减少温室气体的重要靶点：牛打嗝

全球范围内，牛粪和打嗝产生的甲烷占农业相关甲烷排放的30%以上。日本研究人员正在寻求通过饲料添加剂、益生菌和新监测技术到2050年将这类排放减少80%的方法。

众所周知，牛打嗝是全球变暖的一个主要原因。罪魁祸首是甲烷，这是牛瘤胃（其最大的胃部）中发酵过程的一种温室气体副产品。科学家表示，粪便和打嗝大约占农业相关甲烷排放的32%，而自工业化时代以来，甲烷对全球变暖的贡献约为30%。

现在，由日本札幌北海道大学的Satoshi Koike领导的一个研发项目旨在到2050年帮助减少80%的牛甲烷排放。“我们正在开发一种饲养管理系统，通过全面控制微生物群功能来减少单个牛只中的甲烷产生量，”Koike解释说，他是一名动物营养学和瘤胃微生物学的专家。

甲烷是通过牛瘤胃中的细菌发酵过程产生的，该过程将草中的纤维素和其他饲料中的碳水化合物转化为短链挥发性脂肪酸（VFAs）。发酵过程还产生了氢气，在关键VFAs的帮助下，它被一类称为古菌的微生物转化为甲烷。VFAs也成为了牛的主要能量来源。

在1970年代，农民开始使用抗生素来增加肉牛从饲料中提取的能量。抗生素还抑制了微生物活动，因此减少了牛产生的甲烷量；这也导致更多的VFAs可用于能量。

然后，在2000年代，由于抗药性细菌的增加令人担忧，人们的注意力转向了更广泛的提高效率和减少甲烷排放的方法，如捕获甲烷的技术、疫苗和饲料添加剂。Koike表示，保持这些方法的多样性是关键，因为环境、饲料和涉及的牛都有很大的不同。

但是，虽然许多成分已被检验为有效的添加剂，但由于成本和监测其长期效果及安全性的难度，只有少数几种可用于实践。其中一种成分是从磨碎的腰果壳中提取的液体，它抑制了一些细菌和产甲烷古菌。其他包括3-硝基氧丙醇这种合成化合物和一种海藻；两者都抑制产甲烷古菌。

寻找新材料

北海道大学的研究人员正试图以其他方式控制瘤胃微生物群。例如，一些有机酸，如富马酸，已知可以改变牛瘤胃中的微生物，从产生甲烷转变为产生一种称为丙酸的VFA。

Koike的团队正在寻找类似的有机酸，他们最近使用了一批瘤胃内容物和11种商业上可获得的有机酸进行批培养分析，以识别三种强效的甲烷抑制剂。其中，柠檬酸看起来最有前景，Koike说。他解释说，柠檬酸增加了瘤胃中参与乳酸生产的细菌数量。乳酸消耗氢气，这是甲烷生产的必要底物。此外，它还可以作为丙酸的前体。

Koike说：“知道柠檬酸这种对人类来说非常熟悉的食品添加剂显示出抑制甲烷效果真是太好了。”他的团队现在正在收集更多数据，以查看给牛喂食柠檬酸是否能减少瘤胃中的甲烷产生。

识别新的细菌

另一种方法是培养然后移植低甲烷产生的细菌到牛的胃中，作为一种益生菌。

包括来自Prevotella属的一种细菌在内的几种细菌，在低甲烷、高丙酸盐产生的成年牛中广泛可见。但这些细菌很难被分离，”国家农业和食品研究组织（一个总部位于日本筑波的政府机构）的瘤胃微生物学家Takumi Shinkai说。

在栖息于牛瘤胃的2400-8000种细菌中，只有大约10%被分离和培养出来，因为它们很少能在氧气存在下存活。

虽然已经识别出50多种Prevotella属的细菌，但微生物学家相信，这个属的数百种更多种类居住在瘤胃中。

为了识别更多有用的细菌，Shinkai的团队从低甲烷和高丙酸盐产生的奶牛的瘤胃中收集了液体，并通过微调琼脂浓度和营养环境创建了一种特殊介质。他们成功地培养出了那些奶牛中大量且特有地发现的菌株，并识别出了一种新的物种，Prevotella lacticifex，它能比已知的Prevotella种类产生更多的丙酸前体，包括乳酸。

“利用细菌作为一种产品是一个挑战，因为它们很难以一种可以喂给牛的方式被分离，”他说。

Shinkai希望不是向牛的瘤胃中引入更多细菌，而是操纵牛的微生物群落，以增加它们现有的Prevotella lacticifex种群。他的团队最近开始与一家商业伙伴合作，开发一种可以实现这一目标的益生菌产品。

通过智能药丸的传感器

然而，Koike说，像饲料添加剂和益生菌这样的减甲烷材料只能将牛的排放量减少30-40%。他说，结合饲料添加剂的双管齐下的方法是最理想的。

为了帮助畜牧业主管理这一点，由东京大学的精密工程专家Toshihiro Itoh领导的一组研究人员正在开发一种传感器，用于监测瘤胃中产生多少丙酸和其他VFAs，以便畜牧业主知道何时使用饲料添加剂进行干预。

Itoh及其同事之前开发了另一种传感器来监测瘤胃液体中的pH值，但“体内测量不同的VFAs要困难得多，因为它们的浓度非常低，而且它们的分子行为相似，”Itoh解释说。“此外，瘤胃液体中还包括消化过程中的沙子和草。”

Itoh的团队构建了一个由选择性过滤器覆盖的传感器，该过滤器使用三层膜，有助于快速直接检测水溶液中不同的VFAs。VFAs和水分通过疏水膜，并接触到芯片表面，桥接电极网状结构的间隙，引发电化学反应。由于电阻下降导致的电流增加可以被测量并与特定VFAs的增加相关联。

研究人员还在研究如何整合远程无线网络并开发能量收集电池来传输他们传感器的数据。目标是到2025年4月开发出这种智能药丸的原型。

How to scientifically suppress cattle burps (nature.com)