Kühe produzieren durch ihren Verdauungsprozess erhebliche Mengen Methan, ein starkes Treibhausgas. Jedes Tier emittiert jährlich etwa 200 Pfund, was die Nutztierhaltung zu einem erheblichen Verursacher der globalen Erwärmung macht. Seit Jahrzehnten ist die Reduzierung der Methanemissionen von Rindern ohne Beeinträchtigung der Produktivität eine große Herausforderung für Wissenschaftler und Landwirte. Neuere Forschungen bieten einen Durchbruch: Rotalgenfutter reduziert die Methanproduktion drastisch. Die zugrunde liegenden mikrobiellen Mechanismen wurden jedoch nicht vollständig verstanden.
Eine gemeinsame Studie von UC Davis, UC Berkeley und dem Innovative Genomics Institute (IGI) gibt nun Aufschluss darüber, wie Rotalgen das Darmmikrobiom verändern, und identifiziert wichtige Mikroben, die zur Methanreduzierung beitragen. Dieses Wissen bringt Forscher näher an die Entwicklung von Darmmikroben für langfristige, nachhaltige Lösungen heran – und zwar über die Abhängigkeit von Algenzusätzen hinaus.
Algen verwandeln den Kuhdarm
Frühere Studien haben gezeigt, dass Rotalgen (Gattung Asparagopsis ) ein entscheidendes Enzym in Methan produzierenden Mikroben blockieren. Die neue Forschung zeigt, dass Algen bei diesen Mikroben spezifische Genaktivierungen und -deaktivierungen auslösen, was auf ihre entscheidende Rolle bei der Methanreduzierung hinweist. Wenn diese Gene ein- und ausgeschaltet werden, steigt der Wasserstoffspiegel im Darm der Kuh kurzzeitig an.
Entscheidend war, dass das Team ein Pansenbakterium namens Duodenibacillus identifizierte, das in der Lage ist, diesen überschüssigen Wasserstoff zu verbrauchen. Dies ist von Bedeutung, da ein hoher Wasserstoffgehalt eine Azidose im Pansen verursachen und das Tier schädigen kann. Duodenibacillus wandelt Wasserstoff in Succinat um, eine Verbindung, die die Kuh zur Proteinproduktion verwenden kann.
„Das ist wichtig, denn zu viel Wasserstoff kann zu einer Azidose im Pansen führen, die dem Tier schaden kann“, sagte Matthias Hess, Projektleiter und Mikrobiologe von der UC Davis. „Stattdessen nutzt dieser Organismus den Wasserstoff und wandelt ihn in Succinat um, eine Verbindung, die das Tier schließlich zur Herstellung von Protein verwenden kann.“
Entwicklung methanreduzierender Mikroben
Die Ergebnisse öffnen die Tür zur Entwicklung mikrobieller Gemeinschaften, die Methanproduzenten übertreffen. Durch das Verständnis der Funktionsweise von Duodenibacillus können Wissenschaftler möglicherweise das Pansenmikrobiom für mehr Effizienz manipulieren.
„Wasserstoff ist eine wichtige Energiequelle im Pansen, insbesondere für Methan produzierende Mikroben“, sagte Spencer Diamond, Hauptforscher am IGI. „Diese Studie hilft uns, besser zu verstehen, wie andere Mikroben, die natürlicherweise im Pansen vorkommen, diesen Wasserstoff von Methanogenen zu Bakterien umleiten können, die die Tiere möglicherweise leistungsfähiger machen.“
Experimentelle Ergebnisse
Die Forscher analysierten die Pansenflüssigkeit von acht Kühen: vier mit normaler Ernährung und vier mit Algenergänzung für 14 Tage. Mit Algen gefütterte Kühe reduzierten die Methanemissionen um 60 %, steigerten die Wasserstoffproduktion um 367 % und verbesserten die Futtereffizienz um bis zu 74 %.
Das Team rekonstruierte außerdem das Genom von Duodenibacillus, einem zuvor im Labor nicht isolierten Bakterium. Dieser vollständige genetische Code bietet Einblick in seine Rolle beim Wasserstoffverbrauch, die Konkurrenzdynamik mit anderen Mikroben und seine umfassendere Funktion im Pansen. Es werden Anstrengungen unternommen, Duodenibacillus für weitere Untersuchungen zu isolieren.
Diese Forschung zeigt, dass die Manipulation des Darmmikrobioms ein gangbarer Weg ist, um die Methanemissionen von Rindern zu reduzieren. Durch die Entwicklung mikrobieller Gemeinschaften, die Wasserstoff effizient verbrauchen, können Wissenschaftler nachhaltigere und klimafreundlichere Viehhaltungssysteme schaffen
