Ruminantes metanogênicos como alvo de mudança climática

Reduzir as concentrações atmosféricas de metano, o potente, mas de curta duração, gás de efeito estufa, é fundamental para retardar o aumento das temperaturas globais. O gado leiteiro e de corte, os ruminantes mais numerosos do mundo, expelem cerca de 100 teragramas (Tg) de metano (CH4) todos os anos. Globalmente, as emissões de metano entérico rivalizam com as da indústria de petróleo e gás.

Uma busca para reduzir as emissões de CH4 de ruminantes levou à identificação do 3-nitrooxipropanol (3-NOP), um aditivo alimentar que interfere especificamente na etapa final da metanogênese. A obtenção de um produto com um modo de ação específico da enzima é apenas um dos muitos esforços nos últimos 75 anos, juntamente com o desenvolvimento de vacinas e outros aditivos alimentares, para reduzir a metanogênese no rúmen e entender sua influência na saúde e produtividade animal. O desenvolvimento do 3-NOP, agora um produto comercial, exemplifica a aplicação do conhecimento microbiológico para a mitigação das emissões de gases de efeito estufa da agricultura. O composto, produzido pela empresa holandesa DSM, foi patenteado e aprovado para uso em vacas leiteiras no Brasil, Chile e União Européia.

O metano é produzido por archaea que constituem uma pequena proporção (até 4%) da biomassa microbiana no rúmen. Como o maior dos 4 compartimentos estomacais da vaca, o rúmen representa 12-15% da massa corporal do animal e abriga uma comunidade anaeróbica composta por diversas bactérias, protistas e fungos. Esses micróbios degradam e fermentam fibras lignocelulósicas que o animal não consegue digerir.

Os principais produtos da fermentação microbiana consistem em ácidos graxos de cadeia curta, que são absorvidos pelo animal, bem como CO2 e H2, que são convertidos por metanogênios em gás residual CH4. Algum material não digerido é regurgitado na cavidade bucal, ou boca, onde a rumina é mastigada e engolida novamente. Outro material não digerido passa para o abomaso, onde os processos digestivos dos mamíferos assumem antes de entrar no trato intestinal inferior.

Uma vaca leiteira típica emite cerca de 160 kg de CH4 por ano. Uma proporção menor de CH4 (10-15%) de ruminantes é produzida no trato intestinal e sai de suas extremidades traseiras. A maioria do CH4 (> 80%) sai da boca durante a eructação ou arroto. A quantidade de metano produzida no rúmen depende de muitos fatores, incluindo a digestibilidade do alimento, a quantidade total de carboidratos fermentados, as proporções de ácidos graxos formados e as concentrações de H2.

A maioria dos metanogênicos ruminais tem metabolismo hidrogenotrófico, o que significa que eles usam elétrons do H2 para reduzir o CO2 a CH4, uma maneira eficiente de reduzir as concentrações de H2 no rúmen. Em um estudo global de microbiomas ruminais de 32 espécies de ruminantes, 74% das archaea pertenciam a apenas 2 clados hidrogenotróficos representando Methanobrevibacter gottschalkii e Methanobacterium ruminatium. Dois outros grupos metanogênicos conhecidos que produzem CH4 a partir de compostos do grupo acetato ou metil são muito menos abundantes no habitat do rúmen rico em H2.

A metanogênese pode ser considerada um processo simbiótico porque impulsiona as reações de fermentação, auxiliando assim na produção contínua de ácidos graxos para o animal. No entanto, também representa uma perda de energia para a produção de leite e carne. As porcentagens de ingestão de energia bruta perdidas por eructação de metano foram estimadas em 2-12%, com maiores perdas associadas a dietas ricas em forragem. Durante décadas, a melhoria da eficiência alimentar foi o objetivo da pesquisa sobre a redução do metano de ruminantes por meio de modificações na dieta. A mitigação dos gases de efeito estufa tornou-se um ímpeto mais forte para reduzir o metano do gado com o primeiro relatório do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) em 1992. O relatório do IPCC descreveu o aumento nas concentrações atmosféricas de CH4 de 750-1800 partes por bilhão (ppb) nos últimos 100 anos. Ele reconheceu que o aumento da população global e a demanda por proteína animal levariam a uma maior produção de gado, com 1,3 bilhão de bovinos estimados como responsáveis ​​por 12% das emissões globais de metano em 1995.