Effects of hydrothermal treatment on in vitro fermentation， methanogenesis and microbiota of soybean straw

doi:10.11686/cyxb2020538

Abstract

Abstract:

The aim of this study was to investigate the effects of hydrothermal treatment on in vitro fermentation， methanogenesis and microbiota of soybean straw. The chemical compositions， the degradation characteristics， the fermentation parameters and the microbial ?ora were estimated for the soybean straws with and without hydrothermal treatment using an automatic ruminal fermentation system with 72 h of incubation. It was found that： The hydrothermal treatment reduced the concentrations of neutral detergent fiber （P<0.001）， acid detergent fiber （P<0.001） and hemicellulose （P<0.001） in the soybean straw， and increased the concentrations of neutral detergent soluble fiber （P<0.001）， water soluble carbohydrates （P<0.001）， arabinose （P<0.001） and galactose （P<0.001）. The hydrothermal treatment increased dry matter degradability （P<0.001） and volatile fatty acid concentration （P<0.05）， and decreased the acetate：propionate concentration （P<0.001）， the gas production of methane （P<0.001） and hydrogen （P<0.001） and the populations of fungi （P<0.01）， methanogenic bacteria （P<0.05） and Fibrobacter succinogenes （P<0.05）. The results indicate that the hydrothermal treatment disrupted the cellulose-hemicellulose-lignin structural matrix of soybean straw， thereby increasing the soluble matter content， improving the ruminal degradation， leading to reduction in the number of fungi and methanogens， and decreased methane production.

Key words: hydrothermal treatment, soybean straw, in vitro fermentation, methanogenesis, ruminal microbiota

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Figures/Tables 9

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微生物种类 Microbial species	引物序列 Primer sequence （5?-3 ?）	大小 Size （bp）	参考文献 References
原虫Protozoa	F： GCTTTCGWTGGTAGTGTATT	223	Sylvester等^［24］
原虫Protozoa	R： CTTGCCCTCYAATCGTWCT	223	Sylvester等^［24］
真菌Fungi	F： GAGGAAGTAAAAGTCGTAACAAGGTTTC	121	Denman等^［25］
真菌Fungi	R： CAAATTCACAAAGGGTAGGATGATT	121	Denman等^［25］
细菌Bacteria	F： CGGCAACGAGCGCAACCC	146	Denman等^［25］
细菌Bacteria	R： CCATTGTAGCACGTGTGTAGCC	146	Denman等^［25］
产甲烷菌Methanogens	F： GGATTAGATACCCSGGTAGT	192	Hook等^［26］
产甲烷菌Methanogens	R： GTTGARTCCAATTAAACCGCA	192	Hook等^［26］
产琥珀酸丝状杆菌Fibrobacter succinogenes	F： GTTCGGAATTACTGGGCGTAAA	121	Denman等^［25］
产琥珀酸丝状杆菌Fibrobacter succinogenes	R： CGCCTGCCCCTGAACTATC	121	Denman等^［25］
白色瘤胃球菌Ruminococcus albus	F： CCCTAAAAGCAGTCTTAGTTCG	176	Koike等^［27］
白色瘤胃球菌Ruminococcus albus	R： CCTCCTTGCGGTTAGAACA	176	Koike等^［27］
黄色瘤胃球菌Ruminococcus flavefaciens	F： GAACGGAGATAATTTGAGTTTACTTAGG	132	Denman等^［25］
黄色瘤胃球菌Ruminococcus flavefaciens	R： CGGTCTCTGTATGTTATGAGGTATTACC	132	Denman等^［25］
甲烷杆菌目Methanobacteriales	F： CGWAGGGAAGCTGTTAAGT	343	Yu等^［28］
甲烷杆菌目Methanobacteriales	R： TACCGTCGTCCACTCCTT	343	Yu等^［28］
甲烷短杆菌Methanobrevibacter	F： CCTCCGCAATGTGAGAAATCGC	230	Huang等^［29］
甲烷短杆菌Methanobrevibacter	R： TCWCCAGCAATTCCCACAGTT	230	Huang等^［29］
甲烷微菌目Methanomicrobiales	F： ATCGRTACGGGTTGTGGG	506	Yu等^［28］
甲烷微菌目Methanomicrobiales	R： CACCTAACGCRCATHGTTTAC	506	Yu等^［28］

微生物种类 Microbial species	引物序列 Primer sequence （5?-3 ?）	大小 Size （bp）	参考文献 References
原虫Protozoa	F： GCTTTCGWTGGTAGTGTATT	223	Sylvester等^［24］
原虫Protozoa	R： CTTGCCCTCYAATCGTWCT	223	Sylvester等^［24］
真菌Fungi	F： GAGGAAGTAAAAGTCGTAACAAGGTTTC	121	Denman等^［25］
真菌Fungi	R： CAAATTCACAAAGGGTAGGATGATT	121	Denman等^［25］
细菌Bacteria	F： CGGCAACGAGCGCAACCC	146	Denman等^［25］
细菌Bacteria	R： CCATTGTAGCACGTGTGTAGCC	146	Denman等^［25］
产甲烷菌Methanogens	F： GGATTAGATACCCSGGTAGT	192	Hook等^［26］
产甲烷菌Methanogens	R： GTTGARTCCAATTAAACCGCA	192	Hook等^［26］
产琥珀酸丝状杆菌Fibrobacter succinogenes	F： GTTCGGAATTACTGGGCGTAAA	121	Denman等^［25］
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白色瘤胃球菌Ruminococcus albus	F： CCCTAAAAGCAGTCTTAGTTCG	176	Koike等^［27］
白色瘤胃球菌Ruminococcus albus	R： CCTCCTTGCGGTTAGAACA	176	Koike等^［27］
黄色瘤胃球菌Ruminococcus flavefaciens	F： GAACGGAGATAATTTGAGTTTACTTAGG	132	Denman等^［25］
黄色瘤胃球菌Ruminococcus flavefaciens	R： CGGTCTCTGTATGTTATGAGGTATTACC	132	Denman等^［25］
甲烷杆菌目Methanobacteriales	F： CGWAGGGAAGCTGTTAAGT	343	Yu等^［28］
甲烷杆菌目Methanobacteriales	R： TACCGTCGTCCACTCCTT	343	Yu等^［28］
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项目Items	对照Control	水热处理Hydrothermal treatment	标准误SEM	P值P-value
化学组成Chemical compositions
中性洗涤可溶物Neutral detergent soluble （NDS）	251	418	42.0	<0.001
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber （NDF）	749	582	42.0	<0.001
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber （ADF）	627	563	14.3	<0.001
水溶性碳水化合物Water soluble carbohydrates （WSC）	13.4	44.7	5.6	<0.001
半纤维素Hemicellulose （HC）	122.0	15.0	28.7	<0.001
木质素Acid detergent lignin （ADL）	143	179	13.1	0.346
粗蛋白质Crude protein （CP）	56.8	57.7	2.4	0.453
单糖Monosaccharides
阿拉伯糖Arabinose	85.5	128.0	9.6	<0.001
半乳糖Galactose	353	513	35.8	<0.001
葡萄糖Glucose	1994	426	350.3	<0.001
鼠李糖Rhamnose	71.4	49.4	4.9	<0.001
木糖Xylose	231	633	89.9	<0.001
果糖Fructose	289.0	55.5	52.1	<0.001

项目Items	对照Control	水热处理Hydrothermal treatment	标准误SEM	P值P-value
化学组成Chemical compositions
中性洗涤可溶物Neutral detergent soluble （NDS）	251	418	42.0	<0.001
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber （NDF）	749	582	42.0	<0.001
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber （ADF）	627	563	14.3	<0.001
水溶性碳水化合物Water soluble carbohydrates （WSC）	13.4	44.7	5.6	<0.001
半纤维素Hemicellulose （HC）	122.0	15.0	28.7	<0.001
木质素Acid detergent lignin （ADL）	143	179	13.1	0.346
粗蛋白质Crude protein （CP）	56.8	57.7	2.4	0.453
单糖Monosaccharides
阿拉伯糖Arabinose	85.5	128.0	9.6	<0.001
半乳糖Galactose	353	513	35.8	<0.001
葡萄糖Glucose	1994	426	350.3	<0.001
鼠李糖Rhamnose	71.4	49.4	4.9	<0.001
木糖Xylose	231	633	89.9	<0.001
果糖Fructose	289.0	55.5	52.1	<0.001

项目 Items	对照 Control	水热处理 Hydrothermal treatment	标准误 SEM	P值 P-value
干物质降解率Dry matter degradation （DMD，g·kg^-1）	553	616	6.700	<0.001
产气量Gas volume （V_DM，mL·g^-1）	199	184	1.300	<0.001
可消化干物质产气量Gas volume per g of digestible dry matter （V_DDM，mL·g^-1）	361	299	3.700	<0.001
潜在最大产气量Final asymptotic gas volume （V_F，mL·g^-1）	194	184	2.500	0.054
总产气速率Fractional rate of gas production （k_GP，h^-1）	0.07	0.07	0.002	0.329
起始底物降解速率Initial fractional rate of degradation （FRD₀，mmol·g^-1·h^-1）	0.03	0.02	0.001	0.042