Метан и пищеварение жвачных животных

Введение

Процесс пищеварения, выделяющий метан.

Кишечная ферментация – это процесс пищеварения, в ходе которого углеводы расщепляются микроорганизмами до простых молекул для всасывания в кровь животного. В связи с тем, что сельское хозяйство во многих регионах мира зависит от животных, использующих кишечную ферментацию для переваривания пищи, она является вторым по значимости антропогенным фактором, способствующим увеличению выбросов метана после использования ископаемого топлива.

Игнорирующие

Животные-жвачные – это те, у которых есть рубец. Рубец – многокамерный желудок, который почти исключительно встречается у некоторых парнокопытных млекопитающих, таких как крупный рогатый скот, овцы и олени, позволяя им переваривать богатую клетчаткой, жесткую растительность и зерно, которые моногастричные (т.е. имеющие однокамерный желудок) животные, такие как люди, собаки и кошки, переварить не могут. Хотя верблюдов часто относят к жвачным, они не являются истинными жвачными. Энтерическая ферментация происходит, когда в рубце образуется метан (CH4) в процессе микробного брожения. В рубце присутствует более 200 видов микроорганизмов, хотя лишь около 10% из них играют важную роль в пищеварении. Большая часть метана (CH4) отрыгивается животным. Однако небольшая часть CH4 образуется также в толстом кишечнике и выводится с газами. Выбросы метана вносят значительный вклад в глобальные выбросы парниковых газов. МГЭИК сообщает, что метан более чем в двадцать раз эффективнее CO2 в удержании тепла в атмосфере, хотя и производится в значительно меньших количествах. Метан также представляет собой значительную потерю энергии для животного, составляя от 2 до 12% от общего потребления энергии. Поэтому снижение производства энтерического CH4 у жвачных животных без снижения продуктивности является желательным как для сокращения глобальных выбросов парниковых газов, так и для повышения эффективности использования кормов. В Австралии жвачные животные дают более половины общего объема выбросов парниковых газов, связанных с метаном. Однако в Австралии существуют виды кенгуру, способные производить на 80% меньше метана, чем коровы. Это связано с тем, что микробиота кишечника макроподидов, рубец и другие части их пищеварительной системы, доминируют бактерии семейства Succinivibrionaceae. Эти бактерии способны производить сукцинат как конечный продукт разложения лигноцеллюлозы, выделяя при этом небольшое количество метана. Их особый метаболический путь позволяет использовать другие акцепторы протонов, избегая образования метана.

Ruminant animals are those that have a rumen. A rumen is a multichambered stomach found almost exclusively among some artiodactyl mammals, such as cattle, sheep, and deer, enabling them to eat cellulose enhanced tough plants and grains that monogastric (i. e., "single chambered stomached") animals, such as humans, dogs, and cats, cannot digest. Although camels are thought to be ruminants they are not true ruminants. Enteric fermentation occurs when methane (CH4) is produced in the rumen as microbial fermentation takes place. Over 200 species of microorganisms are present in the rumen, although only about 10% of these play an important role in digestion. Most of the CH4 byproduct is belched by the animal. However, a small percentage of CH4 is also produced in the large intestine and passed out as flatulence. Methane emissions are an important contribution to global greenhouse gas emissions. The IPCC reports that methane is more than twenty times as effective as CO2 at trapping heat in the atmosphere though note that it is produced in substantially smaller amounts. Methane represents also a significant energy loss to the animal ranging from 2 to 12% of gross energy intake. So, decreasing the production of enteric CH4 from ruminants without altering animal production is desirable both as a strategy to reduce global greenhouse gas emissions and as a means of improving feed conversion efficiency. In Australia ruminant animals account for over half of their green house gas contribution from methane. However, in Australia there are ruminant species of the kangaroos that are able to produce 80% less methane than cows. This is because the gut microbiota of Macropodids, rumen and others parts of their digestive system, is dominated by bacteria of the family Succinivibrionaceae. These bacteria are able to produce succinate as a final product of the lignocelluloses degradation, producing small amounts of methane as end product. Its special metabolic route allows it to utilize other proton acceptors, avoiding the formation of methane.

Экспериментальное управление

Внутрижелудочное брожение было вторым по величине антропогенным источником выбросов метана в Соединенных Штатах в период с 2000 по 2009 год. В 2007 году выбросы метана, вызванные внутрижелудочным брожением, составили 2,3% от общего объема чистых парниковых газов, произведенных в Соединенных Штатах – 139 тераграмм эквивалента углекислого газа (Tg CO2) из общего объема выбросов в 6087,5 Tg CO2. По этой причине ученые полагают, что с помощью микробиологической инженерии и использования микробиома для модификации естественных или антропогенных процессов, можно изменить состав микробиоты рубца у сильных продуцентов метана, имитируя микробиоту Macropodidae. Недавние исследования утверждают, что применение этой техники возможно. В одном из этих исследований ученые анализируют изменения микробиоты человека под воздействием различных изменений в рационе питания. В другом исследовании исследователи вводят человеческую микробиоту гнотобиотическим мышам, чтобы сравнить различные изменения и разработать новые способы манипулирования свойствами микробиоты для профилактики или лечения различных заболеваний. Другой подход к управлению выбросами метана, вызванными внутрижелудочным брожением, заключается в использовании диетических добавок и кормовых добавок в кормах для крупного рогатого скота. Например, Asparagopsis taxiformis (также известная как красные водоросли) – это вид водорослей, который при скармливании крупному рогатому скоту значительно снижает их выбросы метана. Второй пример, который показал значительное снижение выбросов метана у крупного рогатого скота, – это использование соединения 3-нитроксипропанола (3 NOP), которое ингибирует заключительный этап синтеза метана микроорганизмами в рубце. Некоторые из этих методов уже одобрены для использования фермерами, в то время как другие продолжают оцениваться с точки зрения безопасности, эффективности и других аспектов.