尿素是一種非蛋白氮飼料，常被用于反芻動(dòng)物日糧配制，以降低日糧蛋白用量，節(jié)約飼養(yǎng)成本。在反芻動(dòng)物的瘤胃中，尿素被分解成氨，氨則被用于合成優(yōu)質(zhì)微生物蛋白。在此過(guò)程中，尿素分解菌扮演著重要角色。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，受研究方法和技術(shù)限制，瘤胃尿素分解菌群仍不明確。
從上個(gè)世紀(jì)80年代以來(lái)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所的研究人員一直堅(jiān)持尿素分解菌及其脲酶的研究，并不斷取得突破。2016年，該所奶業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在奶牛瘤胃優(yōu)勢(shì)尿素分解菌群的鑒定和分析上又取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果已在微生物學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《微生物學(xué)前沿》（Frontiers in Microbiology）上發(fā)表。
“研究清楚尿素在瘤胃中被哪些細(xì)菌分解、如何分解，有助于我們制定調(diào)控策略，提高尿素使用的有效性和安全性。”近日，論文共同第一作者、中國(guó)農(nóng)科院北京畜牧獸醫(yī)研究所奶業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)趙圣國(guó)博士在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示。
提效降本 微生物至關(guān)重要
尿素是一種非蛋白質(zhì)含氮物，含氮量為46.67%，和動(dòng)物主要的蛋白質(zhì)飼料豆粕相比，豆粕含氮量為6.7%，尿素含氮量約是其7倍。
“蛋白質(zhì)含氮量一般為16%，如果100克尿素被微生物充分利用的話，可合成292克蛋白質(zhì)，節(jié)約697克豆粕，節(jié)省2.4元。”趙圣國(guó)告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，在奶業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，尿素常被用于日糧配方，添加比例大約為干物質(zhì)的1%。美國(guó)年利用尿素飼料約100萬(wàn)噸，相當(dāng)于節(jié)約600萬(wàn)~700萬(wàn)噸豆粕含氮量。
“大豆價(jià)格要遠(yuǎn)高于尿素價(jià)格，所以利用尿素替代部分大豆有助于降低奶牛生產(chǎn)成本。” 趙圣國(guó)說(shuō)。
事實(shí)上，我國(guó)也曾推廣尿素飼料，但是沒(méi)有規(guī)模應(yīng)用。趙圣國(guó)告訴記者，尿素飼料沒(méi)有規(guī)模應(yīng)用的原因主要在于養(yǎng)殖者在飼喂過(guò)程中沒(méi)有把握好尿素添加量以及與其他營(yíng)養(yǎng)素的關(guān)系，導(dǎo)致奶牛有時(shí)發(fā)生氨中毒。
值得注意的是，在尿素飼料利用轉(zhuǎn)化過(guò)程中，瘤胃中微生物的作用至關(guān)重要。趙圣國(guó)介紹，在反芻動(dòng)物的瘤胃中，攝入的尿素被微生物分泌的脲酶催化分解成氨，這類微生物稱為尿素分解菌。氨又是絕大部分微生物的氮源，被微生物利用合成微生物蛋白質(zhì)。微生物蛋白質(zhì)是奶牛的優(yōu)質(zhì)氮源，微生物蛋白占小腸總蛋白質(zhì)的60%~85%，是乳蛋白合成的重要原料。
“但是，瘤胃中尿素分解菌分解尿素的速度非?？欤瑢?dǎo)致釋放的氨還沒(méi)來(lái)得及充分合成微生物蛋白，就被排放出去了，尿素利用率偏低。所以，很多研究者希望減弱尿素分解菌數(shù)量、活性或脲酶活性，減緩尿素分解，提高利用率。”他解釋道。
據(jù)估計(jì)，當(dāng)前我國(guó)反芻動(dòng)物尿素飼料需求量超過(guò)100萬(wàn)噸。“然而，瘤胃中的尿素分解菌種類到底是什么還不清楚，所以說(shuō)研究清楚尿素在瘤胃中被哪些細(xì)菌分解、如何分解，有助于我們制定調(diào)控策略，提高尿素的有效性和安全性。”趙圣國(guó)說(shuō)。
方法改進(jìn) 揭開(kāi)微生物面紗
然而，一直以來(lái)，探明瘤胃中尿素分解菌的研究卻囿于方法學(xué)的限制，進(jìn)展比較緩慢。
趙圣國(guó)告訴記者，在此前很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，微生物學(xué)研究基本上依靠分離培養(yǎng)技術(shù)。但胃腸道中微生物種類繁多，瘤胃中就有幾千種，科學(xué)家對(duì)這些微生物的生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)、環(huán)境、生理等條件認(rèn)識(shí)還很有限，無(wú)法設(shè)計(jì)完美的培養(yǎng)條件，導(dǎo)致90%以上微生物還未被分離培養(yǎng)。
奶業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的研究人員意識(shí)到，想認(rèn)清尿素分解菌群，必須采用不依賴于純培養(yǎng)的方法。隨著二代測(cè)序的快速發(fā)展，高通量測(cè)序已經(jīng)成為可能，他們轉(zhuǎn)而積極采用了高通量測(cè)序（元基因組）方法，而這一方法也在實(shí)驗(yàn)中被證明極大地?cái)U(kuò)充了研究所獲得的信息。
同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還根據(jù)瘤胃的物理、化學(xué)和環(huán)境條件而自主研發(fā)設(shè)計(jì)了人工瘤胃模擬系統(tǒng)。在保證動(dòng)物福利的同時(shí)，避免了動(dòng)物試驗(yàn)干擾因素多的問(wèn)題，最大程度反映處理效應(yīng)；此外，操作上亦更為簡(jiǎn)便、省時(shí)，實(shí)驗(yàn)效率得以提高。
“研究的難點(diǎn)在于如何找出尿素分解菌群，并進(jìn)行確證。”趙圣國(guó)介紹，研究團(tuán)隊(duì)首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)尿素（尿素分解菌激活劑）和乙酰氧肟酸（抑制劑）結(jié)合高通量測(cè)序技術(shù)研究細(xì)菌16rRNA基因變化，以尋找在激活劑組升高，但在抑制劑組同時(shí)下降的菌。
不過(guò)，這些菌還只能謂之為“準(zhǔn)尿素分解菌”，研究還有重要一步：確證。“因?yàn)橛锌赡苓@些菌中有一部分是次級(jí)代謝產(chǎn)物引起的變化，那么這樣的菌不一定是尿素分解菌，所以我們需要確證。”趙圣國(guó)表示。
研究人員又將篩選到的準(zhǔn)尿素分解菌，與已發(fā)表文獻(xiàn)比較，看這些菌是不是有脲酶活性，同時(shí)與脲酶基因數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，看這些菌是不是有脲酶基因。“只有具有脲酶活性和脲酶基因的菌，才是真正的尿素分解菌。”趙圣國(guó)說(shuō)。
通過(guò)制定尿素分解菌篩選條件，即尿素誘導(dǎo)增加、脲酶抑制劑誘導(dǎo)減少以及含有脲酶基因和脲酶活性，奶業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的研究人員最終揭示了瘤胃優(yōu)勢(shì)尿素分解菌：假單胞菌（Pseudomonas）、鏈球菌（Streptococcus）、嗜血桿菌（Haemophilus）、芽孢桿菌（Bacillus）、奈瑟氏菌（Neisseria）、放線菌（Actinomyces）和琥珀酸弧菌（Succinivibrionaceae）。
繼往開(kāi)來(lái) 揭秘瘤胃微生物世界
新的研究方法、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和研究結(jié)果，對(duì)胃腸道重要功能菌群鑒定提供了新的研究思路。另外，奶牛瘤胃尿素分解菌群的鑒定，為調(diào)控瘤胃尿素代謝和提高尿素氮利用率提供了新的調(diào)控靶標(biāo)。國(guó)際同行評(píng)審時(shí)，認(rèn)為“尿素分解菌群的闡述對(duì)于調(diào)控尿素分解具有重要指導(dǎo)意義”。
事實(shí)上，從1990年開(kāi)始，中國(guó)農(nóng)科院北京畜牧獸醫(yī)研究所就一直堅(jiān)持尿素分解菌及其脲酶的研究，研究人員針對(duì)我國(guó)蛋白質(zhì)飼料資源嚴(yán)重匱乏的狀況，曾在國(guó)際上首次用人工瘤胃技術(shù)獲得了高純度的瘤胃微生物脲酶，建立了脲酶抑制劑合成的創(chuàng)新工藝，研究解決肉牛、奶牛等反芻動(dòng)物對(duì)尿素利用效率低的難題。該研究成果在1999年獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
當(dāng)前利用高通量測(cè)序方法通過(guò)人工瘤胃模擬系統(tǒng)揭示奶牛瘤胃優(yōu)勢(shì)尿素分解菌群結(jié)構(gòu)的研究也處于世界領(lǐng)先水平。國(guó)際同行評(píng)審時(shí)，認(rèn)為“人工瘤胃模擬系統(tǒng)在研究瘤胃微生物群落在營(yíng)養(yǎng)代謝中的作用中，是一個(gè)非常好的平臺(tái)”。
趙圣國(guó)透露，對(duì)尿素分解菌群的認(rèn)識(shí)將是團(tuán)隊(duì)未來(lái)五年中的重點(diǎn)工作內(nèi)容。據(jù)悉，他們剛完成一個(gè)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，分析了尿素分解菌在瘤胃固相、液相和上皮中的生態(tài)位分布。
同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還將針對(duì)發(fā)現(xiàn)的尿素分解菌采用新型細(xì)菌分離方法，“比如流式細(xì)胞儀和磁性納米分離等技術(shù)，以獲得新的尿素分解菌及其基因組信息。” 趙圣國(guó)說(shuō)。
