牛嗝治理大作战：全球变暖的另类解决方案
在构建更加可持续的全球粮食系统的迫切需求中，牲畜扮演着喜忧参半的角色。一方面，它们如同自然界的转化大师，将人们无法直接食用的纤维性植物转化为富含蛋白质的肉类和牛奶，牛和羊作为放牧动物，是人类食物的重要来源。对于世界上许多最贫困的人来说，一两头牛，亦或者几只羊，就能成为他们生计的支柱。
然而，这些益处伴随着巨大的环境代价。2013 年的一项研究表明，全球范围内，牲畜产生的温室气体排放约占总量的 14.5%，超过了全世界所有汽车和卡车排放的总和。在牲畜对全球变暖的潜在影响中，甲烷这一强效温室气体尤为突出，占据了约 40% 的比重。而甲烷，正是牲畜消化纤维性食物时不经意间释放出的“隐形杀手”。
面对牲畜带来的两难局面，人们进行了大量的研究工作来减少放牧动物的甲烷排放。当前，诸如优化饲养管理、采用新型饲料添加剂等方法，虽已初显成效，但还不足以在全球范围内产生显著影响。因此，科学家们正在探索其他可能的解决方案，比如培育低甲烷排放的牲畜和调控在放牧动物胃中产生甲烷的微生物。尽管这些方法距离实际应用尚需时日，但它们可能相对容易广泛实施，并最终可能会产生不可估量的积极作用。
好消息是，甲烷是一种相对短命的温室气体。与二氧化碳会在大气中滞留一个多世纪相比，今天排放的甲烷在短短十多年后就会消散殆尽。因此，当前立即采取措施减少甲烷排放可以迅速降低温室气体水平，从而减缓气候变化。
Claudia Arndt，一位在肯尼亚内罗毕国际畜牧研究所工作的乳品营养学家，致力于研究甲烷排放问题。她指出，“在未来 20 年内减少甲烷排放是我们唯一能够控制全球变暖的方法。”
甲烷困境
降低甲烷排放面临的巨大挑战在于，这种气体是令反刍动物具有独特价值的同时自然产生的副产品：因为反刍动物与一群微生物的伙伴关系。这些微生物生活在反刍动物四个胃中最大的瘤胃（也就是第一胃）里，在那里它们将纤维性食物分解成更小的分子，供动物吸收营养。在这个过程中，它们产生大量的氢气，这些氢气被另一群被称为产甲烷菌的微生物转化为甲烷。
大部分这种甲烷，通常被称为肠道甲烷，是由动物通过打嗝或呼气排放到大气中的 —— 举例来说，一头牛每年大约会排放 220 磅的甲烷气体。（与普遍的看法相反的是，通过放屁排出的甲烷非常少。饲养场和奶牛场堆积的粪便中，大约占了美国牲畜甲烷排放的四分之一，但是通过改善通风条件或者捕获甲烷用于生产生物燃气可以防止这些排放。相比之下，放牧动物单独排泄的粪便所产生的甲烷则少之又少，几乎可以忽略不计。）
捕捉和减少肠道甲烷排放的确是一个棘手的问题，因为反刍动物在产生甲烷的同时还在不停活动。面对这一挑战，最直接且有效的方法是确保牲畜的健康与高产，比如通过接种疫苗预防疾病、防止寄生虫侵扰、以及提供充足营养的食物，这些措施在资源匮乏地区尤为重要。虽然这些做法并不能直接减少动物的甲烷排放量，但它们能够提升生产效率，意味着每生产一磅肉或每加仑奶所产生的甲烷排放量 —— 即排放强度，会显著降低。
Arndt 指出了一个关键问题：仅仅降低排放强度，并不能有效减少大气中的甲烷总量。这是因为，如果农民仅仅通过提高生产效率来增加产量，而不相应地减少畜群规模，那么总的甲烷排放量仍然会居高不下。
目前，研究人员尚缺乏充足的数据来精确评估这些提高生产力的措施在全球范围内能够降低多少排放强度。然而，已经有一些研究，特别是针对乳畜的，为我们提供了一些线索。根据 Arndt 和她的同事们在 2022 年《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的综述，这些措施有望减少大约 10% 到 15%，甚至更多的排放强度。
“提高生产力很重要 —— 但这只是一个开始。”全球甲烷中心的农业项目主任 Hayden Montgomery 说。全球甲烷中心是一个专注于协调和资助甲烷减排研究的慈善合作组织。“单靠提高生产力本身不足以实现我们想要的减排水平，但它肯定是积极的开始。”
当前，在减少总体甲烷排放的策略中，唯一一项可即刻付诸实践的策略是采用一种名为 3-硝基氧基丙醇（3-NOP）的合成饲料添加剂。该添加剂的独特之处在于，它能在产甲烷菌作用之前，有效吸收瘤胃内产生的部分氢气。值得注意的是，3-NOP 已在多个国家取得批准，其中包括美国与加拿大，且已证实能减少超过 30% 的甲烷排放量。
Diego Morgavi，法国国家农业、食品和环境研究所（French National Research Institute for Agriculture, Food and Environment）的动物科学家，与人合著了一篇关于减少肠道甲烷的综述，发表在 2024 年的《动物生物科学年度评论》（Annual Review of Animal Biosciences）上。Morgavi 提到，当前研究中还有其他潜在的饲料添加剂正受到关注，其中之一便是红藻。红藻产生一种名为溴仿（三溴甲烷）的分子，这种分子能阻断甲烷生成的最后一步，理论上能减少高达 90% 的排放。然而，溴仿是有毒的，且目前尚无法确定这种对瘤胃微生物的改变是否能在长期内保持安全无害。
然而，这些添加剂在实际应用中可能面临诸多挑战。对于众多农民而言，它们或许并不切实可行，因为这增加了饲养成本，但并未带来生产力的显著提升。“谁来为此买单？”Arndt 提出了这样的疑问。更为棘手的是，家畜需要每天摄入这些添加剂，但对于全球大多数在牧场自由放牧的反刍动物而言，这无疑是一个难以实现的物流难题。“这正是我们面临的大问题 —— 对于放牧动物，我们根本无法有效控制其排放。”华盛顿州大学的动物科学家 Kristen Johnson 如此说道。
培育低甲烷排放的动物
对于那些自由放牧的家畜来说，通过育种减少其甲烷排放量成为了一个颇具前景的选择。无论是绵羊还是牛，即便是体型和饮食习惯完全相同，它们排放的甲烷量也可能存在高达 30% 至 40% 的差异。“这个差异范围给了我们很大的操作空间，” Montgomery 说道。这一特性似乎与其他许多育种者常规考虑的性状一样，具有遗传性。事实上，育种者已经开始将甲烷产量纳入他们对加拿大奶牛、爱尔兰肉牛和新西兰绵羊的选择标准中了。
在自由放牧的环境中，评估育种计划对家畜甲烷排放量的影响确实是一项挑战。然而，科罗拉多州立大学的研究人员正致力于开发解决方案。他们设计了一个可以便捷地安置在牧场上的打嗝捕捉室。当牛群靠近这个装置时，佩戴在它们耳朵上的电子标签会迅速识别出每一头牛的身份。如果研究人员需要从特定的牛那里获取甲烷排放数据，这个装置会发出轻微的响声，并自动向室内投放一份零食作为奖励。当牛在好奇心的驱使下，将头伸进室内咀嚼零食时，装置内的一个风扇会开始工作，从室内抽取空气样本，并通过内置的高精度仪器精确测量牛打嗝时释放的甲烷量。
研究人员正在使用一种移动式甲烷测量系统来记录在牧场放牧的牛的甲烷排放情况。当系统探测到它想要测量的牛的电子耳标时，就会在室内释放一种奖励，并发出哔哔声吸引牛。牛一边咀嚼着奖励，机器一边测量牛呼出的气体中甲烷的含量。这种创新的方法不仅能够减少对牛的干扰，还能提供精确的个体甲烷排放数据。
科学家们正在探索更简便的方法来测量动物的甲烷排放量 —— 仅通过一个点的测量，就能对动物长期的甲烷产量进行较为准确的估算。例如，通过对动物瘤胃或口腔中的微生物进行基因分析，来间接预测其甲烷排放量；甚至还有有研究表明奶牛的牛奶化学成分可能与其甲烷排放量存在某种关联。将这些不同的测量方法结合起来，可能会得到更加可靠的数据，Montgomery 说：“那将会带来革命性变化。”
Montgomery 希望在十年内，能够培育出排放较少甲烷的家畜品种，并让这些新品种在拥有健全家畜育种计划的国家中广泛推广。与饲料添加剂相比，这类育种计划的优势在于，它们实现的减排效果是永久性的，并且可以遗传给后代，这意味着农民或牧民无需再付出额外的努力或成本。
改良微生物
在家畜的瘤胃中，微生物的作用不仅仅是帮助动物消化食物，它们还参与了甲烷的产生。科学家们正在探索通过调整这些微生物来减少甲烷排放的新方法。一项针对 750 头丹麦奶牛的分析显示，瘤胃中微生物的构成，独立于动物的遗传特征，对奶牛甲烷排放量的多少具有显著影响。
“调整瘤胃中微生物的平衡，使之更倾向于利用瘤胃内的氢气来生成其他对反刍动物有益的能量来源分子，如乙酸、丙酸和脂肪酸，而非甲烷，这被视为一个极具前景的减排策略。”英属哥伦比亚大学动物微生物组研究员 Leluo Guan 说。Guan 目前隶属于一个专注于研究瘤胃内氢气流向的团队，他们的工作重点是追踪氢气转化为甲烷的比例，以及转化为有益分子的比例。通过比较高甲烷排放和低甲烷排放的动物，该团队期望能够发现调节氢气平衡的有效途径，进而减少甲烷的产生。
“简而言之，关键在于将氢气有效地导向其他用途，”加州大学戴维斯分校的微生物学家 Matthias Hess 强调道。在他的实验室中，Hess 利用一个密封的实验装置 —— 人工瘤胃，结合 CRISPR 基因编辑技术，对瘤胃微生物进行改造，旨在减少甲烷的生成。Hess 希望在两三年内获得有用的实验室结果，并有望在五至七年内，准备好能将改良后的微生物群落移植到动物瘤胃中的技术。他坚信，在人工瘤胃研究中积累的知识与经验，同样适用于其他甲烷产生的环境，例如废水处理池和粪便堆积区。
尽管 Guan、Hess 和其他科学家可能成功地培育出了甲烷产量较低的微生物组，但目前尚不清楚是否可能将这种组合应用于真实动物中。反刍动物的微生物组是出了名的难以改变：即便研究人员设法清除了原有的微生物群落并尝试引入新的微生物，微生物组也会迅速回归至先前的状态。
在动物生命周期的早期阶段介入可能带来更大的成功机会。Morgavi 及其同事对九头新生小牛在前 14 周的寿命里使用了 3-NOP 添加剂进行处理。由于 3-NOP 能够剥夺产甲烷菌所需的氢气，因此在瘤胃微生物群落形成的关键时期，它让这些微生物在瘤胃生态系统中处于竞争劣势。
实验结果确实表明，经过 3-NOP 处理的小牛与八头未经处理的对照小牛的微生物群落存在差异 —— 而且，这一差异在随后长达 60 周的实验期间持续存在。Morgavi 团队于 2021 年在《科学报告》上发表了这一发现。Morgavi 指出，这可能意味着存在一个关键时期，农民可以在此期间通过干预来塑造瘤胃生物群落，从而对动物的一生产生深远影响。然而，他也强调，这项研究仍需要在其他动物群体和不同条件下进行进一步的验证。
甲烷排放疫苗
另一种改变瘤胃微生物群落，使其不再产生甲烷的方法是开发针对产甲烷微生物的家畜疫苗。研究人员希望这种疫苗能够激活动物的免疫系统，促使动物体内产生抗体，这些抗体能够与瘤胃中的产甲烷菌结合并使其失去活性。鉴于疫苗接种在农业实践中已被广泛接纳，并且通常仅需偶尔进行加强接种，这种方法相较于每日添加饲料添加剂可能更为实用。
新西兰政府所属研究机构 AgResearch 的免疫学家 Neil Wedlock 带领的团队，近二十年来一直致力于开发一种能够减少羊甲烷排放的疫苗。他们的研究成果表明，接种疫苗的羊能够在唾液中产生大量针对产甲烷菌的抗体，这些抗体的数量足以在理论上使瘤胃内的产甲烷菌全部失活。“如果疫苗有效，该团队希望它能将甲烷排放量减少约 30%。”Janssen 说。然而，该团队至今尚未在活体动物实验中观察到一致且显著的甲烷排放减少效果。
在全球迫切需要减少甲烷排放以应对气候变化的背景下，同时考虑到减少牛肉和牛奶消费的政治意愿相对有限，控制肠道甲烷排放或许是我们实现关键气候目标的重要途径之一，Montgomery 强调。然而，他也承认，将当前这些充满希望的研究成果转化为实际可用的技术还需要相当长的时间。
“实际上，我不指望到 2030 年我们能让家畜甲烷减少 30%，”Montgomery 说，“但我们能想象到 2050 年减少 50% 吗？当然 —— 甚至可能更多。”
作者：Bob Holmes
翻译：Chocobo
审校：7 号机
原文链接：Cleaning up cow burps to combat global warming
本文来自微信公众号：微信公众号（ID：null），作者：Bob Holmes
