УДК 636.2/.3:636.018:591.132:579.85:547.211
БИОХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ УМЕНЬШЕНИЯ ЭМИССИИ МЕТАНА ЖВАЧНЫМИ ЖИВОТНЫМИ
Г.О. БОГДАНОВ1, Л.И. СОЛОГУБ2, В.В. ВЛИЗЛО2, В.Г. ЯНОВИЧ2, Г.Л. АНТОНЯК2, И.В. ЛУЧКА2
Обобщены данные литературы и результаты исследований авторов о биохимических механизмах метаногенеза в рубце и толстом кишечнике жвачных животных, а также роли кормовых факторов в его регуляции в связи с разработкой научно-практических основ уменьшения эмиссии метана в атмосферу.
Ключевые слова: метан, жвачные животные, метаногенез, рубец, рацион, корм.
Одна из основных экологических проблем в последние годы — увеличение выбросов в атмосферу парникових газов (СО2, СН4, N2O и хлорфторкарбонов) (1-5). В соответствии с Киотским протоколом (г. Киото, Япония, 1997), подписанным Россией и Украиной, в 2008-2012 годах этот показатель необходимо уменьшить в среднем на 5,2 % по сравнению с зарегистрированным в 1990 году. В настоящее время среднее содержание метана в атмосфере в 2 раза больше, чем в прединдустриальный период, а его повышение коррелирует с ростом населения (6). Установлено, что количество метана, выделяемое в атмосферу из разных источников, в последнее время возрастает на 30-40 млн т в год. Следовательно, для его стабилизации требуется такое же уменьшение эмиссии. Около 70 % эмиссии приходится на антропогенные источники, из которых до половины — на сельское хозяйство (около 2/3 образуется в пищеварительном тракте животных, 1/3 — при хранении навоза) (7).
К основным продуцентам метана среди животных, как известно, относятся жвачные, у которых метан образуется в процессах, связанных с расщеплением питательных веществ корма. В среднем около 20 % общей эмиссии метана в атмосферу (1) происходит за счет метаногенеза в пищеварительном тракте жвачных.
Ф е р м е н т а т и в н ы е п р о ц е с с ы и м е т а н о г е н е з в
р у б ц е ж в а ч н ы х ж и в о т н ы х. Рубец заселен симбиотическими микроорганизмами, которые метаболизируют питательные вещества корма, в частности структурные углеводы клеточной стенки растений (целлюлозу, гемицеллюлозу, пектин) (8). При росте микроорганизмов источником энергии служат молекулы АТР, которые образуются в результате анаэробной ферментации сахаров до низкомолекулярных жирных кислот (НЖК), в основном уксусной, пропионовой и масляной. За счет уксусной и пропионовой кислоты обеспечивается соответственно 50-60 % потребности крупного рогатого скота в метаболической энергии и 60-65 % — в глюкозе, а за счет белка микроорганизмов — от 50 до 90 % потребности в протеине.
Основу стратегии питания жвачных животных, с одной стороны, составляет высокая интенсивность ферментативных процессов в рубце, необходимая для оптимального роста симбиотических микроорганизмов, с другой — синхронизация процессов ферментации, в которых происходит продукция АТР и синтез бактериального протеина.
Тип ферментации в рубце влияет как на природу конечных продуктов (низкомолекулярных жирных кислот), так и на продукцию СО2 и Н2, которые служат предшественниками метана:
глюкоза (фруктоза) → 2пируват + 4Н + 2АТР;
2пируват + Н2О → 2ацетат (С2) + СО2 + 2Н2 + 2АТР;
2пируват + 8Н → 2пропионат (С3) + 2Н2О + 2АТР;
2пируват + 4Н → бутират (С4) + 2Н2 + 2СО2 + 2АТР.
Водород, который высвобождается в результате превращения сахаров в пируват, идет на восстановление NAD+ в NADH x Н+, служащий источником протонов и электронов в реакциях восстановления метана, пирувата до лактата, С18-полиненасыщенных жирних кислот — в стеариновую кислоту, сульфата — в сульфит и сульфид, нитрата — в нитрит и аммиак.
При ферментации глюкозных эквивалентов также происходит регенерация NAD+ вследствие переноса электронов на иные, чем кислород, акцепторы — СО2, сульфат, нитрат, фумарат (9, 10). В процессе транспорта электронов при фосфорилировании в клетках микроорганизмов осуществляется восстановление АТР (11). Продукция Н2 — термодинамически невыгодный процесс, который контролируется потенциалом переносчиков электронов, поскольку даже незначительное количество Н2 ингибирует активность микробиальных гидрогеназ (12). Н2 относится к основным продуктам ферментации глюкозы, используемым другими бактериями из смешанной популяции микрофлоры рубца (так называемая кооперативность между Н2-продуцирующими и Н2-утилизирующими бактериями, или «межвидовой перенос водорода») (13).
Удаление водорода в рубце происходит главным образом в реакции образования метана:
СО2 + 4Н2 → СН4 + 2Н2О.
Наибольший перенос водорода к метаногенам обнаружен при фер-ментации сахаров, образованных в процессе деградации углеводов клеточных стенок растений (14). Метаболический водород используется также в синтезе низкомолекулярных жирных кислот и других органических соединений.
С образованием водорода происходят следующие реакции:
глюкоза → 2пируват + 4Н;
пируват + Н2О → ацетат + 2Н.
Реакции, в которых осуществляется утилизация водорода:
пируват + 4Н → пропионат + Н2О;
2ацетат + 4Н → бутират + 2Н2О;
СО2 + 8Н → СН4 + 2Н2О.
Хотя Н2, формиат, ацетат, метанол, моно-, ди- и триметиламины представляют собой потенциальные субстраты для метаногенов, только Н2, СО2 и в меньшей степени формиат используются в рубце как предшественники метана (15), образование которого — единственный энергогенерирующий процесс у этих бактерий, требующий присутствия кофакторов (16).
В толстом кишечнике метаногены способны использовать также другие предшественники. Например, Methanobrevibacter smithii продуцирует метан только при восстановлении метанола водородом, а метанол образуется при гидролизе пектинов и других метилированных растительных полисахаридов. Ацетогены — основные бактерии, утилизирующие Н2 в толстом кишечнике, тогда как в рубце взрослых жвачных животных их численность редко превышает 105/мл (17). Ацетогены и метаногены конкурируют за водород при преимуществе вторых (18). Мы показали, что у телят в возрасте 1 мес интенсивность метанообразования в рубце очень низкая (5 %) и достигает характерных для взрослых животных значений только к 6 мес (19).
Когда Н2 используется метаногенами не полностью, NADH x Н+ может окисляться дегидрогеназами бактерий в NAD в реакциях образования этанола или лактата. Этот процесс наблюдается при высоком содержании легкорасщепляемых углеводов в рационе и ведет к нарушению метаболизма в экосистеме рубца.
Количество образованного 2Н (2Нp) в представленных выше реакциях равняется количеству используемого 2Н (2Нu):
2С2 + С3 + 4С4 = 4СН4 + 2С3 + 2С4. [1]
Если учтена продукция Н2, лактата (Л), валериата (В) и потребление О2, то уравнение [1] можно преобразовать в уравнение [2]:
2С2 + С3 + 4С4 + Л + 3В = 4СH4 + 2C3 + 2C4 + 4В + 2H2 + Л + 2O. [2]
Скорость регенерации метаболического водорода в рубце рассчитывается, как 2Нu/2Нр, и составляет от 78 до 96 % на рационах с высоким содержанием грубых кормов (20). При среднем значении 90 % уравнение [3] дает возможность оценить продукцию метана:
СН4 = (1,8С2 - 1,1С3 + 1,6С4)/4 = 0,45С2 - 0,275С3 + 0,40С4. [3]
Из уравнения [3] видно, что количество отдельных низкомолекулярных жирних кислот влияет на продукцию метана в рубце. Образование ацетата и бутирата ведет к повышению продукции метана, пропионата — к снижению, что обусловлено использованием водорода на его образование (21). Такие расчеты сделаны на основании данных опытов in vitro, в которых конечные продукты определялись количественно. При этом была установлена отрицательная корреляция между продукцией метана и пропионата. Следовательно, образование пропионата и метана — конкурирующие пути метаболизма водорода и регенерации окисленных кофакторов в рубце. В условиях in vitro при низкой концентрации водородных ионов (рН < 5,5) метаногены рубца утрачивают способность продуцировать метан (22).
Следовательно, амилолитические бактерии, синтезирующие пропионат, могут конкурировать с метаногенами за использование водорода (23). Целлюлолитические бактерии при высоком содержании клетчатки продуцируют пропионат через сукцинат, лактатутилизующие — через лактат. В отличие от целлюлолитических бактерий и метаногенов утилизирующие лактат бактерии толерантны к низким значениям рН и способны использовать Н2, то есть конкурировать с метаногенами.
Ф е р м е н т а т и в н ы е п р о ц е с с ы в т о л с т о м к и ш е ч н и-
к е ж в а ч н ы х ж и в о т н ы х. До 10-30 % грубых и концентрированных кормов расщепляется в толстом кишечнике, что влияет на эмиссию метана жвачными, а также обусловливает образование и выделение метана у моногастриченых травоядных животных.
Анаэробная микрофлора толстого кишечника и рубца жвачных существенно не различается (24). Однако в толстом кишечнике жвачных отсутствуют инфузории, которые заселяют толстый кишечник лошадей (25). Значительное количество метана продуцируется также в толстом кишечнике свиней (26).
Наряду с образованием метана при восстановлении СО2 водородом в толстом кишечнике синтезируется ацетат (27):
2СО2 + 4Н2 → СН3-СООН + 2Н2О.
Ацетат абсорбируется в кровь и используется в энергетических и пластических процессах, тогда как образование метана ведет к потере энергии. Отметим, что в связи с этим выполняются исследования по разработке способа уменьшения продукции метана и увеличения продукции ацетата, однако при примерно одинаковой численности ацетогенных бактерий и метаногенов в рубце крупного рогатого скота (28) образование ацетата при восстановлении 14СО2 in vitro в содержимом рубца не происходит (29). Авторы считают, что в отличие от метаногенов ацетогены способны использовать в энергетических процессах другие, чем водород, источники.
Добавление Н2 к содержимому рубца при инкубации существенно не влияет на продукцию ацетата, тогда как продукция метана при этом увеличивается почти в 2 раза (30), к газовой фазе химуса слепой кишки — ведет к достоверному усилению синтеза как низкомолекулярных жирных кислот (+10 % С2, +14 % С3, +14 % С4), так и метана (+67 %), однако во втором варианте продукция метана ниже, чем в первом. Эти данные свидетельствуют, что водород значительно активнее используется в процессах метаногенеза, нежели в синтезе пропионата или бутирата. В отличие от рубца в толстом кишечнике на синтез жирных кислот используется значительно больше водорода, чем на синтез метана.
В л и я н и е к о р м л е н и я н а п р о д у к ц и ю м е т а н а в р у б ц е ж в а ч н ы х ж и в о т н ы х. П е р е в а р и м о е о р г а н и-
ч е с к о е в е щ е с т в о (ОВ). Эмиссия метана в атмосферу жвачными животными тесно связана с количеством переваримого органического вещества, поскольку больше 50 % корма переваривается в рубце. Согласно данным некоторых авторов (31), при увеличении переваримости на 10 % потери энергии в виде метана возрастают на 0,47 ед. — при скармливании животным грубых кормов и на 0,74 ед. — при скармливании смешанных рационов (31); другие авторы считают (32), что различиями в переваримости можно объяснить только 5 % потерь. Показатель переваримости не учитывает природу ферментируемого органического вещества и его влияние на состав продуцируемых низкомолекулярных жирных кислот, а также процессы переваривания в рубце и толстом кишечнике.
П р о д о л ж и т е л ь н о с т ь з а д е р ж к и к о р м а в р у б ц е
и с т е п е н ь е г о у т и л и з а ц и и. Продукция метана в рубце уменьшается при повышении скорости эвакуации корма из рубца в кишечник (33) вследствие низкой способности метаногенов конкурировать с другими бактериями. Кроме того, при этом усиливается продукция пропионата пропионовокислыми бактериями и использование водорода.
При повышении питательной ценности рационов потеря энергии на образование метана уменьшается пропорционально количеству потребляемой энергии (31, 34). Основное влияние кормления на метаногенез в рубце объясняется его действием на скорость перехода частиц корма из рубца в кишечник (35).
И с т о ч н и к и у г л е р о д а и х а р а к т е р ф е р м е н т а-
ц и и. Состав ОВ, особенно углеводов, в рационе животных значительно влияет на характер и скорость ферментации, а также на образование НЖК и метана. Рационы с высоким содержанием крахмала стимулируют продукцию пропионата и снижают — метана (14, 36). Как отмечалось выше, такие рационы влияют на рН в рубце и, как следствие, на образование метана (37). Рационы с высоким содержанием грубых кормов имеют обратное действие. Например, потери энергии на образование метана при скармливании животным грубых кормов и рационов с высоким содержанием зерновых концентратов составляли соответственно 6-7 и 2-3 % от общего количества потребленной энергии (32). Продукция метана возрастает также при скармливании сухих зрелых грубых кормов (38) или корма в виде недостаточно измельченных частиц (39, 40) и снижается, когда грубые корма скармливаются в силосованном виде (39). Обработка щелочью низкокачественного фуража приводит к увеличению эмиссии метана, что объясняется усилением процессов деградации растительных клеточных стенок в рубце (41).
С п о с о б ы с н и ж е н и я э м и с с и и м е т а н а
ж в а ч н ы м и ж и в о т н ы м и. И о н о ф о р ы. Ионофорные антибиотики, в частности монензин, уменьшают продукцию метана смешанной популяцией микроорганизмов рубца in vitro (42), что, однако, связано не с прямым влиянием ионофоров на метаногенные бактерии, а с изменением состава бактериальной популяции (уменьшение численности грамположительных и увеличение — грамотрицательных видов) с одновременным повышением активности пропионовокислого и снижением — уксуснокислого брожения (43). In vivo монензин уменьшает продукцию метана в рубце овец на 25 % (44), однако при продолжительном скармливании такого рациона эффект снижается (45). Влияние салиномицина на продукцию метана было более продолжительным (46).
М о д у л я т о р ы и н т е н с и в н о с т и м е т а н о г е н е з а. В связи с повышением резистентности бактерий и выявлением в продуктах животноводства остатков антибиотиков их использование с целью уменьшения метаногенеза в рубце жвачных проблематично. Поэтому заслуживают внимания данные о том, что дикарбоновые органические кислоты, как и ионофоры, могут изменять ферментацию в рубце (47). Показано, что при добавлении фумарата (предшественника пропионата) к «искусственному рубцу» продукция пропионата возрастала, а метана — снижалась (48). Акрилат, который служит предшественником пропионата в одной из реакций его образования, также депрессирует продукцию метана в рубце, однако в меньшей степени, чем фумарат (при добавлении в эквимолярных количествах) (49). Некоторые авторы (50), выявившие ингибирующее влияние фумарата на метаногенез в содержимом рубца in vitro, считают, что он может служить экономически обоснованной добавкой к рациону крупного рогатого скота. Малат, который превращается в пропионат через фумарат, также стимулирует продукцию пропионата и ингибирует метаногенез in vitro (51). Обнаружено подавление метаногенеза в рубце под влиянием сульфатов, нитратов, цистеина (52-54), а также при скармливании животным рационов с комплексными минеральными добавками и цеолитами (4, 55).
С т и м у л и р о в а н и е а ц е т о г е н о в. Способом снижения интенсивности метаногенеза в рубце может быть ингибирование за счет стимулирования образования альтернативных продуктов. Как указывалось выше, ацетогенные бактерии в толстом кишечнике некоторых млекопитающих продуцируют уксусную кислоту при редукции СО2 с участием водорода, образуемого в процессе ферментации углеводов в толстом кишечнике (30). Редуктивный ацетогенез в толстом кишечнике моногастричных животных иногда происходит наряду с метаногенезом, иногда угнетает его (56). Численность бактерий, которые образуют ацетат при восстановительном ацетогенезе, в рубце жвачных невелико, и они не способны конкурировать с метаногенными архебактериями за водород (57). Ацетогены снижают продукцию метана при добавлении их к жидкости рубца in vitro (48), однако обеспечить увеличение их популяции в рубце проблематично.
О к и с л и т е л и м е т а н а. Накопление метана в любой системе характеризуется разницей в интенсивности процессов его образования и окисления. Метанокисляющие бактерии выделены из образцов (58), в том числе из содержимого рубца, но с использованием 14СН4 in vitro показано, что окисление метана в рубце незначительно (59). Однако оно может происходить сравнительно интенсивно в толстом кишечнике свиней (60). Метанокисляющие бактерии, выделенные из кишечника свиней, снижают продукцию метана при добавлении к жидкости рубца in vitro (59), в связи с чем эти исследования заслуживают внимания.
Д е ф а у н и з а ц и я. Метаногенные бактерии и их эндосимбионты выявлены на внешней поверхности клеток инфузорий рубца (61, 62). Около 20 % метана продуцируется бактериями, связанными с инфузориями. Так, метаногенные архебактерии образуют 9-25 % от общего количества метана в рубцовой жидкости (63), а удаление инфузорий из рубца (дефаунизация) снижает интенсивность метаногенеза. Этот процесс зависит от состава рациона животных и наблюдается при превалировании концентрированных кормов над грубыми (64). Однако применение химических средств дефаунизации на практике осложняется их токсичностью для других микроорганизмов или животного-хозяина (65).
Определенный интерес представляют данные о дефаунизирующем влиянии некоторых растительных вторичных метаболитов. В частности, показано, что имеющиеся в некоторых растениях сапонины могут угнетать или удалять инфузории из содержимого рубца без отрицательного влияния на активность бактерий. Сапонины представляют собой глюкозиды, взаимодействующие с холестеролом, который содержится в клеточных мембранах только эукариотов (66). Отмечали снижение численности инфузорий в рубце овец после введения им очищенного сапонина (67) или скармливания сапонинсодержащих растений (68). Однако применение сапонинов как средства ингибирования метанообразования проблематично, поскольку цилиаты рубца играют важную роль в расщеплении клетчатки (69). Высказывается мнение, что инфузории отрицательно влияют на продуктивность животных (70), поскольку захватывают и переваривают бактерии (71), что ведет к снижению продукции микробиального протеина (70). Поэтому при использовании дефаунизации для снижения продукции метана в рубце нужно учитывать влияние инфузорий на метаболизм клетчатки и белка.
Ж и р ы. Обогащение рациона животных жирами также ведет к уменьшению числа инфузорий в рубце (43, 72) и значительному снижению продукции метана, причем источник жира влияет на эффективность его действия (73). Показано также ингибирование метаногенеза при добавлении жиров к рациону даже в отсутствие инфузорий (74). Это объясняется токсичностью высокомолекулярных жирных кислот для метаногенных бактерий (75). Включение в рацион большого количества растительных жиров (> 5 г/кг сухого вещества) может значительно ингибировать расщепление клетчатки в рубце, что нужно учитывать при кормлении (73).
П р о б и о т и к и. Большинство применяемых микробных добавок приготовлены на основе Saccharomyces cerevisiae и Aspergillus oryzae, которые различаются между собой по влиянию на ферментацию в рубце и продуктивность животных (76). А.oryzae при добавлении к корму уменьшают образование метана в рубце на 50 % (77), что связано со снижением численности популяции инфузорий (на 45 %). В то же время добавление S.cerevisiae in vitro в инкубационную систему ведет к сокращению продукции метана только на 10 %, in vivo — не влияет на нее (78). Более того, продукция метана в рубце жвачных увеличивается при добавлении к рациону S. cerevisiae и А. oryzae(79).
И м м у н и з а ц и я. Предполагается, что иммунизация жвачных животных против их собственных метаногенов позволит снижать эмиссию метана (80). Этот подход был проверен на бычках при иммунизации против стрептококков и лактококков содержимого рубца и дал положительные результаты (79). Однако такой прием регуляции метаногенеза требует проведения дальнейших дополнительных исследований.
П о в ы ш е н и е п р о д у к т и в н о с т и ж и в о т н ы х. Концепция повышения продуктивности животных с целью уменьшения эмиссии метана жвачными основана на приемах сохранения объема продукции молока и мяса при уменьшении поголовья.
Т и п р а ц и о н а. На продукцию метана в рубце животных в большой степени влияет тип кормления. Доля грубых кормов относительно концентратов существенно воздействует на ферментацию в рубце и соотношение ацетат/пропионат, которое снижается при уменьшении этой доли (и, как следствие, подавляется продукция метана в рубце) (81). При скармливании грубых кормов на образование метана в рубце расходовалось 6-7 % от общего количества потребляемой энергии, зерновых концентратов без ограничения (> 90 %) — 2-3 % (32). Возможно, эффектом именно этих факторов можно объяснить значительно меньшую продукцию метана крупным рогатым скотом в странах с интенсивным животноводством (в частности, в США по сравнению, например, с Индией).
Установлено (58), что скармливание высококонцентратных рационов или обогащение рациона лекарственными углеводами приводит к сдвигу ферментации в рубце в неблагоприятную для развития метаногенных бактерий сторону: увеличивается скорость прохождения корма в кишечник, снижается рН, ингибируются некоторые популяции инфузорий и метаногенных бактерий. О подавлении продукции метана низким рН в рубце сообщают также другие авторы (82).
С о с т а в р а ц и о н а. Повышение энергетической и белковой ценности рациона (независимо от его состава) стимулирует рост популяции микроорганизмов в рубце жвачных животных и их продуктивность (39). Общий объем выделяемого метана при этом увеличивается, в расчете на единицу животноводческой продукции — уменьшается. Метаногенез зависит от состава рациона: при увеличении доли не входящих в состав клеточной стенки растений углеводов в рационе на 25 % продукция метана снижается на 20 %, но возрастает риск нарушений метаболизма (ацидозы, ламиниты) и репродуктивной способности.
Следовательно, все способы повышения продуктивности жвачных животных при соответствующем сокращении поголовья действительно уменьшают эмиссию метана в атмосферу. Для реализации таких программ требуется разработка биологически и экономически обоснованных рационов с учетом зональных особенностей кормопроизводства, а также заинтересованность и информированность производителя.
В ы с о к о п р о д у к т и в н ы е м о л о ч н ы е к о р о в ы. Повышение молочной продуктивности генетическими методами в последние годы стало очень актуальным в связи с импортом в Европу голштинского племенного поголовья из США и Канады для улучшения местного скота. При этом в Великобритании, например, с 1995 до 1997 года средние объемы продукции молока увеличились на 8,8 %, а у 10 % поголовья средние надои на корову составили 8351 л, что позволяет за относительно короткий период значительно уменьшить поголовье без снижения общего производства молока.
Сообщается (60), что увеличение молочной продуктивности у коров с 5000 до 10 000 л в год привело к росту объема эмиссии метана только на 5 %. Установлено (81), что в Индии голштинские коровы на высококачественных рационах продуцируют в 6-7 раз меньше метана в расчете на 1 л молока, чем аборигенные — на традиционных, что позволяет снизить общую эмиссию метана на 20-30 % за счет поголовья. Генетическое качество скота в Европейском Союзе быстро улучшается, и это ведет к уменьшению эмиссии метана вследствие увеличения продуктивности. Однако эксплуатация высокопродуктивных коров осложняется снижением их резистентности и, как следствие, уменьшением оплодотворяемости, ослаблением конечностей, ростом числа заболеваний маститом и метаболических нарушений.
И о н о ф о р ы. Использование ионофоров в виде добавок к рациону дает возможность повысить продуктивность в среднем на 8 % за счет более эффективной конверсии корма (83) и частично уменьшить продукцию метана вследствие их прямого действия на метаногенез. В странах Европы ионофоры применяют только при выращивании животных на откорм (в молочном скотоводстве они запрещены, поскольку медленно выводятся из организма). Однако продукция, полученная с применением химических добавок и антибиотиков для кормления крупного рогатого скота, становится все менее популярной среди потребителей, вследствие чего использование ионофоров нецелесообразно.
Таким образом, объем метана, выделяемого в атмосферу антропогенными источниками, постоянно возрастает, и для стабилизации его глобального количества требуется снижение эмиссии приблизительно на 10 % (из которых на образуемый жвачными метан приходится около 30 %). Это значительно меньше, чем для других парниковых газов. Кроме того, атмосферный метан характеризуется большей лабильностью и радиационно-аб-сорбционной способностью по сравнению с СО2, поэтому сокращение его эмиссии — эффективный и перспективный способ снижения негативного парникового эффекта. Поскольку метан — конечный продукт ферментации углеводов в рубце жвачных животных, теоретически его образование можно снизить посредством направленного изменения рубцового метаболизма в сторону увеличения продукции пропионата, хотя при этом уменьшается молочная продуктивность. Наиболее эффективным приемом уменьшения объемов эмиссии метана в атмосферу служит повышение продуктивности животных, в первую очередь за счет использования высококачественных кормов с меньшим содержанием структурных углеводов. Перспективными представляются разработки антиметаногенных препаратов или альтернативных акцепторов электронов, более физиологичных способов уменьшения численности инфузорий в рубце, а также создание с использованием методов генетической инженерии штаммов ацетогенных анаэробных бактерий, способных конкурировать в экосистеме рубца с метаногенами как потребителями водорода.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. The Humane Society of the United States Report: The impact of animal agriculture on global warming and climate change, 05.01.2008: 2-28 (www.hsus.org/web-files/PDF/farm/hsus-the-impact-of-animal-agriculture-on-global-warming-and-climate-change.pdf).
2. Б о г д а н о в Г.О., З у б е ц ь М.В., М е л ь н и ч у к Д.О.,
J o h n s o n K.A., J o h n
s o n D.E., O r i i c M., Б е з у г л и й М.Д.,
Ц ю п к о В.В., С о л о г у б Л.I., Я н о
в и ч В.Г., I б а т у л i н I.I.,
М и х а й л о в i н О.М. Метан: бiологiчнi та екологiчнi аспекти, джерела утворення, проблема зниження емiсi¿ в контекстi регiональних i галузевих особливостей та глобальних наслiдкiв. Бiологiя тварин, 2000, 2(2): 5-21.
3. V e r g e X.P.C., D e K i m p e C., D e s j a r d i n s R.L. Agricultural production, greenhouse gas emissions and mitigation potential. Agric. Forest Meteorol., 2007, 142: 255-269.
4. Б о г д а н о в О.Г., С о л о г у б Л.I., Я н о в и ч В.Г., Ф е д о р у к Р.С. Метаногенез в рубцi жуйних тварин (екологiчнi, мiкробiологiчнi, бiохiмiчнi аспекти). Бiологiя тварин, 2001, 3(1): 7-21.
5. K o n e s w a r a n G., N i e r e n b e r g D. Global farm animal production and global warming: impacting and mitigating climate change. Environmental health perspectives, 2008, 116(5): 578-582.
6. Б а ж и н Н.М. Метан в атмосфере. Соросовский образовательный журнал, 2000, 6(3): 52-57.
7. S o l o h u b L.I., F e d i a k o v R.O., H e r a s y m i v M.G.,
V o l t o r n i s t y A.V., L u c h k a I.V. Some regulatory aspects of methanogenesis in the rumen of cattle. Annales Universitatis Marie Curie-Sklodowsкa. Sectio DDD, Pharmacia, 2, Lublin, 2002, 15(5): 295-297.
8. Я н о в и ч В.Г., С о л о г у б Л.I. Бiологiчнi основи трансформацi¿ поживних речовин у жуйних тварин. Львiв, 2000.
9. С о л о г у б Л.I., А н т о н я к Г.Л., В о л т о р н i с т и й А.В. Актуальнi проблеми екологi¿ рубця жуйних тварин. Ж. Агробiол. Екол., 2004, 1(1-2): 57-69.
10. М е л i к я н С.М., Г е р а с и м i в М.Г., С о л о г у б Л.I.,
Ф е д я к о в Р.О. Вплив нiтрату натрiю на життєдiяльнiсть мiкроорганiзмiв рубця телят у дослiдах in vitro. Ж. Агробіол. Екол., 2004, 1(1-2): 136-140.
11. E r f l e J.D., S a u e r F.D., M a h a d e v a n S. Energy metabolism in rumen microbes. In: Control of digestion and metabolism in ruminants /L.P. Milligan, W.L. Grovum, A. Dobson (eds.). Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1986: 81-99.
12. В о л т о р н i с т i й А.В., М е л i к я н С.М., Л у ч к а I.В.,
Ф е д я к о в Р.О., Г е р а с и м i в М.Г. Вплив акцепторiв водню на перекiснi процеси i деякi показники життєдiяльностi мiкроорганiзмiв рубця великої рогатої худоби в дослідах in vitro. НТБ Інcтитуту біол. наук УААН, 2005, 6(2): 24-29.
13. I a n o t t i E.L., K a f k e w i t z D., W o l i n M.J., B r y a n t M.P. Glucose fermentation products of Ruminococcus albus in continuous culture with Vibrio succinogenes: changes caused by interspecies transfer of H2. J. Bacteriol., 1973, 114: 1231-1240.
14. Л у ч к а I.В., Б о г д а н о в Г.О., С о л о г у б Л.I., Ф е д я к о в Р.О., Г е р а с и
м i в М.Г. Вплив вуглеводiв та ¿х метаболiтiв на метаноутворення i продукцiю летких жирних кислот мiкроорганiзмами рубця телят. НТБ Інcтитуту бiол. наук УААН, 2004, 5(3): 53-56.
15. M i l l e r T.L. Ecology of methane production and hydrogen sinks in the rumen. In: Ruminant physiology: digestion, metabolism, growth and reproduction /W.V. Engelhardt, S. Leonhard-Marek, G. Braves e.a. (eds.). Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart, 1995: 317-331.
16. R o u v i e r e P.E., W o l f e R.S. Novel biochemistry of methanogenesis. J. Biol. Chem., 1988, 263: 7913-7916.
17. M o r v a n B., B o n n e m o y F., F o n t y G., G o u e t P. Quantitative determination of H2-utilizing acetogenic and sulfate-reducing bacteria and methanogenic archaea from digestive tract of different mammals. Curr. Microbiol., 1996, 32: 129-133.
18. L o p e z S., M c I n t o s h F.M., W a l l a c e R.J., N e w b o l d C.J. Effect of adding acetogenic bacteria on methane production by mixed rumen microorganisms. Anim. Feed Sci. Technol., 1999, 78: 1-9.
19. Л у ч к а I.В., С о л о г у б Л.I. Вiковi особливостi процесiв утворення метану у рубцi телят. Ж. Агробiол. Екол., 2006, 2(1-2): 138-142.
20. D e m e y e r D.I. Quantitative aspects of microbial metabolism in the rumen and hindgut. In: Rumen microbial metabolism and ruminant digestion /J.P Jouany (ed.). INRA Editions, Science Update, Paris, 1991: 217-237.
21. Л у ч к а I.В., Б о г д а н о в Г.О., Ф е д я к о в Р.О., C о л о г у б Л.I., Г е р а с и
м i в М.Г., Д з е н ь Є.О. Вплив карбонових кислот i спиртiв на продукцiю метану та летких жирних кислот в рубцi велико¿ рогато¿ худоби в дослідах in vitro. НТБ Iнституту бiол. наук УААН, 2005, 6(2): 142-144.
22. V a n K e s s e l J.S., R u s s e l l J.B. The effect of pH on ruminal methanogenesis. FEMS Microbiol. Ecol., 1969, 20: 205-210.
23. R u s s e l l J.B. The importance of pH in the regulation of ruminal acetate to propionate ratio and methane production in vitro. J. Dairy Sci., 1998, 81: 3222-3230.
24. J u l l i a n d V. Microbiology of the equine hindgut. Proc. 1st Europ. Conf. on the nutrition of horse. Hanover, 1992: 42-47.
25. B r e t o n A., D u s s e r M., G a i l l a r d - M a r t i n i e B.,
G u i l l o t J., M i l
l e t L., P r e n s i e r G. Pyromyces rhizinflata nov. sp., a strictly anaerobic fungus from faeces of the Saharan ass: a morphological, metabolic and ultrastructural study. FEMS Microbiol. Lett., 1991, 82: 1.
26. L a j o i e S.F., B a n k S., M i l l e r T.L., W o l i n M.J. Acetate production from hydrogen and 13C carbon dioxide by the microflora of human faeces. Appl. Environ. Microbiol., 1988, 54: 2723-2727.
27. D r a k e H.L. Introduction to acetogenis. In: Acetogenеsis /H.L. Drake (ed.). N.Y., London, 1994: 3-60.
28. L e e d l e J.A.Z., G r e e n i n g R.C. Postprandial changes in methanogenic and acidogenic bacteria in the rumen of steers fed high- or low-forage diets once daily. Appl. Environ. Microbiol., 1988, 54: 502-506.
29. P r i n s R.A., L a n k h o r s t A. Synthesis of acetate from CO2 in the caecum of some rodents. FEMS Microbiol. Lett., 1977, 1: 255-258.
30. D e m e y e r D.I., D e G r a e v e K. Differences in stoichiometry between rumen and hindgut fermentation. J. Anim. Physiol. Anim. Nutr., 1991, 22: 50-61.
31. B l a x t e r K.L., C l a p p e r t o n J.L. Prediction of the amount of methane produced by ruminants. Brit. J. Nutr., 1965, 19: 511-522.
32. J o h n s o n K.A., J o h n s o n D.E. Methane emissions from cattle. J. Anim. Sci., 1995, 73: 2483-2492.
33. O k i n e E.K., M a t h i s o n G.W., H a r d i n R.T. Effects of changes in frequency of reticular contractions on fluid and particulate passage rates in cattle. J. Anim. Sci., 1989, 67: 3388-3396.
34. O j i m a D.S., V a l e n t i n e D.W., M o s i e r A.R., P a r t o n W.J., S c h i m e l D.S. Effect of land use change on methane oxidation in temperate forest and grassland soils. Chemosphere, 1993, 26: 675-685.
35. O w e n s F.N., G o e t s c h A.L. Digest passage and microbial protein synthesis. In: Control of digestion and metabolism in ruminants /L.P. Milligan, W.L. Grovum, A. Dobson (eds.). Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, USA, 1986: 196-226.
36. Л у ч к а I.В., Б о г д а н о в Г.О., С о л о г у б Л.I., Я н о в и ч В.Г., Г е р а с и
м i в М.Г. Утворення метану в рубцi велико¿ рогато¿ худоби Захiдно¿ Укра¿ни за рiзного типу годiвлi. НТБ Iнституту бiол. наук УААН, 2005, 6(1): 77-80.
37. М е л i к я н С.М., Л у ч к а I.В., С о л о г у б Л.I. До ренуляцi¿ редукцi¿ нiтратiв i утворення метану у рубцi телят. НТБ Iнституту бiол. наук УААН, 2006, 7(1-2): 188-192.
38. S u n d s t i l F. Methods for treatment of low-quality rouhages. In: Utilization of low-quality roughages in Africa. /J.A. Kategile, F. Sundstøl (eds.). Agric. University of Norway, As-NLH, Norway, 1981: 61-80.
39. M o s s A.R. Methane production by ruminants — literature review: I. Dietary manipulation to reduce methane production. II. Laboratory procedures for estimating methane potential of diets. Nutr. Abstr. Rev. (Ser. B), 1994, 64: 786-806.
40. H i r o n a k a R., M a t h i s o n G.W., K e r r i g a n B.K., V l a c h I. The effect of pelleting of alphalpha hay on methane production and digestibility by steers. Sci. Total Environ., 1996, 180: 221-227.
41. M o s s A.R., G i v e n s D.I., G a r n s w o r t h y P.C. The effect of supplementing grass silage with barley on digestibility, in sacco degradability, rumen fermentation and methane production in sheep at two levels of intake. Anim. Feed Sci. Technol., 1995, 55: 9-33.
42. Л у ч к а I.В. Вплив монензину i дрiжджiв виду Saccharomyces cerevisiae на утворення метану i деякi показники життєдiяльностi бактерiй в рубцi велико¿ рогато¿ худоби. НТБ Iнституту бiол. наук УААН, 2004, 5(1-2): 87-91.
43. N e w b o l d C.J., W a l l a c e R.J., W a t t N.D., R i c h a r d s o n A.J. The effect of the novel ionophore tetronasin (ICI 139603) on ruminal microorganisms. Appl. Environ. Microbiol., 1988, 54: 544-547.
44. V a n N e v e l C.J., D e m e y e r D.I. Feed additives and other interventions for decreasing methane emissions. In: Biotechnology in animal feeds & animal feeding /R.J. Wallace, A. Chesson (eds.). VCH, Weinheim, 1995: 329-349.
45. R o g e r s M., J o u a n y J.P., T h i v e n d P., F o n t e n o t J.P. The effects of short term and long term monensin supplementation and its subsequent withdrawal on digestion in sheep. Anim. Feed Sci. Technol., 1997, 65: 113-127.
46. W a k i t a M., M a s u d a T., H o s h i n o S. Effects of salinomycin on the gas production by sheep rumen contents in vitro. J. Anim. Physiol. Anim. Nutr., 1986, 56: 243-251.
47. M a r t i n S.A. Manipulation of ruminal fermentation with organic acids: a review. J. Anim. Sci., 1998, 76: 3123-3132.
48. L o p e z S., V a l d e s C., N e w b o l d C.J., W a l l a c e R.J. Influence of sodium fumarate on rumen fermentation in vitro. Brit. J. Nutr., 1999, 81: 59-64.
49. O u d a J.O., N e w b o l d C.J., L o p e z S., N e l s o n N., M o s s A.R., W a l l a
c e R.J., O m e d H. The effect of acrylate and fumarate on fermentation and methane production in the rumen simulating fermentor (Rusitec). Proc. Brit. Soc. Anim. Sci., 1999: 36.
50. A s a n u m a N., I w a m o t o M., H i n o T. Effect of the addition of fumarate on methane production by ruminal microorganisms in vitro. J. Dairy Sci., 1999, 82: 780-787.
51. M a r t i n S.A., S t r e e t e r M.N. Effect of malate on in vitro mixed ruminal microorganism fermentation. J. Anim. Sci., 1995, 73: 2141-2145.
52. Л у ч к а I.В., С о л о г у б Л.I., Ф е д я к о в Р.О. Вплив сiрковмiсних сполук на метаногенез i деякi показники життєдiяльностi мiкроорганiзмiів рубця велико¿ рогато¿ худоби. Мат. конф. «Науково-практичнi аспекти кормовиробництва та ефективного використання кормiв». Дубляни, 2003: 155-160.
53. Л у ч к а I.В., Б о г д а н о в Г.О., С о л о г у б Л.I., Г е р а с и м i в М.Г. Рiст популяцi¿ бактерiй рубця велико¿ рогато¿ худоби i продукцiя метану в дослiдах in vitro при додаваннi до середовища рiзних амiнокислот. Бiологiя тварин, 2003, 5(1-2): 133-139.
54. М е л i к я н С.М., С о л о г у б Л.I., Г е р а с и м і в М.Г. Участь нiтратредукуючих бактерiй в метаболiчних процесах вмiсту рубця велико¿ рогато¿ худоби. НТБ Iнституту бiол. наук УААН, 2005, 6(2): 153-156.
55. Б о г д а н о в О.Г., Л у ч к а I.В., С о л о г у б Л. I., Ф е д я к о в Р.О., Г е р а с и
м i в М.Г., С л и п а н ю к О.В. Вплив добавок мiнеральних елементiв до рацiонiв бичкiв на утворення метану в рубцi, його емiсiю в атмосферу i на прирости живо¿ маси тварин. Бiологiя тварин, 2005, 7(1-2): 68-71.
56. B r e z n a k J.A., K a n e M.D. Microbial H2/CO2 acetogenesis in animal guts: nature and nutritional significance. FEMS Microbiol. Rev., 1990, 87: 309-314.
57. N o l l e t L., M b a n z a m i h i g o L., D e m e y e r D.,
V e r s t r a e t e a W. Effect of the addition of Peptostreptococcus productus ATCC 35244 on reductive acetogenesis in the ruminal ecosystem after inhibition of methanogenesis by cellfree supernatant of Lactobacillus plantarum. Anim. Feed Sci. Technol., 1998, 71: 49-66.
58. V a n S o e s t P.J. Nutritional ecology of the ruminant. Oregon, 1982: 40-41.
59. V a l d e s C., N e w b o l d C.J., H i l l m a n K., W a l l a c e R.J. Evidence for methane oxidation in rumen fluid in vitro. Ann. Zootech., 1996, 45(Suppl.): 351.
60. M o s s A.R., J o u a n y J.-P., N e w b o l d J. Methane production by ruminants: its contribution to global warming. Ann. Zootech., 2000, 49: 231-253.
61. V o g e l s G.D., H o p p e W.F., S t u m m C.K. Association of methanogenic bacteria with rumen ciliates. Appl. Environ. Microbiol., 1980, 40: 608-612.
62. F i n l a y B.J., E s t e b a n G., C l a r k e K.J., W i l l i a m s A.G.,
E m b l e y T.M., H i r t R.P. Some rumen ciliates have endosymbiotic methanogens. FEMS Microbiol. Lett., 1994, 117: 157-162.
63. N e w b o l d C.J., L a s s a l a s B., J o u a n y J.P. The importance of methanogenesis associated with ciliate protozoa in ruminal methane production in vitro. Lett. Appl. Microbiol., 1995, 21: 230-234.
64. U s h i d a K., T o k u r a M., T a k e n a k a A., I t a b a s h i H. Ciliate protozoa and ruminal methanogenesis. In: Rumen microbes and digestive physiology in ruminants /R. Onodera, H. Itabashi, K. Ushida e.a. (eds.). Japan Sci. Soc. Press, Tokyo, 1997: 209-220.
65. W i l l i a m s A.G., C o l e m a n G.S. The Rumen Protozoa. Springer-Verlag, London, 1992: 139-144.
66. C h e e k e P.R. Natural toxicants in feeds, forages, poisonous plants. Interstate Publishers, Inc. Danville, Illois, 1998.
67. L u C.D., J o r g e n s e n N.A. Alfalfa saponines affect site and extent of nutrient digestion in ruminants. J. Nutr., 1987, 117: 319-327.
68. T e f e r e d e g n e B., M c i n t o s h F., O s u j i P.O., O d e n y o b A., W a l l a
c e a R.J., N e w b o l d a C.J. Influence of foliage from different accessions of the sub-tropical leguminous tree, Sesbania sesban, on ruminal protozoa in Ethiopia and Scottish sheep. Anim. Feed Sci. Technol., 1999, 78: 11-20.
69. C o l e m a n G.S. The distribution of carboxymethyl cellulase between fractions taken from the rumens of sheep containing no protozoa or one of five different protozoal populations. J. Agric. Sci. (Camb.)., 1986, 106: 121-127.
70. J o u a n y J.P., U s h i d a K. The role of protozoa in feed digestion. Asian Aust. J. Anim. Sci., 1999, 12: 113-128.
71. W a l l a c e R.J., M c P h e r s o n C.A. Factors affecting the rate of breakdown of bacterial protein in rumen fluid. Brit. J. Nutr., 1987, 58: 313-323.
72. C z e r k a w s k i J.W., C h r i s t i e W.W., B r e c k e n r i d g e G.,
H u n t e r M.L. Changes in rumen metabolism of sheep given increasing amounts of linseed oil in their diet. Brit. J. Nutr., 1995, 34: 25-44.
73. M a c h m u l l e r A., O s s o w s k i D.A., W a n n e r M., K r e u z e r M. Potential of various fatty feeds to reduce methane release from rumen fermentation in vitro (Rusitec). Anim. Feed Sci. Technol., 1998, 77: 117-130.
74. D o h m e F., M a c h m u l l e r A., E s t e r m a n n B.L.,
W a s s e r f a l l e n A., K r e
u z e r M. The role of the rumen ciliate protozoa for methane suppression caused by coconut oil. Lett. Appl. Microbiol., 1999, 2: 187-193.
75. H e n d e r s o n C. The effects of fatty acids on pure cultures of rumen bacteria. J. Agric. Sci. (Camb.), 1973, 81: 107-112.
76. N e w b o l d C.J. Probiotics — a new generation of rumen modifiers? Med. Fac. Landbouw University of Ghent, 1992, 57(4b): 1925-1933.
77. F r u m h o l t z P.P., N e w b o l d C.J., W a l l a c e R.J. Influence of Aspergillus oryzae fermentation extract on the fermentation of a basal ration in the rumen simulation technique (Rusitec). J. Agric. Sci. (Camb.), 1989, 113: 169-172.
78. M a t h i e u F., J o u a n y J.P., S e n a u d J., B o h a t i e r J.,
B e r t i n G., M e r
c i e r M. The effect of Saccharomyces cerevisiae and Aspergillus orizae on fermentations in the rumen of faunated and defaunated sheep; protozoal and probiotic interactions. Reprod. Nutr. Dev., 1996, 36: 271-287.
79. S h u Q., G i l l H.S., H e n n e s s y D.W., L e n g R.A., B i r d S.H., R o w e J.B. Immunisation against lactic acidosis in cattle. Res. Vet. Sci., 1999, 67: 65-71.
80. B a k e r S.K. Method for improving utilization of nutrients by ruminant or ruminant like animals, International Patent, WO9511041, 1995.
81. F a h e y G.C., B e r g e r L.L. Carbohydrate nutrition in ruminants. In: The ruminant animal: Digestive physiology and nutrition /D.C. Church (ed.). Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1988: 269-297.
82. L a n a R.P., R u s s e l l J.B., V a n A m b u r g h M.E. The role of pH in regulating methane and ammonia production. J. Anim. Sci., 1998, 76: 2190-2196.
83. T e d e s c h i L.O., F o x D.G., T y l u t k i T.P. Potential environmental bene?ts of ionophores in ruminant diets. J. Environ. Qual., 2003, 32: 1591-1602.
BIOCHEMICAL AND PHYSIOLOGICAL BACKGROUNDS FOR DECREASING METHANE EMISSION BY RUMINANTS
G.O. Bogdanov1, L.I. Sologub2, V.V. Vlizlo2, V.G. Yanovich2,
G.L. Antonyak2,
I.V. Luchka2
The data of literature and results of own investigations of authors on biochemical mechanisms of methanogenesis in rumen and hindgut of ruminants and on role of its regulation feed factors in context of development of scientific-practical bases of mitigation of methane emission in atmosphere are summarized in the paper.
Key words: methane, ruminant animal, methanogenesis, rumen, ration, food.
1Украинская академия аграрных наук, |
Поступила в редакцию |
