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Jul 27, 2023

Wiederkäuer-Methanogene als Ziel des Klimawandels

Reduzierung der atmosphärischen Konzentrationen von Methan, dem wirksamen, aber kurzlebigen Methan

Die Reduzierung der atmosphärischen Konzentrationen von Methan, dem starken, aber kurzlebigen Treibhausgas, ist entscheidend für die Verlangsamung des globalen Temperaturanstiegs. Milch- und Fleischrinder, die zahlreichsten Wiederkäuer der Welt, spucken jedes Jahr etwa 100 Teragramm (Tg) Methan (CH4) aus. Weltweit konkurrieren die enterischen Methanemissionen mit denen der Öl- und Gasindustrie.

Das Bestreben, die CH4-Emissionen von Wiederkäuern zu senken, hat zur Identifizierung von 3-Nitrooxypropanol (3-NOP) geführt, einem Futtermittelzusatzstoff, der speziell in den letzten Schritt der Methanogenese eingreift. Die Gewinnung eines Produkts mit enzymspezifischer Wirkungsweise ist neben der Entwicklung von Impfstoffen und anderen Futterzusatzstoffen nur eine von vielen Bemühungen der letzten 75 Jahre, die Methanogenese im Pansen zu reduzieren und ihren Einfluss auf die Gesundheit und Produktivität der Tiere zu verstehen. Die Entwicklung von 3-NOP, jetzt ein kommerzielles Produkt, ist ein Beispiel für die Anwendung mikrobiologischen Wissens zur Minderung der Treibhausgasemissionen aus der Landwirtschaft. Das vom niederländischen Unternehmen DSM hergestellte Präparat wurde patentiert und für die Verwendung bei Milchkühen in Brasilien, Chile und der Europäischen Union zugelassen.

Methan wird von Archaeen produziert, die einen kleinen Anteil (bis zu 4 %) der mikrobiellen Biomasse im Pansen ausmachen. Als größter der vier Magenräume der Kuh macht der Pansen 12–15 % der Körpermasse des Tieres aus und beherbergt eine anaerobe Gemeinschaft aus verschiedenen Bakterien, Protisten und Pilzen. Diese Mikroben bauen lignozellulosehaltige Ballaststoffe ab, die das Tier nicht verdauen kann, und vergären sie.

Die wichtigsten mikrobiellen Fermentationsprodukte bestehen aus kurzkettigen Fettsäuren, die vom Tier aufgenommen werden, sowie CO2 und H2, die von Methanogenen in CH4-Abgas umgewandelt werden. Etwas unverdautes Material wird in die Mundhöhle oder den Mund erbrochen, wo der Keim gekaut und wieder geschluckt wird. Anderes unverdautes Material gelangt in den Labmagen, wo die Verdauungsprozesse von Säugetieren übernommen werden, bevor es in den unteren Darmtrakt gelangt.

Eine typische Milchkuh stößt pro Jahr etwa 160 kg CH4 aus. Ein geringer Anteil von CH4 (10–15 %) von Wiederkäuern wird im Darmtrakt produziert und tritt an deren Hinterenden aus. Der Großteil des CH4 (> 80 %) verlässt den Mund beim Aufstoßen oder Aufstoßen. Die im Pansen produzierte Methanmenge hängt von vielen Faktoren ab, darunter der Verdaulichkeit des Futters, der Gesamtmenge der vergorenen Kohlenhydrate, dem Verhältnis der gebildeten Fettsäuren und der H2-Konzentration.

Die meisten methanogenen Stoffe im Pansen haben einen hydrotrophen Stoffwechsel, das heißt, sie nutzen Elektronen von H2, um CO2 zu CH4 zu reduzieren, eine effiziente Möglichkeit, die H2-Konzentration im Pansen zu reduzieren. In einer globalen Studie über Pansenmikrobiome von 32 Wiederkäuerarten gehörten 74 % der Archaeen zu nur zwei hydrotrophen Gruppen, die Methanobrevibacter gottschalkii und Methanobacterium ruminatium repräsentierten. Zwei weitere bekannte Methanogengruppen, die CH4 entweder aus Acetat- oder Methylgruppenverbindungen produzieren, kommen im H2-reichen Pansenlebensraum weitaus seltener vor.

Die Methanogenese kann als symbiotischer Prozess betrachtet werden, da sie Fermentationsreaktionen vorantreibt und so die kontinuierliche Produktion von Fettsäuren für das Tier unterstützt. Allerdings bedeutet es auch einen Energieverlust für die Milch- und Fleischproduktion. Der Prozentsatz der Bruttoenergieaufnahme, der durch das Aufstoßen von Methan verloren geht, wird auf 2–12 % geschätzt, wobei größere Verluste mit einer futterreichen Ernährung einhergehen. Jahrzehntelang war eine verbesserte Futtereffizienz das Ziel der Forschung zur Senkung des Methans bei Wiederkäuern durch Ernährungsumstellungen. Mit dem ersten Bericht des Zwischenstaatlichen Gremiums für Klimaänderungen (IPCC) im Jahr 1992 wurde die Reduzierung von Treibhausgasen zu einem stärkeren Impuls für die Reduzierung von Methan in der Nutztierhaltung. Der IPCC-Bericht beschrieb den Anstieg der atmosphärischen CH4-Konzentrationen von 750 auf 1800 Teile pro Milliarde (ppb) im Vergleich zu den vorherigen 100 Jahre. Es wurde anerkannt, dass das Wachstum der Weltbevölkerung und die Nachfrage nach tierischem Eiweiß zu einer größeren Viehproduktion führen würden, wobei 1995 schätzungsweise 1,3 Milliarden Rinder für 12 % der weltweiten Methanemissionen verantwortlich waren.

In jüngerer Zeit basierte ein gezielter biochemischer Ansatz zur Methanogenhemmung auf Kristallstrukturen von Enzymen, die für die Methanproduktion verantwortlich sind (Methyl-Coenzym-M-Reduktase oder MCR) in hydrotrophen Methanogenen wie Methanobacter thermoautotrophicum und Methanothermobacter marburgensi. Computergestütztes Screening identifizierte eine Gruppe kleiner Moleküle, die Nitrooxycarbonsäuren, als potenzielle Inhibitoren, die in das aktive Zentrum der MCR passen könnten. Es wurde angenommen, dass eine Enzyminaktivierung auftritt, wenn eine Verbindung wie 3-NOP in das aktive Zentrum des MCR passt und dessen Fähigkeit, einen Schlüsselschritt bei der CH4-Bildung durchzuführen, hemmt. Genauer gesagt bindet 3-NOP an MCR in der Nähe von Coenzym F430, einer prosthetischen Gruppe, die ein kritisches Ni(I)-Atom enthält. Es wird postuliert, dass die Nähe der Nitratgruppe von 3-NOP eine Oxidation von Ni(I) verursacht, sodass es den letzten Reduktionsschritt der CH4-Bildung nicht mehr durchführen kann.

Fütterungsversuche mit 3-NOP an Schafe, laktierende Kühe und Mastrinder in Mastbetrieben führten zu einer durchschnittlichen Reduzierung der CH4-Emissionen um 30 % und bestätigten damit, dass 3-NOP in vivo wirkt. Im Labor variiert die Hemmung des Wachstums verschiedener Methanogene in Reinkulturen durch 3-NOP jedoch stark. Sehr niedrige (mikromolare) Konzentrationen verhindern das Wachstum von Hydrogenotrophen Methanogenen wie M. ruminantium, während 100-mal höhere Konzentrationen erforderlich sind, um andere Hydrogenotrophe wie Methanomicrobiium mobile und Methanosarcina barkeri zu hemmen. Die phylogenetische und physiologische Vielfalt unter Methanogenen kann es schwierig machen, die symbiotische Beziehung zwischen Wiederkäuern und archaischen H2-Konsumenten im Pansen zu umgehen.

Die Sequenzierung der extrahierten mikrobiellen DNA und RNA aus Pansen der nächsten Generation ist zu einem Segen für ein umfassenderes Verständnis der Auswirkungen von 3-NOP auf das Mikrobiom geworden. Gleichzeitig mit reduzierten CH4-Emissionen führte beispielsweise die Ergänzung von 60 mg 3-NOP pro kg Futtertrockenmasse bei Milchkühen über 4–12 Wochen zu einem Rückgang der dominanten Methanobrevibacter spp. und Zunahmen bei nicht klassifizierten Methanobacteriaceae und Methanosphaera spp. im Vergleich zu Kontrollen. Da nicht-methanogene Mitglieder des Pansenmikrobioms nicht wesentlich beeinträchtigt wurden, schienen Veränderungen in der methanogenen Zusammensetzung durch 3-NOP den während der Studie gemessenen Anstieg von Propionsäure (einer kurzkettigen Fettsäure) und H2 zu erklären.

Wenn Methanogene, die durch 3-NOP gehemmt werden, absterben, können sich insbesondere H2-Konzentrationen ansammeln und den Kohlenstoff- und Energiefluss beeinträchtigen, bevor andere Methanogene die Kontrolle übernehmen können. Dies kann die Zugabe anderer Elektronenakzeptoren erforderlich machen, um eine effiziente Fermentation zu unterstützen. Ob 3-NOP in größerem Umfang eingesetzt wird, hängt von seiner Akzeptanz, den Kosten und den Forschungsergebnissen ab, die bestätigen, dass die Tiergesundheit und Produktivität langfristig nicht beeinträchtigt werden.

In jüngster Zeit hat die Fütterung von Wiederkäuern mit der Rotalge Asparagopsis taxiformis zur Reduzierung der Methanemissionen in der Branche für Aufsehen gesorgt. In-vitro-Studien mit diesen Algen haben eine Methanhemmung von bis zu 99 % ohne negative Auswirkungen auf die Gesundheit gezeigt. Die vorgeschlagene Wirkungsweise besteht in der Einführung einer bioaktiven bromierten Verbindung (Bromoform), die in der Algenbiomasse enthalten ist. Dabei handelt es sich um ein halogeniertes Methananalogon, das die Methanogenese hemmt. Für den spezifischen Zweck des Klimaschutzes wird beträchtliches Risikokapital in die Produktion ausreichender Vorräte an Rotalgen an Standorten gesteckt, die die Transportkosten senken würden.

Zusätzlich zu vielen Nahrungsergänzungsmitteln, die auf Methanogenunterdrückung getestet wurden, wurden antimethanogene Impfstoffe entwickelt, die auf der anerkannten Dominanz relativ weniger hydrotropher Arten basieren. Zu diesem Zweck wurden Impfstoffe entweder aus ganzen Zellen oder Zellbestandteilen gemischter Kulturen von Methanogenen gewonnen. In-vivo-Studien zur Messung der Methanemissionen, hauptsächlich bei Schafen, nach der Impfung mit Mischkulturimpfstoffen haben jedoch nur geringe oder keine Verringerungen gemeldet, was möglicherweise auf eine größere Breite der Methanogenvielfalt zurückzuführen ist. Um dieser Herausforderung zu begegnen, kann die Antikörper-Kreuzreaktivität mithilfe von Immunocapture-Beads vor dem In-vivo-Versuch in vitro mit verschiedenen Methanogenen in Pansenflüssigkeiten getestet werden. Da der Impferfolg jedoch ausbleibt, sind Ernährungsumstellungen nach wie vor der häufigste Ansatz zur CH4-Reduzierung.

Bei den Arten und Rassen von Hauswiederkäuern sind konsistente Muster in der Größenordnung der Methanemissionen zu beobachten. Einige Rinderrassen stoßen durchweg weniger Methan aus als andere, wobei Fleischrinder im Allgemeinen weniger Methan ausstoßen als Milchkühe. Der Nachweis, dass die Wirtsgenetik die Zusammensetzung des Mikrobioms und den Energiefluss durch den Pansen beeinflusst, führt zu Bemühungen, Tiergenetik und Mikrobiomanalysen zu integrieren. Die bukkale Probenahme von Speichel und Mundinhalt wird auf Biomarker untersucht, die Tiermerkmale widerspiegeln, um eine schnellere und häufigere Datenerfassung zu ermöglichen.

In einigen Ländern hat die zunehmende Verbreitung von Systemen auf begrenzten Mastflächen zur Aufzucht und Veredelung von Rindern dazu geführt, dass vermehrt Kraftfutter verfüttert wird, das mehr verdauliche Kohlenhydrate und mehr Eiweiß enthält als Raufutter mit hohem Ballaststoffgehalt. Die Methanemissionen von Rindern, die mit Kraftfutter gefüttert werden, sind geringer als bei Rindern, die mit Futter mit hohem Ballaststoffgehalt gefüttert werden. Die genetische Selektion von Rindern kann auch zu geringeren Methanemissionen führen, da Futterautomaten mit hoher Effizienz weniger Methan produzieren als Futterautomaten mit geringer Effizienz.

Aufgrund der geringeren Verfügbarkeit von Ressourcen und Forschungsinfrastruktur werden die Kraftfutterfütterung, die Verwendung ausgewählter Rassen und Futtermittelzusätze in Entwicklungsländern jedoch nicht so leicht umgesetzt. Dennoch gibt es für Landwirte in Entwicklungsländern Möglichkeiten, die Methanemissionen von Wiederkäuern zu senken. Die Aufzucht von Wiederkäuern liefert nicht nur Milch und Fleisch, sondern stellt auch eine wichtige Ökosystemleistung dar, nämlich die Umwandlung minderwertiger Zellulosematerialien in hochwertiges Protein auf Flächen, die sonst nicht bewirtschaftet werden könnten. Und in Zukunft wird es von entscheidender Bedeutung sein, einen gleichberechtigten globalen Zugang zu zahlreichen landwirtschaftlichen Innovationen zu gewährleisten, die die Methanemissionen reduzieren, da wir die Gesundheit von Mensch, Tier und Umwelt weltweit schützen wollen.

Marry Ann Bruns, Ph.D., die Autorin dieses Artikels, wird am 16. Juni 2023 von 13:45 bis 15:45 Uhr auf der ASM Microbe 2023 eine Sitzung zum Thema „Mikrobielle Technologien zur Minderung von Methanemissionen“ einberufen. Interessiert am Lernen Geht es Ihnen darum, die Methanogenese zu reduzieren oder zu verhindern?