牛嗝治理大作戰：全球變暖的另類解決方案_風聞

在構建更加可持續的全球糧食****系統的迫切需求中，牲畜扮演着喜憂參半的角色。一方面，它們如同自然界的轉化大師，將人們無法直接食用的纖維性植物轉化為富含蛋白質的肉類和牛奶，牛和羊作為放牧動物，是人類食物的重要來源。對於世界上許多最貧困的人來説，一兩頭牛，亦或者幾隻羊，就能成為他們生計的支柱。

然而，這些益處伴隨着巨大的環境代價。2013年的一項研究表明，全球範圍內，牲畜產生的温室氣體排放約佔總量的14.5%，超過了全世界所有汽車和卡車排放的總和。在牲畜對全球變暖的潛在影響中，甲烷這一強效温室氣體尤為突出，佔據了約40%的比重。而甲烷，正是牲畜消化纖維性食物時不經意間釋放出的“隱形殺手”。

面對牲畜帶來的兩難局面，人們進行了大量的研究工作來減少放牧動物的甲烷排放。當前，諸如優化飼養管理、採用新型飼料添加劑等方法，雖已初顯成效，但還不足以在全球範圍內產生顯著影響。因此，科學家們正在探索其他可能的解決方案，比如培育低甲烷排放的牲畜和調控在放牧動物胃中產生甲烷的微生物。儘管這些方法距離實際應用尚需時日，但它們可能相對容易廣泛實施，並最終可能會產生不可估量的積極作用。

在美國，由反芻動物消化過程中產生的甲烷是美國農業相關温室氣體排放的第二大來源。這一排放量僅次於包括耕作等釋放土壤中儲存碳的土壤管理活動。飼養場和奶牛場儲存的糞便產生的甲烷排放緊隨其後，其他來源的貢獻較小。

好消息是，甲烷是一種相對短命的温室氣體。與二氧化碳會在大氣中滯留一個多世紀相比，今天排放的甲烷在短短十多年後就會消散殆盡。因此，當前立即採取措施減少甲烷排放可以迅速降低温室氣體水平，從而減緩氣候變化。

Claudia Arndt，一位在肯尼亞內羅畢國際畜牧研究所工作的乳品營養學家，致力於研究甲烷排放問題。她指出，“在未來20年內減少甲烷排放是我們唯一能夠控制全球變暖的方法。”

甲烷困境

降低甲烷排放面臨的巨大挑戰在於，這種氣體是令反芻動物具有獨特價值的同時自然產生的副產品：因為反芻動物與一羣微生物的夥伴關係。這些微生物生活在反芻動物四個胃中最大的瘤胃（也就是第一胃）裏，在那裏它們將纖維性食物分解成更小的分子，供動物吸收營養。在這個過程中，它們產生大量的氫氣，這些氫氣被另一羣被稱為產甲烷菌的微生物轉化為甲烷。

那些消化纖維的微生物——以及那些產生甲烷的微生物——主要生活在瘤胃中。（瘤胃是牛四個胃中的第一個，也是最大的一個）

大部分這種甲烷，通常被稱為腸道甲烷，是由動物通過打嗝或呼氣排放到大氣中的——舉例來説，一頭牛每年大約會排放220磅的甲烷氣體。（與普遍的看法相反的是，通過放屁排出的甲烷非常少。飼養場和奶牛場堆積的糞便中，大約佔了美國牲畜甲烷排放的四分之一，但是通過改善通風條件或者捕獲甲烷用於生產生物燃氣可以防止這些排放。相比之下，放牧動物單獨排泄的糞便所產生的甲烷則少之又少，幾乎可以忽略不計。）

捕捉和減少腸道甲烷排放的確是一個棘手的問題，因為反芻動物在產生甲烷的同時還在不停活動。面對這一挑戰，最直接且有效的方法是確保牲畜的健康與高產，比如通過接種疫苗預防疾病、防止寄生蟲侵擾、以及提供充足營養的食物，這些措施在資源匱乏地區尤為重要。雖然這些做法並不能直接減少動物的甲烷排放量，但它們能夠提升生產效率，意味着每生產一磅肉或每加侖奶所產生的甲烷排放量——即排放強度，會顯著降低。

Arndt指出了一個關鍵問題：僅僅降低排放強度，並不能有效減少大氣中的甲烷總量。這是因為，如果農民僅僅通過提高生產效率來增加產量，而不相應地減少畜羣規模，那麼總的甲烷排放量仍然會居高不下。

目前，研究人員尚缺乏充足的數據來精確評估這些提高生產力的措施在全球範圍內能夠降低多少排放強度。然而，已經有一些研究，特別是針對乳畜的，為我們提供了一些線索。根據Arndt和她的同事們在2022年《美國國家科學院院刊》（PNAS）上的綜述，這些措施有望減少大約10%到15%，甚至更多的排放強度。

“提高生產力很重要——但這只是一個開始。”全球甲烷中心的農業項目主任Hayden Montgomery説。全球甲烷中心是一個專注於協調和資助甲烷減排研究的慈善合作組織。“單靠提高生產力本身不足以實現我們想要的減排水平，但它肯定是積極的開始。”

當前，在減少總體甲烷排放的策略中，唯一一項可即刻付諸實踐的策略是採用一種名為3-硝基氧基丙醇（3-NOP）的合成飼料添加劑。該添加劑的獨特之處在於，它能在產甲烷菌作用之前，有效吸收瘤胃內產生的部分氫氣。值得注意的是，3-NOP已在多個國家取得批准，其中包括美國與加拿大，且已證實能減少超過30%的甲烷排放量。

Diego Morgavi，法國國家農業、食品和環境研究所（French National Research Institute for Agriculture, Food and Environment）的動物科學家，與人合著了一篇關於減少腸道甲烷的綜述，發表在2024年的《動物生物科學年度評論》（Annual Review of Animal Biosciences）上。Morgavi提到，當前研究中還有其他潛在的飼料添加劑正受到關注，其中之一便是紅藻。紅藻產生一種名為**溴仿（三溴甲烷）**的分子，這種分子能阻斷甲烷生成的最後一步，理論上能減少高達90%的排放。然而，溴仿是有毒的，且目前尚無法確定這種對瘤胃微生物的改變是否能在長期內保持安全無害。

然而，這些添加劑在實際應用中可能面臨諸多挑戰。對於眾多農民而言，它們或許並不切實可行，因為這增加了飼養成本，但並未帶來生產力的顯著提升。“誰來為此買單？”Arndt提出了這樣的疑問。更為棘手的是，家畜需要每天攝入這些添加劑，但對於全球大多數在牧場自由放牧的反芻動物而言，這無疑是一個難以實現的物流難題。“這正是我們面臨的大問題——對於放牧動物，我們根本無法有效控制其排放。”華盛頓州大學的動物科學家Kristen Johnson如此説道。

培育低甲烷排放的動物

對於那些自由放牧的家畜來説，通過育種減少其甲烷排放量成為了一個頗具前景的選擇。無論是綿羊還是牛，即便是體型和飲食習慣完全相同，它們排放的甲烷量也可能存在高達30%至40%的差異。“這個差異範圍給了我們很大的操作空間，” Montgomery 説道。這一特性似乎與其他許多育種者常規考慮的性狀一樣，具有遺傳性。事實上，育種者已經開始將甲烷產量納入他們對加拿大奶牛、愛爾蘭肉牛和新西蘭綿羊的選擇標準中了。

在自由放牧的環境中，評估育種計劃對家畜甲烷排放量的影響確實是一項挑戰。然而，科羅拉多州立大學的研究人員正致力於開發解決方案。他們設計了一個可以便捷地安置在牧場上的打嗝捕捉室。當牛羣靠近這個裝置時，佩戴在它們耳朵上的電子標籤會迅速識別出每一頭牛的身份。如果研究人員需要從特定的牛那裏獲取甲烷排放數據，這個裝置會發出輕微的響聲，並自動向室內投放一份零食作為獎勵。當牛在好奇心的驅使下，將頭伸進室內咀嚼零食時，裝置內的一個風扇會開始工作，從室內抽取空氣樣本，並通過內置的高精度儀器精確測量牛打嗝時釋放的甲烷量。        

研究人員正在使用一種移動式甲烷測量系統來記錄在牧場放牧的牛的甲烷排放情況。當系統探測到它想要測量的牛的電子耳標時，就會在室內釋放一種獎勵，併發出嗶嗶聲吸引牛。牛一邊咀嚼着獎勵，機器一邊測量牛呼出的氣體中甲烷的含量。這種創新的方法不僅能夠減少對牛的干擾，還能提供精確的個體甲烷排放數據。

科學家們正在探索更簡便的方法來測量動物的甲烷排放量——僅通過一個點的測量，就能對動物長期的甲烷產量進行較為準確的估算。例如，通過對動物瘤胃或口腔中的微生物進行基因分析，來間接預測其甲烷排放量；甚至還有有研究表明奶牛的牛奶化學成分可能與其甲烷排放量存在某種關聯。將這些不同的測量方法結合起來，可能會得到更加可靠的數據，Montgomery説：“那將會帶來革命性變化。”

Montgomery希望在十年內，能夠培育出排放較少甲烷的家畜品種，並讓這些新品種在擁有健全家畜育種計劃的國家中廣泛推廣。與飼料添加劑相比，這類育種計劃的優勢在於，它們實現的減排效果是永久性的，並且可以遺傳給後代，這意味着農民或牧民無需再付出額外的努力或成本。

改良微生物

在家畜的瘤胃中，微生物的作用不僅僅是幫助動物消化食****物，它們還參與了甲烷的產生。科學家們正在探索通過調整這些微生物來減少甲烷排放的新方法。一項針對750頭丹麥奶牛的分析顯示，瘤胃中微生物的構成，獨立於動物的遺傳特徵**，對奶牛甲烷排放量的多少具有顯著影響**。

在牛的瘤胃中，數以億計的微生物忙碌地工作着，它們將大分子——尤其是纖維素——分解成更小的單元。這些小分子中的一部分為牛提供了營養，而另一部分則成為了產甲烷微生物，也就是產甲烷菌的食物。科學家們正在尋找方法，通過調整反芻動物瘤胃中的微生物組成，來最小化甲烷排放。

“調整瘤胃中微生物的平衡，使之更傾向於利用瘤胃內的氫氣來生成其他對反芻動物有益的能量來源分子，如乙酸、丙酸和脂肪酸，而非甲烷，這被視為一個極具前景的減排策略。”英屬哥倫比亞大學動物微生物組研究員Leluo Guan説。Guan目前隸屬於一個專注於研究瘤胃內氫氣流向的團隊，他們的工作重點是追蹤氫氣轉化為甲烷的比例，以及轉化為有益分子的比例。通過比較高甲烷排放和低甲烷排放的動物，該團隊期望能夠發現調節氫氣平衡的有效途徑，進而減少甲烷的產生。

“簡而言之，關鍵在於將氫氣有效地導向其他用途，”加州大學戴維斯分校的微生物學家Matthias Hess強調道。在他的實驗室中，Hess利用一個密封的實驗裝置——人工瘤胃，結合CRISPR基因編輯技術，對瘤胃微生物進行改造，旨在減少甲烷的生成。Hess希望在兩三年內獲得有用的實驗室結果，並有望在五至七年內，準備好能將改良後的微生物羣落移植到動物瘤胃中的技術。他堅信，在人工瘤胃研究中積累的知識與經驗，同樣適用於其他甲烷產生的環境，例如廢水處理池和糞便堆積區。

儘管Guan、Hess和其他科學家可能成功地培育出了甲烷產量較低的微生物組，但目前尚不清楚是否可能將這種組合應用於真實動物中。反芻動物的微生物組是出了名的難以改變：即便研究人員設法清除了原有的微生物羣落並嘗試引入新的微生物，微生物組也會迅速回歸至先前的狀態。

在動物生命週期的早期階段介入可能帶來更大的成功機會。Morgavi及其同事對九頭新生小牛在前14周的壽命裏使用了3-NOP添加劑進行處理。由於3-NOP能夠剝奪產甲烷菌所需的氫氣，因此在瘤胃微生物羣落形成的關鍵時期，它讓這些微生物在瘤胃生態系統中處於競爭劣勢。

實驗結果確實表明，經過3-NOP處理的小牛與八頭未經處理的對照小牛的微生物羣落存在差異——而且，這一差異在隨後長達60周的實驗期間持續存在。Morgavi團隊於2021年在《科學報告》上發表了這一發現。Morgavi指出，這可能意味着存在一個關鍵時期，農民可以在此期間通過干預來塑造瘤胃生物羣落，從而對動物的一生產生深遠影響。然而，他也強調，這項研究仍需要在其他動物羣體和不同條件下進行進一步的驗證。

甲烷排放疫苗

另一種改變瘤胃微生物羣落，使其不再產生甲烷的方法是開發針對產甲烷微生物的家畜疫苗。研究人員希望這種疫苗能夠激活動物的免疫系統，促使動物體內產生抗體，這些抗體能夠與瘤胃中的產甲烷菌結合並使其失去活性。鑑於疫苗接種在農業實踐中已被廣泛接納，並且通常僅需偶爾進行加強接種，這種方法相較於每日添加飼料添加劑可能更為實用。

像牛一樣，羊也是反芻動物，它們的胃中含有產生甲烷的微生物。研究人員希望，一種能使這些微生物失活的疫苗可以幫助減少甲烷排放。圖片來源：DECHEVM / STOCK.ADOBE.COM

新西蘭政府所屬研究機構AgResearch的免疫學家Neil Wedlock帶領的團隊，近二十年來一直致力於開發一種能夠減少羊甲烷排放的疫苗。他們的研究成果表明，接種疫苗的羊能夠在唾液中產生大量針對產甲烷菌的抗體，這些抗體的數量足以在理論上使瘤胃內的產甲烷菌全部失活。“如果疫苗有效，該團隊希望它能將甲烷排放量減少約30%。”Janssen説。然而，該團隊至今尚未在活體動物實驗中觀察到一致且顯著的甲烷排放減少效果。

在全球迫切需要減少甲烷排放以應對氣候變化的背景下，同時考慮到減少牛肉和牛奶消費的政治意願相對有限，控制腸道甲烷排放或許是我們實現關鍵氣候目標的重要途徑之一，Montgomery強調。然而，他也承認，將當前這些充滿希望的研究成果轉化為實際可用的技術還需要相當長的時間。

“實際上，我不指望到2030年我們能讓家畜甲烷減少30%，”Montgomery説，“但我們能想象**到2050年減少50%**嗎？當然——甚至可能更多。”

作者：Bob Holmes

翻譯：Chocobo

審校：7號機

原文鏈接：Cleaning up cow burps to combat global warming