用研钵磨碎风干粪样。参照AOAC(2002)[18]的方法测定粪尿样品中的总氮及饲料和提取物样品中的干物质(dry matter,DM)和粗灰分(Ash)含量。使用总氮×6.25计算饲粮的粗蛋白质(crude protein,CP)含量。DM含量减去Ash含量得出有机物(organic matter,OM)含量。参照Van Soest等[19]的方法,利用ANKOM200纤维测定仪(A200i, Ankom Technology Corp.,美国)测定饲料样品中的中性洗涤纤维(neutral detergent fiber,NDF)和酸性洗涤纤维(acid detergent fiber,ADF)含量。使用ReadMax1200型酶标仪(上海闪谱生物科技有限公司)和试剂盒(北京智威科技有限公司)测定MSE中淀粉含量。使用UV-1801型分光光度计(北京北分瑞利仪器有限公司)和试剂盒(南京建成生物工程研究所),采用蒽酮-硫酸比色法测定MSE中可溶性糖含量。使用UV-1801型分光光度计,参照Chen等[20]的方法测定尿样中尿囊素和尿酸含量。参照国家卫生行业标准(WS/T 52—1996)[21]的方法测定尿样中马尿酸含量。参照Gallaher等[22]的方法测定尿样中GLS含量。参照Johnston等[23]的方法测定尿样中TC含量。采用比色法使用试剂盒(南京建成生物工程研究所)测定尿样中尿素和肌酐含量。

1.3.2 N2O排放量测定

使用3420A型气相色谱仪(北京北分天普仪器有限公司)测定气体样品中的N2O排放量。测定条件为:63Ni-ECD检测器350 ℃;色谱柱温80 ℃;进样器85 ℃;载气为高纯氮气,流速14.6 mL/min。

1.4 计算方法

肉牛的氮沉积和氮利用效率的计算公式如下:
氮沉积(g/d)=采食氮(g/d)-粪氮(g/d)-尿氮(g/d);
氮利用效率(%)=氮沉积(g/d)/采食氮(g/d)。
尿液样品(10 mL)每日N2O-氮排放量计算公式如下:
F=273/(273+T)×28/22.4×1 440×10-3×(dc/dt)×V/DW。
式中:F为每日N2O-氮排放量(μg/kg DW);T为培养温度(℃);28为N2O中氮的摩尔质量;V为顶部空间体积(L);dc/dt为N2O的平均变化速率(nL/L·min);22.4为大气压在273 K时摩尔体积(L/mol);DW为瓶中土壤干重(kg)。
尿液样品(10 mL)在培养期间累积N2O-氮排放量的计算公式如下:
累积N2O-氮排放量(μg/kg DW)=F1+F2+…+F13。
式中:F1,F2,…F13(μg/kg DW)分别表示第1,2,…,13天的N2O-氮排放量。
每头牛尿液N2O-氮排放量的计算公式如下:
牛尿液N2O-氮排放量(μg)=(F1+F2+ …+F13)×U/10×DW。
式中:F1,F2,…F13(μg/kg DW)分别表示第1,2,…,13天的N2O-氮排放量;U为每头牛每日的排尿量(mL);10为实验室静态培养中施用的牛尿样体积(mL);DW为瓶中土壤干重(kg)。
尿液N2O-氮排放因子的计算方法为:
N2O-氮排放因子(%)=100×(尿样N2O-氮排放量-空白N2O-氮排放量)/施用尿氮。

1.5 统计分析

采用Excel 2016对试验数据进行计算,用R 4.1.0软件中的混合线性模型对试验结果进行统计分析,模型如下:
Yijk=μ+Ti+Pj+Ck+eijk。
式中:Yijk表示因变量;μ表示平均值;Ti(i=1,2)与Pj(j=1,2)表示处理的固定效应;Ck表示试验牛的随机效应(k=1,2,3,4,5,6);eijk表示剩余残差。结果用平均值和均值标准误(SEM)表示,P<0.05表示差异显著。

2 结果

2.1 饲粮中添加MSE对肉牛氮代谢的影响

由表3和表4可见,饲粮中添加120 g/d MSE对肉牛粪氮、尿氮、总排泄氮、粪氮/尿氮以及氮沉积、氮利用效率和平均日增重等均无显著影响(P>0.05),对排尿量以及尿液中含氮化合物如尿囊素、尿酸、尿素、马尿酸和肌酐排泄量均无显著影响(P>0.05),但是显著提高了尿液中TC含量和TC排泄量(P<0.05);尿液中没有检测出GLS。
表3 MSE对肉牛氮代谢和平均日增重的影响

Table 3 Effects of MSE on nitrogen metabolism and ADG of beef cattle

项目
Items		 MSE添加水平MSE supplementing level/(g/d) SEM P值
P-value
0 120
干物质采食量DMI/(kg/d) 6.72 6.72
氮采食量NI/(g/d) 146.33 146.33
尿氮UN/(g/d) 58.70 60.98 2.59 0.531
粪氮FN/(g/d) 50.85 49.13 1.06 0.286
总排泄氮TNE/(g/d) 109.55 110.11 2.10 0.846
粪氮/尿氮FN/UN 0.87 0.82 0.05 0.444
氮沉积NR/(g/d) 36.67 36.11 2.10 0.846
氮利用效率NUE/% 25.08 24.69 1.43 0.846
项目
Items		 MSE添加水平MSE supplementing level/(g/d) SEM P值
P-value
0 120
粪氮/总排泄氮FN/TNE/% 46.47 44.74 1.46 0.426
尿氮/总排泄氮UN/TNE/% 53.53 55.26 1.46 0.426
尿氮/氮采食量UN/NI/% 40.15 41.71 1.77 0.531
平均日增重ADG/(kg/d) 0.57 0.56 0.05 0.895

同行数据肩标不同小写字母表示差异显著(P<0.05),相同或无字母表示差异不显著(P>0.05)。下表同。

In the same row, values with different small letter superscripts mean significant difference (P<0.05), while with the same or no letter superscripts mean no significant difference (P>0.05). The same as below.

表4 MSE对肉牛尿液含氮化合物成分的影响

Table 4 Effects of MSE on urine nitrogen components of beef cattle

项目
Items		 MSE添加水平MSE supplementing level/(g/d) SEM P值
P-value
0 120
排尿量Urine output/(L/d) 8.95 9.40 0.50 0.549
尿素排泄量UREA excretion/(mmol/d) 1 249.88 1 354.96 91.22 0.439
尿酸排泄量UA excretion/(mmol/d) 9.34 10.17 0.80 0.485
尿囊素排泄量ALLA excretion/(mmol/d) 89.97 97.19 7.41 0.510
肌酐排泄量CREA excretion/(mmol/d) 131.82 136.99 9.95 0.723
马尿酸排泄量HA excretion/(mmol/d) 143.19 146.34 6.94 0.756
硫氰酸盐含量TC content/(μmol/L) 0.00b 4.60a 0.61 <0.001
硫氰酸盐排泄量TC excretion/(μmol/d) 0.00b 41.78a 4.13 <0.001
硫代葡萄糖苷含量GLS content/(μmol/L) ND ND

ND:未检测出 not detected。

2.2 饲粮中添加MSE对肉牛尿液N2O排放的影响

由图1可见,土壤静态培养结果显示,向土壤中施加尿液后,尿样每日N2O-氮排放量从静态培养的第1天到第5天逐渐升高,在第5~6天达到峰值,而在第6天后开始迅速下降,在第13天降低到背景值。2组牛尿液样品的累积N2O-氮排放量从静态培养的第1天到第11天逐渐升高,在第11天趋于最大值。由表5可见,饲粮中添加120 g/d MSE对尿样N2O-氮排放量、牛尿液N2O-氮排放量以及N2O-氮排放因子无显著影响(P>0.05)。
图1 尿样每日N2O-氮排放量和累积N2O-氮排放量

Fig.1 Daily urine sample N2O-N emission and cumulative N2O-N emission

表5 MSE对肉牛尿液N2O排放的影响

Table 5 Effects of MSE on urine N2O emission of beef cattle

项目
Items		 MSE添加水平MSE supplementing level/(g/d) SEM P值
P-value
0 120
尿样N2O-氮排放量
Urine sample N2O-N emission/(mg/kg DW)		 4.90 5.75 0.62 0.219
牛尿液N2O-氮排放量
Steer urine N2O-N emission/mg		 1 226.74 1 508.36 134.92 0.178
N2O-氮排放因子
N2O-N emission factor/%		 2.10 2.47 0.27 0.240

3 讨论

3.1 饲粮中添加MSE对肉牛氮代谢的影响

在本研究中,肉牛饲粮中添加的MSE主要成分包括CP、淀粉、可溶性糖以及十字花科植物的典型代谢产物GLS和TC。肉牛饲粮中添加120 g/d MSE提供的CP、淀粉、可溶性糖和GLS及其代谢产物的含量分别为2.83 g、25.44 g、83.91 g和3.55 mmol。肉牛饲粮中添加120 g/d MSE对肉牛的氮代谢指标没有造成影响。可能的原因是,相对于肉牛的干物质采食量,CP、淀粉和可溶性糖的含量很少,可能不足以影响肉牛瘤胃中CP的降解、微生物CP合成和CP的消化。因此,肉牛饲粮中添加120 g/d MSE对平均日增重也没有显著影响。
Gao等[15]研究结果显示,肉牛饲粮中添加120 g/d紫甘蓝提取物(GLS含量为3.69 mg/g)的对肉牛的粪氮、尿氮、氮沉积、氮利用效率以及尿液中含氮化合物含量均没有显著影响。本研究结果与Gao等[15]研究结果一致。而Gao等[24]的另一个试验的研究结果显示,饲粮中添加不同水平的高GLS菜籽饼(GLS含量分别为0、6.00、12.12和18.12 μmol/g DM)对肉牛的氮排泄总量、氮沉积、氮沉积率均没有显著影响,但是提高了肉牛粪氮排泄量。尽管紫甘蓝提取物和MSE中都含有GLS,但是2种提取物中的GLS组成的差异可能导致了肉牛粪氮排泄量的不同。MSE和紫甘蓝提取物中的GLS种类及GLS含量的差异尚不清楚,因此无法进行准确的描述和比较。
本研究结果显示,肉牛饲粮中添加120 g/d MSE显著提高了尿液TC含量,但是在尿液中并没有检测出GLS。Gao等[24]向饲粮中添加不同水平的菜籽饼,肉牛尿液中也检测出了TC,也没有检测出GLS。这说明十字花科植物芥菜和油菜中的GLS在肉牛体内被转化为TC,进而从尿液中排出。

3.2 饲粮中添加MSE对肉牛尿液N2O排放的影响

氮是畜禽粪便的重要元素。畜禽粪尿返田对于稳定生态系统具有重要意义[25]。据报道,放牧牲畜摄入的75%~90%的氮以粪尿的形式重新返还到生态系统[26],而促使氮的转化和N2O排放量的增加[27]。一般而言,牲畜粪便中有机氮约占90%左右[28],而尿液中的氮大部分以尿素形式存在。尿素在土壤微生物脲酶作用下,可被降解为氨气(NH3),进而转化为铵根(N H 4 +)。N H 4 +在微生物的硝化和反硝化过程中可被利用产生N2O[29]。
本研究结果显示,土壤静态培养过程中N2O的产生规律与Bao等[17]和Zhao等[30]的研究结果相似,即随着培养时间的延长,土壤中N2O-氮排放量先升高,逐渐达到峰值,然后再下降。Balvert等[13]应用实验室土壤静态培养技术研究了GLS水解产物对使用尿液施肥的土壤中N2O排放量的影响。研究结果显示,向土壤中添加GLS的水解产物苯乙基异硫氰酸酯(60 μg/g土壤)能够降低51%的N2O排放量,但是抑制作用持续时间短。Hoogendoorn等[31]研究结果显示,绵羊采食油菜作物(Brassica napus L.)的尿液N2O-氮排放系数高于采食多年生黑麦草/白三叶牧草(Lolium perenne L./Trifolium repens)的绵羊的尿液N2O-氮排放系数。这说明油菜的GLS在绵羊体内的代谢产物从尿中排出,可能抑制了N2O的生成。Balvert等[13]向土壤中添加了GLS水解产物苯乙基异硫氰酸酯(60 μg/g土壤),乙基异硫氰酸酯的相对分子质量为163.239,相当于60/163.239=0.368 μmol/g土壤。在本试验中,向208.08 g土壤(干重)中添加了10 mL尿液样品,肉牛尿液的TC含量为4.60 μmol/L,土壤中的TC含量为(10/1 000)×4.60/208.08=0.000 22 μmol/g土壤。本试验中,土壤的TC含量远低于Balvert等[13]的苯乙基异硫氰酸酯添加水平。因此,本研究结果显示,饲粮中添加120 g/d MSE对肉牛的尿液N2O排放没有显著影响。尽管饲粮中添加120 g/d MSE显著提高了尿液TC含量和TC排泄量,但是对肉牛尿样N2O-氮排放量、牛尿液N2O-氮排放量及N2O-氮排放因子均无显著影响。这可能是肉牛尿液中TC含量偏低造成的结果。
Gao等[15]向肉牛饲粮中添加120 g/d芸墓属植物的紫甘蓝提取物,并没有提高尿液中TC含量和TC排泄量,而牛尿液N2O-氮排放量降低了49.42%。Gao等[15]认为,这是尿液的马尿酸氮/尿氮提高造成的结果。Gao等[24]向饲粮中分别添加0、2.65%、5.35%和8.00%菜籽饼(饲粮GLS与TC总含量分别为0、6.00、12.12和18.12 μmol/g DM)饲喂肉牛,结果发现,肉牛排尿量显著提高,尿液TC含量和TC排泄量均显著提高,尿液TC含量分别为0、12.59、111.03和262.76 μmol/L,尿液TC排泄量分别为0、0.13、1.08和2.56 mmol/d。通过土壤静态培养试验发现,牛尿液N2O-氮排放量不但没有下降,反而分别提高了4.76%、8.57%和41.9%。这说明不同来源的GLS在肉牛体内的代谢产物TC的种类存在差异,而不同种类的TC对于土壤中N2O生成的作用也不同。这需要今后进一步开展研究,阐明相关机制。

4 结论

饲粮中添加120 g/d MSE没有显著影响肉牛氮沉积、氮利用效率及尿液含氮化合物成分,但是显著提高了肉牛尿液TC含量和TC排泄量,而饲粮中未添加MSE的肉牛尿液中未检测出TC,说明尿液中的TC是MSE在肉牛体内的代谢产物。肉牛尿液中的TC没有影响牛尿液N2O-氮排放量及N2O-氮排放因子。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
Intergovernmental Panel on Climate Change. Anthropogenic and natural radiative forcing[M]// Intergovernmental Panel on Climate Change.Climate change 2013-the physical science basis: working group I contribution to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. Cambridge: Cambridge University Press, 2014:659-740.

[2]
LAMB W F, WIEDMANN T, PONGRATZ J, et al. A review of trends and drivers of greenhouse gas emissions by sector from 1990 to 2018[J]. Environmental Research Letters, 2021, 16(7):073005.

DOI

[3]
生态环境部应对气候变化司. 中华人民共和国气候变化第三次国家信息通报[M]. 北京: 中国环境出版社, 2021.

Department of Climate Change Ministry of Ecology and Environment. The People’s Republic of China Third National Communication on Climate Change[M]. Beijing: China Environmental Science Press, 2021. (in Chinese)

[4]
RIPPLE W J, SMITH P, HABERL H, et al. Ruminants,climate change and climate policy[J]. Nature Climate Change, 2014, 4(1):2-5.

DOI

[5]
STOLARSKI R S, DOUGLASS A R, OMAN L D, et al. Impact of future nitrous oxide and carbon dioxide emissions on the stratospheric ozone layer[J]. Environmental Research Letters, 2015, 10(3):034011.

DOI

[6]
ECKARD R J, GRAINGER C. DE KLEIN C A M. Options for the abatement of methane and nitrous ox-ide from ruminant production:a review[J]. Livestock Science, 2010, 130(1/2/3):47-56.

DOI

[7]
TAN P, LIU H, ZHAO J, et al. Amino acids metabolism by rumen microorganisms:nutrition and ecology strategies to reduce nitrogen emissions from the inside to the outside[J]. Science of the Total Environment, 2021, 800:149596.

DOI

[8]
ZHOU K, BAO Y, ZHAO G Y. Effects of dietary crude protein and tannic acid on nitrogen excretion,urinary nitrogenous composition and urine nitrous oxide emissions in beef cattle[J]. Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition, 2019, 103(6):1675-1683.

DOI

[9]
TIAN Y, DENG F M. Phytochemistry and biological activity of mustard (Brassica juncea):a review[J]. CyTA-Journal of Food, 2020, 18(1):704-718.

DOI

[10]
BHATTACHARYA A, LI Y, WADE K L, et al. Allyl isothiocyanate-rich mustard seed powder inhibits bladder cancer growth and muscle invasion[J]. Carcinogenesis, 2010, 31(12):2105-2110.

DOI PMID

[11]
BENDING G D, LINCOLN S D. Inhibition of soil nitrifying bacteria communities and their activities by glucosinolate hydrolysis products[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32(8/9):1261-1269.

DOI

[12]
SUBBARAO G V, RAO I M, NAKAHARA K, et al. Potential for biological nitrification inhibition to reduce nitrification and N2O emissions in pasture crop-livestock systems[J]. Animal, 2013,7 (Suppl.2):322-332.

[13]
BALVERT S F, LUO J, SCHIPPER L A. Do glucosinolate hydrolysis products reduce nitrous oxide emissions from urine affected soil?[J]. Science of the Total Environment, 2017,603-604:370-380.

[14]
AIRES A, MOTA V R, SAAVEDRA M J, et al. The antimicrobial effects of glucosinolates and their respective enzymatic hydrolysis products on bacteria isolated from the human intestinal tract[J]. Journal of Applied Microbiology, 2009, 106(6):2086-2095.

DOI PMID

[15]
GAO J, CHENG B B, LIU Y F, et al. Dietary supplementation with red cabbage extract rich in anthocyanins increases urinary hippuric acid excretion and consequently decreases nitrous oxide emissions in beef bulls[J]. Animal Feed Science and Technology, 2021, 281:115075.

DOI

[16]
冯仰廉. 肉牛营养需要和饲养标准[M]. 北京: 中国农业大学出版社, 2000.

FENG Y L. The nutrient requirements and feeding standards of beef cattle[M]. Beijing: China Agricultural University Press, 2000. (in Chinese)

[17]
BAO Y, ZHOU K, ZHAO G Y. Nitrous oxide emissions from the urine of beef cattle as regulated by dietary crude protein and gallic acid[J]. Journal of Animal Science, 2018, 96(9):3699-3711.

DOI

[18]
AOAC. Official methods of analysis[M].16th ed,Washington,D.C.:Association of Official Analytical Chemists, 2002.

[19]
VAN SOEST P J, ROBERTSON J B, LEWIS B A. Methods for dietary fiber,neutral detergent fiber,and nonstarch polysaccharides in relation to animal nutrition[J]. Journal of Dairy Science, 1991, 74(10):3583-3597.

DOI

[20]
CHEN X B, GOMES M J. Estimation of microbial protein supply to sheep and cattle based on urinary excretion of purine derivatives-an overview of the technical details[R]. Aberdeen: Rowett Research Institute,1992.

[21]
中华人民共和国卫生部. 尿中马尿酸的分光光度测定方法:WS/T 52—1996[S]. 北京: 中国标准出版社,1996.

National Health Commission of the People’s Republic of China. Urine—determination of hippuric acid—spectrophotometric method:WS/T 52—1996[S]. Beijing: Standards Press of China,1996. (in Chinese)

[22]
GALLAHER C M, GALLAHER D D, PETERSON S. Development and validation of a spectrophotometric method for quantification of total glucosinolates in cruciferous vegetables[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2012, 60(6):1358-1362.

DOI PMID

[23]
JOHNSTON T D, JONES D I H. Variations in the thiocyanate content of kale varieties[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 1966, 17(2):70-71.

DOI

[24]
GAO J, CHENG B B, SUN Y F, et al. Effects of dietary inclusion with rapeseed cake containing high glucosinolates on nitrogen metabolism and urine nitrous oxide emissions in steers[J]. Animal Nutrition, 2022, 8:204-215.

DOI PMID

[25]
杨小红, 董云社, 齐玉春, 等. 草地生态系统土壤氮转化过程研究进展[J]. 中国草地, 2004, 26(2):54-62.

YANG X H, DONG Y S, QI Y C, et al. A review on soil nitrogen transformation processes in grassland ecosystems[J]. Grassland of China, 2004, 26(2):54-62. (in Chinese)

[26]
VAN DER WEERDEN T J, LUO J F, DE KLEIN C A M, et al. Disaggregating nitrous oxide emission factors for ruminant urine and dung deposited onto pastoral soils[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2011, 141(3/4):426-436.

DOI

[27]
宁瑞迪, 宋月青, 王岭. 家畜排泄物驱动的草地氧化亚氮释放及其影响因素[J]. 草业科学, 2019, 36(11):2775-2785.

NING R D, SONG Y Q, WANG L. Nitrous oxide release from grassland driven by livestock excreta and its influencing factors[J]. Pratacultural Science, 2019, 36(11):2775-2785. (in Chinese)

[28]
FUKUMOTO Y, OSADA T K H, HANAJIMA D, et al. Patterns and quantities of NH3,N2O and CH4 emissions during swine manure composting without forced aeration—effect of compost pile scale[J]. Bioresource Technology, 2003, 89(2):109-114.

DOI

[29]
何美霞, 段鹏鹏, 李德军. 土壤氧化亚氮产生路径及其研究方法进展[J/OL]. 生态学杂志, 2022:1-12.[2022-11-20]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/21.1148.Q.20220713.1737.010.html.

HE M X, DUAN P P, LI D J. Review on the pathways of soil nitrous oxide production and its research methods[J/OL]. Chinese Journal of Ecology, 2022:1-12.[2022-11-20]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/21.1148.Q.20220713.1737.010.html. (in Chinese)

[30]
ZHAO Y C, XIE B, GAO J, et al. Balancing the dietary ratio of nitrogen to sulfur by adding inorganic sulfur improves nitrogen retention and consequently decreases urine nitrous oxide emissions in steers[J]. Animal Feed Science and Technology, 2021, 274:114711.

DOI

[31]
HOOGENDOORN C J, LUO J, LLOYD-WEST C M, et al. Nitrous oxide emission factors for urine from sheep and cattle fed forage rape (Brassica napus L.) or perennial ryegrass/white clover pasture (Lolium perenne L./Trifolium repens)[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2016, 227:11-23.

DOI

Options
文章导航

/

〈 〉

    联系我们

  • 地址：北京市海淀区圆明园西路2号
    　　　中国农业大学动科动医大楼153室
  • 邮编：100193
  • 电话：010－62817823
  • 网址：http://www.chinajan.com
  • E-mail：cjan@chinajan.com
京公网安备 11010802041926号    京ICP备17050989号-2