在構(gòu)建更加可持續(xù)的全球糧食系統(tǒng)的迫切需求中，牲畜扮演著喜憂參半的角色。一方面，它們?nèi)缤匀唤绲霓D(zhuǎn)化大師，將人們無(wú)法直接食用的纖維性植物轉(zhuǎn)化為富含蛋白質(zhì)的肉類(lèi)和牛奶，牛和羊作為放牧動(dòng)物，是人類(lèi)食物的重要來(lái)源。對(duì)于世界上許多最貧困的人來(lái)說(shuō)，一兩頭牛，亦或者幾只羊，就能成為他們生計(jì)的支柱。
然而，這些益處伴隨著巨大的環(huán)境代價(jià)。2013 年的一項(xiàng)研究表明，全球范圍內(nèi)，牲畜產(chǎn)生的溫室氣體排放約占總量的 14.5%，超過(guò)了全世界所有汽車(chē)和卡車(chē)排放的總和。在牲畜對(duì)全球變暖的潛在影響中，甲烷這一強(qiáng)效溫室氣體尤為突出，占據(jù)了約 40% 的比重。而甲烷，正是牲畜消化纖維性食物時(shí)不經(jīng)意間釋放出的“隱形殺手”。
面對(duì)牲畜帶來(lái)的兩難局面，人們進(jìn)行了大量的研究工作來(lái)減少放牧動(dòng)物的甲烷排放。當(dāng)前，諸如優(yōu)化飼養(yǎng)管理、采用新型飼料添加劑等方法，雖已初顯成效，但還不足以在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生顯著影響。因此，科學(xué)家們正在探索其他可能的解決方案，比如培育低甲烷排放的牲畜和調(diào)控在放牧動(dòng)物胃中產(chǎn)生甲烷的微生物。盡管這些方法距離實(shí)際應(yīng)用尚需時(shí)日，但它們可能相對(duì)容易廣泛實(shí)施，并最終可能會(huì)產(chǎn)生不可估量的積極作用。
好消息是，甲烷是一種相對(duì)短命的溫室氣體。與二氧化碳會(huì)在大氣中滯留一個(gè)多世紀(jì)相比，今天排放的甲烷在短短十多年后就會(huì)消散殆盡。因此，當(dāng)前立即采取措施減少甲烷排放可以迅速降低溫室氣體水平，從而減緩氣候變化。
Claudia Arndt，一位在肯尼亞內(nèi)羅畢國(guó)際畜牧研究所工作的乳品營(yíng)養(yǎng)學(xué)家，致力于研究甲烷排放問(wèn)題。她指出，“在未來(lái) 20 年內(nèi)減少甲烷排放是我們唯一能夠控制全球變暖的方法?！?/p>
甲烷困境
降低甲烷排放面臨的巨大挑戰(zhàn)在于，這種氣體是令反芻動(dòng)物具有獨(dú)特價(jià)值的同時(shí)自然產(chǎn)生的副產(chǎn)品：因?yàn)?strong>反芻動(dòng)物與一群微生物的伙伴關(guān)系。這些微生物生活在反芻動(dòng)物四個(gè)胃中最大的瘤胃（也就是第一胃）里，在那里它們將纖維性食物分解成更小的分子，供動(dòng)物吸收營(yíng)養(yǎng)。在這個(gè)過(guò)程中，它們產(chǎn)生大量的氫氣，這些氫氣被另一群被稱(chēng)為產(chǎn)甲烷菌的微生物轉(zhuǎn)化為甲烷。
大部分這種甲烷，通常被稱(chēng)為腸道甲烷，是由動(dòng)物通過(guò)打嗝或呼氣排放到大氣中的 —— 舉例來(lái)說(shuō)，一頭牛每年大約會(huì)排放 220 磅的甲烷氣體。（與普遍的看法相反的是，通過(guò)放屁排出的甲烷非常少。飼養(yǎng)場(chǎng)和奶牛場(chǎng)堆積的糞便中，大約占了美國(guó)牲畜甲烷排放的四分之一，但是通過(guò)改善通風(fēng)條件或者捕獲甲烷用于生產(chǎn)生物燃?xì)?strong>可以防止這些排放。相比之下，放牧動(dòng)物單獨(dú)排泄的糞便所產(chǎn)生的甲烷則少之又少，幾乎可以忽略不計(jì)。）
捕捉和減少腸道甲烷排放的確是一個(gè)棘手的問(wèn)題，因?yàn)?strong>反芻動(dòng)物在產(chǎn)生甲烷的同時(shí)還在不?；顒?dòng)。面對(duì)這一挑戰(zhàn)，最直接且有效的方法是確保牲畜的健康與高產(chǎn)，比如通過(guò)接種疫苗預(yù)防疾病、防止寄生蟲(chóng)侵?jǐn)_、以及提供充足營(yíng)養(yǎng)的食物，這些措施在資源匱乏地區(qū)尤為重要。雖然這些做法并不能直接減少動(dòng)物的甲烷排放量，但它們能夠提升生產(chǎn)效率，意味著每生產(chǎn)一磅肉或每加侖奶所產(chǎn)生的甲烷排放量 —— 即排放強(qiáng)度，會(huì)顯著降低。
Arndt 指出了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：僅僅降低排放強(qiáng)度，并不能有效減少大氣中的甲烷總量。這是因?yàn)椋绻r(nóng)民僅僅通過(guò)提高生產(chǎn)效率來(lái)增加產(chǎn)量，而不相應(yīng)地減少畜群規(guī)模，那么總的甲烷排放量仍然會(huì)居高不下。
目前，研究人員尚缺乏充足的數(shù)據(jù)來(lái)精確評(píng)估這些提高生產(chǎn)力的措施在全球范圍內(nèi)能夠降低多少排放強(qiáng)度。然而，已經(jīng)有一些研究，特別是針對(duì)乳畜的，為我們提供了一些線索。根據(jù) Arndt 和她的同事們?cè)?2022 年《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上的綜述，這些措施有望減少大約 10% 到 15%，甚至更多的排放強(qiáng)度。
“提高生產(chǎn)力很重要 —— 但這只是一個(gè)開(kāi)始。”全球甲烷中心的農(nóng)業(yè)項(xiàng)目主任 Hayden Montgomery 說(shuō)。全球甲烷中心是一個(gè)專(zhuān)注于協(xié)調(diào)和資助甲烷減排研究的慈善合作組織?！?strong>單靠提高生產(chǎn)力本身不足以實(shí)現(xiàn)我們想要的減排水平，但它肯定是積極的開(kāi)始。”
當(dāng)前，在減少總體甲烷排放的策略中，唯一一項(xiàng)可即刻付諸實(shí)踐的策略是采用一種名為 3-硝基氧基丙醇（3-NOP）的合成飼料添加劑。該添加劑的獨(dú)特之處在于，它能在產(chǎn)甲烷菌作用之前，有效吸收瘤胃內(nèi)產(chǎn)生的部分氫氣。值得注意的是，3-NOP 已在多個(gè)國(guó)家取得批準(zhǔn)，其中包括美國(guó)與加拿大，且已證實(shí)能減少超過(guò) 30% 的甲烷排放量。
Diego Morgavi，法國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)、食品和環(huán)境研究所（French National Research Institute for Agriculture, Food and Environment）的動(dòng)物科學(xué)家，與人合著了一篇關(guān)于減少腸道甲烷的綜述，發(fā)表在 2024 年的《動(dòng)物生物科學(xué)年度評(píng)論》（Annual Review of Animal Biosciences）上。Morgavi 提到，當(dāng)前研究中還有其他潛在的飼料添加劑正受到關(guān)注，其中之一便是紅藻。紅藻產(chǎn)生一種名為溴仿（三溴甲烷）的分子，這種分子能阻斷甲烷生成的最后一步，理論上能減少高達(dá) 90% 的排放。然而，溴仿是有毒的，且目前尚無(wú)法確定這種對(duì)瘤胃微生物的改變是否能在長(zhǎng)期內(nèi)保持安全無(wú)害。
然而，這些添加劑在實(shí)際應(yīng)用中可能面臨諸多挑戰(zhàn)。對(duì)于眾多農(nóng)民而言，它們或許并不切實(shí)可行，因?yàn)檫@增加了飼養(yǎng)成本，但并未帶來(lái)生產(chǎn)力的顯著提升。“誰(shuí)來(lái)為此買(mǎi)單？”Arndt 提出了這樣的疑問(wèn)。更為棘手的是，家畜需要每天攝入這些添加劑，但對(duì)于全球大多數(shù)在牧場(chǎng)自由放牧的反芻動(dòng)物而言，這無(wú)疑是一個(gè)難以實(shí)現(xiàn)的物流難題。“這正是我們面臨的大問(wèn)題 —— 對(duì)于放牧動(dòng)物，我們根本無(wú)法有效控制其排放。”華盛頓州大學(xué)的動(dòng)物科學(xué)家 Kristen Johnson 如此說(shuō)道。
培育低甲烷排放的動(dòng)物
對(duì)于那些自由放牧的家畜來(lái)說(shuō)，通過(guò)育種減少其甲烷排放量成為了一個(gè)頗具前景的選擇。無(wú)論是綿羊還是牛，即便是體型和飲食習(xí)慣完全相同，它們排放的甲烷量也可能存在高達(dá) 30% 至 40% 的差異?！斑@個(gè)差異范圍給了我們很大的操作空間，” Montgomery 說(shuō)道。這一特性似乎與其他許多育種者常規(guī)考慮的性狀一樣，具有遺傳性。事實(shí)上，育種者已經(jīng)開(kāi)始將甲烷產(chǎn)量納入他們對(duì)加拿大奶牛、愛(ài)爾蘭肉牛和新西蘭綿羊的選擇標(biāo)準(zhǔn)中了。
在自由放牧的環(huán)境中，評(píng)估育種計(jì)劃對(duì)家畜甲烷排放量的影響確實(shí)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。然而，科羅拉多州立大學(xué)的研究人員正致力于開(kāi)發(fā)解決方案。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)可以便捷地安置在牧場(chǎng)上的打嗝捕捉室。當(dāng)牛群靠近這個(gè)裝置時(shí)，佩戴在它們耳朵上的電子標(biāo)簽會(huì)迅速識(shí)別出每一頭牛的身份。如果研究人員需要從特定的牛那里獲取甲烷排放數(shù)據(jù)，這個(gè)裝置會(huì)發(fā)出輕微的響聲，并自動(dòng)向室內(nèi)投放一份零食作為獎(jiǎng)勵(lì)。當(dāng)牛在好奇心的驅(qū)使下，將頭伸進(jìn)室內(nèi)咀嚼零食時(shí)，裝置內(nèi)的一個(gè)風(fēng)扇會(huì)開(kāi)始工作，從室內(nèi)抽取空氣樣本，并通過(guò)內(nèi)置的高精度儀器精確測(cè)量牛打嗝時(shí)釋放的甲烷量。
研究人員正在使用一種移動(dòng)式甲烷測(cè)量系統(tǒng)來(lái)記錄在牧場(chǎng)放牧的牛的甲烷排放情況。當(dāng)系統(tǒng)探測(cè)到它想要測(cè)量的牛的電子耳標(biāo)時(shí)，就會(huì)在室內(nèi)釋放一種獎(jiǎng)勵(lì)，并發(fā)出嗶嗶聲吸引牛。牛一邊咀嚼著獎(jiǎng)勵(lì)，機(jī)器一邊測(cè)量牛呼出的氣體中甲烷的含量。這種創(chuàng)新的方法不僅能夠減少對(duì)牛的干擾，還能提供精確的個(gè)體甲烷排放數(shù)據(jù)。
科學(xué)家們正在探索更簡(jiǎn)便的方法來(lái)測(cè)量動(dòng)物的甲烷排放量 —— 僅通過(guò)一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量，就能對(duì)動(dòng)物長(zhǎng)期的甲烷產(chǎn)量進(jìn)行較為準(zhǔn)確的估算。例如，通過(guò)對(duì)動(dòng)物瘤胃或口腔中的微生物進(jìn)行基因分析，來(lái)間接預(yù)測(cè)其甲烷排放量；甚至還有有研究表明奶牛的牛奶化學(xué)成分可能與其甲烷排放量存在某種關(guān)聯(lián)。將這些不同的測(cè)量方法結(jié)合起來(lái)，可能會(huì)得到更加可靠的數(shù)據(jù)，Montgomery 說(shuō)：“那將會(huì)帶來(lái)革命性變化?！?/p>
Montgomery 希望在十年內(nèi)，能夠培育出排放較少甲烷的家畜品種，并讓這些新品種在擁有健全家畜育種計(jì)劃的國(guó)家中廣泛推廣。與飼料添加劑相比，這類(lèi)育種計(jì)劃的優(yōu)勢(shì)在于，它們實(shí)現(xiàn)的減排效果是永久性的，并且可以遺傳給后代，這意味著農(nóng)民或牧民無(wú)需再付出額外的努力或成本。
改良微生物
在家畜的瘤胃中，微生物的作用不僅僅是幫助動(dòng)物消化食物，它們還參與了甲烷的產(chǎn)生?？茖W(xué)家們正在探索通過(guò)調(diào)整這些微生物來(lái)減少甲烷排放的新方法。一項(xiàng)針對(duì) 750 頭丹麥奶牛的分析顯示，瘤胃中微生物的構(gòu)成，獨(dú)立于動(dòng)物的遺傳特征，對(duì)奶牛甲烷排放量的多少具有顯著影響。
“調(diào)整瘤胃中微生物的平衡，使之更傾向于利用瘤胃內(nèi)的氫氣來(lái)生成其他對(duì)反芻動(dòng)物有益的能量來(lái)源分子，如乙酸、丙酸和脂肪酸，而非甲烷，這被視為一個(gè)極具前景的減排策略?！庇俑鐐惐葋喆髮W(xué)動(dòng)物微生物組研究員 Leluo Guan 說(shuō)。Guan 目前隸屬于一個(gè)專(zhuān)注于研究瘤胃內(nèi)氫氣流向的團(tuán)隊(duì)，他們的工作重點(diǎn)是追蹤氫氣轉(zhuǎn)化為甲烷的比例，以及轉(zhuǎn)化為有益分子的比例。通過(guò)比較高甲烷排放和低甲烷排放的動(dòng)物，該團(tuán)隊(duì)期望能夠發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)氫氣平衡的有效途徑，進(jìn)而減少甲烷的產(chǎn)生。
“簡(jiǎn)而言之，關(guān)鍵在于將氫氣有效地導(dǎo)向其他用途，”加州大學(xué)戴維斯分校的微生物學(xué)家 Matthias Hess 強(qiáng)調(diào)道。在他的實(shí)驗(yàn)室中，Hess 利用一個(gè)密封的實(shí)驗(yàn)裝置 —— 人工瘤胃，結(jié)合 CRISPR 基因編輯技術(shù)，對(duì)瘤胃微生物進(jìn)行改造，旨在減少甲烷的生成。Hess 希望在兩三年內(nèi)獲得有用的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，并有望在五至七年內(nèi)，準(zhǔn)備好能將改良后的微生物群落移植到動(dòng)物瘤胃中的技術(shù)。他堅(jiān)信，在人工瘤胃研究中積累的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，同樣適用于其他甲烷產(chǎn)生的環(huán)境，例如廢水處理池和糞便堆積區(qū)。
盡管 Guan、Hess 和其他科學(xué)家可能成功地培育出了甲烷產(chǎn)量較低的微生物組，但目前尚不清楚是否可能將這種組合應(yīng)用于真實(shí)動(dòng)物中。反芻動(dòng)物的微生物組是出了名的難以改變：即便研究人員設(shè)法清除了原有的微生物群落并嘗試引入新的微生物，微生物組也會(huì)迅速回歸至先前的狀態(tài)。
在動(dòng)物生命周期的早期階段介入可能帶來(lái)更大的成功機(jī)會(huì)。Morgavi 及其同事對(duì)九頭新生小牛在前 14 周的壽命里使用了 3-NOP 添加劑進(jìn)行處理。由于 3-NOP 能夠剝奪產(chǎn)甲烷菌所需的氫氣，因此在瘤胃微生物群落形成的關(guān)鍵時(shí)期，它讓這些微生物在瘤胃生態(tài)系統(tǒng)中處于競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果確實(shí)表明，經(jīng)過(guò) 3-NOP 處理的小牛與八頭未經(jīng)處理的對(duì)照小牛的微生物群落存在差異 —— 而且，這一差異在隨后長(zhǎng)達(dá) 60 周的實(shí)驗(yàn)期間持續(xù)存在。Morgavi 團(tuán)隊(duì)于 2021 年在《科學(xué)報(bào)告》上發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)。Morgavi 指出，這可能意味著存在一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，農(nóng)民可以在此期間通過(guò)干預(yù)來(lái)塑造瘤胃生物群落，從而對(duì)動(dòng)物的一生產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。然而，他也強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)研究仍需要在其他動(dòng)物群體和不同條件下進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。
甲烷排放疫苗
另一種改變瘤胃微生物群落，使其不再產(chǎn)生甲烷的方法是開(kāi)發(fā)針對(duì)產(chǎn)甲烷微生物的家畜疫苗。研究人員希望這種疫苗能夠激活動(dòng)物的免疫系統(tǒng)，促使動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生抗體，這些抗體能夠與瘤胃中的產(chǎn)甲烷菌結(jié)合并使其失去活性。鑒于疫苗接種在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中已被廣泛接納，并且通常僅需偶爾進(jìn)行加強(qiáng)接種，這種方法相較于每日添加飼料添加劑可能更為實(shí)用。
新西蘭政府所屬研究機(jī)構(gòu) AgResearch 的免疫學(xué)家 Neil Wedlock 帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，近二十年來(lái)一直致力于開(kāi)發(fā)一種能夠減少羊甲烷排放的疫苗。他們的研究成果表明，接種疫苗的羊能夠在唾液中產(chǎn)生大量針對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抗體，這些抗體的數(shù)量足以在理論上使瘤胃內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌全部失活?！叭绻呙缬行В搱F(tuán)隊(duì)希望它能將甲烷排放量減少約 30%?！盝anssen 說(shuō)。然而，該團(tuán)隊(duì)至今尚未在活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中觀察到一致且顯著的甲烷排放減少效果。
在全球迫切需要減少甲烷排放以應(yīng)對(duì)氣候變化的背景下，同時(shí)考慮到減少牛肉和牛奶消費(fèi)的政治意愿相對(duì)有限，控制腸道甲烷排放或許是我們實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵氣候目標(biāo)的重要途徑之一，Montgomery 強(qiáng)調(diào)。然而，他也承認(rèn)，將當(dāng)前這些充滿希望的研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際可用的技術(shù)還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。
“實(shí)際上，我不指望到 2030 年我們能讓家畜甲烷減少 30%，”Montgomery 說(shuō)，“但我們能想象到 2050 年減少 50% 嗎？當(dāng)然 —— 甚至可能更多?！?/p>
作者：Bob Holmes
翻譯：Chocobo
審校：7 號(hào)機(jī)
原文鏈接：Cleaning up cow burps to combat global warming
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