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，將人們無法直接食用的纖維性植物轉(zhuǎn)化為富含蛋白質(zhì)的肉類和牛奶，牛和羊作為放牧動物，是人類食物的重要來源。對于世界上許多最貧困的人來說，一兩頭牛，亦或者幾只羊，就能成為他們生計的支柱。
然而，這些益處伴隨著巨大的環(huán)境代價。2013 年的一項研究表明，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%，超過了全世界所有汽車和卡車排放的總和。在牲畜對全球變暖的潛在影響中，甲烷這一強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不經(jīng)意間釋放出的“隱形殺手”。
面對牲畜帶來的兩難局面，人們進(jìn)行了大量的研究工作來減少放牧動物的甲烷排放。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)控在放牧動物胃中產(chǎn)生甲烷的微生物。盡管這些方法距離實際應(yīng)用尚需時日，但它們可能相對容易廣泛實施，并最終可能會產(chǎn)生不可估量的積極作用。
好消息是，甲烷是一種相對短命的溫室氣體。與二氧化碳會在大氣中滯留一個多世紀(jì)相比，今天排放的甲烷在短短十多年后就會消散殆盡。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)羅畢國際畜牧研究所工作的乳品營養(yǎng)學(xué)家，致力于研究甲烷排放問題。她指出，“在未來 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物具有獨特價值的同時自然產(chǎn)生的副產(chǎn)品：因為反芻動物與一群微生物的伙伴關(guān)系。這些微生物生活在反芻動物四個胃中最大的瘤胃（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，供動物吸收營養(yǎng)。在這個過程中，它們產(chǎn)生大量的氫氣，這些氫氣被另一群被稱為產(chǎn)甲烷菌的微生物轉(zhuǎn)化為甲烷。
大部分這種甲烷，通常被稱為腸道甲烷，是由動物通過打嗝或呼氣排放到大氣中的 —— 舉例來說，一頭牛每年大約會排放 220 磅的甲烷氣體。（與普遍的看法相反的是，通過放屁排出的甲烷非常少。飼養(yǎng)場和奶牛場堆積的糞便中，大約占了美國牲畜甲烷排放的四分之一，但是通過改善通風(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，放牧動物單獨排泄的糞便所產(chǎn)生的甲烷則少之又少，幾乎可以忽略不計。）
捕捉和減少腸道甲烷排放的確是一個棘手的問題，因為反芻動物在產(chǎn)生甲烷的同時還在不?；顒?/strong>。面對這一挑戰(zhàn)，最直接且有效的方法是確保牲畜的健康與高產(chǎn)，比如通過接種疫苗預(yù)防疾病、防止寄生蟲侵?jǐn)_、以及提供充足營養(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 —— 即排放強度，會顯著降低。
Arndt 指出了一個關(guān)鍵問題：僅僅降低排放強度，并不能有效減少大氣中的甲烷總量。這是因為，如果農(nóng)民僅僅通過提高生產(chǎn)效率來增加產(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居高不下。
目前，研究人員尚缺乏充足的數(shù)據(jù)來精確評估這些提高生產(chǎn)力的措施在全球范圍內(nèi)能夠降低多少排放強度。然而，已經(jīng)有一些研究，特別是針對乳畜的，為我們提供了一些線索。根據(jù) Arndt 和她的同事們在 2022 年《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上的綜述，這些措施有望減少大約 10% 到 15%，甚至更多的排放強度。
“提高生產(chǎn)力很重要 —— 但這只是一個開始?！比蚣淄橹行牡霓r(nóng)業(yè)項目主任 Hayden Montgomery 說。全球甲烷中心是一個專注于協(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)力本身不足以實現(xiàn)我們想要的減排水平，但它肯定是積極的開始?！?/p>
當(dāng)前，在減少總體甲烷排放的策略中，唯一一項可即刻付諸實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 已在多個國家取得批準(zhǔn)，其中包括美國與加拿大，且已證實能減少超過 30% 的甲烷排放量。
Diego Morgavi，法國國家農(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《動物生物科學(xué)年度評論》（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，且目前尚無法確定這種對瘤胃微生物的改變是否能在長期內(nèi)保持安全無害。
然而，這些添加劑在實際應(yīng)用中可能面臨諸多挑戰(zhàn)。對于眾多農(nóng)民而言，它們或許并不切實可行，因為這增加了飼養(yǎng)成本，但并未帶來生產(chǎn)力的顯著提升?！罢l來為此買單？”Arndt 提出了這樣的疑問。更為棘手的是，家畜需要每天攝入這些添加劑，但對于全球大多數(shù)在牧場自由放牧的反芻動物而言，這無疑是一個難以實現(xiàn)的物流難題?！斑@正是我們面臨的大問題 —— 對于放牧動物，我們根本無法有效控制其排放?！比A盛頓州大學(xué)的動物科學(xué)家 Kristen Johnson 如此說道。
培育低甲烷排放的動物
對于那些自由放牧的家畜來說，通過育種減少其甲烷排放量成為了一個頗具前景的選擇。無論是綿羊還是牛，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@個差異范圍給了我們很大的操作空間，” Montgomery 說道。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。事實上，育種者已經(jīng)開始將甲烷產(chǎn)量納入他們對加拿大奶牛、愛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，評估育種計劃對家畜甲烷排放量的影響確實是一項挑戰(zhàn)。然而，科羅拉多州立大學(xué)的研究人員正致力于開發(fā)解決方案。他們設(shè)計了一個可以便捷地安置在牧場上的打嗝捕捉室。當(dāng)牛群靠近這個裝置時，佩戴在它們耳朵上的電子標(biāo)簽會迅速識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)，這個裝置會發(fā)出輕微的響聲，并自動向室內(nèi)投放一份零食作為獎勵。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，裝置內(nèi)的一個風(fēng)扇會開始工作，從室內(nèi)抽取空氣樣本，并通過內(nèi)置的高精度儀器精確測量牛打嗝時釋放的甲烷量。
研究人員正在使用一種移動式甲烷測量系統(tǒng)來記錄在牧場放牧的牛的甲烷排放情況。當(dāng)系統(tǒng)探測到它想要測量的牛的電子耳標(biāo)時，就會在室內(nèi)釋放一種獎勵，并發(fā)出嗶嗶聲吸引牛。牛一邊咀嚼著獎勵，機器一邊測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牛的干擾，還能提供精確的個體甲烷排放數(shù)據(jù)。
科學(xué)家們正在探索更簡便的方法來測量動物的甲烷排放量 —— 僅通過一個點的測量，就能對動物長期的甲烷產(chǎn)量進(jìn)行較為準(zhǔn)確的估算。例如，通過對動物瘤胃或口腔中的微生物進(jìn)行基因分析，來間接預(yù)測其甲烷排放量；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)。將這些不同的測量方法結(jié)合起來，可能會得到更加可靠的數(shù)據(jù)，Montgomery 說：“那將會帶來革命性變化。”
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劃的國家中廣泛推廣。與飼料添加劑相比，這類育種計劃的優(yōu)勢在于，它們實現(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)家們正在探索通過調(diào)整這些微生物來減少甲烷排放的新方法。一項針對 750 頭丹麥奶牛的分析顯示，瘤胃中微生物的構(gòu)成，獨立于動物的遺傳特征，對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)的氫氣來生成其他對反芻動物有益的能量來源分子，如乙酸、丙酸和脂肪酸，而非甲烷，這被視為一個極具前景的減排策略?！庇俑鐐惐葋喆髮W(xué)動物微生物組研究員 Leluo Guan 說。Guan 目前隸屬于一個專注于研究瘤胃內(nèi)氫氣流向的團(tuán)隊，他們的工作重點是追蹤氫氣轉(zhuǎn)化為甲烷的比例，以及轉(zhuǎn)化為有益分子的比例。通過比較高甲烷排放和低甲烷排放的動物，該團(tuán)隊期望能夠發(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 強調(diào)道。在他的實驗室中，Hess 利用一個密封的實驗裝置 —— 人工瘤胃，結(jié)合 CRISPR 基因編輯技術(shù)，對瘤胃微生物進(jìn)行改造，旨在減少甲烷的生成。Hess 希望在兩三年內(nèi)獲得有用的實驗室結(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物瘤胃中的技術(shù)。他堅信，在人工瘤胃研究中積累的知識與經(jīng)驗，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)用于真實動物中。反芻動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，微生物組也會迅速回歸至先前的狀態(tài)。
在動物生命周期的早期階段介入可能帶來更大的成功機會。Morgavi 及其同事對九頭新生小牛在前 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)鍵時期，它讓這些微生物在瘤胃生態(tài)系統(tǒng)中處于競爭劣勢。
實驗結(jié)果確實表明，經(jīng)過 3-NOP 處理的小牛與八頭未經(jīng)處理的對照小牛的微生物群落存在差異 —— 而且，這一差異在隨后長達(dá) 60 周的實驗期間持續(xù)存在。Morgavi 團(tuán)隊于 2021 年在《科學(xué)報告》上發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)。Morgavi 指出，這可能意味著存在一個關(guān)鍵時期，農(nóng)民可以在此期間通過干預(yù)來塑造瘤胃生物群落，從而對動物的一生產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。然而，他也強調(diào)，這項研究仍需要在其他動物群體和不同條件下進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。
甲烷排放疫苗
另一種改變瘤胃微生物群落，使其不再產(chǎn)生甲烷的方法是開發(fā)針對產(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物的免疫系統(tǒng)，促使動物體內(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)實踐中已被廣泛接納，并且通常僅需偶爾進(jìn)行加強接種，這種方法相較于每日添加飼料添加劑可能更為實用。
新西蘭政府所屬研究機構(gòu) AgResearch 的免疫學(xué)家 Neil Wedlock 帶領(lǐng)的團(tuán)隊，近二十年來一直致力于開發(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)隊希望它能將甲烷排放量減少約 30%。”Janssen 說。然而，該團(tuán)隊至今尚未在活體動物實驗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)對氣候變化的背景下，同時考慮到減少牛肉和牛奶消費的政治意愿相對有限，控制腸道甲烷排放或許是我們實現(xiàn)關(guān)鍵氣候目標(biāo)的重要途徑之一，Montgomery 強調(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)化為實際可用的技術(shù)還需要相當(dāng)長的時間。
“實際上，我不指望到 2030 年我們能讓家畜甲烷減少 30%，”Montgomery 說，“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 號機
原文鏈接：Cleaning up cow burps to combat global warming
本文來自微信公眾號：微信公眾號（ID：null），作者：Bob Holmes
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