Снижение концентрации метана в атмосфере, этого мощного, но недолговечного парникового газа, имеет решающее значение для замедления роста глобальных температур.
Молочный и мясной скот, самые многочисленные жвачные животные в мире, ежегодно выбрасывают около 100 миллионов тон метана (CH4). В глобальном масштабе выбросы энтерального метана конкурируют с выбросами от нефтегазовой промышленности.
Поиск путей снижения выбросов CH4 от жвачных животных привел к идентификации 3-нитрооксипропанола (3-NOP), кормовой добавки, которая препятствует последнему этапу метаногенеза. Получение продукта со специфическим для этого фермента способом действия является лишь одним из многих усилий, предпринятых за последние 75 лет, наряду с разработкой вакцин и других кормовых добавок, для снижения метаногенеза в рубце и понимания его влияния на здоровье и продуктивность животных. Разработка 3-НОП, который в настоящее время является коммерческим продуктом, служит примером применения микробиологических знаний для снижения выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве. Это соединение, произведенное голландской компанией DSM, было запатентовано и одобрено для использования у молочных коров в Бразилии, Чили и Европейском Союзе.
Микроорганизмы и образование метана в рубце
Метан производится археями, которые составляют небольшую часть (до 4%) микробной биомассы рубца. Будучи самым большим из четырех отделов желудка коровы, рубец составляет 12-15% массы тела животного и содержит анаэробное сообщество, состоящее из разнообразных бактерий, протистов и грибов. Эти микробы разлагают и ферментируют лигноцеллюлозные грубые корма, которые животное не может переварить.
Основные продукты микробной ферментации состоят из короткоцепочечных жирных кислот, которые поглощаются животным, а также CO2 и H2, которые преобразуются метаногенами в отходящий газ CH4. Часть непереваренного материала срыгивается в буккальную полость, или ротовую полость, где жвачка пережевывается и снова проглатывается. Другой непереваренный материал попадает в брюшную полость, где происходят пищеварительные процессы, прежде чем попасть в нижний отдел кишечного тракта.
Типичная молочная корова выделяет около 160 кг CH4 ежегодно. Незначительная часть CH4 (10-15%) от жвачных животных образуется в кишечном тракте, большая часть CH4 (> 80%) выходит через пасть во время отхаркивания, или отрыжки. Количество метана, образующегося в рубце, зависит от многих факторов, включая переваримость корма, общее количество ферментированных углеводов, соотношение образующихся жирных кислот и концентрацию H2.
Большинство метаногенов рубца имеют гидрогенотрофный метаболизм, то есть они используют электроны Н2 для восстановления CO2 до CH4, что является эффективным способом снижения концентрации Н2 в рубце. В глобальном исследовании микробиомов рубца 32 видов жвачных животных 74% архей принадлежали всего к двум гидрогенотрофным кладам, представленных Methanobrevibacter gottschalkii и Methanobacterium ruminatium. Две другие известные группы метаногенов, которые производят CH4 из ацетата или соединений метиловой группы, гораздо менее многочисленны в богатой H2 среде обитания рубца.
Метаногенез можно считать симбиотическим процессом, поскольку он продвигает реакции ферментации и тем самым способствует дальнейшему производству жирных кислот для животного. Однако он также представляет собой потерю энергии в производстве молока и мяса. Процент потери валового потребления энергии за счет эдукции метана оценивается в 2-12%, причем большие потери связаны с рационами, богатыми зерновыми.
В течение десятилетий целью исследований по снижению метана у жвачных животных путем изменения рациона питания было повышение эффективности кормов. Смягчение воздействия парниковых газов стало более сильным стимулом для снижения метана в животноводстве после выхода первого отчета Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) в 1992 году. В докладе IPCC описывается рост концентрации CH4 в атмосфере с 750-1800 частей на миллиард (ppb) за предыдущие 100 лет. В нем признается, что рост населения планеты и спрос на животный белок приведет к увеличению производства продукции животноводства, при этом на 1,3 млрд голов крупного рогатого скота, по оценкам, приходилось 12% глобальных выбросов метана в 1995 году.
Ингибирование образования метана
Корма с 3-НОП
Совсем недавно целевой биохимический подход к ингибированию метаногенов базировался на кристаллических структурах ферментов, ответственных за производство метана (метил коэнзим М редуктаза, или MCR) в гидрогенотрофных метаногенах, таких как Methanobacter thermoautotrophicum и Methanothermobacter marburgensi. Компьютерный скрининг выявил группу нитрооксикарбоновых кислот в качестве потенциальных ингибиторов, которые могут встраиваться в активный сайт MCR. Согласно гипотезе, инактивация фермента происходит, когда такое соединение, как 3-NOP, попадает в активный сайт MCR, ингибируя его способность осуществлять ключевой этап в образовании CH4. Более конкретно, 3-NOP связывается с MCR вблизи кофермента F430, простетической группы, содержащей критический атом Ni(I). Предполагается, что близость нитратной группы 3-NOP вызывает окисление Ni(I), так что он больше не может выполнять заключительный этап образования CH4.
Испытания по кормлению 3-НОП овец, лактирующих коров и мясного скота привели к сокращению выбросов CH4 в среднем на 30%, что подтверждает эффективность 3-НОП в естественных условиях. В лаборатории, однако, ингибирование 3-НОП роста различных метаногенов в чистых культурах сильно варьирует. Очень низкие (микромолярные) концентрации препятствуют росту гидрогенотрофных метаногенов, таких как M. ruminantium, в то время как для ингибирования других гидрогенотрофов, таких как Methanomicrobiium mobile и Methanosarcina barkeri, требуются в 100 раз более высокие концентрации. Филогенетическое и физиологическое разнообразие среди метаногенов может затруднить обход симбиотических отношений, установленных между жвачными животными и археями, потребляющими H2 в рубце.
Секвенирование следующего поколения выделенных микробных ДНК и РНК из рубца стало находкой для более полного понимания влияния 3-НОП на микробиом. Например, добавление 60 мг 3-НОП на кг сухого вещества корма молочным коровам в течение 4-12 недель при одновременном снижении выбросов CH4 привело к снижению количества доминирующих Methanobrevibacter spp. и увеличению количества неклассифицированных Methanobacteriaceae и Methanosphaera spp. по сравнению с контролем. Поскольку неметаногенные члены микробиома рубца не были значительно затронуты, изменение состава метаногенов под воздействием 3-NOP, по-видимому, объясняет увеличение содержания пропионовой кислоты (короткоцепочечной жирной кислоты) и H2, которое было измерено в ходе исследования.
Примечательно, что по мере гибели метаногенов, ингибированных 3-NOP, концентрация H2 может накапливаться и препятствовать потоку углерода и энергии, прежде чем другие метаногены смогут взять на себя эти функции. Это может потребовать добавления других акцепторов электронов для содействия эффективной ферментации. Будет ли 3-НОП использоваться более широко, будет зависеть от его принятия, стоимости и исследований, подтверждающих, что здоровье и продуктивность животных не пострадают в долгосрочной перспективе.
Корма с Asparagopsis taxiformis
Совсем недавно внимание отрасли привлекло кормление жвачных животных красными морскими водорослями Asparagopsis taxiformis для снижения выбросов метана. Исследования in vitro с использованием этих водорослей показали ингибирование метана до 99% без негативных последствий для здоровья. Предлагаемый способ действия заключается во введении биологически активного бромированного соединения (бромоформа), содержащегося в биомассе водорослей, которое является галогенированным аналогом метана, ингибирующим метаногенез. Для конкретной цели предотвращения изменения климата значительные средства венчурного капитала направляются на производство достаточного количества красных морских водорослей.
Отсутствие успеха в разработке антиметаногенных вакцин
В дополнение ко многим пищевым добавкам, протестированным на подавление метаногенов, были разработаны антиметаногенные вакцины, основанные на признанном доминировании относительно небольшого количества гидрогенотрофных видов. С этой целью вакцины были получены либо из целых клеток, либо из клеточных компонентов смешанных культур метаногенов.
Однако исследования in vivo по измерению выбросов метана, в основном у овец, после прививки вакцин из смешанных культур показали незначительное или нулевое снижение, что, возможно, отражает более широкое разнообразие метаногенов. Для решения этой проблемы перекрестная реактивность антител может быть проверена in vitro с различными метаногенами в рубцовой жидкости перед испытанием in vivo. Тем не менее, несмотря на отсутствие успеха вакцин, диетические модификации остаются наиболее распространенным подходом к снижению выбросов CH4.
Снижение выбросов метана путем селекции пород скота
Среди видов и пород домашних жвачных животных наблюдаются устойчивые закономерности в величине выбросов метана. Некоторые породы крупного рогатого скота выделяют постоянно меньшее количество метана, чем другие, причем мясной скот, как правило, выделяет меньше метана, чем молочные коровы. Доказательства того, что генетика хозяина влияет на состав микробиома рубца, приводят к усилиям, объединяющим генетику животных и анализ микробиома. Буккальные пробы слюны и содержимого ротовой полости оцениваются на предмет биомаркеров, отражающих признаки животного, для более быстрого и частого сбора данных.
Глобальные перспективы
В некоторых странах рост числа закрытых откормочных площадок для выращивания и откорма крупного рогатого скота привел к увеличению скармливания концентратов, содержащих больше легкоусвояемых углеводов и больше белка. Выбросы метана при кормлении крупного рогатого скота концентратами ниже, чем при кормлении крупного рогатого скота кормами с высоким содержанием зерновых. Генетическая селекция крупного рогатого скота также может привести к снижению выбросов метана.
Однако концентратное кормление, использование селекционных пород и кормовых добавок не так легко внедряются в развивающихся странах из-за меньшей доступности ресурсов и исследовательской инфраструктуры. Тем не менее, у сельхозпроизводителей в развивающихся странах есть варианты снижения выбросов метана жвачными животными. Выращивание жвачных животных не только дает молоко и мясо, но и обеспечивает важнейшую экосистемную функцию по переработке низкокачественных целлюлозных материалов в высококачественный белок на землях, которые иначе невозможно обрабатывать. И в дальнейшем будет крайне важно обеспечить справедливый глобальный доступ к многочисленным сельскохозяйственным инновациям, снижающим выбросы метана, поскольку мы стремимся защитить здоровье людей, животных и окружающей среды во всем мире.
