瘤胃優勢尿素分解菌群系統發育樹 趙圣國供圖
尿素是一種非蛋白氮飼料，常被用于反芻動物日糧配制，以降低日糧蛋白用量，節約飼養成本。在反芻動物的瘤胃中，尿素被分解成氨，氨則被用于合成優質微生物蛋白。在此過程中，尿素分解菌扮演著重要角色。然而，長期以來，受研究方法和技術限制，瘤胃尿素分解菌群仍不明確。
從上個世紀80年代以來，中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所的研究人員一直堅持尿素分解菌及其脲酶的研究，并不斷取得突破。2016年，該所奶業創新團隊在奶牛瘤胃優勢尿素分解菌群的鑒定和分析上又取得新進展，相關研究成果已在微生物學領域權威期刊《微生物學前沿》（Frontiers in Microbiology）上發表。
“研究清楚尿素在瘤胃中被哪些細菌分解、如何分解，有助于我們制定調控策略，提高尿素使用的有效性和安全性。”近日，論文共同第一作者、中國農科院北京畜牧獸醫研究所奶業創新團隊趙圣國博士在接受《中國科學報》記者采訪時表示。
提效降本 微生物至關重要
尿素是一種非蛋白質含氮物，含氮量為46.67%，和動物主要的蛋白質飼料豆粕相比，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，節約697克豆粕，節省2.4元。”趙圣國告訴《中國科學報》記者，在奶業發達國家，尿素常被用于日糧配方，添加比例大約為干物質的1%。美國年利用尿素飼料約100萬噸，相當于節約600萬~700萬噸豆粕含氮量。
“大豆價格要遠高于尿素價格，所以利用尿素替代部分大豆有助于降低奶牛生產成本。” 趙圣國說。
事實上，我國也曾推廣尿素飼料，但是沒有規模應用。趙圣國告訴記者，尿素飼料沒有規模應用的原因主要在于養殖者在飼喂過程中沒有把握好尿素添加量以及與其他營養素的關系，導致奶牛有時發生氨中毒。
值得注意的是，在尿素飼料利用轉化過程中，瘤胃中微生物的作用至關重要。趙圣國介紹，在反芻動物的瘤胃中，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。微生物蛋白質是奶牛的優質氮源，微生物蛋白占小腸總蛋白質的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常快，導致釋放的氨還沒來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量、活性或脲酶活性，減緩尿素分解，提高利用率。”他解釋道。
據估計，當前我國反芻動物尿素飼料需求量超過100萬噸。“然而，瘤胃中的尿素分解菌種類到底是什么還不清楚，所以說研究清楚尿素在瘤胃中被哪些細菌分解、如何分解，有助于我們制定調控策略，提高尿素的有效性和安全性。”趙圣國說。
方法改進 揭開微生物面紗
然而，一直以來，探明瘤胃中尿素分解菌的研究卻囿于方法學的限制，進展比較緩慢。
趙圣國告訴記者，在此前很長一段時間內，微生物學研究基本上依靠分離培養技術。但胃腸道中微生物種類繁多，瘤胃中就有幾千種，科學家對這些微生物的生長、營養、環境、生理等條件認識還很有限，無法設計完美的培養條件，導致90%以上微生物還未被分離培養。
奶業創新團隊的研究人員意識到，想認清尿素分解菌群，必須采用不依賴于純培養的方法。隨著二代測序的快速發展，高通量測序已經成為可能，他們轉而積極采用了高通量測序（元基因組）方法，而這一方法也在實驗中被證明極大地擴充了研究所獲得的信息。
同時，研究團隊還根據瘤胃的物理、化學和環境條件而自主研發設計了人工瘤胃模擬系統。在保證動物福利的同時，避免了動物試驗干擾因素多的問題，最大程度反映處理效應；此外，操作上亦更為簡便、省時，實驗效率得以提高。
“研究的難點在于如何找出尿素分解菌群，并進行確證。”趙圣國介紹，研究團隊首先進行實驗設計，通過尿素（尿素分解菌激活劑）和乙酰氧肟酸（抑制劑）結合高通量測序技術研究細菌16rRNA基因變化，以尋找在激活劑組升高，但在抑制劑組同時下降的菌。
不過，這些菌還只能謂之為“準尿素分解菌”，研究還有重要一步：確證。“因為有可能這些菌中有一部分是次級代謝產物引起的變化，那么這樣的菌不一定是尿素分解菌，所以我們需要確證。”趙圣國表示。
研究人員又將篩選到的準尿素分解菌，與已發表文獻比較，看這些菌是不是有脲酶活性，同時與脲酶基因數據庫比對，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。”趙圣國說。
通過制定尿素分解菌篩選條件，即尿素誘導增加、脲酶抑制劑誘導減少以及含有脲酶基因和脲酶活性，奶業創新團隊的研究人員最終揭示了瘤胃優勢尿素分解菌：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）。
繼往開來 揭秘瘤胃微生物世界
新的研究方法、實驗設計和研究結果，對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，為調控瘤胃尿素代謝和提高尿素氮利用率提供了新的調控靶標。國際同行評審時，認為“尿素分解菌群的闡述對于調控尿素分解具有重要指導意義”。
事實上，從1990年開始，中國農科院北京畜牧獸醫研究所就一直堅持尿素分解菌及其脲酶的研究，研究人員針對我國蛋白質飼料資源嚴重匱乏的狀況，曾在國際上首次用人工瘤胃技術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新工藝，研究解決肉牛、奶牛等反芻動物對尿素利用效率低的難題。該研究成果在1999年獲國家科技進步獎二等獎。
當前利用高通量測序方法通過人工瘤胃模擬系統揭示奶牛瘤胃優勢尿素分解菌群結構的研究也處于世界領先水平。國際同行評審時，認為“人工瘤胃模擬系統在研究瘤胃微生物群落在營養代謝中的作用中，是一個非常好的平臺”。
趙圣國透露，對尿素分解菌群的認識將是團隊未來五年中的重點工作內容。據悉，他們剛完成一個動物實驗，分析了尿素分解菌在瘤胃固相、液相和上皮中的生態位分布。
同時，研究團隊還將針對發現的尿素分解菌采用新型細菌分離方法，“比如流式細胞儀和磁性納米分離等技術，以獲得新的尿素分解菌及其基因組信息。” 趙圣國說。
