気候変動の標的としての反芻動物のメタン生成菌

強力だが寿命が短い温室効果ガスであるメタンの大気濃度を減らすことは、地球の気温上昇を遅らせるために重要です。 世界で最も多くの反芻動物である乳牛と肉牛は、毎年約 100 テラグラム (Tg) のメタン (CH4) を吐き出します。 世界的に見て、腸内メタン排出量は石油・ガス産業からの排出量に匹敵します。

反芻動物からの CH4 排出量を低減する探求により、メタン生成の最終段階を特に妨害する飼料添加物である 3-ニトロオキシプロパノール (3-NOP) が特定されました。 酵素特異的な作用機序を持つ製品の入手は、ワクチンやその他の飼料添加物の開発と並んで、第一胃内でのメタン生成を減らし、動物の健康と生産性に対するメタン生成の影響を理解するために、過去 75 年間にわたって行われてきた多くの努力の 1 つにすぎません。 現在商品化されている 3-NOP の開発は、農業からの温室効果ガス排出の軽減に微生物学の知識を応用する例となっています。 オランダのDSM社が製造したこの化合物は特許を取得しており、ブラジル、チリ、欧州連合で乳牛への使用が承認されている。

メタンは、第一胃内の微生物バイオマスの小さな割合（最大 4%）を占める古細菌によって生成されます。 牛の 4 つの胃区画の中で最大の第一胃は、動物の体重の 12 ～ 15% を占め、さまざまな細菌、原生生物、真菌で構成される嫌気性コミュニティが存在します。 これらの微生物は、動物が消化できないリグノセルロース粗飼料を分解し、発酵させます。

主要な微生物発酵生成物は、動物によって吸収される短鎖脂肪酸と、メタン生成菌によって CH4 排ガスに変換される CO2 および H2 で構成されます。 未消化の物質の一部が頬腔または口に逆流され、そこで反芻されて再び飲み込まれます。 他の未消化物質は第四胃に入り、そこで哺乳類の消化プロセスが引き継いでから下部腸管に入ります。

一般的な乳牛は年間約 160 kg の CH4 を排出します。 反芻動物からの CH4 の少量 (10 ～ 15%) は腸管で生成され、後端から排出されます。 CH4 の大部分 (> 80%) は、げっぷの際に口から排出されます。 第一胃内で生成されるメタンの量は、飼料の消化率、発酵した炭水化物の総量、形成される脂肪酸の比率、H2 濃度などの多くの要因に依存します。

ルーメン内のほとんどのメタン生成菌は水素栄養性代謝を持っています。これは、H2 からの電子を使用して CO2 を CH4 に還元することを意味します。これは、ルーメン内の H2 濃度を低下させる効率的な方法です。 32 種の反芻動物のルーメン マイクロバイオームに関する世界規模の研究では、古細菌の 74% が、Methanobrevibacter gottschalkii と Methanobacterium ruminatium を代表する 2 つの水素栄養クレードに属していました。 酢酸塩またはメチル基化合物のいずれかから CH4 を生成する他の 2 つの既知のメタン生成グループは、H2 が豊富なルーメン生息地でははるかに少ないです。

メタン生成は、発酵反応を促進し、それによって動物の脂肪酸の継続的な生産を助けるため、共生プロセスと考えることができます。 ただし、牛乳や肉の生産のためのエネルギー損失も意味します。 メタン噴出によって失われる総エネルギー摂取量の割合は 2 ～ 12% と推定されており、飼料の豊富な食事に関連した損失はさらに大きくなります。 何十年もの間、飼料効率の改善は、食事の改善を通じて反芻動物のメタンを削減する研究の目標でした。 温室効果ガスの緩和は、1992 年の気候変動に関する政府間パネル (IPCC) の最初の報告書により、家畜のメタン削減に向けたより強力な推進力となりました。IPCC 報告書では、大気中の CH4 濃度が 750 ～ 1800 ppb と、​​以前の 100 パーセントに比べて上昇したと記載されています。年。 同報告書は、世界的な人口増加と動物性タンパク質の需要が家畜生産の増加を促進し、1995年には13億頭の牛が世界のメタン排出量の12％を占めると推定されることを認識した。

より最近では、メタン生成菌阻害に対する標的を絞った生化学的アプローチが、Methanobacter Thermoautotrophicum や Methanothermobacter marburggensi などの水素栄養性メタン生成菌におけるメタン生成を担う酵素 (メチル コエンザイム M レダクターゼ、または MCR) の結晶構造に基づいていました。 コンピューターによるスクリーニングにより、MCR 活性部位に適合する可能性のある阻害剤として、ニトロオキシカルボン酸という小分子のグループが同定されました。 酵素の不活化は、3-NOP のような化合物が MCR 活性部位に適合し、CH4 形成の重要なステップを実行する能力を阻害したときに起こると仮説が立てられました。 より具体的には、3-NOP は、重要な Ni(I) 原子を含む補欠分子族である補酵素 F430 の近くの MCR に結合します。 3-NOP の硝酸基が近接すると、Ni(I) の酸化が起こり、CH4 形成の最終還元ステップを実行できなくなると考えられます。

肥育場での羊、授乳中の牛、肉牛への 3-NOP の給餌試験では、CH4 排出量が平均 30% 削減され、3-NOP が生体内で機能することが確認されました。 しかし、実験室では、純粋培養におけるさまざまなメタン生成菌の増殖に対する 3-NOP による阻害は大きく異なります。 非常に低い（マイクロモル）濃度は、M. ruminantium のような水素栄養性メタン生成菌の増殖を防ぎますが、Methanomicrobiium mobile や Methanosarcina barkeri などの他の水素栄養性メタン生成菌を阻害するには 100 倍高い濃度が必要です。 メタン生成菌間の系統学的および生理学的多様性により、反芻動物と第一胃内での H2 の古細菌消費者との間に確立された共生関係を回避することが困難になる可能性があります。

第一胃から抽出された微生物の DNA と RNA の次世代シーケンスは、マイクロバイオームに対する 3-NOP の影響をより包括的に理解するのに役立ちます。 例えば、CH4 排出量の減少と同時に、乳牛に飼料乾物 1 kg あたり 60 mg の 3-NOP を 4 ～ 12 週間にわたって補給すると、優勢な Methanobrevibacter 種が減少しました。 未分類の Methanobacteriaceae および Methanosphaera spp. の増加。 コントロールと比較して。 第一胃マイクロバイオームの非メタン生成菌メンバーには大きな影響がなかったため、3-NOP によるメタン生成菌組成の変化は、研究中に測定されたプロピオン酸 (短鎖脂肪酸) と H2 の増加を説明すると考えられます。

特に、3-NOP によって阻害されたメタン生成菌が死ぬと、H2 濃度が蓄積し、他のメタン生成菌が引き継ぐ前に炭素とエネルギーの流れを妨げる可能性があります。 これには、効率的な発酵を助けるために他の電子受容体の添加が必要になる場合があります。 3-NOP がより広範囲に使用されるかどうかは、その受け入れ、コスト、そして動物の健康と生産性が長期的に影響を受けないことを確認する研究によって決まります。

最近では、メタン排出量を削減するために、反芻動物に赤い海藻 Asparagopsis Taxiformis を与えることが業界で注目を集めています。 これらの藻類を使用した in vitro 研究では、健康に悪影響を与えることなく、メタンを最大 99% 抑制することが示されました。 提案されている作用機序は、メタン生成を阻害するハロゲン化メタン類似体である海藻バイオマス内に含まれる生理活性臭素化化合物（ブロモホルム）の導入です。 気候変動を緩和するという特定の目的のために、かなりのベンチャーキャピタルが、輸送コストを削減できる場所で適切に供給される赤海藻の生産に向けられています。

メタン生成抑制について試験された多くの栄養補助食品に加えて、比較的少数の水素栄養種の優勢性が認められていることに基づいて、抗メタン生成ワクチンも開発されてきました。 この目的を達成するために、ワクチンは、メタン生成菌の混合培養物の細胞全体または細胞成分のいずれかに由来しています。 しかし、混合培養ワクチン接種後の主に羊のメタン排出量を測定した生体内研究では、減少がほとんどまたはまったく報告されておらず、これはおそらくメタン生成菌の多様性の広範さを反映していると考えられます。 この課題に対処するために、in vivo 試験の前に、免疫捕捉ビーズを使用した抗体交差反応性を、第一胃液中の多様なメタン生成菌を用いて in vitro で試験することができます。 それでも、ワクチンが成功していないため、CH4を減らすための最も一般的なアプローチは依然として食事の修正です。

メタン排出量の一貫したパターンは、国内の反芻動物の種や品種間で観察されます。 一部の牛の品種は他の品種よりも一貫して低レベルのメタンを排出しており、一般に肉牛のメタン排出量は乳牛よりも少ないです。 宿主の遺伝学がマイクロバイオームの構成とルーメン内のエネルギーの流れに影響を与えるという証拠は、動物遺伝学とマイクロバイオーム分析を統合する取り組みにつながっています。 唾液と口の内容物の口腔サンプリングは、より迅速かつより頻繁なデータ収集のために、動物の特性を反映するバイオマーカーとして評価されています。

一部の国では、牛の飼育と仕上げのための閉鎖フィードロットシステムの台頭により、高粗飼料よりも消化しやすい炭水化物とタンパク質を多く含む濃縮飼料の給与が増加しています。 濃厚飼料を与えられた牛からのメタン排出量は、高粗飼料を与えられた牛よりも低いです。 牛の遺伝子選択によってもメタン排出量が低下する可能性があり、高効率の給餌機は低効率の給餌機よりもメタン生成量が少なくなります。

しかし、開発途上国では、資源や研究インフラが利用可能でないため、濃縮給餌、選択された品種の使用、飼料添加物の使用は容易には実施されていません。 それでも、発展途上国の農業従事者には、反芻動物からのメタン排出を削減するための選択肢が用意されています。 反芻動物の飼育は、牛乳や肉を提供するだけでなく、他の方法では栽培できない陸上で低品質のセルロース材料を高品質のタンパク質に変換するという重要な生態系サービスも提供します。 そして今後は、世界中で人間、動物、環境の健康を守るために、メタン排出量を削減する複数の農業イノベーションへの公平な世界的アクセスを確保することが重要となる。

この記事の著者であるマリー・アン・ブランズ博士は、2023年6月16日午後1時45分～3時45分にASM Microbe 2023で、メタン排出を軽減するための微生物技術に関するセッションを開催します。メタン生成の減少または防止についてはどうですか?