甲烷是三大温室气体之一，其增温潜力是不容忽视的。动物胃肠道所排放的甲烷约占人类活动所产甲烷总量的19%，占农业源所排放甲烷总量的37%[1]。且随着反刍动物饲养数量的不断增加，胃肠道甲烷的排放量在不断上升。据统计，1982年全球动物胃肠道所排放甲烷为7 400万t，其中肉牛和奶牛所排放的甲烷占74%，水牛和羊占8%~9%[2]。胃肠道甲烷排放主要来自于瘤胃(87%~90%)，其余来自大肠(10%~13%)[3]。瘤胃甲烷主要通过嘴和鼻子释放到大气中。另外，对动物营养学者和畜禽生产者来说，更重要的是胃肠道甲烷排放是对饲料资源的一种浪费，反刍动物以甲烷的形式所损失的能量约占总摄入能的8%~14%，甲烷排放量大小是饲料瘤胃发酵能量损失的主要标志。因此，控制胃肠道甲烷排放具有经济和环境方面的双重意义。
1 产甲烷菌研究概论产甲烷菌是一类独特的微生物群体。在合成甲烷的过程中，有3种辅酶是产甲烷菌所特有的。它们分别是：辅酶420(替代铁氧化还原蛋白转移电子)、辅酶M(转移甲基)和因子B(一种分子质量较低，对氧敏感和热稳定性高的酶)[4]。此外，产甲烷菌在细胞膜的组成上与其他细菌相比也有所不同,产甲烷菌的细胞壁没有胞壁酸，细胞膜的脂质通过类异戊二烯、乙醚与甘油或者碳水化合物相连[4]。通过16S rRNA分析其序列发现，它们属于古细菌，并且严格厌氧。目前，瘤胃中发现了5种产甲烷菌：反刍兽甲烷短杆菌(Methanobrevibacter ruminantium)、巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri)、马氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina mazei)、甲烷杆菌(Methanobacterium formicicum)和活动甲烷微菌属(Methanomicrobium mobile)。只有反刍兽甲烷短杆菌、巴氏甲烷八叠球菌已经确定在瘤胃中的数量约为106 个/mL[5]。近年来，随着16S rRNA基因克隆分析技术的广泛应用，在瘤胃中发现了许多新的生物体[6]。由此可以推测，瘤胃中依然有未被鉴定和识别的产甲烷菌种。此外，尽管后肠与瘤胃环境具有一定的差异，但也有部分产甲烷菌存在于动物后肠中。
2 胃肠道甲烷生成机制在反刍动物的后肠和瘤胃中，简单和复杂的碳水化合物被微生物所分泌的生物酶水解成含5或6个碳原子的糖类。之后，它们在微生物的作用下，经过一系列氧化还原反应转化成为挥发性脂肪酸(VFA)。其反应过程如下[1]：
葡萄糖→2丙酮酸+4氢；
丙酮酸+水→乙酸+CO2+2氢；
丙酮酸+4氢→丙酸+水；
丙酮酸+4氢→丁酸+2水。
整个代谢过程中所产生的氢在氢化酶的作用下转变成甲烷，其反应为：
二氧化碳+8氢→甲烷+2水。
如果瘤胃中所产生的氢不能被及时代谢，则少量的氢将通过负反馈机制降低瘤胃碳水化合物的消化代谢速率，微生物的生长速度和总的微生物蛋白含量[7]。此外，乙酸和甲醇的分解产物同样可以生成甲烷，但利用同位素示踪技术研究发现，该甲烷生成途径所产甲烷只占总甲烷排放量的3%~5%[8]。
瘤胃甲烷产量受饲粮组成、采食量、饲料加工方式和环境温度的影响[9]。根据以往的研究，通过改善饲粮结构，添加甲烷抑制剂和进行瘤胃菌群修饰等调控措施可降低胃肠道甲烷排放量。
3 降低反刍动物胃肠道甲烷排放的调控措施 3.1 饲粮组成和一些添加剂对反刍动物胃肠道甲烷排放的影响 3.1.1 饲粮组成由于胃肠道甲烷主要来自瘤胃微生物的发酵，因此改善饲粮营养结构可有效降低胃肠道甲烷的排放量，其中饲粮精粗比是影响甲烷排放量的重要指标。高精料饲粮会使瘤胃液pH降低，从而降低原虫数量，由于产甲烷菌与原虫为共生关系，因此，最终影响了甲烷生成量[10]。此外，高精料饲粮还降低了瘤胃液中的乙酸/丙酸，从而降低了单位采食量的甲烷产量[11]。但是，过高的精料会使反刍动物发生瘤胃酸中毒，威胁动物健康。因此，在制定饲粮配方时，应综合考虑多方面因素。另外，提高精饲料水平，会增加饲养成本，降低反刍动物生产的效益。因此，研发富含可溶性碳水化合物的新型粗饲料(优质粗饲料)比单纯地提高精料水平饲喂量更有应用前景。Niderkorn等[12]通过体外培养法研究了多年生黑麦草[阿旺(Aber Avon)、明星(Aber Star)、神奇(Aber Magic)]对甲烷产量的影响，其中阿旺可以显著降低体外发酵瘤胃培养液的甲烷排放量。此外，墨西哥丁香(Gliricidiasepium)、热研15号刚果臂形草(Brachiaria ruziziensis)和马占相思(Acaciamangium)也有降低甲烷排放的作用[13]。因此，在富含以上牧草和灌木品种的草地上放牧可降低放牧动物的甲烷排放量。对于舍饲动物来说，改善粗饲料品质在降低反刍动物单位体重甲烷排放量的同时，还能提高动物干物质采食量，但随着干物质采食量的增加，总甲烷排放量也可能增加[14]。此外，不同粗饲料的组合与蛋白质饲粮来源对胃肠道甲烷排放量也存在显著的影响。例如，吴爽等[15]报道，羊草与玉米秸秆混合饲喂荷斯坦干奶牛，可使其胃肠道甲烷产量降低，氮利用率升高。张晓明等[16]测定了分别以豆粕、菜籽粕和棉籽粕为蛋白质源时，宣汉黄牛的胃肠道甲烷排放量。结果表明，以豆粕为饲粮蛋白质源时，供试动物的胃肠道甲烷排放量最高，而菜籽粕次之，棉籽粕最低。这可能是因为，瘤胃微生物对3种蛋白质源的消化代谢能力存在差异。
3.1.2 植物次级代谢物单宁、酚类单体和其他植物次级代谢物对原虫、纤维菌和产甲烷古生菌有毒害作用，因此，此类物质可以减少甲烷的生成。以往研究表明，温带和热带富含缩合单宁的豆科植物可有效降低瘤胃甲烷的排放量[17]。Tiemann等[18]报道，一些富含单宁的热带饲料的纤维降解率较低，因此，在瘤胃降解过程中，氢的生成量较少，最终导致甲烷生成量降低。此外，单宁与蛋白质存在拮抗作用，能降低瘤胃内蛋白质的降解率，进而减少甲烷的生成量[19]。Guglielmelli等[20]研究了4个生长阶段的红豆草(单宁含量不同)对反刍动物胃肠道甲烷生成量的影响，结果发现，单宁含量与甲烷产量呈负相关关系(r=-0.932，P=0.068)，这表明，随着单宁含量的增加，甲烷产量逐渐减少。富含单宁的豆科植物(百脉根和黑荆树)对反刍动物胃肠道甲烷排放均有抑制作用[21, 22]。单宁抑制甲烷生成的机制随单宁的来源不同而存在一定差异。Bhatta等[23]发现，来自印度榕树(Ficus bengalensis)和线叶花旗杆(Autocarous integrifolis)的单宁主要通过去原虫而达到降甲烷的目的，但是印度苦楝树(Azadirachta indica)则通过直接影响产甲烷菌的数量及活性而使甲烷生成量减少。总之，浓度和化学结构是影响单宁抗甲烷作用的主要因素。综合考虑单宁对反刍动物的影响，单宁具有保护过瘤胃蛋白质、提高产毛率和平均排卵率、抗寄生虫等正面营养作用。与此相反，单宁也具有抗营养作用，例如影响家畜的随意采食量、降低家畜对养分的消化率和减弱瘤胃发酵作用，并且具有一定毒性[24]。因此，进一步弄清单宁的特性、含量与生物功能的关系对新的饲料资源开发和对动物营养调控理论的研究有重要的意义。
此外，崔振亮等[25]利用体外模拟瘤胃发酵技术研究了不同剂量的植物蜕皮甾酮对瘤胃发酵和甲烷产气的影响。结果表明，植物蜕皮甾酮对体外发酵瘤胃液的产气量和甲烷产量没有显著影响，但添加0.001%和0.010%的蜕皮甾酮会降低产气速率和干物质降解率，添加1.000%蜕皮甾酮可以缩短产气延滞时间，并提高了总VFA的含量。
3.1.3 脂类最初，在饲粮中添加动物或植物油脂的主要目的是为动物提供能量。但近些年发现，补饲脂类物质还可以减少动物胃肠道甲烷的排放量。在反刍动物饲粮中每添加1%的油脂或脂肪酸可使甲烷降低4%~5%(占干物质采食量的比例)[26]。但是，当饲粮中的脂类含量高于6%~7%时，动物的采食量和纤维降解率会有所下降，进而使动物的生产性能下降[27]。通过体外模拟试验证实，添加不同种类的脂类(豆油、椰子油和菜籽油等)可使绵羊、肉牛和奶牛的甲烷排放量降低19%~62%[28, 29, 30, 31]。脂类对甲烷的抑制作用主要有2方面原因，一是脂类可以使不饱和脂肪酸发生氢化，二是脂类直接抑制产甲烷菌的生长[32]。不饱和脂肪酸发生氢化时能消耗瘤胃中由于饲料降解所产生的氢，进而减少了甲烷产量，但这并不是脂类降甲烷的唯一机制，因为不饱和脂肪酸的长度和不饱和度与甲烷产量没有直接关系[33]。中链脂肪酸主要通过降低原虫或产甲烷菌数量以降低甲烷生成量。例如，通过研究发现，椰子油对原虫和产甲烷菌均有抑制作用[34]。此外，月桂酸、肉豆蔻酸和亚油酸对甲烷产量的减排潜力较大[28, 29, 35]，尤其是月桂酸可显著降低反刍兽甲烷短杆菌的活性[36]。增加反刍动物饲粮中的脂类含量来降低甲烷产生的技术已经应用于生产实践中，但是，应根据具体情况确定脂类比例，因为，油脂的种类和含量也不同程度地影响动物的采食量和生产性能。
近年来，精油对反刍动物甲烷排放量的影响逐步受到人们的关注。通过体外试验研究发现，精油(来源于大蒜、百里香、牛至、肉桂、大黄和鼠李皮等)对甲烷排放量的影响依赖于精油的使用剂量，并且，随着精油添加量的增加，VFA生成量和饲料降解率会出现不同程度的降低[37]。也有研究表明，较低剂量的大蒜精油(≤300 mg/L)仍然可以降低甲烷的生成量，并且对饲料发酵没有负面影响[38]。与此相反，也有报道表明，大蒜精油对泌乳奶牛和育肥肉牛的甲烷排放量没有影响[39, 40]。可能是因为体外培养法模拟瘤胃发酵并不能完全真实地反映活体动物瘤胃发酵情况。但是，体外模拟发酵试验成功地证明了精油的不同添加水平对甲烷生成的影响存在差异。此外，黄江丽等[41]通过体外培养法研究了5种精油对甲烷产量的影响，结果表明，桂皮油、薄荷油对甲烷排放存在显著的抑制作用，而生姜油、丁香油和辣椒油对甲烷产量没有显著影响。就目前而言，筛选适合在生产实践中应用的精油种类并制定使用方法，确定精油的抗甲烷效果的时效性和减少精油对饲料消化率和生产性能的负面影响是我们将要解决的问题。此外，精油昂贵的价格，可能是其未来在生产中广泛推广的瓶颈。
3.1.4 有机酸有机酸或有机酸盐通过改变瘤胃发酵类型(从乙酸型向丙酸型转变)，以影响胃肠道甲烷生成量。在体外培养条件下，添加延胡索酸钠可使甲烷降低2.3%~41.0%[42]，同时增加了饲料消化率和总VFA产量[43]。同样，在体外培养条件下，苹果酸也可以使瘤胃发酵向丙酸型转变，从而降低了甲烷生成量[44]。但是，也有报道指出，苹果酸对体外发酵瘤胃液的甲烷产量没有显著影响[45]。综合考虑前人的研究成果，可以看出在体外培养条件下，有机酸对甲烷排放量的影响结果是不稳定的。Wood等[46]报道，在羔羊饲粮中添加100 g/kg的延胡索酸，可以使试验羊胃肠道的甲烷排放量降低60%~70%。此外，Foley等[47]也报道，在肉母牛饲粮中添加37.50和75.00 g/kg的苹果酸，使其胃肠道甲烷排放量分别降低了6%和16%。但也有报道指出，反丁烯二酸和苹果酸对甲烷排放量没有显著影响[48, 49]。张振威等[50]发现给西门塔尔肉牛基础饲粮中添加0.04 g/(kg·d)的异丁酸，可显著降低胃肠道甲烷排放量。牛文静等[51]报道，延胡索酸二钠可以提高未处理和经过氨化处理的稻草体外发酵的总产气量，同时降低了甲烷的相对产量。
有机酸的降甲烷效果除受添加剂量的影响外，还可能受饲粮中粗饲料的比例和谷物类型的影响[52]。目前，有机酸价格昂贵，使其在生产实践中的应用受到很大限制。饲喂富含有机酸的粗饲料是解决这一问题的途径。Callaway等[53]通过研究苜蓿、百慕大草和高茅草的有机酸含量，发现不仅不同品种的牧草有机酸含量不同，而且同一品种的不同生长阶段的有机酸含量也有所不同，但是这些含有不同有机酸的牧草最终对动物胃肠道甲烷排放量的影响结果是不确定的。总之，有机酸对甲烷排放量的影响结果存在一定的差异性，并且有机酸的抗甲烷效果受添加剂量和饲粮组成的影响而不同。
3.1.5 卤代化合物多卤素化合物抑制剂(如水合氯醛、氯化甲烷、三氯乙炔、多氯化醇、溴氯甲烷、多氯化酸等)通过毒害产甲烷菌以降低甲烷合成量。其中，溴氯甲烷通过抑制辅酶B以阻止甲烷的合成。Abecia等[54]报道，溴氯甲烷显著降低了泌乳山羊的甲烷排放量，但对瘤胃细菌、原虫和产甲烷菌没有显著影响。与此相反，Denman等[55]报道，溴氯甲烷使瘤胃产甲烷菌数量和甲烷产量分别降低了34%和30%。溴氯甲烷易挥发，但溴氯甲烷环糊精复合物性质稳定，因此，溴氯甲烷环糊精复合物的降甲烷效果优于溴氯甲烷。McCrabb等[56]报道，若给牛每隔1 h饲喂1次溴氯甲烷，则试验牛胃肠道不再有甲烷排出，若每天饲喂2次，8周后，试验牛胃肠道的甲烷排放量降低了54%，但采食量也有所下降。由以上结果可以看出，卤代化合物对反刍动物瘤胃的甲烷排放存在一定的降低作用，但Tezel等[57]证实，瘤胃产甲烷菌对季胺类化合物存在耐药性。因此，给动物长期饲喂，可能会失去抗甲烷的作用，这是在推广过程中需要解决的问题。
近年来，利用体外模拟发酵技术研究了3-硝基丙醇(3-nitrooxypropanol)和乙基-3-硝基丙醇(ethyl-3-nitrooxypropanol)对瘤胃发酵和甲烷产量的影响[58, 59]，结果表明，以上2种物质均有减少瘤胃甲烷生成的潜力，且对瘤胃发酵不产生负作用，但这2种卤代化合物还处于试验研发阶段，目前在生产实践中很少被应用。此外，产甲烷菌抑制剂对产甲烷菌有特异性。因此，选择甲烷抑制剂时应有针对性。
3.1.6 硝酸盐硝酸盐对氢的亲和力大于二氧化碳对氢的亲和力[60]，因此，硝酸盐通过与产甲烷菌竞争氢和消耗电子以减少甲烷的生成，此外，在瘤胃中，硝酸盐在氧化还原反应过程中生成的氨可以作为瘤胃微生物的氮源合成微生物蛋白。以往研究表明，动物饲粮中添加硝酸或硝酸盐可显著降低胃肠道甲烷排放量[61]。同时，硝酸还原型微生物可利用硝酸获得更多的能量，从而加快了瘤胃微生物的生长速率[62]。Nolan等[63]报道，在体外条件下，饲粮中添加4%的KNO3，使绵羊甲烷排放量降低23%，而对干物质消化率没有显著影响。此外，硝酸盐和尿素均是微生物合成蛋白质的氮源。在低蛋白质饲粮中添加硝酸盐，可以提高反刍动物的生产性能。Huyen等[64]在肉牛饲粮中分别添加了等量的硝酸盐和尿素，结果发现，硝酸盐降低了试验牛的甲烷排放量，但对采食量、营养物质消化率和生长速度没有影响。这一结果为硝酸盐替代尿素作为氮源补充剂提供了基础依据。但是，硝酸盐具有一定毒性，通常通过以下途径避免硝酸盐中毒：1)有计划地逐渐增加添加剂量，使瘤胃微生物可以有一定的适应期；2)通过控制硫酸盐和硝酸盐的比例来降低硝酸盐转换成氨的量。
总体来说，通过改善饲粮组成和使用适当的添加剂可在一定程度上降低瘤胃甲烷产量，但是这些营养措施的应用效果是不稳定的，并且体外与体内的研究方法所得出的结论也不完全一致。因此，需要对饲粮组成对甲烷排放量的影响做进一步深入的研究。此外，由于瘤胃产甲烷菌耐药性的出现，使有些添加剂对甲烷的抑制作用时间很短。因此，应该深入研发可以长期抑制甲烷生成的饲料添加剂[11]。
3.2 调控瘤胃菌群结构对反刍动物胃肠道甲烷排放的影响每毫升成年牛的瘤胃液中约含有1011个细菌、104~106个原虫、103~105个真菌和古菌，这些微生物在瘤胃中呈共生或竞争关系，构成了反刍动物独特的消化系统[65]。瘤胃产甲烷菌属于古细菌，主要参与瘤胃有机物降解的最后一步。改变瘤胃菌群结构，改善瘤胃发酵类型，是降低甲烷产生的重要手段。
3.2.1 去原虫Stumm等[66]报道，瘤胃中的产甲烷菌与原虫为共生关系，且10%~20%的产甲烷菌吸附在原虫上。通过离心，去除瘤胃内容物中的原虫和饲料微粒的同时，76%的产甲烷菌也被去除[67]。因此，甲烷产量与原虫数量关系密切。Hegarty[68]报道，通过给瘤胃去原虫可以使胃肠道甲烷排放量降低50%。Hegarty[69]研究发现，给动物去除原虫后，其采食量降低，而丙酸/乙酸和瘤胃微生物蛋白含量升高，瘤胃液的流通速度加快，与此同时，瘤胃中氢的净生成量和甲烷产量均有所降低。Morgavi等[70]发现，绵羊在去原虫后的2年中，胃肠道甲烷排放量降低了20%。但是Hegarty等[71]报道，给山羊去除原虫后，并没有降低试验山羊的胃肠道甲烷排放量。因此，通过去原虫降低甲烷排放量的结果并不完全一致，其机理和使用效果还需要做进一步研究。并且，开发可持续改善瘤胃微生态环境的添加剂仍是一项挑战。
3.2.2 补饲抗生素和抗生素替代物对反刍动物胃肠道甲烷排放的影响 3.2.2.1 莫能菌素莫能菌素是由链酶菌属产生的一种聚醚类离子载体，一直作为瘤胃改良剂使用，尤其在高精料型饲粮中被广泛应用。莫能菌素主要通过降低动物的干物质采食量来降低胃肠道甲烷排放量[72]。此外，莫能菌素还可以通过改变细胞膜的通透性，抑制革兰氏阳性菌的生长，促使瘤胃发酵由乙酸型向丙酸型转变，从而减少氢和甲烷前体的产生[73]。因此，饲粮中添加莫能菌素可以降低反刍动物的甲烷排放量。但莫能菌素对甲烷生成的抑制作用会随着时间的延长而减弱[74]。目前，在我国莫能菌素已广泛应用于反刍动物生产中，以往研究表明，莫能菌素除能降低反刍动物甲烷排放外，还可以提高反刍动物的生产性能和饲料利用效率[75]。但随着人们对动物性食品质量要求的不断提高，莫能菌素在牛奶和牛肉中的残留问题逐步受到关注。由于莫能菌素在动物的组织中残留较少，是欧盟目前唯一允许使用的抗生素类促生长饲料添加剂[76]。但它的残留问题仍然不容忽视，邓磊等[77]报道，每头奶牛每日饲喂的莫能菌素少于400 mg(以有效含量计)时，在牛奶中不造成残留。莫能菌素在肉牛生产的应用过程中，应注意休药期。关于莫能菌素在牛肉中的残留问题的研究还比较少见，需进一步深入了解。
3.2.2.2 细菌素细菌素是由许多细菌产生的小抗菌肽，在动物机体内，它不仅可以有效的抑制病原体生长，还可以作为益生素调节瘤胃内环境。由此可以看出，细菌素可以作为一些抗生素的替代物应用于动物的生产实践中。例如，乳酸链球菌肽对瘤胃发酵的影响和莫能菌素相似，并且在体外条件下，使甲烷产量降低了36%[78]。此外，一些外源菌可以在瘤胃中产生细菌素。Kalmokoff等[79]研究了50株丁酸弧菌，发现50%的菌株具有抗菌活性。这可能因为许多乳酸菌均能产生细菌素，且细菌素能使瘤胃液pH降低，从而降低甲烷生成量。此外，瘤胃细菌的代谢产物将会成为一类新型瘤胃改良剂。例如一些古生菌群所产生的细菌素对某些特定微生物的生长有抑制作用[80]。但是，由古生菌有机体产生的细菌素是否对其他种类的古生菌的生长有抑制作用尚不清楚。
目前，细菌素在动物生产实践中的应用还比较少见。一些研究表明，饲喂细菌素生产菌比纯的细菌素对动物胃肠道健康的影响更具有显著的效果[81]。这可能是因为纯的细菌素进入消化道后，容易被蛋白质水解酶分解。通常，细菌素可作为饲料添加剂或饮水添加剂饲喂给动物。
3.2.3 细菌对反刍动物胃肠道甲烷排放的影响 3.2.3.1 产乙酸菌1899年，俄国的微生物学家Omelianski将厌氧分解纤维素的微生物分为产氢的细菌(目前称产氢或产乙酸菌)和产甲烷菌2大类[82]。其中，产乙酸菌可与产甲烷菌竞争氢生成乙酸而不产生甲烷。通过纯培养试验证明，当二氧化碳为终端电子受体时，产乙酸菌与氢结合所需的最低氢分压(氢气阈值)是产甲烷菌的10~100倍。但是，如果瘤胃中的产甲烷菌受到抑制，氢分压上升，可使产乙酸菌迅速生长[83]。Joblin[84]报道，瘤胃中的很多微生物可以利用氢和二氧化碳生成乙酸。近年来，也有大量产乙酸菌被发现。产乙酸菌的数量和种类受饲粮结构，动物年龄和采样时间的影响。Morvan等[85]报道，反刍动物出生后的30 h以内，瘤胃中的产乙酸菌占优势、但随着产甲烷菌的不断增加，产乙酸菌数量逐步减少。并且Doré等[86]报道，瘤胃中产甲烷菌数量与产乙酸菌数量呈负相关关系。
以往研究表明，通过直接饲喂产乙酸菌属可在一定程度上降低瘤胃甲烷排放量，但也有不同的结果出现。因此，直接饲喂产乙酸菌对甲烷排放的抑制效果还需做进一步研究。未来，鉴定分离自然界中可利用氢的产乙酸菌，并进行体外增殖培养后，将其补饲给动物，是一种降低甲烷排放措施的潜在途径。例如，Gagen等[87]发现，尤金袋鼠前胃中存在一类新的产乙酸菌，且尤金袋鼠的甲烷排放量较少。如果证实这一类产乙酸菌竞争氢的能力高于产甲烷菌，并能进行体外分离培养，则为抑制瘤胃甲烷排放开辟了一条新途径。此外，瘤胃中接种利于产乙酸菌生长的菌体，也可以促进乙酸菌生长。例如，Chaucheyras等[88]报道，酵母可以使产乙酸菌利用氢的能力增强，进而增加乙酸合成量。因此，酵母已经在反刍动物饲粮中被广泛使用，并得到了良好的效果。但不同酵母菌株的降甲烷作用能力是不同的。因此，未来研发能高效降低甲烷合成的酵母菌株是有必要的。
3.2.3.2 甲基营养菌甲基营养菌又称甲基利用菌，是一群能够利用单碳原子(甲醇和甲胺)的革兰氏阴性细菌。它通过与产甲烷菌竞争底物以降低甲烷的合成量。大部分甲基营养菌和甲烷氧化菌都可以阻止瘤胃内的甲烷释放到大气中。了解甲基营养菌的代谢途径是缓解瘤胃甲烷释放的另一种新方法。到目前为止，关于瘤胃中甲基营养菌的研究还比较少见。仅有Kajikawa等[89]报道，甲基营养菌在瘤胃中的含量为0.2%~0.5%。在未来的研究中，发现能够在瘤胃中存活并起到能降低甲烷合成作用的甲基营养菌非常关键。
Mitsumori等[90]在吸附于瘤胃上皮细胞的菌群中发现了亚硝化单胞菌。亚硝化单胞菌是一类氨氧化菌，在一定条件下，可以氧化甲烷[91]。但是，这一类细菌在瘤胃中的存在具有一定的偶然性[92]。此外，瘤胃基因文库中包含一些疣微菌门细菌。研究发现，这类细菌中的部分菌种在非瘤胃条件下能氧化甲烷，且甲烷是它们唯一的碳源和能量来源[93]。但是，疣微菌门细菌已被证实主要存在于水生和土壤环境中[94]，而在瘤胃环境中的含量和作用机制尚不清楚。
3.2.3.3 嗜二氧化碳菌嗜二氧化碳菌适宜生存在高浓度二氧化碳条件下。瘤胃呈厌氧环境，且二氧化碳是瘤胃所产生的主要气体之一。由此推测，瘤胃内的嗜二氧化碳菌可以通过消耗合成甲烷的底物而降低甲烷合成量。Dehority[95]报道，瘤胃细菌对二氧化碳的利用主要包含2种途径：1)通过生物合成作用，二氧化碳被用于细胞生长(如牛链球菌)；2)在一类琥珀酸生成菌(如产琥珀酸放线杆菌、琥珀酸曼氏杆菌和琥珀酸弧菌)的作用下，将二氧化碳转化成琥珀酸。在这一系列的反应中，二氧化碳和氢被消耗的同时还生成了丙酸前体物。
Kempton等[96]发现，坦玛小袋鼠单位可消化进食能所产生的甲烷量仅为反刍动物的1/5。除了生理结构上的不同以外，坦玛小袋鼠前胃中所含有的特有菌群可能是低甲烷排放的重要原因之一。坦玛小袋鼠瘤胃菌群的基因文库中，嗜二氧化碳菌占16S rRNA总序列的9%[97]。但如何利用嗜二氧化碳菌降低反刍动物瘤胃甲烷排放量还需要做大量的进一步的研究。
总体来说，目前关于调控微生物区系的技术还有许多难点需要突破。比如具有降低甲烷排放功能的外源活菌能否在瘤胃内长期定植下来，其降低甲烷的效果是否存在时效性，以及这些菌种的分离与批量生产的条件等问题存在。因此，需要广大研究者关于此调控途径进行深一步的研究。
3.3 免疫法对反刍动物胃肠道甲烷排放的影响免疫法是降低反刍动物甲烷排放的一种环保型解决方案。因此研发抗产甲烷菌疫苗越来越受到广大学者的重视。Wright等[98]研制出2种疫苗：VF3(基于3种产甲烷菌Methanobrevibacter spp. strains 1Y、AK-87和Methanobrevibacter millerae ZA-10)和VF7(基于7种产甲烷菌)。并通过试验表明，这2种疫苗可以使绵羊的单位干物质采食量所产甲烷降低7.7%，并使宿主动物的产甲烷菌群降低了20%。此外，他们还研制出了基于5种产甲烷菌(Methanobrevibacter spp. strains 1Y、AK-87，Methanobrevibacter millerae ZA-10，Methanomicrobium mobile BP和Methanosphaera stadtmanae MCB-3)的疫苗。但给动物进行2次免疫后，宿主动物的甲烷排放量却增加了18%[98]。因此，还需要对疫苗组成和作用效果进行进一步研究。
进行免疫时，疫苗可能被宿主降解并且瘤胃中的抗体存在时间较短，因此，大部分学者认为，通过免疫减少甲烷排放存在时效性。Williams等[99]发现，给绵羊进行原虫免疫后的8 h内，免疫球蛋白G抗体持续产生，并能持续抑制原虫的活性和保持对靶细胞的作用。当动物品种、饲粮构成和消化道部位不同时，产甲烷菌种类也会有很大差异，单一特异性的抗产甲烷菌疫苗的作用效果并不明显[100]。Wedlock等[101]利用亚细胞组分(细胞质和细胞壁的衍生蛋白质)研制出了一种新的反刍兽甲烷短杆菌疫苗，利用离体试验发现，对20头绵羊进行免疫，并在3周后加大免疫剂量，出现抗体血清聚集现象，并且产甲烷菌数量和甲烷产量均有所下降。此外，佐剂是影响抗甲烷疫苗作用效果的重要指标，因此，在研发抗产甲烷菌疫苗的同时，加强对佐剂的研发是非常必要的。由于通过免疫以降低反刍动物胃肠道甲烷排放的方法还不成熟以及没有征收相应的反刍动物甲烷排放税费，在我国，通过免疫法来降低反刍动物胃肠道甲烷排放的措施还没有在大范围应用。
4 小 结由于减少反刍动物甲烷排放的这一迫切要求，研发有效的减排措施会越来越受到人们的关注。通过改善饲粮结构、使用添加剂、人为调控瘤胃菌群结构和免疫是减少反刍动物胃肠道甲烷排放的几种途径，其中一些调控措施已经在生产实践中取得一定的成效，例如优化饲粮结构，适当补饲脂类、硝酸盐和植物次级代谢物添加剂和改善粗饲料品质等。但目前存在的减排措施中仍存在诸多问题，例如莫能菌素的残留和耐药性、植物提取物价格昂贵且作用不稳定，外源菌群能否成功在瘤胃中定植等。因此，在现有基础上，利用新的手段和方法做更深入全面的研究是非常必要的。此外，随着分子分析技术的不断发展，利用基因组测序技术了解瘤胃菌群组成对了解甲烷的产生机制和抑制甲烷的产生有着重要的意义。通过分子生物学技术控制甲烷的产生可能是未来的研究方向。此外，遗传改良和制定合理的管理方式是增加反刍动物生产性能，同时降低甲烷排放量的不容忽视的途径。总之，降低甲烷排放的措施应该以提高生产效益，保证动物健康和食品安全为前提。
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