Метаногены жвачных животных как цель изменения климата

Снижение концентрации в атмосфере метана, мощного, но недолговечного парникового газа, имеет решающее значение для замедления роста глобальной температуры. Молочный и мясной скот, самые многочисленные жвачные животные в мире, ежегодно выделяют около 100 тераграммов (Тг) метана (CH4). Во всем мире выбросы кишечного метана конкурируют с выбросами нефтегазовой промышленности.

Стремление снизить выбросы CH4 жвачными животными привело к обнаружению 3-нитрооксипропанола (3-NOP), кормовой добавки, которая специфически препятствует заключительному этапу метаногенеза. Получение продукта с фермент-специфическим механизмом действия является лишь одной из многих попыток за последние 75 лет, наряду с разработкой вакцин и других кормовых добавок, направленных на снижение метаногенеза в рубце и понимание его влияния на здоровье и продуктивность животных. Разработка 3-NOP, который теперь является коммерческим продуктом, является примером применения микробиологических знаний для смягчения последствий выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве. Состав, производимый голландской компанией DSM, запатентован и одобрен для использования с дойными коровами в Бразилии, Чили и Европейском Союзе.

Метан продуцируют археи, составляющие небольшую долю (до 4%) микробной биомассы рубца. Рубец, самый большой из четырех отделов желудка коровы, составляет 12-15% массы тела животного и содержит анаэробное сообщество, состоящее из разнообразных бактерий, простейших и грибов. Эти микробы разлагают и ферментируют лигноцеллюлозные грубые корма, которые животное не может переварить.

Основные продукты микробной ферментации состоят из жирных кислот с короткой цепью, которые усваиваются животными, а также CO2 и H2, которые под действием метаногенов преобразуются в отходящий газ CH4. Некоторое количество непереваренного материала срыгивается в ротовую полость или рот, где жвачка пережевывается и снова проглатывается. Другой непереваренный материал попадает в сычуг, где у млекопитающих начинаются пищеварительные процессы, прежде чем попасть в нижние отделы кишечного тракта.

Типичная дойная корова выбрасывает в атмосферу около 160 кг CH4 в год. Незначительная часть CH4 (10-15%) у жвачных животных вырабатывается в кишечном тракте и выходит из задних концов. Большая часть CH4 (>80%) выходит изо рта во время отрыжки или отрыжки. Количество метана, вырабатываемого в рубце, зависит от многих факторов, включая усвояемость корма, общее количество сброженных углеводов, соотношение образующихся жирных кислот и концентрацию H2.

Большинство метаногенов рубца имеют гидрогенотрофный метаболизм, то есть они используют электроны H2 для восстановления CO2 до CH4, что является эффективным способом снижения концентрации H2 в рубце. В глобальном исследовании микробиома рубца 32 видов жвачных животных 74% архей принадлежали всего к двум гидрогенотрофным кладам, представляющим Methanobrevibacter gottschalkii и Methanobacterium ruminatium. Две другие известные метаногенные группы, которые производят CH4 из соединений ацетата или метильной группы, гораздо менее распространены в среде рубца, богатой H2.

Метаногенез можно рассматривать как симбиотический процесс, поскольку он ускоряет реакции ферментации, тем самым способствуя непрерывному производству жирных кислот для животного. Однако это также представляет собой потерю энергии при производстве молока и мяса. Процент общего потребления энергии, потерянный из-за отрыжки метаном, оценивается в 2–12%, при этом более высокие потери связаны с рационом, богатым кормом. На протяжении десятилетий повышение эффективности корма было целью исследований по снижению содержания метана у жвачных животных посредством модификации рациона. Снижение выбросов парниковых газов стало более сильным стимулом для сокращения выбросов метана в животноводстве после выхода первого доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) в 1992 году. В отчете МГЭИК описывается рост концентрации CH4 в атмосфере с 750-1800 частей на миллиард (частей на миллиард) по сравнению с предыдущими 100 годами. годы. Он признал, что рост мирового населения и спрос на животный белок будут способствовать увеличению производства животноводческой продукции: по оценкам, на 1,3 миллиарда голов крупного рогатого скота в 1995 году приходилось 12% глобальных выбросов метана.