doi: 10.15389/agrobiology.2022.6.1025rus
УДК 636.087:591.132.7:631.95
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России, тема FGGN-2022-0009.
МЕТАНООБРАЗОВАНИЕ В РУБЦЕ И МЕТОДЫ ЕГО СНИЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛИМЕНТАРНЫХ ФАКТОРОВ (обзор)
Н.В. БОГОЛЮБОВА ✉, А.А. ЗЕЛЕНЧЕНКОВА, Н.С. КОЛЕСНИК,
П.Д. ЛАХОНИН
Метан — один из важных парниковых газов, обладающий более высоким потенциалом глобального потепления, чем углекислый газ. Сельское хозяйство, особенно животноводство, считается крупнейшим сектором производства антропогенного метана. Среди домашнего скота жвачные животные являются основными источниками метана. Производство и выбросы метана жвачными животными в мире увеличиваются с увеличением численности жвачных животных, что помогает удовлетворить потребности в питательных веществах растущего населения во всем мире. В рубце жвачных преобладает гидрогенотрофный сценарий метаногенеза — непрерывного процесса, осуществляемого археями, при котором метан образуется в результате реакции водорода и углекислого газа. За последние 50 лет опубликованы результаты огромного количества исследований, которые улучшили понимание сложных процессов ферментации рубца и метаногенеза у жвачных животных, а также средств, с помощью которых можно измерить и снизить выработку метана в организме жвачных (K.A. Beauchemin с соавт., 2020). Все известные стратегии по снижению образования метана в организме жвачных животных можно разделить на две группы. Первая группа объединяет стратегии управления процессом с помощью рационов и других факторов, влияющих на микрофлору рубца. Качество, способ подготовки кормов, соотношение концентрированных и грубых кормов в рационе влияют на выбросы метана. Некоторые корма могут повышать выработку пропионата или снижать выработку ацетата, уменьшая концентрацию водорода в рубце, который будет преобразован в метан. К кормовым стратегиям также относят использование модификаторов — кормовых добавок, которые прямо или косвенно ингибируют метаногенез, и осуществление биологического контроля (дефаунизация, применение препаратов бактериоцинов, бактериофагов, иммунизация), направленные на снижение содержания метаногенов. Ко второй группе стратегий можно отнести повышение продуктивности животных за счет генетических и других факторов. Повышение продуктивности позволит снизить образование метана в организме на единицу продукции (мяса или молока) (M. Islam с соавт., 2019). Применение кормовых факторов различной природы (жировые добавки, органические кислоты, пробиотики, ионофоры, фитогеники) может служить стратегией для снижения метанообразования в организме жвачных (M. Wanapat с соавт., 2021; R.D. Marques с соавт., 2021; S.H. Kim с соавт., 2020). Манипуляции с питанием представляют собой упрощенный и прагматичный подход, который может обеспечить более высокую продуктивность животных и снижение уровня выбросов данного газа (M.D. Najmul с соавт., 2018). В обзоре, наряду с описанием процесса метаногенеза, обобщаются результаты современных исследований по вопросу влияния на образование метана в организме жвачных различных алиментарных факторов (структура и состав рационов, применение фитогеников — сапонинов, танинов, флавоноидов и эфирных масел). Тип рациона, качество объемистых и концентрированных кормов, их химический состав, соотношение, подготовка к скармливанию влияют на выбросы метана в организме жвачных. При этом многообещающим подходом к смягчению выделения метана служит добавление небольшого количества зерна в грубые корма и скармливание кормов высокого качества, использование корма с меньшим содержанием клетчатки и более высоким содержанием растворимых углеводов. Использование фитогеников (кормовых добавок, произведенных из различных ботанических частей растений) — дешевый и экологичный способ снижения образования парниковых газов. Это также положительно влияет на резистентность животных. В литературе представлены довольно немногочисленные работы по изучению in vitro эффективности применения флавоноидов и других вторичных метаболитов растений для снижения эмиссии метана. Полученные результаты вариабельны и зависят от вида фитогеника, его характеристик, рациона животных. Требуется проведение исследований in vivo, в том числе для установления оптимальных дозировок фитогеников, дающих положительные результаты. Актуальным и перспективным представляется комбинирование различных фитогеников. Необходим комплексный подход к снижению газообразования в организме жвачных при одновременном сохранении активности ферментации, процессов переваривания и усвоения питательных веществ кормов.
Ключевые слова: жвачные, парниковые газы, метаногенез, качество рациона, структура рациона, фитогеники, сапонины, танины, флавоноиды, эфирные масла.
RUMEN METHANE PRODUCTION AND ITS REDUCTION USING NUTRITIONAL FACTORS (review)
N.V. Bogolyubova✉, A.A. Zelenchenkova, N.S. Kolesnik, P.D. Lahonin
Methane is a powerful greenhouse gas with a higher global warming potential than carbon dioxide. Agriculture, especially animal husbandry, is considered the largest sector of anthropogenic methane production. Of farm animals, ruminants are the main producers of methane. Its world production and emissions are increasing due to abundant population of ruminants. The hydrogenotrophic scenario of methanogenesis from hydrogen and carbon dioxide, carried out by ruminal archaea, prevails. Over the past 50 years, numerous research papers have substantially improved our understanding of rumen fermentation and methanogenesis to develope strategies for assessing and reducing methan emission (K.A. Beauchemin et al., 2020). One of the proposed strategies is dietary intervention, i.e. improved dietes and the use of nutritional factors that affect the ruminal microbiota. The quality, feed preparation, the ratio of concentrated and roughage feeds affect methane emissions. Some feeds may increase propionate production or decrease acetate production by reducing the level of ruminal hydrogen converted to methane. Another strategy is the use of modifiers, the feed additives that directly or indirectly inhibit methanogenesis, and biocontrol manipulation using defaunization agents, bacteriocins, bacteriophages, and immunization aimed at reducing the counts of methanogens. The strategy may be also based on genetically or technologically improved productivity performance. With higher productivity, the relative methane emission per unit of meat or dairy product is reduced (M. Islam et al., 2019). Fat additives, organic acids, probiotics, ionophores, phytogenics can serve as strategies to reduce methane formation in ruminants (M. Wanapat et al., 2021; R.D. Marques et al., 2021; S.H. Kim et al., 2020). Feeding manipulation is a simplistic and pragmatic approach to improve animal productivity with a reduced CH4 emission (M.D. Najmul et al., 2018). In the review, along with a description of methanogenesis, we also summaraized modern research data on the influence of various alimentary factors (i.e., special diets, phytogenic saponins, tannins, flavonoids and essential oils) on CH4 emission. The type of diet, the quality of bulky and concentrated feeds, their chemical composition, ratio, pre-feeding preparation affect methane emission in ruminants. However, a promising approach to mitigate methane emissions is adding a small amount of grain to roughage and feeding high quality forages with less fiber and higher levels of soluble carbohydrates. Phytogenics made from various botanical parts of plants is a cheap and environmentally friendly agents to reduce greenhouse gas emissions. Phytogenics also positively affect animal resistance. There are few studies on the in vitro efficacy of flavonoids and other secondary plant metabolites as agents for reducing methane emissions. The data obtained are variable and depend on the type of herbal preparations, their characteristics and the diet fed to the animals. Further in vivo studies should establish the optimal dosages of phytogenics that provide a positive effect. The combination of various phytogenics seems to be relevant and promising. An integrated approach should provide high fragmentation activity, effective digestion and assimilation of feed nutrients.
Keywords: ruminants, greenhouse gases, methanogenesis, diet quality, diet composition, phytogenics, saponins, tannins, flavonoids, essential oils.
ФГБНУ Федеральный исследовательский центр |
Поступила в редакцию |
