發揮創意減少乳牛體內的甲烷排放

在加拿大埃德蒙頓郊外的牧場上，您會發現幾十頭乳牛正在做著乳牛所做的事情：主要是吃東西。 動物平均每天要花八個多小時來填飽肚子，或是像牛一樣，填飽肚子。 除了巨大的食慾之外，牛天生就有能力消化幾乎所有它們能咀嚼的植物，這要歸功於多室的胃和一群有用的腸道微生物，這些微生物可以分解大多數哺乳動物無法分解的食物。

這個系統對牛來說是進化的財富，但對環境來說卻不容易——這就是為什麼拉科姆研究中心的動物不是普通的草食動物。 透過夾在每頭牛耳朵上的應答器，科學家記錄了牛何時將頭伸進一箱美味的飼料顆粒中。 當她吃飯時，上方的太陽能通風櫃捕捉到她呼出的氣體。 雷射光束環繞牧場，讀取大氣中的氣體。

所有這些大驚小怪都是因為牛打嗝。 雖然牛和綿羊和山羊等其他反芻動物一直放屁大約5000萬年隨著人們對氣候變遷的擔憂日益加劇，科學家最近才開始密切關注其廢氣。 打嗝含有甲烷，無味化合物這是天然氣的主要成分。 在大氣中，甲烷使地球變暖。

它不是人類活動產生的最豐富的溫室氣體（二氧化碳是最重要的），但甲烷是捕獲熱量最強大的氣體之一。 在「同等」比較中，一個多世紀以來，甲烷對氣候變遷的影響是25 倍偉大作為CO₂據美國環保署稱。

CNN 最近的一篇報導援引甲烷的影響，將牛肉稱為“新SUV」。 但老式 SUV 以及石油和天然氣行業的其他產品，是一個更大的來源EPA 數據顯示，美國大氣中的甲烷含量占美國甲烷排放量的 29%。 該機構估計，畜牧業佔 26%。 然而，雖然這是官方數字，但去年的一篇論文地球物理研究雜誌：大氣 提出了可能性美國環保署的測量結果有誤，人類活動產生的甲烷的最大來源實際上可能是反芻動物——其中 90% 以上是為生產牛肉和乳製品而飼養的乳牛。

雖然能源部門的甲烷排放拒絕1990年至2013年間，農業的貢獻上漲了 11%，根據美國環保局的說法。 （儘管後來牛的數量減少了，與牲畜有關的甲烷也減少了。）世界銀行估計，全球甲烷排放總量上漲 17%1990年至2010年間。減少 25%到2020年。

這就是為什麼全世界的科學家都在尋找生產毒性較小的乳牛的方法。 實驗針對動物的內部和外部，測試飼料、抗甲烷添加劑和實驗疫苗的變化。 加拿大的計畫更深入，利用遺傳學來培育和培育天生打嗝較少的動物。

所有方法都有希望，但沒有一種方法能達到最佳效果：大幅減少甲烷排放，同時不傷害乳牛或抑制農場和牧場的生產。 任何解決方案都不能太不切實際或太昂貴。

好消息是，這是一個涉及利害關係人的問題。價值440億美元的牛肉產業環保人士可能會趨同——污染較少的牛隻可能會活得更長，或用更少的飼料過日子，從而提高農場和牧場的利潤率。

「我們一直將溫室氣體的故事作為對農民的雙贏來宣傳，」北愛爾蘭希爾斯伯勒農業食品和生物科學研究所的乳製品研究負責人康拉德·費里斯 (Conrad Ferris) 說。

天然氣

大多數減少甲烷排放的實驗並不涉及乳牛本身；而是涉及乳牛。 他們追尋的是動物腸道內的微觀生態系。 當牛吃東西時，乾草、草和其他植物材料會落在瘤胃內，瘤胃是牛胃四個隔間中最大的一個，可容納150 至 190 公升食物和水。 反芻動物的消化是微生物奇蹟：胃的一部分被切開放入一個複雜的發酵槽中進行發酵，當微生物將糖和其他大分子切成較小的分子時就會發生發酵。 （如果沒有發酵，葡萄和龍舌蘭就無法成為葡萄酒和龍舌蘭酒。）

被困在瘤胃內的細菌會消化飼料的成分，尤其是纖維素，也就是構成植物細胞壁主要結構支撐的大葡萄糖鏈。 纖維素是綠色植物變得僵硬的原因。 人們不是生來就有處理纖維素的酶，這就是我們不吃草的原因。 當人類吃水果和蔬菜等食物時，纖維素充當膳食纖維。 由於纖維素會阻礙消化，因此不提供能量。 它確實可以幫助人們以更少的熱量獲得飽足感，並保持腸道和內部微生物組的健康。

但反芻動物的微生物可以提取纖維素中鎖住的能量。 它的消化系統包括稱為產甲烷菌的微生物，這是一種不同於細菌和其他微生物的古老實體。 產甲烷菌可以生活在其他地方缺氧環境，如湖泊底部。 當瘤胃中的微生物消化纖維素時，它們會留下乳牛所需的營養物質以及甲烷氣體，甲烷氣體是在產甲烷菌吸收發酵剩餘的氫氣時產生的。 這個關係很簡單：牛吃得越多，發酵得越多，產生的甲烷就越多。

一頭成年乳牛每天排放的甲烷量約為 260 至 650 克。 考慮一下這個國家有 9800 萬頭牛，你會看到問題的嚴重性。 一隻中型動物每年可以排放出約 150 公斤甲烷，這與從紐約開車到洛杉磯對環境的影響相同——三次。

擺弄提要

科學家正試圖以不損害乳牛整體健康或生產力的方式乾擾導致甲烷產生的化學步驟。 在過去的幾年中，研究人員嘗試在乳牛飼料中添加天然和實驗室製造的物質。 其中之一是硝酸鹽。 這個想法是，考慮到額外的氮，吸收過量氫的產甲烷菌將形成氨（由一個氮原子和三個氫原子組成）而不是甲烷（一個碳原子和四個氫原子）。 去年，加拿大萊斯布里奇研究中心的科學家在《加拿大動物科學雜誌,回顧硝酸鹽添加實驗歷史可以追溯到 20 世紀 60 年代。 一些實驗室測試取得了顯著的成果，乳牛甲烷排放量減少了 70%。 在其他研究中，硝酸鹽不會影響乳牛的生長或食慾，也不影響牛奶或肉類的產量。

問題是，在瘤胃中，硝酸鹽被分解為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽會幹擾紅血球的活動。 一頭牛在一次實驗中死亡，另外六頭牛必須獲救。 「挑戰之一是，如何以防止動物體內硝酸鹽毒性的方式提供它，」東蘭辛密西根州立大學動物農業環境管理主任溫迪鮑爾斯說。

賓州州立大學乳製品營養學教授亞歷山大·赫里斯托夫（Alexander Hristov）表示，其他科學家已經對能夠影響微生物並改變瘤胃產生甲烷的化學物質的植物進行了實驗，希望「大眾更容易接受天然的東西”大學。 他和他的同事們添加了腰果加工的副產品他們在 6 月的《報告》中報告稱，乳品科學雜誌。 他也嘗試在飼料中添加牛至，從而減少甲烷排放。 但它一定是太多了。 「我們每天給每頭牛 500 克牛至，」他說。 “這不經濟。”

鮑爾斯指導了一名密西根州立大學的研究生，他嘗試在飼料中添加茶提取物，這引發了另一個複雜的情況：「你必須在其中添加太多才能有效，適口性成了一個問題，」她說。 乳牛將迴避解決方案味道不好。 她說，總的來說，各種植物萃取物的實驗並不一致。

赫里斯托夫的團隊設計了另一種似乎通過了品味測試的方法。 研究人員試驗了一種合成飼料添加劑，旨在幹擾驅動甲烷形成最後一步的酵素。 8月25日美國國家科學院院刊，研究人員報告稱，48 頭乳牛服用了該添加劑 12 週甲烷產生量減少 30%與只吃正常飼料的乳牛相比。 此添加劑不會影響動物的食慾或產奶量。 「這是我們合作過的最有前途的飼料添加劑，」赫里斯托夫說。 “在我看來，這就是腸道問題的答案。”

愛爾蘭科學家也試圖透過減少粗飼料（產生甲烷的草和乾草）的比例並增加精料的量來減少甲烷，精料是不發酵更容易消化的植物，例如玉米和大豆。 去年，在乳品科學雜誌，研究人員描述一個這樣的實驗40頭放牧的乳牛。 隨著濃縮物的增加，牛奶產量也隨之增加。 乳牛的整體甲烷排放量並沒有受到影響，但隨著產量的提高，每公升牛奶中的甲烷量減少了，減輕了對環境的影響。 實驗是在野外的動物身上進行的。 費里斯說，在穀倉進行的實驗也表明，濃縮物越多，每公升牛奶中的甲烷含量就越少。 但濃縮液的成本很高。 「總有一天，即使更高的牛奶產量也無法彌補濃縮汁的成本，」他說。 此外，如果整體目標是減輕對環境的影響，那麼濃縮物的生產和運輸也有其自身的碳足跡。

抑制打嗝

對食品添加劑的一個擔憂是，過一段時間後，瘤胃中的產甲烷菌可能會適應新的飲食，並恢復相同水平的甲烷產生。 紐西蘭惠靈頓田園溫室氣體研究聯盟的經理 Mark Aspin 表示，出於這個原因，可能需要在動物的整個生命週期中反覆飼餵和監測添加劑，這可能會增加成本和勞動力。研究機構AgResearch。 紐西蘭——一個乳牛比人口還多的國家——的研究人員正在開發抗甲烷疫苗這可以減少瘤胃中產甲烷菌的數量，而不影響動物的體重、產奶量或繁殖。

阿斯平說，疫苗的優點是理論上可以只注射一次，或至少每年一次。 此外，農民和牧場主也習慣了接種疫苗； 再添加一次不會對現有農業實踐造成太大負擔。 他說，它可以用於其他經濟上重要的反芻動物，例如綿羊（其數量與該國的人口數量是七比一）。

然而，這項技術距離農場還很遙遠。 紐西蘭研究小組已經確定了針對腸道微生物的抗體，並且正在擴增這些抗體的重要部分並將其納入疫苗中。 在日記中動物2013年，紐西蘭研究小組報告在產甲烷菌中發現了基因序列是有吸引力的目標為了疫苗。

他們還開發了一種疫苗注射劑，可以在唾液中產生產甲烷菌抗體，然後進入瘤胃。 這是分娩的關鍵之一，因為平均一頭乳牛每天會產生 100 至 150 公升唾液來幫助消化。

進一步的實驗必須證明減少產甲烷菌不會影響動物的整體健康。 「令人擔憂的是，從瘤胃中去除產甲烷菌可能會讓氫氣積聚，」阿斯平說。 然而，“在迄今為止進行的有限研究中，情況似乎並非如此。”

榨取遺傳學

一些研究人員完全迴避消化問題，專注於培育更乾淨的乳牛。

在愛爾蘭，費里斯和他的同事嘗試牲畜管理。 這個想法的一部分是延長任何特定動物的壽命。 「從小牛出生到產出第一公升牛奶，需要兩年以上的時間，」他說。 如果一頭乳牛壽命更長，她一生中產生的甲烷就會分佈在更多公升的牛奶上。 此外，農民不必用年輕的、全甲烷的、無奶的幼崽來取代那麼多的牛群成員。 去年發表在《乳品科學雜誌，他的研究小組報告說，挪威品種壽命更長超過美國乳牛 80% 以上的荷斯坦乳牛。

隨著煙霧的流動

艾伯塔省的研究人員正在培育產生較少甲烷的牛品種，因為它們生來就是這樣的。 「如果你使用飼料添加劑，你就必須一直添加它，」艾伯塔省農業和林業部肉牛生產和遺傳學研究科學家約翰·巴薩拉布（John Basarab）說。 但一頭自然效率較高的乳牛可以使用較少的飼料來達到相同的生長。

在過去的二十年裡，Basarab 和他的研究團隊測量了大約 5,000 頭牛的飼料效率，並報告說，傳統的選擇性育種可以使動物釋放的甲烷減少高達 25%。 「每個品種的動物都有高效或低效的，」他說。 研究人員在開始這項研究時並沒有考慮甲烷，而是認為從飼料中提取最多卡路里的動物最終會更經濟。 「本質上，有些動物在生長相同的情況下吃得更少，」巴薩拉布說。

他承認，透過遺傳學解決甲烷問題的速度很慢（牛的懷孕期約為 280 天），但它也具有「累積性和永久性」的優勢。

他和其他人表示，當政府要求對排放量進行一定限制時，乳牛的這一天可能會到來，就像汽車一樣。 隨著有機食品越來越受歡迎，消費者可能開始要求低甲烷產品。

巴薩拉布說，越來越多的消費者想知道他們的食物來自哪裡以及是否以可持續的方式生產。 “如果你不關心這些事情，公眾可能會說這是一種糟糕的食品生產方式，我們不會購買它。”