作者简介:陈志远(1988-),男,山东德州人,在读硕士。E-mail:czy0323@163.com。马婷婷(1989-),女,山东潍坊人,在读硕士。E-mail:285086492@qq.com。**共同第一作者 These authors contributed equally to this work.
本试验研究日粮硝酸盐的添加量对湖羊瘤胃还原硝态氮程度和对发酵参数及血液高铁血红蛋白的影响。试验选取6头湖羊,采用随机区组试验设计,每期分别饲喂含0%,1%,2%,3%,4%,5%硝酸钾的日粮。测定喂后0,0.5,1.0,1.5,2.0,4.0,6.0,8.0 h瘤胃液硝酸盐和亚硝酸盐含量及瘤胃发酵参数。晨饲后2.0 h通过颈静脉采血,测定高铁血红蛋白含量。结果表明,湖羊在采食1.0 h后硝酸盐含量达到最高(0.952.14 g/L),之后快速消失,亚硝酸盐含量在喂后1.5 h达到最高(0.936.22 μmol/L),之后降低。高铁血红蛋白的含量随硝酸盐添加量的增加而显著升高( P<0.01),最高达0.32%。添加硝酸盐显著提高瘤胃液pH值( P<0.01)和2.0 h的氨态氮含量( P<0.01)以及乙酸/丙酸,添加量高于3%会降低微生物蛋白和总挥发性脂肪酸的浓度,2%的硝酸盐添加量微生物蛋白和总挥发性脂肪酸的合成量最高,最有利于微生物发酵。
This study investigated the effects of dietary nitrate dosage on ruminal nitrate disappearance rate, fermentation parameters and blood methemoglobin of Hu sheep. The experiment used a randomized block design. Six selected Hu sheep were fed different levels of dietary potassium nitrate (0%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5% of DM intake). The concentration of nitrate, nitrite and fermentation parameters in rumen fluid were obtained 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 4.0, 6.0 and 8.0 h after feeding. In addition, the concentration of blood methemoglobin was determined 2.0 h after feeding through blood collection from the jugular vein. The nitrate concentration increased to a maximum value (0.95-2.14 g/L) at 1.0 h after feeding, then reduced rapidly. The nitrite concentration increased to maximum value (0.93-6.22 μmol/L) 1.5 h after feeding. The content of methemoglobin significantly increased with the nitrate addition ( P<0.01), to a peak of 0.32% at 5% dietary potassium nitrate. Nitrate addition also significantly increased rumen fluid pH value, ammonia nitrogen concentration and acetic acid/propionic acid 2.0 h after feeding ( P<0.01). In conclusion, potassium nitrate addition at over 3% of DM intake was found to reduce the concentration of microbial protein and total volatile fatty acids. Microbial protein synthesis and total volatile fatty acids were highest with 2% potassium nitrate addition, and the dosage of 2% potassium nitrate was beneficial to rumen fermentation.
中国是畜产品生产大国, 也是消费大国, 尤其是近年来, 人们对反刍动物产品的需求越来越大[1]。但目前, 我国蛋白质饲料自给自足率非常低, 蛋白质饲料的匮乏严重制约我国畜牧业的发展。非蛋白氮饲料原料作为一种良好的蛋白质饲料替代品, 能够为瘤胃微生物蛋白的合成提供氮源。硝酸盐作为一种非蛋白氮, 制作工艺简单, 成本低廉, 尤其是在低蛋白日粮情况下, 其在瘤胃内的利用效率甚至高于尿素[2]。硝酸盐在厌氧条件下主要有3条代谢途径:同化还原作用、异化还原作用和反硝化作用。反硝化作用产生N2的过程较为困难, 在瘤胃内极少存在[3, 4]。同化还原和异化还原过程均为N
目前对于硝酸盐的研究多集中在其毒性及体外产气方面, 并且研究结果并不一致, 代俊芳等[9]采用双外流连续培养系统的体外研究结果表明, 硝态氮的添加水平对瘤胃pH值和总挥发性脂肪酸没有显著影响, 但能提高氨态氮的水平, 乙酸/丙酸随硝态氮的提高而呈二次曲线规律变化。Lin等[10]的体外试验表明, 硝态氮并不影响总挥发性脂肪酸的浓度, 但会提高乙酸的浓度, 降低丙酸和丁酸的浓度。Patra和Yu等[11]在培养底物中分别加入5和10 mmol/L的硝酸盐, 甲烷产量分别降低23%和43%, 提高了总挥发性脂肪酸和乙酸浓度, 而对氨态氮的产量无显著影响。由于动物瘤胃复杂的内环境及体外培养的条件限制, 因此体外模型并不能真实反映瘤胃硝态氮的变化规律和发酵的影响。本研究以湖羊为试验动物, 通过活体试验研究日粮硝酸钾添加量不同对瘤胃硝酸盐消失率和发酵参数的影响, 为调控硝酸盐的还原及优化硝酸盐在反刍动物日粮中的应用提供参考资料。
选取6头9月龄, 体况良好, 体重相近(30± 5) kg且装有永久性瘘管的湖羊, 采用随机区组设计, 试验分为6期, 以不添加硝酸钾为对照期, 每期逐量增加硝酸钾的添加量至占日粮干物质的1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 每个添加梯度设置14 d预试期, 2 d采样期, 试验时间为2014年4-7月。
参照饲养标准(NRC 2007)绵羊营养需要配制日粮, 并制粒, 日粮由豆皮、燕麦草、混合精料等组成, 精粗比6∶ 4, 具体营养成分见表1。试验羊每天饲喂2次(9:00和16:00), 每次饲喂日粮600 g, 自由饮水, 保持羊舍适宜的光照和通风, 定期消毒。
| 表1 试验日粮组成及营养水平(干物质基础) Table 1 Composition and nutrient levels of experimental diets (DM basis) |
采样期分别于晨饲后0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 4.0, 6.0, 8.0 h通过真空负压装置, 从瘤胃上下左右不同点采集瘤胃液, 用4层无菌纱布过滤, 采用便携式pH计立即测定pH值, 然后将过滤瘤胃液分装于6支5 mL离心管中, 存放于-20℃的冰箱中, 待测氨态氮、硝酸盐含量、亚硝酸盐含量、微生物蛋白和挥发性脂肪酸。正试期每日晨饲后2.0 h通过颈静脉采集5 mL血液, 存入含有肝素钠的抗凝管中, 立即测定血液中高铁血红蛋白的含量。
硝酸盐含量:参照蔡顺香[12]的方法, 并调整如下:吸取5 mL瘤胃液, 加入5 mL饱和硼砂溶液, 沸水浴10 min, 并不时搅拌, 冷却, 转入250 mL容量瓶中, 加2 g活性炭脱色, 定容。震荡混匀, 过滤, 取适量滤液, 用石英比色皿在220和260 nm处比色, 计算差值, 同时做空白, 通过标准曲线计算出硝酸盐的含量。
亚硝酸盐浓度:采用南京建成生物工程研究所试剂盒所述方法(比色法)进行测定。
氨态氮浓度:采用酚-次氯酸钠比色法[13]。
挥发性脂肪酸含量:采用日本岛津GC-14B气相色谱仪测定乙酸、丙酸、丁酸、戊酸含量[14]。瘤胃液经12000 r/min离心20 min, 取上清液1 mL, 加0.2 mL 25%的偏磷酸(含60 mmol/L巴豆酸)冷冻过夜, 之后再次12000 r/min离心20 min, 用0.45 μ m滤膜过滤上清液, 以巴豆酸为内标, 上样量5 μ L。测定条件:毛细管柱CP-WAX(柱长30 m, 内径0.53 mm, 膜厚1 μ m)载气为高纯N2(压力0.7 MPa, 流量30 mL/min), 燃气H2(流量 30 mL/min), 气化室温度200℃, FID检测器温度200℃, 柱温采用程序升温法, 初温100℃, 末温130℃, 升温速率3℃/min, 灵敏度为101, 衰减为25。
高铁血红蛋白的测定:采用南京建成生物工程研究所高铁血红蛋白测定试剂盒测定。
微生物蛋白:考马斯亮蓝法测定微生物蛋白浓度[15]。
采用Excel 2013软件整理试验数据, 采用SAS 9.2软件的PROC MIXED模型进行方差分析, 并用Tukey’ s法进行差异显著性比较。
由表2可知, 湖羊采食2 h后, 血液高铁血红蛋白的含量随着硝酸盐添加量的增加而逐渐升高, 且添加量为4%和5%时, 其含量极显著高于对照组和1%处理组(P< 0.01)。
| 表2 添加不同剂量硝酸钾对湖羊血液高铁血红蛋白含量的影响 Table 2 Effects of nitrate dosages on blood methemoglobin of Hu sheep % |
由表3可知, 各处理组瘤胃液pH值变化趋势基本一致, 呈先下降后上升趋势。在采食24 h后达到最低点, 之后逐渐回升。5%处理组的pH值均最高(6.666.87), 且除0 h外, 5%组均极显著高于对照组、1%和2%组(P< 0.01); 0.5和2.0 h, 对照组和1%4%处理组之间无显著差异; 在1.0和1.5 h, 4%处理组pH值极显著高于对照组(P< 0.01); 对照组与1%3%处理组之间在各个时间点差异不显著。
| 表3 添加不同剂量硝酸盐对湖羊瘤胃液pH值动态变化的影响 Table 3 Effects of nitrate dosages on dynamic change of pH value in rumen fluid |
经检测, 对照组硝酸盐含量保持较低水平(≤ 0.79 g/L), 并且无动态变化。各处理组硝酸盐含量在采食后01 h逐渐上升, 之后下降; 采食0.5 h后, 5%处理组硝酸盐含量极显著高于其他组(P< 0.01), 其他处理组之间无显著差异。其他时间点, 各组之间无显著差异(表4)。
| 表4 湖羊瘤胃液硝酸盐含量的动态变化 Table 4 Dynamic changes of nitrate concentration in rumen fluid of Hu sheep g/L |
经检测, 对照组亚硝酸盐含量保持较低水平(≤ 0.35 μ mol/L), 并且无动态变化。由表5可知, 动物在采食后1.01.5 h亚硝酸盐含量达到最高, 之后迅速下降。0.5, 1.0和1.5 h时, 5%处理组极显著高于其他处理组(P< 0.01), 其他处理组之间无显著差异。2 h时, 5%处理组极显著高于其他处理组, 4%处理组极显著高于1%处理组(P< 0.01)。其他时间点各组之间无显著差异。
| 表5 湖羊瘤胃液亚硝酸盐含量的动态变化 Table 5 Dynamic changes of nitrite concentration in rumen fluid of Hu sheep μ mol/L |
由表6可知, 各组之间氨态氮的浓度变化基本一致, 在采食后逐渐上升, 1 h后达到最大值, 之后逐渐下降。采食2 h后, 5%处理组氨态氮浓度显著高于1%处理组(P< 0.05), 其他时间点各组之间无显著差异。
| 表6 不同硝酸盐添加剂量对湖羊瘤胃液氨态氮浓度的影响 Table 6 Effects of nitrate dosages on NH3-N concentration in rumen fluid of Hu sheep mg/dL |
由表7可知, 0 h时, 4%处理组微生物蛋白极显著高于对照组(P< 0.01)。0.5, 1.0, 1.5, 4.0, 6.0, 8.0 h均以2%处理组微生物蛋白浓度最高, 且极显著高于对照组(P< 0.01)。2 h的各组之间微生物蛋白浓度差异不显著。综合起来看, 2%处理组微生物蛋白浓度最高。
| 表7 不同硝酸盐添加剂量对湖羊瘤胃液微生物蛋白浓度的影响 Table 7 Effects of nitrate dosages on microbial protein concentration in rumen fluid of Hu sheep g/L |
由表8可知, 各组的乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、总挥发性脂肪酸的变化趋势基本一致, 在采食后02 h逐渐上升, 之后下降。乙酸浓度在1.5, 2.0, 6.0 h以2%处理组浓度最高, 且极显著高于对照组和5%处理组(P< 0.01)。1.5 h时, 5%处理组乙酸浓度极显著低于对照组(P< 0.01)。丙酸浓度在0.5, 1.0, 1.5, 6.0 h时, 2%处理组极显著高于对照组(P< 0.01), 在0.58.0 h之间, 5%处理组丙酸浓度最低, 且极显著低于对照组(P< 0.01)。丁酸浓度在1 h时, 2%, 3%, 4%处理组极显著高于其他处理组(P< 0.01), 2 h的5%处理组丁酸浓度极显著低于其他处理组(P< 0.01)。6 h时, 2%处理组丁酸浓度极显著高于0%, 1%, 3%, 5%处理组(P< 0.01)。0 h时的戊酸浓度2%处理组最高, 且极显著高于对照组(P< 0.01)。2 h时, 1%和4%处理组戊酸浓度极显著高于5%处理组(P< 0.01)。总挥发性脂肪酸在0.58.0 h均以2%处理组最高, 并且在0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 6.0 h极显著高于对照组(P< 0.01)。5%处理组的总挥发性脂肪酸浓度最低。乙酸/丙酸在0.58.0 h均以5%处理组最高, 且极显著高于0%处理组(P< 0.01)。综合起来看, 总挥发性脂肪酸浓度2%处理组最高, 乙酸/丙酸5%处理组最高。
| 表8 不同硝酸盐添加量对瘤胃液挥发性脂肪酸含量的影响 Table 8 Effects of nitrate dosages on the concentration of volatile fatty acids in rumen fluid of Hu sheep |
硝酸盐在瘤胃内可被还原为亚硝酸盐, 亚硝酸盐被吸收进入血液, 将亚铁血红蛋白氧化成高铁血红蛋白, 从而使血红蛋白失去携氧能力, 引起组织缺氧, 甚至动物死亡; 此外, 亚硝酸盐中毒能显著抑制小鼠神经干细胞的增殖, 降低新生细胞的存活率[16]。目前对于各种动物的中毒剂量并没有统一报道。王春林等[17]研究发现, 日粮中亚硝酸盐含量达到900 mg/kg时, 对肉鸭的健康有明显的不良影响。Carrigan和Gardner[18]研究发现, 当苏丹草含硝酸盐达3.1%时, 牛出现中毒现象, 并继发流产。Setchell和Williams[19]发现, 山羊的中毒剂量为345 mg/(kg BW· d)。单胃动物对硝酸盐的耐受性较差, 而反刍动物瘤胃内微生物能将硝酸盐转化成亚硝酸盐, 进一步转化成氨态氮从而被机体利用。因此, 经过“ 适应” 能提高反刍动物对硝酸盐的耐受性[7]。当动物血液中高铁含量达到30%50%时, 就会导致组织缺氧, 出现呼吸困难, 神经机能紊乱等症状[20]。本试验中, 湖羊日粮含硝酸盐最高剂量为日粮5%, 高铁血红蛋白含量最高达0.32%, 并未出现明显的中毒现象。由于绵羊血液内高铁血红蛋白还原酶的活性较高, 还原Fe3+的能力较强, 所以绵羊对硝酸盐有较高的耐受性[21]。湖羊在采食硝酸盐日粮0.5 h后, 硝酸盐浓度即以达到最大值, 而亚硝酸盐浓度1.5 h内达到最大值, 可见硝酸盐还原为亚硝酸盐的速度是很快的, 而亚硝酸盐的积累相对滞后。林淼[22]的研究发现, 阉肉牛在适应2%DM的硝酸钾后, 硝态氮在1.0 h达到最高值, 4.0 h后硝态氮浓度趋近于0, 且不产生亚硝酸盐的积累。Lewis[23]直接将25 g NaNO3和10 g NaNO2投入未经适应的绵羊瘤胃, 发现在投放1.0 h后, N
正常瘤胃pH值为5.57.5, 本试验中pH值最低5.5, 最高6.87, 均属于正常范围。娄丽平[29]研究发现, 绵羊日粮中添加尿素、小肽、大豆蛋白作为氮源时, 瘤胃液pH值并无显著差异。代俊芳等[9]在日粮中添加占总氮的百分比为0%, 6%, 12%, 18%, 24%和30%的硝酸钾进行双外流连续培养体外发酵发现, 日粮硝态氮水平并不影响瘤胃pH值。张建刚[30]研究表明, 日粮中添加0%, 0.5%, 1.0%的硝酸钾时, 并未对pH值产生显著影响。然而Zhou等[31]的体外实验表明, 在硝态氮添加量大于24 μ mol/mol时, pH值呈明显的上升趋势。与本试验一致。在本试验中, 5%硝酸盐处理组0.58.0 h瘤胃pH值极显著高于其他组(P< 0.01)。高剂量的硝酸盐能够提高瘤胃pH值可能与氨态氮浓度的升高和挥发性脂肪酸浓度的降低有关。
瘤胃液中氨氮浓度主要取决于日粮蛋白质水平及其降解程度、瘤胃上皮对氨氮的吸收以及日粮能量水平。本研究中, 各处理组氨氮浓度在采食后呈上升趋势, 在1.52.0 h时达到最大, 之后下降。表明日粮中的含氮物质快速降解, 超过了微生物利用氨氮的速度使氨态氮浓度升高。随着瘤胃上皮对氨氮的吸收以及瘤胃微生物蛋白的合成, 氨氮浓度逐渐下降。日粮中添加硝酸盐均能提高氨态氮的产量[24, 32]。从2.0 h来看, 5%处理组氨氮浓度显著大于1%处理组(P< 0.05), 也是造成pH值升高的原因之一。反刍动物之所以能够利用氨态氮, 主要原因是瘤胃中的微生物能够利用氨氮合成菌体蛋白, 然后进一步被动物机体利用。本研究中, 微生物蛋白的浓度变化与氨态氮并不一致。各组均在采食后0.5 h达到最大值, 微生物蛋白浓度以2%处理组最高。前人研究表明, 氨态氮浓度小于5 mg/dL时, 微生物能够充分利用氨态氮合成菌体蛋白[33]。本研究中, 各处理组以及各时间点均远远高于此值, 表明微生物在本试验条件下, 氨态氮不是影响微生物蛋白合成的限制因素。
日粮中的碳水化合物在瘤胃微生物的作用下降解为挥发性脂肪酸(VFA), 经瘤胃上皮吸收, 是反刍动物主要的能源物质。日粮精粗比是影响VFA的因素之一, Merchen等[34]试验表明, 日粮精粗比并不影响总VFA的浓度, 但高精日粮组乙酸和丁酸浓度显著降低, 丙酸浓度显著升高。而日粮中添加淀粉能显著降低乙酸浓度, 提高丁酸浓度[35]。本试验中, 在保持精粗比一致的前提下(6∶ 4)发现, 湖羊在采食硝酸盐1.52.0 h后, 2%剂量组乙酸和总VFA的浓度极显著高于对照组(P< 0.01)。代俊芳等[9]的体外试验表明, 日粮硝态氮水平对总挥发性脂肪酸的浓度无显著影响, 但乙酸呈先降低后上升的二次曲线关系, 丙酸和丁酸则是先升高后下降, 乙酸/丙酸先下降后上升。Nolan等[6]的体内试验表明, 日粮中添加4%的KNO3对干物质采食量、消化率以及氨氮没有显著影响, 乙酸的摩尔比例有升高趋势, 乙酸/丙酸显著上升。Li等[36]的研究表明, 3%硝酸盐处理组总挥发性脂肪酸低于尿素组, 但乙酸及乙酸/丙酸要显著高于尿素组。本研究中, 2%处理组的乙酸、丙酸和总挥发性脂肪酸在大多数时间里要高于其他组, 乙酸/丙酸在多数时间内也随硝酸盐剂量的增加而升高, 与前人研究结果一致。纤维素和半纤维素发酵过程中伴随着氢的产生, 硝酸盐与氢的亲和力较高, 当氢减少时, 细胞中的还原型辅酶Ⅰ (NADH)就会减少, 相应的辅酶Ⅰ (NAD+)就会升高, 这有利于瘤胃乙酸的产生[37]。亚硝酸盐在快速还原过程中, 也促使了电子从丁酸转移到硝酸盐还原过程中, 促进了乙酸的形成[6]。纤维在分解过程中产生的腺苷三磷酸(ATP)和挥发性脂肪酸可为微生物蛋白的合成提供能量和碳架。前人研究表明, 添加硝酸盐能够降低黄色瘤胃球菌和产琥珀酸丝状杆菌的丰度[31]。这两种菌是瘤胃内主要的纤维分解菌[38]。本研究中, 3%5%处理组总挥发性脂肪酸浓度降低, 可能是此浓度的硝酸盐对纤维分解菌产生了不利影响, 降低了纤维的降解率, 不利于微生物蛋白的合成, 同时也引起了pH值的升高。
综上所述, 添加硝酸盐能提高瘤胃总挥发性脂肪酸和微生物蛋白的浓度, 但过高对瘤胃发酵有不利影响。本试验条件下, 添加硝酸盐能提高瘤胃pH值和乙酸/丙酸。采食后2.0 h能显著提高氨态氮的浓度。硝酸盐的浓度在采食后的1.0 h内上升, 之后下降; 亚硝酸盐的浓度在采食后1.5 h内上升之后开始下降。2%的添加量能显著提高微生物蛋白浓度和总挥发性脂肪酸的合成量。添加3%5%的硝酸盐并没有引起湖羊中毒, 但高铁血红蛋白含量升高, 总挥发性脂肪酸和微生物蛋白浓度降低, 不利于瘤胃发酵。
The authors have declared that no competing interests exist.
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