Verstehen, wie eine rote Meeresalge die Methanemissionen von Kühen reduziert

Methan ist nach Kohlendioxid der zweitgrößte Verursacher der Klimaerwärmung, und deshalb haben Wissenschaftler viel Aufmerksamkeit darauf gerichtet, eine der Hauptquellen zu bekämpfen: die Methanemissionen von Nutztieren. Mit anderen Worten: Kuhrülpser sind schlecht für den Planeten.

Landwirte ergänzen das Futter ihrer Kühe durch verschiedene Meeresalgen als Quelle für Proteine, ungesättigte Fette und andere gesundheitsfördernde Inhaltsstoffe, die sofort Energie liefern, sagt Dipti Pitta von der School of Veterinary Medicine der University of Pennsylvania. Eine Studie aus dem Jahr 2016 in Australien ergab, dass die Fütterung von Schafen mit der Rotalgenart Asparagopsis taxiformis (AT) die Methan-Emissionen um 80 % reduzierte.

Die Auswirkungen dieser Meeresalgen sind jedoch sehr unterschiedlich. Deshalb untersuchten Forscher des Labors für landwirtschaftliche Systeme und Mikrobengenomik (ASMG-Labor) von Pitta und der Pennsylvania State University, wie diese Algen das Mikrobiom im Pansen, einem Teil des Magens einer Kuh, verändern. Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Journal mBio.

Die Forscher teilten 20 Kühe nach dem Zufallsprinzip auf vier Behandlungsmethoden auf: eine hohe AT-Dosis, eine niedrige Dosis dieser roten Meeresalge, Oregano, der ebenfalls die Methanbildung hemmt, und die Kontrollgruppe. Sie wechselten die Tiere in vier 28-tägigen Zeiträumen zwischen den Behandlungsmethoden.

Das Team stellte fest, dass die hohe Algendosis die Methanemissionen in den ersten beiden Zeiträumen um 55 % verringerte. Der Effekt schien jedoch nur von kurzer Dauer zu sein. Im dritten und vierten Zeitraum nahm er allmählich ab.

Pitta sagt, dies sei eine der ersten Studien, die untersucht, wie Methan im Pansen gebildet wird und wie Methanwege durch verschiedene Minderungsstrategien verändert werden. Er betont, wie wichtig es ist, die Gesundheit des Mikrobioms und die Produktivität der Tiere bei der Reduzierung des Methanausstoßes zu bewahren. Frühere Studien haben die Auswirkungen von AT auf mikrobielle Populationen und ihre funktionellen Wege nicht so detailliert untersucht.

Die Forscher stellten fest, dass die hohe Algendosis in den ersten beiden 28-tägigen Zeiträumen zu einer nahezu vollständigen Eliminierung von Methanosphaera führte, einem Mikroorganismus, der Wasserstoff verwendet, um Methanol zu Methan zu reduzieren, im Pansen. Pitta sagt, dass dies wichtig ist, da die Algenbehandlung nicht die gleiche Wirkung auf andere Mikroben hatte, die Methan produzieren, was die Forscher zu der Annahme veranlasste, dass Methanosphaera eine größere Rolle bei der Methanbildung spielt als bisher angenommen.

Allerdings erklärt die Studie, dass die Methanosphaera-Populationen in späteren Perioden sprunghaft anstiegen, weil sie nicht in der Lage waren, Bromoform zu inaktivieren, eine Substanz in Meeresalgen, die die Bildung von Methan im Pansen unterdrückt.

Die Studie untersuchte auch die Aktivität von Enzymen, die an der Methanogenese beteiligt sind, dem Prozess der Produktion von Methan als Nebenprodukt des Energiestoffwechsels. Erstautor Nagaraju Indugu, ein leitender Forscher im ASMG-Labor, sagt, dass die an diesem Stoffwechselweg beteiligten Enzyme im Vergleich zur Kontrollgruppe reduziert waren, als den Kühen AT verabreicht wurde.

Die Autoren weisen auch darauf hin, dass sie zwar indirekte Auswirkungen von AT auf Bakterien in der Mikrobiota erwartet hatten, aber auch direkte Auswirkungen fanden, die weniger erwartet wurden. Insbesondere Bakterienarten, die Butyrat produzieren, eine kurzkettige Fettsäure, die Kühen als Energiequelle dient, waren bei mit Meeresalgen behandelten Tieren im Vergleich zur Kontrollgruppe deutlich häufiger vorhanden als bei der Kontrollgruppe.

„Es ist sehr wichtig, den Nährstoffgehalt von Meeresalgen und ihre antimikrobielle Wirkung zu kennen, damit wir die Auswirkungen der Aufnahme unterschiedlicher Konzentrationen von Meeresalgen in die Tierernährung besser verstehen“, sagt Pitta.

Indugu sagt, dass die frühere Arbeit des ASMG-Labors zur aktuellen Studie geführt habe. Forscher hatten zuvor berichtet, dass die organische Verbindung 3-Nitrooxypropanol die Methanemissionen um 26 % reduzierte, und eine nachfolgende Studie ermittelte die mikrobiellen Eigenschaften von Kühen mit geringen Methanemissionswerten.

Mit Blick auf die Zukunft sagt Pitta, dass das Labor an der Kombination verschiedener Strategien arbeitet, wie etwa dem Testen von Seetang im Futter von Kühen, die als Methanemittenten mit hohem oder niedrigem Methanemissionsanteil identifiziert wurden. „Die Kombination dieser beiden Stoffe mit den Seetangstoffen könnte uns die Möglichkeit geben, Methan effektiv um ein viel größeres Ausmaß zu reduzieren, als wenn wir nur eine Strategie anwenden würden“, sagt sie.

Pitta fügt hinzu, dass die Forscher auch unterschiedliche Dosierungen verschiedener Meeresalgenarten in methanogenen Kulturen untersuchen, um genauere Angaben zu den Konzentrationen zu erhalten, die zur Hemmung der Methanogenese erforderlich sind.