Metanogeni nei ruminanti come obiettivo del cambiamento climatico

Ridurre le concentrazioni atmosferiche di metano, il gas serra potente ma di breve durata, è fondamentale per rallentare l’aumento della temperatura globale. I bovini da latte e da carne, i ruminanti più numerosi al mondo, emettono circa 100 teragrammi (Tg) di metano (CH4) ogni anno. A livello globale, le emissioni enteriche di metano competono con quelle dell’industria del petrolio e del gas.

La ricerca per ridurre le emissioni di CH4 da parte dei ruminanti ha portato all’identificazione del 3-nitroossipropanolo (3-NOP), un additivo per mangimi che interferisce specificamente con la fase finale della metanogenesi. Ottenere un prodotto con una modalità d’azione specifica per gli enzimi è solo uno dei tanti sforzi compiuti negli ultimi 75 anni, insieme allo sviluppo di vaccini e altri additivi per mangimi, per ridurre la metanogenesi nel rumine e per comprenderne l’influenza sulla salute e sulla produttività degli animali. Lo sviluppo di 3-NOP, ora un prodotto commerciale, esemplifica l’applicazione delle conoscenze microbiologiche alla mitigazione delle emissioni di gas serra provenienti dall’agricoltura. Il composto, prodotto dalla società olandese DSM, è stato brevettato e approvato per l'uso con vacche da latte in Brasile, Cile e Unione Europea.

Il metano è prodotto dagli archaea che costituiscono una piccola percentuale (fino al 4%) della biomassa microbica nel rumine. Essendo il più grande dei 4 compartimenti dello stomaco della mucca, il rumine costituisce il 12-15% della massa corporea dell'animale e ospita una comunità anaerobica composta da diversi batteri, protisti e funghi. Questi microbi degradano e fermentano le fibre lignocellulosiche che l'animale non può digerire.

I principali prodotti della fermentazione microbica sono costituiti da acidi grassi a catena corta, che vengono assorbiti dall'animale, nonché da CO2 e H2, che vengono convertiti dai metanogeni in gas di scarico CH4. Una parte del materiale non digerito viene rigurgitato nella cavità buccale, o bocca, dove il bolo viene masticato e deglutito nuovamente. Altro materiale non digerito passa nell'abomaso, dove subentrano i processi digestivi dei mammiferi prima di entrare nel tratto intestinale inferiore.

Una tipica mucca da latte emette circa 160 kg di CH4 all'anno. Una percentuale minore di CH4 (10-15%) dei ruminanti viene prodotta nel tratto intestinale ed esce dalle estremità posteriori. La maggior parte del CH4 (>80%) esce dalla bocca durante l'eruttazione o l'eruttazione. La quantità di metano prodotta nel rumine dipende da molti fattori, tra cui la digeribilità del mangime, la quantità totale di carboidrati fermentati, i rapporti degli acidi grassi formati e le concentrazioni di H2.

La maggior parte dei metanogeni ruminali hanno un metabolismo idrogenotrofico, nel senso che utilizzano gli elettroni dell'H2 per ridurre la CO2 in CH4, un modo efficace per ridurre le concentrazioni di H2 nel rumine. In uno studio globale sui microbiomi ruminali di 32 specie di ruminanti, il 74% degli archaea apparteneva a soli 2 cladi idrogenotrofi che rappresentavano Methanobrevibacter gottschalkii e Methanobacterium ruminatium. Altri due gruppi metanogeni conosciuti che producono CH4 da composti dell'acetato o del gruppo metilico sono molto meno abbondanti nell'habitat del rumine ricco di H2.

La metanogenesi può essere considerata un processo simbiotico perché stimola le reazioni di fermentazione, favorendo così la produzione continua di acidi grassi per l'animale. Tuttavia, rappresenta anche una perdita di energia per la produzione di latte e carne. Le percentuali di apporto energetico lordo perse a causa dell'eruttazione di metano sono state stimate tra il 2 e il 12%, con perdite maggiori associate a diete ricche di foraggio. Per decenni, il miglioramento dell’efficienza alimentare è stato l’obiettivo della ricerca sulla riduzione del metano dei ruminanti attraverso modifiche della dieta. La mitigazione dei gas serra ha dato un impulso più forte alla riduzione del metano del bestiame con il primo rapporto del Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici (IPCC) nel 1992. Il rapporto dell’IPCC descriveva l’aumento delle concentrazioni atmosferiche di CH4 da 750 a 1.800 parti per miliardo (ppb) rispetto ai 100 precedenti. anni. Si riconosceva che l’aumento della popolazione globale e la domanda di proteine ​​animali avrebbero favorito una maggiore produzione di bestiame, con 1,3 miliardi di bovini stimati responsabili del 12% delle emissioni globali di metano nel 1995.