牛羊排氣加劇暖化 紐西蘭科學家三策略改造畜牧業

千萬隻成天吃飽打嗝放屁的牛羊,排放大量甲烷,讓紐西蘭政府傷透腦筋。 圖/freepik
千萬隻成天吃飽打嗝放屁的牛羊,排放大量甲烷,讓紐西蘭政府傷透腦筋。 圖/freepik

甲烷菌不斷運作,甲烷越積越多,最後就以打嗝放屁的形式排出體外。因此,要改變牛羊排氣量,得從牛羊胃裡的甲烷菌下手。

紐西蘭是畜牧大國,牛羊總數超過3600萬隻,超過全國人口7倍,是紐西蘭的經濟命脈,但千萬隻成天吃飽打嗝放屁的牛羊,排放大量甲烷,也讓政府傷透腦筋。

牛羊等草食動物在消化纖維素後,會以打嗝或放屁的形式排放甲烷。紐西蘭政府在2019年淨零目標入法時,也宣布以2017年為基準,2030年前甲烷排放降低10%;2050年甲烷排放降低24%至47%。然而,放屁打嗝乃是牛羊自然生理現象,政府無法禁止,更不可能要人民少賺錢,於是將希望寄託在科學上。

一般動物無法將植物纖維素轉換為能量。但牛羊等草食動物演化出一套與微生物合作的特殊消化系統。牛羊擁有四個胃,其中最大的胃──瘤胃(Rumen)含有能分解纖維素的大量微生物,以及一群被稱為甲烷菌(methanogen)的古細菌(Archaea)。

微生物進行發酵作用,將植物纖維素分解為氫離子、二氧化碳、揮發性脂肪酸(volatile fatty acids, VFA)以獲取能量。甲烷菌則不分解纖維素,而是將發酵作用留下的氫離子和二氧化碳轉換為甲烷,藉此獲取能量。甲烷菌不斷運作,甲烷越積越多,最後就以打嗝放屁的形式排出體外。因此,要改變牛羊排氣量,得從牛羊胃裡的甲烷菌下手。

瘤胃內的甲烷生成過程。 圖片來源:sciencenews
瘤胃內的甲烷生成過程。 圖片來源:sciencenews

2003年,由7個研究單位組成的農牧溫室氣體研究聯盟(Pastoral Greenhouse Gas Research Consortium)與紐西蘭政府簽署合作備忘錄,展開一系列降低畜牧業甲烷排放的研究。目前已發展出育種、抑制劑以及疫苗三大策略,未來可望降低牛羊「放屁量」。

一、低甲烷品種選育

聯盟的第一個策略是「人擇」。2007年起與各地牧場合作挑選甲烷排放量較低的羊,培育、交配並產生下一代。經數個世代繁殖後,獲得低甲烷排放的新品種。低甲烷羊的羊瘤胃較小、但胃裡的皺褶更多,發酵效率更好。

更重要的是,雖然甲烷排放量少了約11%,但羊肉和羊毛可是一點也沒少。

為挑選低甲烷牛羊,科學家製作了一種稱為「呼吸艙」的裝置,能自動採集艙內牛羊打嗝放屁的甲烷總量。但「呼吸艙」造價不斐,再加上一次測量需時兩天,牛羊焦慮失眠、不吃飯導致實驗失敗並不罕見,進度極為緩慢。

為此,團隊現正開發輕便式的壓克力呼吸艙,類似作法也已被英國等地採納,於世界各地同步展開。

農牧溫室氣體研究聯盟的可攜帶式呼吸艙。 圖片來源:農牧溫室氣體研究聯盟新聞稿
農牧溫室氣體研究聯盟的可攜帶式呼吸艙。 圖片來源:農牧溫室氣體研究聯盟新聞稿

二、食品添加物

第二種策略是研發食品添加物。這類添加物能干擾古細菌的甲烷合成作用,進而降低排放量。

來自荷蘭的皇家帝斯曼公司(Royal DSM N.V.)推出針對反芻動物的飼料添加劑Bovaer。Bovaer目前已經在全球各地完成測試並上市,業者只需將1/4匙的Bovaer混入飼料,就可以降低約30%甲烷排放量。

Bovaer進入瘤胃後會釋放3-硝基氧丙醇,與甲烷合成作用的關鍵酵素甲基輔酶M還原酶(Methyl-Coenzyme M Reductase, MCR)結合,使甲烷菌產生甲烷的速率大幅下降。由於MCR只存在於甲烷菌內,因此Bovaer對於牛羊本身,以及胃裡其他細菌不會產生干擾。實驗也顯示,定期餵食Bovaer的乳牛,並不會改變牛奶的營養成分。

另一種抑制策略,則是在牛羊食物裡加入類甲烷的鹵化衍生物。這類分子能夠與MCR上的重要輔基結合,使酵素產生甲烷的效率大幅降低。例如在牛羊食物裡加入富含三溴甲烷的蘆筍藻(Asparagopsis taxiformis),不但有效降低甲烷排放量,海藻低廉的成本也比購買Bovaer更加划算。但三溴甲烷對人體具毒性,專家對此策略仍持保留態度。

富含三溴甲烷的蘆筍藻。 圖片來源:Jean-Pascal Quod/Wiki(CC BY-SA 3.0)
富含三溴甲烷的蘆筍藻。 圖片來源:Jean-Pascal Quod/Wiki(CC BY-SA 3.0)

三、抗甲烷疫苗

第三種策略是研發「抗甲烷疫苗」,誘發免疫系統製造抗體,藉由攻擊甲烷菌,降低甲烷排放。

畜牧業為牛羊施打疫苗,預防口蹄疫等疾病已行之有年,因此業者對甲烷疫苗抱有高度期望。希望一針見效、一勞永逸。但對科學家而言,疫苗的研發難度遠高於其他兩種策略。

科學家面臨的首要問題便是如何將抗體送到瘤胃,並在充滿食物、細菌和胃酸的食糜裡面發揮作用。為此,研究團隊改變免疫球蛋白的結構,使其在酸性環境裡保持活性,同時增加蛋白親水性,搭配適當的佐劑,使牛羊的「口水」富含大量抗體,讓這些能夠殺死甲烷菌的口水,混著草料一起吞進瘤胃。

另一個大難題,則是要讓疫苗誘發的抗體足夠「精準」,不要殺死胃裡其他微生物與不產生甲烷的古細菌。目前聯盟利用基因定序初步篩選出400種可能的抗原,接下來將逐步縮小範圍。只是距離疫苗正式上市,還有很長的一段路要走。

抗甲烷疫苗研發流程與挑戰。 圖片來源:擷取自《Are Vaccines the Solution for Methane Emissions from Ruminants? A Systematic Review》研究報告
抗甲烷疫苗研發流程與挑戰。 圖片來源:擷取自《Are Vaccines the Solution for Methane Emissions from Ruminants? A Systematic Review》研究報告

科學方法搭配政策誘因 徹底減少甲烷排放

當科學家在實驗室裡工作,政策制定者也在研擬各項配套措施。紐西蘭政府研擬運用價格機制,針對高排放甲烷業者收費的「甲烷定價」 (methane pricing )策略,被台灣媒體戲稱為「牛羊放屁稅」。聽來滑稽,但試想:如果排出大量甲烷的畜牧業者,需繳交高額罰金,那業者就會花錢選育低碳品系、或是購買疫苗和抑制劑,降低公司的營運成本。政府又可以回頭用這些經費,支持科學家做出更好的研究。

無論是選育、添加物與疫苗研發、或收取「牛羊放屁稅」,都需要科學家、藥廠、畜牧業者、乳品肉品業者、在地社區甚至是金融業的通力合作。紐西蘭也於2019年聯合初級產業中的利害關係人成立「我們同舟共濟」(He Waka Eke Noa,毛利語)氣候夥伴計畫。在此框架下,畜牧業者與科學家通力合作,才有了前述重要研究成果。

另一方面,夥伴計畫的利害關係人也為甲烷減量計畫帶來阻力。「牛羊放屁稅」就受到許多業者質疑,不但傷及本土農民生計,還會使國際消費者轉而購買其他國家生產的「高甲烷」低價產品。隨著總理阿爾登於今(2023 )年1月辭職,未來工黨是否延續此一政策,都還是未定之數。

紐西蘭農業排放定價報告書。 圖片來源:紐西蘭環境部
紐西蘭農業排放定價報告書。 圖片來源:紐西蘭環境部

參考資料

A Review of Enteric Methane Emission Measurement Techniques in Ruminants, Animals,doi: https://doi.org/10.3390/ani10061004

Pricing agricultural emissions: Report under section 215 of the Climate Change Response Act 2002

Are Vaccines the Solution for Methane Emissions from Ruminants? A Systematic Review, Vaccines,doi:https://doi.org/10.3390/vaccines8030460

Pggrc(2019年11月27日), Sheep farmers now able to breed “low methane” shee

Red seaweed (Asparagopsis taxiformis) supplementation reduces enteric methane by over 80 percent in beef steers, plos one,doi:https://doi.org/10.1371/journal.pone.0247820

Vaccination of Sheep with a Methanogen Protein Provides Insight into Levels of Antibody in Saliva Needed to Target Ruminal Methanogens, plos one,doi:https://doi.org/10.1371/journal.pone.0159861

Wageningen Livestock Research(2021年3月12日), Seaweed as a methane inhibitor is not free of risks

DSM官網


本文授權轉載自《低碳生活部落格》,內容由台達電子文教基金會及台灣環境資訊協會共同企劃。(原文標題:牛羊排氣加劇暖化 紐西蘭科學家三策略改造畜牧業


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