Organic acids 의 첨가가 in vitro 반추위 발효성상과 메탄 생성에 미치는 영향 Effects of Organic Acids on In Vitro Ruminal Fermentation Characteristics and Methane Emission원문보기
본 연구의 목적은 organic acids를 첨가하여 in vitro 상의 반추위 발효성상과 반추위 내 메탄 억제에 미치는 영향에 대한 효과를 알아보고자 하였다. 반추위액은 순천대학교 부속목장의 반추위 cannula가 시술된 Holstein에서 채취하였고, organic acids는 반추위액과 버퍼의 혼합액에 첨가하여 배양하였다. 그 결과 pH 값은 lactic acid, malic acid 및 succinic acid첨가구에서 6.69에서 6.16 정도로, 대조구와 다른 첨가구보다 낮았다. 총 가스 발생량은 배양 48시간에 aspartic acid, malic acid 및 succinic acid첨가구에서 유의적(p<0.05)으로 높았고, 메탄 발생량은 lactic acid 첨가구에서 대조구보다 낮았다. 총 VFA와 propionic acid의 농도는 배양 12시간에 모든 첨가구가 대조구에 비해 높았다. 반추위 미생물 측정 결과에서는 Fumaric acid와 malic acid의 bacteria수가 대조구에 비해 유의적으로 증가하였으며(p<0.05), protozoa수는 유의적(p<0.05)으로 감소되었다. 이상의 실험 결과를 종합해 보면, organic acids의 첨가는 반추위 내 pH를 감소시키고 가스 발생량, 반추위 미생물 성장량 및 propionic acid 모두 증가시켰으며, 특히 lactic acid는 메탄생성을 억제하였다. 앞으로 Organic acid와 다른 메탄억제 물질과 혼합하여 반추위 내 메탄생성 억제에 관한 구체적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.
본 연구의 목적은 organic acids를 첨가하여 in vitro 상의 반추위 발효성상과 반추위 내 메탄 억제에 미치는 영향에 대한 효과를 알아보고자 하였다. 반추위액은 순천대학교 부속목장의 반추위 cannula가 시술된 Holstein에서 채취하였고, organic acids는 반추위액과 버퍼의 혼합액에 첨가하여 배양하였다. 그 결과 pH 값은 lactic acid, malic acid 및 succinic acid첨가구에서 6.69에서 6.16 정도로, 대조구와 다른 첨가구보다 낮았다. 총 가스 발생량은 배양 48시간에 aspartic acid, malic acid 및 succinic acid첨가구에서 유의적(p<0.05)으로 높았고, 메탄 발생량은 lactic acid 첨가구에서 대조구보다 낮았다. 총 VFA와 propionic acid의 농도는 배양 12시간에 모든 첨가구가 대조구에 비해 높았다. 반추위 미생물 측정 결과에서는 Fumaric acid와 malic acid의 bacteria수가 대조구에 비해 유의적으로 증가하였으며(p<0.05), protozoa수는 유의적(p<0.05)으로 감소되었다. 이상의 실험 결과를 종합해 보면, organic acids의 첨가는 반추위 내 pH를 감소시키고 가스 발생량, 반추위 미생물 성장량 및 propionic acid 모두 증가시켰으며, 특히 lactic acid는 메탄생성을 억제하였다. 앞으로 Organic acid와 다른 메탄억제 물질과 혼합하여 반추위 내 메탄생성 억제에 관한 구체적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.
The objective of this study was to evaluate the in vitro effects of organic acids on methane emission and ruminal fermentation characteristics. We expected our methodology to result in a decrease of methanogens attached to the surface of rumen ciliate protozoa by addition of organic acids and in par...
The objective of this study was to evaluate the in vitro effects of organic acids on methane emission and ruminal fermentation characteristics. We expected our methodology to result in a decrease of methanogens attached to the surface of rumen ciliate protozoa by addition of organic acids and in particular a decrease in methane emission. A fistulated Holstein cow of 650 kg body weight was used as a donor of rumen fluid. Organic acids (aspartic acid, fumaric acid, lactic acid, malic acid, and succinic acid) known to be propionate enhancers were added to an in vitro fermentation system and incubated with rumen fluid. The microbial population, including bacteria, protozoa, and fungi, were enumerated, and gas production, including methane and fermentation characteristics, were observed in vitro. Organic acids appeared to affect the rumen protozoan community. The rumen protozoal popuation decreased with the addition of aspartic acid, fumaric acid, lactic acid, and malic acid. In particular, the methane emission was reduced by addition of lactic acid. The concentration of propionate with all organic acids that were added appeared to be higher than that of the control at 12 h incubation. Addition of organic acids significantly affected rumen bacteria and microbial growth. The bacteria in added fumaric acid and malic acid was significantly higher (p<0.05) and protozoa was significantly lower (p<0.05) than that of the control. Microbial growth with the addition of organic acids was greater than the control after 48 h incubation.
The objective of this study was to evaluate the in vitro effects of organic acids on methane emission and ruminal fermentation characteristics. We expected our methodology to result in a decrease of methanogens attached to the surface of rumen ciliate protozoa by addition of organic acids and in particular a decrease in methane emission. A fistulated Holstein cow of 650 kg body weight was used as a donor of rumen fluid. Organic acids (aspartic acid, fumaric acid, lactic acid, malic acid, and succinic acid) known to be propionate enhancers were added to an in vitro fermentation system and incubated with rumen fluid. The microbial population, including bacteria, protozoa, and fungi, were enumerated, and gas production, including methane and fermentation characteristics, were observed in vitro. Organic acids appeared to affect the rumen protozoan community. The rumen protozoal popuation decreased with the addition of aspartic acid, fumaric acid, lactic acid, and malic acid. In particular, the methane emission was reduced by addition of lactic acid. The concentration of propionate with all organic acids that were added appeared to be higher than that of the control at 12 h incubation. Addition of organic acids significantly affected rumen bacteria and microbial growth. The bacteria in added fumaric acid and malic acid was significantly higher (p<0.05) and protozoa was significantly lower (p<0.05) than that of the control. Microbial growth with the addition of organic acids was greater than the control after 48 h incubation.
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문제 정의
그리고 propionic acid전구물질은 H2를 제거하고[19], 섬유소 분해 bacteria와 cellulose분해율을 증가한다고 알려져 있다[2,18]. 따라서, 본 연구의 목적은 여러 가지 organic acids를 첨가하여 in vitro 반추위 발효 성상, 건물소화율, 반추위 혐기성 미생물 수(bacteria, fungi 및 protozoa) 및 메탄생성에 미치는 영향과 기작을 규명하고자 한다.
제안 방법
GC의 분석조건은 oven temperature 80°C, injector temperature 100°C, FID (Flame ionization detector) temperature 110°C로 하였으며, total running time은 3분이었고, carrier gas는 He과 H2가스를 이용하였다.
휘발성 지방산 발생량을 분석하기 위하여 pH 및 총 가스발생량을 측정한 후 반추위 배양물을 주사기를 이용하여 상층액을 vacutainer tube에 저장한 후 분석 시까지-70°C에서 냉동보관 하였다. High performance liquid chromatography (HPLC; Agilent Technolgies 1200 series, Agilent, Germany)를 이용하여 휘발성 지방산 함량을 분석하였다. Lactic acid 분석 Detector는 UV/Visible detector (Agilent Technolgies 1200 series, Germany)를 사용하고, 210 nm 및 220 nm의 파장에서 분석하였다.
High performance liquid chromatography (HPLC; Agilent Technolgies 1200 series, Agilent, Germany)를 이용하여 휘발성 지방산 함량을 분석하였다. Lactic acid 분석 Detector는 UV/Visible detector (Agilent Technolgies 1200 series, Germany)를 사용하고, 210 nm 및 220 nm의 파장에서 분석하였다. MetaCard 87H (300 mm×7.
각 배양시간대별로 serum bottle의 배양액을 shaking incubator (Jeio Tech, SI-900R; 120 rpm)에서 꺼낸 후, 반추위 발효성상, 미생물 성장량 및 가스분석을 하였다. pH는 pH meter (MP230, Mettler Toledo, Switzerland)를 이용하여 측정하였다.
반추위액은 순천대학교 부속농장(순천시 서면 지본리 375번지) 반추위 cannula가 시술된 24개월령 체중 650 kg의 Holstein으로부터 채취하였다. 공시동물은 Italian rye grass와 배합사료를 6:4의 비율로 체중의 3% 수준으로 1일 2회 분할(06:00 시, 16:00 시) 급여하였고, 물과 미네랄은 자유 섭취토록 하였다. 반추위액은 오전사료 급여 3시간 후 반추위 cannula 를 통하여 4겹의 cheese cloth로 여과하여 채취하였고, 채취한 위액은 혐기상태로 유지 한 2 l 유리병에 담은 후 실험실로 이동하였다.
총 가스발생량은 Ferorak와 Hrwdey [8]의 방법에 따라 water displacement apparatus를 이용하여 측정하였다. 메탄가스는 Porapak NQ column (Q 80-100 mesh)이 장착된 Gas Chromatography(GC-2010; Shimadzu, Japan)를 이용하여 분석하였다. GC의 분석조건은 oven temperature 80°C, injector temperature 100°C, FID (Flame ionization detector) temperature 110°C로 하였으며, total running time은 3분이었고, carrier gas는 He과 H2가스를 이용하였다.
혐기성 fungi는 Lowe's media [11]에 배양한 후, thallus 생성 수를 측정하였다.
휘발성 지방산 발생량을 분석하기 위하여 pH 및 총 가스발생량을 측정한 후 반추위 배양물을 주사기를 이용하여 상층액을 vacutainer tube에 저장한 후 분석 시까지-70°C에서 냉동보관 하였다.
공시시료는 70℃ dry oven에서 24 hr 건조시킨 timothy를 2 mm 스크린으로 분쇄하여 기질로 이용하였고, 실험에 사용된 organic acids (aspartic acid, fumaric acid, lactic acid, malic acid 및 succinic acid)는 Sigma (Chemical Co., St. Louis, Mo, USA) 에서 구입하였다. Timothy 0.
반추위액은 순천대학교 부속농장(순천시 서면 지본리 375번지) 반추위 cannula가 시술된 24개월령 체중 650 kg의 Holstein으로부터 채취하였다. 공시동물은 Italian rye grass와 배합사료를 6:4의 비율로 체중의 3% 수준으로 1일 2회 분할(06:00 시, 16:00 시) 급여하였고, 물과 미네랄은 자유 섭취토록 하였다.
데이터처리
본 시험에서 얻은 결과들은 SAS Program [20]의 GLM (General Linear Model) procedure를 이용하여 분산분석을 하였고, Duncan's multiple range test [7]를 이용하여 p<0.05의 수준으로 유의성을 검증하였다.
이론/모형
건물 소화율은 Moore [17]의 방법을 이용하였으며, Filter paper (Watman. No. 1, GE Healthcare companies, UK)를 이용하여 배양물 내 기질만을 거른 후 70°C dry oven에서 24시간 건조한 뒤 측정하였다.
혐기성 protozoa의 수는 살아있는 protozoa (living cell)와 죽은 protozoa (dead cell)를 측정하기 위해 900 ml 증류수, 100 ml 35% formaldehyde, 2 g trypan blue, 8 g NaCl으로 구성된 TBFS (trypan blue- formalin-salin)용액으로 living cell의 핵을 염색한 다음 Abe 등[1]의 방법에 따라 plankton counter glass를 이용하여 현미경으로 측정하였다. 총 가스발생량은 Ferorak와 Hrwdey [8]의 방법에 따라 water displacement apparatus를 이용하여 측정하였다. 메탄가스는 Porapak NQ column (Q 80-100 mesh)이 장착된 Gas Chromatography(GC-2010; Shimadzu, Japan)를 이용하여 분석하였다.
혐기성 bacteria 수는 Dehority's artificial medium [6]을 이용하였고, roll tube 방법[9]으로 혐기배양 후 colony 수를 측정하였다.
혐기성 fungi는 Lowe's media [11]에 배양한 후, thallus 생성 수를 측정하였다. 혐기성 protozoa의 수는 살아있는 protozoa (living cell)와 죽은 protozoa (dead cell)를 측정하기 위해 900 ml 증류수, 100 ml 35% formaldehyde, 2 g trypan blue, 8 g NaCl으로 구성된 TBFS (trypan blue- formalin-salin)용액으로 living cell의 핵을 염색한 다음 Abe 등[1]의 방법에 따라 plankton counter glass를 이용하여 현미경으로 측정하였다. 총 가스발생량은 Ferorak와 Hrwdey [8]의 방법에 따라 water displacement apparatus를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
Bacteria의 수는 대조구에 비해 fumaric acid 와 malic acid첨가구에서 유의적(p<0.05)으로 많았고, fungi의 수는 적었다.
반추위액이 첨가된 in vitro시험에서 organic acids를 첨가하여 배양시간 별 건물 소화율을 측정한 결과는 Table 2와 같다. 기질로 사용된 timothy의 48시간 in vitro 건물 소화율은 38-44% 수준이었고, 건물 소화율에 있어 유의적인 차이는 없었지만, 첨가구가 대조구에 비해 높았다. Organic acids의 첨가는 반추위 내 H2 이용의 증가로 반추위 섬유소분해 bacteria를 증가시키고, 섬유소 분해를 향상시킨다[2,19,21].
Organic acids의 첨가는 반추위 내 H2 이용의 증가로 반추위 섬유소분해 bacteria를 증가시키고, 섬유소 분해를 향상시킨다[2,19,21]. 따라서 본 시험에서도 섬유소 분해 bacteria의 증가에 의해 가스 및 메탄 발생량이 높았고, 건물 소화율 또한 높았다.
05). 메탄 발생량은 배양 48시간에 lactic acid첨가구를 제외한 모든 첨가구에서 대조구에 비해 높았다. 이러한 결과는 organic acids를 첨가하여 메탄생성이 감소하였다는 이전의 연구[2,5,12,16]와는 상이하였다.
미생물 성장량은 배양 3시간에서 첨가구가 대조구에 비해 미생물 성장량이 유의적(p<0.05)으로 높았고, fumaric acid첨가구는 전 배양시간 동안 가장 높았다.
반추위액이 첨가된 in vitro시험에서 organic acids를 첨가하여 배양시간 별 pH 값을 측정한 결과는 Table 1과 같다. 배양 3 시간에서 모든 organic acids첨가구가 6.69에서 6.58정도의 범위로 대조구에 비해 낮았고, malic acid 및 succinic acid첨가구는 전체배양 시간 동안 pH 값이 6.58에서 6.16의 범위로 대조구에 비해 낮았다. 이는 organic acids를 첨가로 인해 탄수화물 분해율 및 가스발생량은 증가하고, pH 값은 낮았다는 보고[2,19,21]와 일치하였다.
이상의 실험 결과를 종합해 보면, organic acids를 첨가는 반추위 내 pH는 감소하였고 가스 발생량, 반추위 미생물 성장량 및 propionic acid 모두 증가하였으며, 특히 lactic acid는 메탄생성을 억제하였다. 앞으로 organic acid와 다른 메탄억제 물질과 혼합하여 반추위 내 메탄생성 억제에 관한 구체적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.
총 VFA 농도는 대조구에 비해 첨가구에서 높았고, 배양 12시간에서 aspartic acid가 유의적(p<0.05)으로 높았다.
총 가스 발생량은 배양 48시간에 aspartic acid, malic acid 및 succinic acid첨가구에서 유의적으로 높았으며(p<0.05), 특히 malic acid첨가구의 경우 전 배양 동안 대조구보다 가스 발생량이 높았다(p<0.05).
기존 연구에서 methanogen은 protozoa와 공생관계에 있으므로 protozoa의 성장이 메탄생성과 밀접한 관련이 있다고[18] 알려져 있다. 하지만 본 시험에서는 protozoa의 수가 대조구에 비해 적었던 fumaric acid와 malic acid에서 메탄 발생량은 대조구에 비해 높았다.
후속연구
이상의 실험 결과를 종합해 보면, organic acids를 첨가는 반추위 내 pH는 감소하였고 가스 발생량, 반추위 미생물 성장량 및 propionic acid 모두 증가하였으며, 특히 lactic acid는 메탄생성을 억제하였다. 앞으로 organic acid와 다른 메탄억제 물질과 혼합하여 반추위 내 메탄생성 억제에 관한 구체적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
반추위 내 fumaric acid, malic acid 와 같은 organic acids의 첨가는 어떤 효과를 갖는가?
반추위 내 H2를 이용하여 메탄생성균에 의해 메탄(CH4)이 발생되는데, 반추위 내 H2를 제거함으로써 메탄생성을 감소시킬 수 있을 것이다. 반추위 내 organic acids의 첨가는 대사 H2의 경합에 의해, propionic acid의 생성을 증가시키고, 메탄에 의한 에너지의 손실을 감소시킬 수 있다[3]. 이러한 반추위 내 메탄생성 억제를 위해 사료 내 organic acids의 첨가는 반추위 propionic acid 생성과정의 중간 대사물질로써 대사과정의 H2를 대신 이용함으로써 메탄생성을 감소하는 작용을 하는 것으로 알려져 있다[5,11,14].
반추위에서 메탄이 생성되는 기작은 무엇인가?
최근, 반추위 내 미생물을 제어를 통해 반추위 내 메탄생성을 억제시키고, 영양소 효율을 극대화하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 반추위 내 H2를 이용하여 메탄생성균에 의해 메탄(CH4)이 발생되는데, 반추위 내 H2를 제거함으로써 메탄생성을 감소시킬 수 있을 것이다. 반추위 내 organic acids의 첨가는 대사 H2의 경합에 의해, propionic acid의 생성을 증가시키고, 메탄에 의한 에너지의 손실을 감소시킬 수 있다[3].
반추동물의 반추위에서 생성하는 메탄은 전세계적으로 연간 얼마의 규모인가?
반추위 내 메탄생성은 지구온난화를 가속화 하고 반추위내 에너지 소실을 야기하는 것으로 알려져 있다[17]. 반추동물은 메탄생성의 가장 큰 원인 중의 하나로, 전 세계적으로 연간 81-92 MT의 메탄을 생성하는데, 이는 인류가 발생하는 메탄생성량의 23-27%를 차지한다[10]. 최근, 반추위 내 미생물을 제어를 통해 반추위 내 메탄생성을 억제시키고, 영양소 효율을 극대화하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
참고문헌 (21)
Abe, M., Shibu, H. and Kumeno, F. 1972. Improved method for counting rumen protozoa. Jap. J. Zootech. Sci. 43, 535.
Asanuma, N., Iwamoto, M. and Hino, T. 1999. Effect of the addition of fumarate on methane production by ruminal microorganisms in vitro. J. Dairy Sci. 82, 780-787.
Castillo, A. R., Gallardo, M. R., Maciel, M., Giordano, J. M., Conti, G. A., Gaggiotti, M. C., Quaino, O., Gianni, C. and Hartnell, G. F. 2004. Effects of feeding rations with genetically modified whole cottonseed to lactating Holstein cows. J. Dairy Sci. 87, 1778-1785.
Callaway, T. R. and Martin, S. A. 1996. Effects of organic acid and monensin treatment on in vitro mixed ruminal microorganism fermentation of cracked corn. J. Anim. Sci. 74, 1982-1989.
Carro, M. D. and Ranilla, M. J. 2003. Influence of different concentrations of disodium fumarate on methane production and fermentation of concentrate feeds by rumen micro- organisms in vitro. Br. J. Nutr. 90, 617-623.
Dehority, B. A. and Scott, H. W. 1967. Extent of cellulose and hemicellulose digestion in various forages by pure cultures of rumen bacteria. J. Dairy Sci. 50, 1136-1141.
Duncan, D. B. 1995. Multiple range and multiple F test. Biometrics 11, 1-6.
Fedorah, P. M. and Hrudey, S. E. 1983. A simple apparatus for measuring gas production by methanogenic cultures in serum bottles. Environ. Tech. Lett. 4, 425-432.
Lopez, S., Valdes, C., Newbold, C. J. and Wallace, R. J. 1999. Influence of sodium fumarate addition on rumen fermentation in vitro. Br. J. Nutr. 81, 59-64.
Lowe, S. E., Theodorou, M. K., Trinci, A. P. J. and Hespell, R. B. 1985. Growth of anaerobic rumen fungi on defined and semi-defined media lacking rumen fluid. J. Gen. Microbiol. 131, 2225-2229.
Martin, S. A. and Park, C. M. 1996. Effect of extracellular hydrogen on organic acid utilization by the ruminal bacterium Selenomonas ruminantium. Curr. Microbiol. 32, 327-331.
Moore, J. E. 1970. Procedure for two-stage in vitro digestion of forage. In L. E. Harrison (ed.). Nutrition research technique for domestic and wild animals. J. Brit. Grassl. Sci. 18, 119.
Moss, A. R., Jouany, J. P. and Newbold, J. 2000. Methane production by ruminants: its contribution to global warming. Ann. Zootech. 49, 231-253.
Newbold, C. J., Lopez, S., Nelson, N., Ouda, J. O., Wallace, R. J. and Moss, A. R. 2005. Propionate precursors and other metabolic intermediates as possible alternative electron acceptors to methanogenesis in ruminal fermentation in vitro. Br. J. Nutr. 94, 27-35.
SAS. 1996. SAS User Guide. Release 6. 12th eds., SAS Inst. Inc. Cary NC. USA.
Ungerfeld, E. M., Rust, S. R. and Burnett, R. 2003. Use of some novel alternative electron sinks to inhibit ruminal methanogenesis. Reprod. Nutr. Dev. 43, 189-202.
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