反刍动物的瘤胃作为天然的厌氧发酵系统，里面含有厌氧真菌、细菌和原虫等各种大量微生物。经过长时间进化后，瘤胃中的各种微生物之间以及与宿主和饲料之间形成一种稳定的平衡关系[1]。这种关系的稳定性对于反刍动物的营养和代谢具有重要意义，同时也使瘤胃成为自然界中降解木质纤维素植物物质的最有效的系统之一[2-3]。在这个系统中，不同的微生物群落有效合作，将饲料中的难降解物质消化转为小分子化合物[4]。厌氧真菌、细菌和原虫在消化和发酵植物纤维的过程中释放氢[5]。然而，氢的积累可抑制饲料的发酵[6]。产甲烷菌是瘤胃中有效的氢利用者，可以利用其他微生物产生的氢将二氧化碳转化为甲烷，从而维持瘤胃中较低的氢浓度，提高瘤胃的工作效率[7]。因此，产甲烷菌与产氢微生物（包括厌氧真菌和细菌）之间存在着共生关系。瘤胃中的真菌、细菌和原虫缺失任何一个都将降低瘤胃对纤维性物质的降解能力。瘤胃中的细菌由于在数量上占主导地位，并具有多种代谢途径，在降解纤维素的功能中发挥优势作用[8]。瘤胃厌氧真菌由于可产生具有高活性的酶系列且优先附着于植物细胞壁上，在大颗粒和大片段植物纤维的降解过程中发挥重要作用，对纤维素的降解作用比其他微生物更强[9]。原虫的作用是调节真菌和细菌的种类和数量。因此，产甲烷菌与产氢微生物（尤其是厌氧真菌）之间的关系研究有助于了解瘤胃中复杂的微生物相互作用，对反刍动物生产具有重要意义。1瘤胃厌氧真菌1.1瘤胃厌氧真菌的分类及其特点瘤胃厌氧真菌具有降解纤维性物质的强大能力，能够提高反刍动物粗饲料利用价值，因此瘤胃厌氧真菌被称为功能性厌氧微生物[10]。1975年，瘤胃厌氧真菌的定义被提出[11]。目前，基于实时PCR和高通量测序等分子生物学技术已有超过18种的厌氧瘤胃真菌被发现[12]。瘤胃厌氧真菌被划分为6个属，包括单中心型的Neocallimastix、Pirowyces、Caeocomyces和多中心型的Orpinlmyces、Anaeromyces、Cyllamyces[13]。瘤胃厌氧真菌属于壶菌纲，具有与好氧真菌明显不同的超微结构和生化特征：厌氧真菌对氧和温度非常敏感；参与能量生成的是氢化酶体而不是线粒体[14]；具有高度活跃的植物细胞壁降解酶系统等[15-16]。1.2瘤胃厌氧真菌的功能及其应用瘤胃厌氧真菌具有高效的纤维素分解酶和半纤维素分解酶[17]。瘤胃厌氧真菌存在于哺乳动物和爬行类食草动物的肠道中，以高纤维性食物为食，通过其根状体的物理入侵和一系列细胞壁降解酶的水解，在植物纤维的降解中起着关键作用[5,18]。瘤胃厌氧真菌的数量虽然只占细菌的十亿分之一，原虫的不足十分之一[4,19]，但他能消化反刍动物和非反刍草食动物日粮中40%~70%的植物物质[5]。瘤胃厌氧真菌将纤维素转化为生物能源的过程主要分2个阶段[18,20]。首先，纤维素被多糖降解酶分解成可发酵的糖（主要是葡萄糖），可发酵的糖被吸收到细胞质中，主要代谢产物为甲酸、乙酸、乳酸、H2、CO2和乙醇[21]。瘤胃厌氧真菌对植物纤维性物质有强大的降解能力，对蛋白质有较强的降解性。部分的瘤胃厌氧真菌可以分泌具有降解活性的蛋白酶，可以降解瘤胃中的微生物蛋白[22]。毛胜勇等[23]发现，瘤胃内微生物蛋白浓度在除去厌氧真菌后显著上升，而氨氮浓度在除去厌氧真菌后显著下降，表明瘤胃厌氧真菌具有促进瘤胃蛋白质降解的作用。瘤胃厌氧真菌可分解利用淀粉和麦芽糖[24]。瘤胃厌氧真菌能够产生α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶[20,25]。瘤胃厌氧真菌可以通过自身分泌的淀粉酶来消化降解淀粉和麦芽糖，且所分泌的淀粉酶的活性在多种厌氧真菌共存时更强，降解淀粉的能力也大大提高[26]。另外，瘤胃厌氧真菌具有一种被称为氢化酶体的特殊细胞器，可将葡萄糖的代谢与细胞能量生产相结合，而不需要氧气，是研究和开发生物燃料的关键。2产甲烷菌2.1产甲烷菌的分类及其特点产甲烷菌是一类不同于细菌的严格厌氧微生物。产甲烷菌纯培养物在1947年首次分离，对产甲烷菌的描述直到1974年被Bryant正式提出[27]。目前，已知的产甲烷菌可以分为4个纲，7个目，其中广泛存在于反刍动物瘤胃中的产甲烷菌属有4个[28]；7个种的瘤胃产甲烷菌能够在体外培养基中存活[7]。这些产甲烷菌都具有辅酶F420，可作为一种辅酶参与甲烷的生成。产甲烷菌只能在以H2、甲基化合物和乙酸等为底物的严格厌氧环境下存活。根据所利用的物质不同，产甲烷菌可以分为氢营养型、甲基营养型和乙酸营养型。在反刍动物瘤胃内，78%的产甲烷菌是通过氧化H2来还原CO2生成甲烷，22%的产甲烷菌是通过利用甲基型化合物生成甲烷[29]，瘤胃中几乎不含乙酸型产甲烷菌。瘤胃中的大部分产甲烷菌在利用H2生成甲烷的同时也减少瘤胃中的H2含量，提高瘤胃pH值，从而维持瘤胃的正常机能，使瘤胃中的其他微生物发挥正常的生理功能。2.2产甲烷菌的功能及其应用在瘤胃真菌、细菌、原虫等微生物的共同合作下，反刍动物对粗饲料的降解才能足够高效。产甲烷菌与瘤胃中的其他微生物之间存在着紧密的种间氢转移关系，从而保证瘤胃微生物之间能够共同合作。产甲烷菌可以通过利用厌氧真菌产生的H2来改变瘤胃厌氧真菌的代谢途径，从而提高瘤胃中粗饲料的降解效率[30]。瘤胃厌氧真菌和产甲烷菌的共培养物比单培养具有更高的降解粗饲料的能力和产生更强活性的多糖水解酶 [31]。另外，厌氧真菌具有一种特殊的细胞器——氢化酶体，产甲烷菌可以通过去除氢化酶体中产生甲酸和氢来促进瘤胃中饲料的分解、并增加能量的产生[32]。产甲烷菌可制得甲烷，甲烷可作为可再生能源有助于缓解能源紧张的现状[33]。研究产甲烷菌的代谢机制及其对不同饲料和添加剂的响应机制来减少反刍动物的甲烷排放已成为研究热点[34]。3瘤胃厌氧真菌与产甲烷菌之间的相互关系及应用目前，尚无瘤胃厌氧真菌与产甲烷菌在动物体内的代谢关系的报道，现有研究大多都使用体外培养法比较单培养和共培养之间的代谢差异，了解瘤胃厌氧真菌与产甲烷菌的关系。瘤胃厌氧真菌与产甲烷菌间存在紧密的种间氢转移关系，厌氧真菌与产甲烷菌相互利用，相互共生。主要表现为保持菌种活性及提高菌种之间的传代速率、改变瘤胃代谢类型和提高瘤胃纤维降解能力等。3.1保持菌种活性及提高传代速率Bauchop等[35]研究表明，天然厌氧真菌–产甲烷菌可以稳定共培养，通过每6 d常规转移1次，在含纤维素的液体培养基中可以保持1年以上，且没有任何纤维分解活性和产甲烷活性的降低。Li等[32]经过多年的培养，发现共培养的纤维素分解活性和产甲烷活性均保持稳定，未发生任何损失。Cheng等[36]的研究也发现，共培养的瘤胃厌氧真菌和产甲烷菌均生长旺盛，可以长期保存。瘤胃厌氧真菌与产甲烷菌之间的相互作用是一种固有的关系。没有瘤胃厌氧真菌时会对产甲烷菌的生长产生不利影响[37]。瘤胃厌氧真菌或许为产甲烷菌的生长提供未知生长因子[38]，因为产甲烷菌在单独培养时生长比较缓慢，一般需要2~3周才能传代，但当他与瘤胃厌氧真菌共培养时，传代时间大大缩短。瘤胃厌氧真菌与产甲烷菌之间可能存在一些更加密切的代谢关系未被发现，需要进一步的研究。瘤胃厌氧真菌与产甲烷菌共培养不仅使产甲烷菌的生长速度提高，同时也对瘤胃厌氧真菌的生长产生刺激，并且使厌氧真菌的产气量大大提高[39]。另外，甲酸、乳酸、乙醇和氢气等物质对瘤胃厌氧真菌的生长会产生不利影响，而与产甲烷菌共培养时这些产物大大减少，降低这些物质对瘤胃厌氧真菌的不利因素[40-41]。3.2改变瘤胃代谢类型在瘤胃厌氧真菌与产甲烷菌的共培养体系中，由于跨物种间的氢转移，瘤胃厌氧真菌的代谢途径发生变化，代谢产物由甲酸、乙酸、乳酸、乙醇、CO2及H2转变为乙酸、甲烷和乳酸[35,38]。在纯培养中，甲酸是主要的最终产物；而在共培养中，甲酸被产甲烷菌完全消耗，用来生成甲烷[37-38,42]。代谢产物发生变化的可能原因是甲烷、乳酸和乙醇的生成反应均需消耗NADH，而乙酸的生成不需要NADH的参与[43]。因此，甲烷生成途径竞争性抑制乳酸和乙醇的生成，并促进乙酸的生成[44]。与产甲烷菌共培养降低瘤胃厌氧真菌胞浆中丙酮酸产生乳酸的能力，并提高瘤胃厌氧真菌氢化酶体的代谢。根据Boxma等[45]和Nakashimada等[46]的研究，共培养中通过氢化酶体转化的碳水化合物量远高于纯培养。在共培养中，氢化酶体的代谢增加，而胞质内的代谢减少，这意味着在共培养中产生更多的能量[42]。因此，共培养的产甲烷菌可消纳掉发酵抑制剂，促进碳水化合物进入氢化酶体，进而促进氢化酶体产生更多的能量。瘤胃pH值对反刍动物的生产、瘤胃的正常运行有着至关重要的影响。瘤胃厌氧真菌与产甲烷菌共培养可以提高瘤胃环境的pH值。在共培养的后期瘤胃厌氧真菌的底物不足以产生足够的H2，产甲烷菌就会利用甲酸产生甲烷，增加培养的pH值[32,38,42]。Li等[32]研究表明，在单一培养时，pH值可降至6.42；而共培养的pH值在接种后24 h后下降至6.45，培养96 h后上升至6.69。与厌氧真菌纯培养相比，共培养的pH值在发酵结束时显著升高。3.3提高纤维降解能力厌氧真菌与产甲烷菌可以形成稳定的共培体系[35,47]。产甲烷菌的存在提高厌氧真菌的纤维素酶活性，促进对纤维性物质的分解[37,42]。与真菌纯培养相比，厌氧真菌与产甲烷菌共培养降解木质纤维素的时间更早，降解速度更快，降解率增加10%~30%[35,37]。此外，在共培养中，羧甲基纤维素酶和外葡聚糖酶的生产和活性显著增强[20]，细胞外木聚糖酶、α-L-阿拉伯糖苷酶和β-D-木糖苷酶的特异性活性较单培养增加5~7倍[48]。葡萄糖对木质纤维素的降解具有抑制作用[49]。木糖对厌氧真菌木聚糖酶的产生具有抑制作用[50]。木聚糖酶的增加与共培养中木质纤维素降解的提高有关[47]。产甲烷作用对消纳氢和促进木聚糖酶的产生具有重要作用[51]。因此，产甲烷菌的存在调节了厌氧真菌降解多糖的第一步。Prochazka等[52]发现，半连续条件下添加厌氧真菌对沼气产量和质量有正向影响。然而，这种积极的影响取决于基质和厌氧真菌的种类，可见厌氧真菌与甲烷菌在菌株或种群关系上的深入研究更有意义。4展望瘤胃厌氧真菌与产甲烷菌之间存在着重要的氢转移关系。他们之间的关系对于瘤胃环境的维持具有重要意义，同时也使他们之间的传代速率得以提高，瘤胃物质的代谢类型发生改变，提高纤维性物质的降解能力。但目前对于瘤胃厌氧真菌与产甲烷菌的研究均为体外培养，而在动物体内的作用还有待进一步验证。并且现有的体外共培养只是某一种瘤胃厌氧真菌与某一种产甲烷菌的共培养，所以共培养的瘤胃厌氧真菌和产甲烷菌的种类和多样性需要进一步扩大研究。目前，仍有一些产甲烷菌在离开瘤胃厌氧真菌的情况下不能单独存活，说明瘤胃厌氧真菌与产甲烷菌之间的一些关系未被发现，需要进一步研究。