瘤胃细菌分解纤维过程的界面物理化学机制研究

瘤胃体系内不同界面间的物理化学反应过程是细菌降解纤维物质的基础，对该过程展开研究有望成为突破传统粗饲料营养研究之关键技术手段。本项目利用界面物理化学方法结合体外发酵技术，在分别改变发酵体系中纤维成分、细菌种类及发酵液条件下，测定不同发酵时间点纤维物质发酵动力学特性、微生物活性、细菌(表面电荷、表面疏水性、细胞膜流动性与通透性）、发酵液(表面张力与pH值)及底物(比表面积、微孔体积及孔径分布)界面物理化学特性的变化，研究发酵体系界面间物理化学特性指标、纤维降解特性指标及微生物活性指标间的关系，建立瘤胃发酵体系界面间物理化学指标的测定方法，同时构建反映瘤胃细菌分解纤维类物质能力的界面物理化学评价指标体系，进而在界面物理化学层面上揭示瘤胃细菌分解纤维素的过程机制。研究成果将有助于更深入地认识瘤胃细菌降解纤维类物质的过程和机制，为更有效地调控瘤胃微生态环境，实现粗饲料的高效利用提供科学根据。

传统营养学关于粗饲料营养的研究注重粗饲料成分与结构、微生物活性及饲料与宿主间的营养关系，在解释纤维降解过程与机制方面还面临着众多难点与考验。瘤胃微生物对纤维类物质的发酵降解是建立在微生物与纤维类物质、微生物与发酵媒介及纤维类物质与发酵媒介间的界面基础上进行的。因此，探明瘤胃微生物、纤维物质及瘤胃液界面间物理化学特性变化与互作规律，对深入认识瘤胃微生物降解纤维物质的机制具有重要的理论意义。. 试验以玉米秸、小麦秸、稻草稻、苜蓿及桂牧1号的原样及其纤维成分（NDF、ADF）为试验材料，以装有瘤胃瘘管的浏阳黑山羊为试验动物，分别采用5×3两因子试验设计，3×4两因子试验设计，3×2×3三因子试验设计，研究了不同粗饲料及其纤维成分在不同粒度条件下表面物理特性；不同粗饲料及其纤维成分在不同粒度条件下对瘤胃发酵特性、微生物存在媒介及瘤胃微生物界面物理化学特性变化规律的影响；发酵液表面张力对不同比表面积下粗饲料纤维成分发酵特性，微生物存在媒介及瘤胃微生物界面物理化学特性变化规律的影响等研究。结果发现：不同粗饲料原样、NDF及ADF颗料在相同粒度条件下其比表面积存在显著差异，农作物秸类粗饲料及其纤维成分相对牧草类具有更高的比表面积，而ADF的比表面积要高于NDF，NDF要高于原样。提高颗粒比表面积可显著提高其发酵初期的产气速率，以及降低达到最大产气量一半时所需时间，微生物细胞膜通透性以及发酵液pH值。对纤维成分VFA的组成模式、微生物细胞表面其他物理特性（Zeta电位，表面疏水性）及发酵液表面张力没有显著影响。发酵液表面张力为46 mN/m时纤维发酵初始速度相对54 mN/m时提高20%（P<0.05），NDF平均消失率提高3.89%。发现表面张力与比表面积对瘤胃微生物降解NDF之后NDF界面特性（比表面积、孔隙体积与宽度）无显著性影响。发现降低纤维成分颗粒大小可显著提高粗饲料原样发酵时黄色瘤胃球菌的增殖，NDF发酵时黄色与白色瘤胃球菌的增殖，而提高ADF发酵时总细菌及产琥珀酸丝状杆菌的增殖。发现表面张力与微生物蛋白产量及丙酸比例存在显著正相关关系。结论认为：增大纤维物质比表面积有利纤维的发酵及微生物增殖，发酵液物理化学特性与纤维物质的降解及微生物的增殖以及微生物界面物理化学特性存在密切关系，但其具体机制还有待更多研究证实。