Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Đặc điểm chung của gia súc nhai lại Gia súc nhai lại là động vật có vú, bốn chân, nuôi con bằng sữa mẹ. Là loài động vật có bộ máy tiêu hóa đặc trưng bởi dạ dày kép gồm bốn túi là dạ cỏ, dạ tổ ong, dạ lá sách, dạ múi khế. Hệ tiêu hoá của chúng có hệ vi sinh vật phong phú và đa dạng.
Thức ăn của gia súc nhai lại chủ yếu là xơ nên ít cạnh tranh với các loài động vật khác như: lợn, gà… Khi ăn loại động vật này chỉ nghiền sơ bộ thức ăn và nuốt, lúc nghỉ ngơi là lúc chúng ợ lên nhai lại nghiền thức ăn kỹ càng hơn, nên gọi là động vật nhai lại. Đặc điểm tiêu hóa của gia súc nhai lại 1. Môi trường dạ cỏ Hệ tiêu hóa của gia súc nhai lại có cấu tạo, dung tích, chức năng của 4 túi dạ dày khác nhau. Trong đó, dạ cỏ là túi lớn nhất, chiếm hầu hết nửa trái của xoang bụng , 85 - 90% dung tích của dạ dày, 75% dung tích đường tiêu hóa, có tác dụng tích trữ, nhào trộn và chuyển hóa thức ăn.
Dạ cỏ được ví như một thùng lên men lý tưởng, môi trường trong đó rất thuận lợi cho các vi sinh vật yếm khí phát triển: nhiệt độ trong dạ cỏ luôn được duy trì từ 38 - 42oC, pH 5,5 - 7,4 khá ổn định nhờ tác dụng đệm của muối bicarbonat và phốt phát trong nước bọt, môi trường yếm khí (nồng độ O2 dưới 1%), trong thành phần của dịch dạ cỏ có khoảng 85 - 90% là nước thuận lợi cho quá trình lên men của vi sinh vật. Hệ vi sinh vật dạ cỏ Do điều kiện môi trường thuận lợi và khẩu phần thức ăn cho gia súc nhai lại khá đa dạng, nên hệ vi sinh vật dạ cỏ phát triển mạnh cả về số lượng và chủng loại. Tính đến nay đã có khoảng hơn 200 loài vi sinh vật dạ cỏ. Tuy nhiên, hệ vi sinh vật dạ cỏ luôn luôn biến động và phụ thuộc vào cấu trúc khẩu phần ăn của gia súc nhai lại.
Nhờ hệ vi sinh vật phong phú mà gia súc nhai lại có khả năng sử dụng được các nguồn thức ăn nhiều xơ và cả nguồn ni tơ phi protein. Hệ vi sinh vật dạ cỏ gồm ba nhóm chính: vi khuẩn, vi nấm, protozoa. Ngoài ra còn có các loại virut, mycoplasma và thể thực khuẩn không đóng vai trò quan trọng trong tiêu hóa chất xơ. Quá trình phân giải chất hữu cơ trong dạ cỏ Quá trình tiêu hoá trong dạ cỏ là quá trình lên men tiêu hoá của thức ăn do hệ vi sinh vật dạ cỏ thực hiện, trong đó chủ yếu là tiêu hoá, phân giải chất xơ.
Các sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men ở đây là các axit béo bay hơi (ABBH), khí thể (CO2, H2, CH4) và ATP - chất mang năng lượng cần thiết cho sinh trưởng phát triển của vi sinh vật. * Quá trình phân giải carbohydrat Carbohydrat là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu cho vi sinh vật dạ cỏ và vật chủ. Carbohydrat chiếm khoảng 75% lượng vật chất khô (DM) trong thức ăn tuỳ thuộc vào thời gian thu hoạch, yếu tố địa lý và loài thực vật. Có thể chia carbohydrat trong thức ăn của gia súc nhai lại thành hai loại là: loại có cấu trúc và loại không có cấu trúc (Nguyễn Xuân Trạch, 2004)[23] Đặc điểm quan trọng của loại carbohydrat có cấu trúc là không có khả năng hoà tan xenlulose và hemixenluloza có mạch liên kết b - glucozit giữa các đơn vị cấu trúc, mạch liên kết này chỉ có thể thuỷ phân nhờ enzym của vi sinh vật.
Còn carbohydrat không có cấu trúc chứa liên kết a - glucozit dễ dàng bị phân giải bởi men tiêu hoá của người và gia súc dạ dày đơn. Toàn bộ carbohydrat trong khẩu phần sau quá trình tiêu hoá đều được chuyển thành glucoza. Nhưng glucoza chỉ xuất hiện tạm thời sau đó nhanh chóng chuyển qua con đường pyruvate để hình thành các axit béo dễ bay hơi. Vi khuẩn sinh khí methane đã sử dụng focmic, H2 và CO2 để sản sinh khí methane.
* Tiêu hoá cenlulose và hemixenluloza Cenlulose và hemixenlulose là thành phần chủ yếu trong thức ăn của gia súc nhai lại, hàm lượng của nó trong thức ăn thực vật chiếm 40 - 50%, vi khuẩn có thể phân giải 80% cenlulose ăn vào dạ cỏ. * Tiêu hoá tinh bột đường Tinh bột được vi khuẩn và protozoa phân giải trong môi trường dạ cỏ. Protozoa nuốt tinh bột từ thức ăn ăn vào, vi khuẩn tác dụng lên bề mặt tinh bột bằng enzym amylaza. Tuy nhiên đường đơn (glucoza, xyloza…) chỉ xuất hiện tạm 6 thời sau đó nhanh chóng chuyển qua con đường pyruvic thành các ABBH.
Khí CO2 và H2 lại được vi sinh vật tổng hợp khí methane. Như vậy sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men carbohydrat thức ăn bởi vi sinh vật trong dạ cỏ gồm các ABBH khác nhau, khí thể bao gồm: 56% CO2, 32% CH4, 8,5% H2…Khí CH4 được giải phóng qua phản xạ ợ hơi, gây lãng phí khoảng 8% tổng số năng lượng trong thức ăn thu nhận. Các ABBH chưa no trong thức ăn có thể giảm thấp sự sinh khí CH4 trong dạ cỏ. Sự giảm thấp CH4 thường thấy ở khẩu phần ăn nhiều đường và tinh bột.
* Quá trình phân giải các hợp chất chứa nitơ Khoảng 40 - 60% protein thức ăn đầu tiên được lên men phân giải trong dạ cỏ thành các peptit, sau đó thành các axit amin và được giải phóng vào môi trường dạ cỏ. Trong môi trường dạ cỏ hầu hết các axit amin được khử trong các tế bào vi sinh vật thành các a- xetoaxit, amoniac, ABBH mạch ngắn, CO2. Một số sản phẩm của quá trình này sau được vi sinh vật dạ cỏ sử dụng để tổng hợp các thành phần hữu cơ khác, gồm protein và các axit nucleic. Cơ chế sinh thải khí trong chăn nuôi gia súc nhai lại.
Đặc điểm nổi bật của bộ máy tiêu hoá ở gia súc nhai lại là những khoang phình lớn, tại đây có các điều kiện môi trường thuận lợi cho vi sinh vật lên men cabohydrate và các chất hữu cơ khác. Sản phẩm chủ yếu của quá trình lên men tại đây là các axit béo bay hơi (ABBH), khí methane (CH4), khí cacbonic (CO2) và adenosin triphotphat (ATP) - chất mang năng lượng cần thiết cho sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Trong quá trình lên men dạ cỏ, ngoài các sản phẩm chính là axit béo bay hơi acetate, propionate và butyrate ra thì một sản phẩm không mong muốn là CH4. Quá trình lên men thức ăn cùng sự sản sinh khí methane được biểu thị bằng các phương trình phản ứng sau: C6H12O6 + 2H2O → 2C2H4O2 (acetate) + 2CO2 + 8H C6H12O6 + 4 H → 2C3H6O2 (propionate) + 2H2O C6H12O6 → C4H8O2 (butyrate) + 2CO2 + 4H CO2 + 8H + năng lượng CH4 + 2H2O VK methanogenic 7 Trong điều kiện yếm khí ở dạ cỏ: Phản ứng oxy hóa để lấy năng lượng ở dạng ATP giải phóng ra hydrro.
Tích lũy ion hydro trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật dạ cỏ chỉ có thể tránh đuợc bằng quá trình sinh tổng hợp CH4 bởi những vi khuẩn sinh methane (rumen methanogens). Đây là qui trình bình thường trong quá trình lên men ở dạ cỏ. Lượng hydro giải phóng phụ thuộc chủ yếu vào khẩu phần và loại hình vi sinh vật dạ cỏ vì lên men vi sinh vật thức ăn tạo ra các sản phẩm cuối cùng khác nhau và không tương đương với lượng hydrro tạo ra (Martin và cs, 2010)[44]. Ví dụ, để tạo ra axit propionic thì tiêu thụ hydro nhưng tạo ra axit acetic và axit butyric lại giải phóng hydro.
Quá trình sinh CH4 ở dạ cỏ là cơ chế tạo điều kiện cho dạ cỏ tránh được nguy cơ tích lũy quá nhiều hydro (Martin và cs, 2010)[44]. Hydro tự do sẽ ức chế enzym khử hydro (dehydrogenases) và ảnh hưởng đến quá trình lên men (Martin và cs, 2010)[44]. Sử dụng hydro và CO2 để tạo ra CH4 là một đặc tính đặc biệt của nhóm vi khuẩn sinh CH4. Nhóm vi khuẩn này tương tác với các nhóm vi sinh vật khác trong dạ cỏ để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng và kéo dài tiêu hóa thức ăn (Martin và cs, 2010)[44].
Tương tác này là tích cực đối với nhóm vi sinh vật phân giải xơ (Ruminococcus albus và R. flavefaciens), không phân giải xơ (Selenomonas ruminantium), protozoa và nấm. Ở gia súc nhai lại, methane được sản sinh trong dạ cỏ bởi nhóm vi khuẩn sinh khí methane sử dụng các sản phẩm chuyển hóa của các loài vi khuẩn khác, protozoa, nấm trong quá trình phân giải thức ăn. Nhóm vi sinh vật này sử dụng H2 và CO2 là cơ chất chính để tạo khí methane như sản phẩm cuối cùng của chu trình trao đổi năng lượng và sống kỵ khí bắt buộc (Wolin và cs, 1997)[65].
Trong dạ cỏ, các vi khuẩn sinh khí methane phải sống cộng sinh với protozoa và các loài vi sinh vật khác. Methane được tạo thành từ CO2 và H2 dưới tác dụng của vi khuẩn methanogenic cùng với năng lượng của cơ thể động vật. Methanogenic là nhóm vi khuẩn trong hệ vi sinh vật dạ cỏ của động vật nhai lại, chúng có thể tồn tại ở pH trung tính 6-8, tuy nhiên một số loài methanogenic có thể tồn tại trong môi trường pH dao động từ 3-9,2. Hiện nay, tìm thấy 5 loài vi khuẩn methanogenic trong dạ cỏ của động vật nhai lại là Methanobrevibacter ruminantium, Methanosarcina barkeri, Methanosarcina mazei, 8 Methanobacterium formicicum và Methanomicrobium mobile trong đó 2 loài đầu là phổ biến nhất.
Vi khuẩn methanogenic có thể sống tự do trong dạ cỏ hoặc chúng sống cộng sinh trên bề mặt của protozoa. Hầu hết khí CH4 thải ra trong chăn nuôi là từ gia súc nhai lại thông qua quá trình lên men yếm khí ở dạ cỏ. Tuy nhiên, sự sản sinh methane cũng xảy ra các phần dưới của đường tiêu hóa như ruột già, tá tràng. 89% methane được sản sinh ra từ dạ cỏ và được thải ra ngoài thông qua miệng và mũi (Murray và cs, 1976)[48].
Khi methane thải ra ngoài môi trường thì gia súc nhai lại mất đi 2-12% năng lượng thô từ thức ăn ăn vào, tùy thuộc vào phẩu phần. Ở các loài gia súc nhai lại khác nhau thì tỷ lệ mất năng lượng thô do sự sản sinh methane cũng rất khác nhau. Theo Johnson và Ward (1996)[37] thì tỷ lệ năng lượng thô mất đi do thải methane của bò sữa và bò thịt vỗ béo thay đổi lần lượt từ 5,5 - 9,0% và 3,5 - 6,5%. Ở trâu và lạc đà dao động trong khoảng 7,5 - 9,0% và 7,0 - 9,0%.
