體外瘤胃發(fā)酵技術(shù)一直以來都是反芻家畜營養(yǎng)研究中的一項重要研究手段，發(fā)酵氣體生成曲線不僅是理解發(fā)酵氣體生成過程的重要依據(jù)，而且能間接表征瘤胃對營養(yǎng)物質(zhì)的降解狀況，已經(jīng)成為篩選反芻動物優(yōu)質(zhì)飼料原料和飼料添加劑的重要憑據(jù)之一。另外，瘤胃發(fā)酵所產(chǎn)生的氣體主要成份為CH4和CO2等溫室氣體，其中瘤胃產(chǎn)生的CH4占整個家畜胃腸道CH4排放總量的80%以上，是反芻家畜胃腸道溫室氣體排放的主要來源。
長期以來，用于量化體外氣體生成曲線的模型和技術(shù)都是由國外研究人員建立。中科院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所畜禽健康養(yǎng)殖研究中心反芻動物營養(yǎng)團隊以氣體生成速率與瘤胃微生物和發(fā)酵底物量成正比例為假說前提，構(gòu)建了我國首個描述體外瘤胃發(fā)酵的氣體排放模型，并將其命名為邏輯指數(shù)(Logistic-exponential)模型，簡稱LE模型(AFST, http://dx.doi.org/10.1016/j.anifeedsci.2010.09.016)。同時，改進了體外瘤胃發(fā)酵相關(guān)技術(shù)和設(shè)備，實現(xiàn)了體外模擬發(fā)酵溫室氣體自動取樣和在線實時檢測，提出了為該設(shè)備配套的實驗數(shù)據(jù)分析方法。
相對動物飼養(yǎng)實驗，體外模擬瘤胃發(fā)酵技術(shù)的最大優(yōu)點在于成本低、易操作、可重復(fù)性強。但是，體外模擬瘤胃發(fā)酵也有其不足之處，即體外模擬瘤胃發(fā)酵過程是靜態(tài)的，沒有考慮到瘤胃流通速率及其對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收過程。許多研究表明，飼草在反芻家畜瘤胃中的滯留時間一般會小于24小時，且瘤胃內(nèi)液體的滯留時間小于14小時。上述研究提示，較長時間的體外模擬瘤胃發(fā)酵數(shù)據(jù)（> 36 h）有助于了解瘤胃對飼草的降解潛力，但難以準(zhǔn)確表征反芻家畜對飼草的消化能力。為此，將體外瘤胃發(fā)酵過程分成發(fā)酵早期（< 12 h）、中期（< 24 h）和后期（≥24 h）三個階段，并在LE模型的基礎(chǔ)上，提出了量化體外模擬瘤胃發(fā)酵早期、中期和后期飼草降解速率和時間的計算模型(Animal, http://dx.doi.org/10.1017/S1751731112002443)，為深入挖掘體外發(fā)酵氣體曲線的生物學(xué)信息提供了新的方法。
同時，反芻家畜瘤胃內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸的生成會伴隨著氫氣的產(chǎn)生，生成的氫氣可為瘤胃內(nèi)甲烷菌生長提供主要能量，并最終生成甲烷。因此，氫氣是反芻家畜瘤胃內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸、二氧化碳和甲烷生成過程中的重要中間體。與其它氣體相比，氫氣不僅是產(chǎn)氫氣微生物的代謝產(chǎn)物，還是利用氫氣微生物（例如甲烷菌）所需的底物，氫氣累積過程涉及到復(fù)雜的氫氣生成和消耗過程。體外模擬瘤胃發(fā)酵過程中氣體氫氣累積經(jīng)常表現(xiàn)出先升高后再降低的曲線特征，為此在LE模型中引入氫氣消耗組分，建立的新模型能精確描述和量化瘤胃氫氣動態(tài)平衡過程(AFST首頁發(fā)表, http://dx.doi.org/10.1016/j.anifeedsci.2013.05.002)。該模型為能量代謝過程的中間體氫氣研究提供了新方法，擴充了LE 模型的應(yīng)用范圍。
該研究得到了國家自然基金、中科院先導(dǎo)專項和國際原子能機構(gòu)項目的聯(lián)合資助。