Коровы производят значительное количество метана, мощного парникового газа, в процессе пищеварения. Каждое животное выбрасывает примерно 90 килограммов в год, что делает скот заметным участником глобального потепления. На протяжении десятилетий сокращение выбросов метана от крупного рогатого скота без ущерба для продуктивности оставалось серьезной проблемой для ученых и фермеров. Недавние исследования предлагают прорыв: добавление красных водорослей в корм резко сокращает производство метана. Однако лежащие в основе микробные механизмы были недостаточно изучены.
Совместное исследование ученых из Калифорнийского университета в Дэвисе, Калифорнийского университета в Беркли и Инновационного геномного института (IGI) теперь проливает свет на то, как красные водоросли изменяют кишечную микробиоту, выявляя ключевые микробы, способствующие сокращению метана. Эти знания приближают исследователей к разработке кишечных микробов для долгосрочных, устойчивых решений, отказавшись от зависимости от добавок водорослей.
Водоросли преображают коровьи кишки
Предыдущие исследования показали, что красные водоросли (род Asparagopsis ) блокируют важнейший фермент у микробов, производящих метан. Новое исследование показывает, что водоросли запускают определенные активации и деактивации генов у этих микробов, что указывает на их критическую роль в сокращении метана. Когда эти гены включаются и выключаются, уровень водорода кратковременно повышается в кишках коровы.
Важно отметить, что команда выявила бактерию рубца Duodenibacillus, способную потреблять избыток водорода. Это важно, потому что высокий уровень водорода может вызвать ацидоз в рубце, нанося вред животному. Duodenibacillus преобразует водород в сукцинат, соединение, которое корова может использовать для производства белка.
«Это важно, потому что слишком большое количество водорода может привести к ацидозу в рубце, который может навредить животному», — сказал Маттиас Хесс, руководитель проекта и микробиолог из Калифорнийского университета в Дэвисе. «Вместо этого этот организм использует водород и преобразует его в сукцинат, соединение, которое животное в конечном итоге может использовать для производства белка».
Разработка микробов, сокращающих выбросы метана
Эти выводы открывают дверь для разработки микробных сообществ, которые превосходят производителей метана. Понимая, как функционирует Duodenibacillus, ученые потенциально могут манипулировать микробиотой рубца для повышения эффективности.
«Водород является ключевым источником энергии в рубце, особенно для микробов, производящих метан», — сказал Спенсер Даймонд, главный исследователь в IGI. «Это исследование помогает нам лучше понять, как другие микробы, которые естественным образом встречаются в рубце, могут отводить этот водород от метаногенов и направлять его к бактериям, которые могут сделать животных более эффективными».
Экспериментальные результаты
Исследователи проанализировали жидкость рубца от восьми коров: четырех на обычной диете и четырех, получавших водоросли в течение 14 дней. Коровы, получавшие водоросли, сократили выбросы метана на 60%, увеличили выработку водорода на 367% и повысили эффективность корма до 74%.
Команда также реконструировала геном Duodenibacillus, бактерии, которая ранее не была выделена в лаборатории. Этот полный генетический код дает представление о ее роли в потреблении водорода, конкурентной динамике с другими микробами и ее более широкой функции в рубце. Ведутся работы по выделению Duodenibacillus для дальнейшего изучения.
Это исследование показывает, что манипулирование кишечной микробиотой является жизнеспособным путем к сокращению выбросов метана от крупного рогатого скота. Разрабатывая микробные сообщества, которые эффективно потребляют водород, ученые могут создать более устойчивые и экологически чистые системы животноводства.
