Ауылшаруашылығындағы метан шығарындыларын төмендетудің жолдары

Дүниежүзінде адамның қызметі барысында пайда болатын метан шығарындыларының негізгі үлесі ауыл шаруашылығына, әсіресе мал шаруашылығына тиесілі. Осы модульде күйіс қайыратын жануарлардың асқазанында және күріш өсіру барысында пайда метан шығарындыларын төмендету жолдары ұсынылады.

Ауылшаруашылығындағы метан шығарындыларын төмендетудің жолдары

Күйіс қайыратын жануарлардан бөлінетін метан шығарындыларын азайту
Күйіс қайыратын жануарлардан келетін метан шығарындысы қоршаған ортаға теріс әсер етумен бірге әдетте жануардың жалпы тұтынатын энергиясының 10-11% жоғалтуына әкелетінін атап өткен жөн [1]. Сондықтан күйіс қайыратын малдың CH4 шығарындысын төмендету оның өнімділігі үшін өте маңызды. Сіздер осы берілген бөлімде күйіс қайыратын жануардың ас қорыту жүйесінен бөлінетін метан шығарындыларын азайтудың жолдарымен таныс боласыздар.

Мал азығының құрамында концентратты жоғарылату арқылы метан шығарындыларын тиімді азайтуға болады. Концентраттың көп мөлшерін беру жалпы энергияның жоғалуын айтарлықтай азайтады және CH4 шығарындыларын 3-6,5%-ға төмендетеді [2]. Күйіс қайыратын мал азығының құрамында концентрат жоғарылаған кезде, асқазанда целлюлоза және гемицеллюлоза секілді талшықты материалдың деңгейі төмен болады және қарында болатын физиологиялық өзгерістер крахмал деңгейін жоғарылатады. Бұл өзгерістер амилолитикалық бактериялардың көбеюіне әкеледі. Амилолитикалық бактериялар ұшпа май қышқылының түзілуін өсіреді, сонымен қоса пропионаттың ацетатқа қатынасын жоғарылатады. Ал бұл ішекте H2 азайту арқылы CH4 түзілуін азайтады.

Мал азығына қосылатын жем-шөптің сапасы метан шығарындыларының түзілуіне әсер етеді. Әдетте, сапасыз мал азығына концентратты араластырғанда метан шығарындыларының төмендеуі байқалмайды. Сондай-ақ сапасыз жемдерде концентраттың мөлшері нөлден шамамен 50%-ға дейін немесе 70-75%-дан 90%-дан жоғары көтерілгенде бұл әсерлер күшейеді. Керісінше, концентраттың қалыпты мөлшері жоғары сапалы жемдерге (мысалы, шөп сүрлеміне) қосылғанда CH4 шығарындыларының азаюы байқалды.

Концентратта қолданылатын астық түрі СН4 түзілуін де өзгерте алатынын көрсетті. Мысалы, концентраттың негізгі астық көзі арпа орнына жүгері болған кезде CH4 түзілуі 30%-ға азаюы байқалды. Сонымен қатар, сиырдан бөлінетін CH4 шығарындыларды оларды жоғары сіңімді және қоректілігі жоғары ингредиенттерге бай жайылым өрісте жаю арқылы төмендетуге болады.

CH4 шығарындыларын азайту үшін ірі қара малдың рационында концентраттың жоғары болуының кемшіліктері де бар. Концентраттың жоғары деңгейі қарынның рН деңгейін төмендетеді, сүт қышқылы түзілуін арттырады және кейіннен қарын ацидозына ықпал етіп, жануарлардың өнімділігінің төмендеуіне әкеледі. Сонымен қатар, концентраттарды қосудың экономикалық жағын да ескеру қажет. Концентраттың жемге қатынасын арттыру талшықтардың сіңімділігіне теріс әсер етеді, бұл өнімділіктің жоғалуына, сондай-ақ көңдегі ашытылатын органикалық заттардың концентрациясы жоғарылап көңді сақтау кезде CH4 шығарындыларын арттыруға әкелуі мүмкін.

Липидтерді, майларды және май қышқылдарын қосу сүтті және етті ірі қара малдың ас қорыту жүйесіндегі метан шығарындыларын азайтудың сенімді шешімі ретінде қарастырылады. Бұл бағытта көптеген зерттеулер бар, жалпы май қоспаларын қолдану 40%-ға дейін метан шығарындыларын азайтуы мүмкін. Липидтер метан деңгейін үш жолмен төмендетеді [3]: 1) май қышқылдарының биогидрогенизациясы, 2) липолизден пропионат өндірісінің жоғарылауы, яғни триглицеридтер глицеринге айналады, кейін пропионатқа айналады, 3) жануардың асқазанында ашытылатын заттарды азайтады, себебі май қышқылдары ашытылмайды.

Антибиотиктер малдың рационына кеңінен қосылады, осылайша олар малдың өнімділігін оңтайландырып, ас қорыту жүйесінде CH4 түзілуін азайтады. Дегенмен, денсаулық сақтау ұйымының қолданыстағы ережелері антибиотиктерді малға қолдануға тыйым салады немесе шектейді. Бұл мәселе антибиотиктердің орнына, мысалы, табиғи жем қоспалары немесе өсімдік қайталама метаболиттері сияқты балама іздеуге әкелді. Сапониндер, таниндер және әртүрлі өсімдік тағамдар мен сығындыларындағы эфир майлары сияқты бірнеше өсімдік қайталама метаболиттері CH4 деңгейін төмендетуде тиімділігін көрсетті. Кейбір өсімдіктерде таниндер мен сапониндердің көп мөлшері болады.

Жақында жүргізілген зерттеулердің бірінде екінші реттік метаболиттерді әсіресе сапониндерге бай жоңышқа сүрлемімен азықтандырса асқазандағы CH4 шығарындыларын және метаногендерді азайтуға болатынын көрсетті [4]. Сапонинге бай өсімдіктер көбінесе салыстырмалы түрде қымбат болады, бірақ, мысалы жоңышқа сүрлемін пайдалану фермерлер үшін арзан және қолжетімді. Соңғы зертеулердің бірінде, ангус немесе герефорд сиырларын бордақылауда сарымсақ пен цитрус сығындыларын қолдану олардың өнімділігін арттырып, сондай-ақ CH4 түзілуін төмендеткенін көрсетті [5, 6]. Сарымсақ сығындысында аллицин деген биологиялық белсенді қосылыс бар, бұл метаногенді археялар мен қарапайымдылардың популяциясын азайту арқылы CH4 шығарындыларына әсер етеді. Сонымен қатар, басқа да табиғи қоспаларды араластырып беруге болады: жаңғақ, қалампыр, мақта майы, жеміс-жидектер мен олардың қосалқы өнімдерін және т.б.

Нитраттарды қоспа ретінде қолдану метанның түзілуін төмендетеді. Зерттеушілер нитрат (NO3-) ішек микробиомасының популяциясын өзгерту арқылы CH4 ингибиторы ретінде әрекет етеді және оның екі жолы бар: а) нитриттің (NO2-) уыттылығы; б) H2 сіңіру арқылы [7]. Яғни, нитрат метаногенездің H2 сіңіруіне кедергі жасайды және метаногендік археаның пайды болуының тікелей алдын алады. Сондай-ақ, нитраттар қарынды микробтық ортаның өсуі үшін аммиакпен қамтамасыз етеді, яғни етті мал үшін белокты емес азоттың көзі болып табылады. Жануарларға NO3/NO2 уыттылығына байланысты нитраттарды көп мөлшерде бір уақытта қабылдау қауіпті. Бүгін де нитрат (NO3) инкапсуляцияланады, себебі солай нитраттың қарын ортасына баяу бөлінуін қамтамасыз етеді.

Сұйық көңнен бөлінетін метан шығарындыларын азайту
Енді сұйық көңді қарастыратын болсақ, бұл микроорганизмдер үшін қоректік заттарға бай субстрат болып табылады. Дегенмен, азықтандыру және көңді сақтау тәжірибелеріне қарай метан шығарындылары әртүрлі болуы мүмкін. Төменде метан шығарындыларын төмендетудің жолдары және оларға әсер етуші негізгі факторлар талқыланған.

Метан шығарындыларына түпкілікті негізгі әсер етуші фактор – субстраттың физика-химиялық касиеттері, яғни субстраттардың макромолекулярлық құрамы және физикалық құрылымы (мысалы, компоненттер арасындағы байланыс және бөлшектердің өлшемі) жатады. Сұйық көңде жануарлардың қалдықтарымен қоса биомасса да болуы мүмкін. Ал биомассаның өсімдік және микробтық көздері, соның ішінде толық қорытылмаған мал азығы өте баяу ыдырайтын рекальциторлы фракциялардан тұрады. Бұл фракциялар жануардың түріне, жем және жемдік материалға байланысты өзгереді. Мысалы, ірі қара малдың көңі шошқа көңіне қарағанда лигнинге айтарлықтай бай және бұл айырмашылық негізінен күйіс қайыратын және бір қарынды жануарларға қатысты болуы мүмкін. Өсімдік биомассасындағы құрылымдық көмірсулар лигнинмен және кристалдық құрылыммен қорғалуы мүмкін және бұл метан түзілуінің көлеміне мен жылдамдығына әсер етеді. Кез келген шаруашылық сұйық көңді сақтау кезінде деградация жылдамдығы мен қарқынындылығының айырмашылықтарын есепке алуы керек, себебі бұл қоршаған ортаға бөлінетін метан шығарындыларын азайтуға мүмкіндік береді. Мысалы, сұйық көңде жоғары лигноцеллюлозасы бар сабан болса, бұл қысқа мерзімді сақтауда өте аз метан бөледі, сабан баяу ыдырайтын болады. Бірақ 2-3 ай немесе одан да көп сақталса, метан шығарындыларын арттыруы мүмкін. Сұйық көңнен қатты органикалық материалдарды бөлу арқылы құрамында лигноцеллюлоза аз субстрат алуға болады. Нәтижесінде жеңіл ыдырайтын және қалып қалған азғантай органикалық материалдар еріген компоненттер болып кездесетін жағдайда метан түзілуі салыстырмалы түрде жоғары болады, бірақ қысқа мерзімді болып келеді.

Метаногенді организмдерді тежеу – метан шағырындыларының түзілуін азайтудың тиімді жолдарының бірі. Органикалық қалдықтарда болатын бірнеше компоненттер, соның ішінде ұзын тізбекті май қышқылдары, ұшпа май қышқылдары, H2, бос аммиак (NH3) және аммоний (NH4+), рН және күкіртсутек (H2S) метаногендердің метан түзілуіне кедергі жасайды [8-10]. Жиналған сұйық көңде СО2 жоғалуына байланысты рН көрсеткіші тереңдікте төмендейді. Нәтижесінде жоғарғы қабаттарда NH3 концентрациясы жоғары, ал ұшпа май қышқылдарының концентрациясы төмен болады. Сонымен қатар, сұйық көң жиналған қоймада ыдырауы керек органикалық қалдықтар түбінде тұнып жиналады. Екі фактор да метаноген организмдердің өсуіне әсер етеді және қойманың тереңдігі түзілетін метан шығарындыларының көлеміне әсер етуі мүмкін.

Ұзын тізбекті май қышқылдары көңнің негізгі құрамдас бөлігі емес, олар майлардың гидролизі нәтижесінде түзіледі. Яғни, бұл көмірсулардың ашытуының негізгі өнімі болып табылады және әдетте көңде жоғары концентрацияда болады. pH көрсеткішінің төмен болуы қышқыл ыдырауының төмендеуіне алып келеді, ал бұл ұшпа май қышқылдарының жоғары концентрациясына себеп болады. Ацетат, пропан қышқылы, май қышқылы және изобутир қышқылы анаэробты ас қорыту процесінің бұзылу белгілері болып келеді.

Метаногендік белсенділік рН 3-тен 10-ға дейінгі шектерде байқалғанымен [11], сұйық көңде метаногендік организмдердің белсенділігі төмен әдетте рН 5,5-8,5 арасында болады [12]. Мал шаруашылығынан пайда болған сұйық көңде жалпы бейорганикалық көміртектің жоғары концентрациясы болады, ал бұл рН-ты 6,5-8,5-ке дейін тиімді түрде қалыпты етіп түсіруі мүмкін. Бұл көбінесе көлемді резервуарда сұйық мал көңін сақтағанда қол жеткізілуі мүмкін. Дегенмен, сұйық көңді қышқылдандыру арқылы рН көрсеткішін 5,5-ке төмендетіп метаногенездің толық дерлік тежелуіне қол жеткізуге болады [13].

Сутегі гидрогенотрофты бактериялар арқылы ұшпа май қышқылдары мен спирттердің ыдырауы барысында түзіледі. Ұшпа май қышқылдарының негізгі түрі ацетат болып келеді және оның метаногендік ыдырауы ацетокластикалық реакция арқылы немесе ацетатты тотығудың анаэробты реакциясы арқылы жүзеге асады. Екінші реакцияның бірінші реакциядан айырмашылығы – екінші реакция жылу энергиясын қажет етеді. Бактериялар, атап айтқанда, синтрофиялық ацетатты тотықтырғыш бактериялар ацетатты тотықтырып, сутегіні тазартатын метаногендер бар болған жағдайда сутегі мен СО2 түзе алады. Сонымен қатар, температураның төмендеуі кезінде ұшпа май қышқылдарының тотығуынан түзілетін сутегі азаяды. Сондықтан сутекті гидрогенотрофты метаногенездің шекті аралық өнімі және синтрофты май қышқылдарының тотықтырғыштарының шектеуші тежегіші ретінде қарастыруға болады.

Гидролиз және метаногенез барлық биологиялық процестер сияқты температураға сезімтал болады, сонымен бірге температура сұйық көңнен бөлінетін метанның көлеміне әсер етеді. Мысалы, егер температураны 35оС-ден 15оС-ге төмендетсе, ірі қара мал мен шошқаның сұйық көңін және олардың қорытқысының аралас субстратынан бөлінетін метанды 9 есе азайтуға болады [14]. Негізінен температураға байланысты анаэробты ас қорытуға қатысатын үш түрлі микробтық топтар бар: психофильді (5–20°С), мезофильді (25–40°С) және термофильді (45°С жоғары). Аталған үш микробтық топтың өсу қарқыны төмендегі суретте сипатталған. Сұйық көңді сақтау кезінде ол көбінесе психофилді және мезофильді диапазонға түсуі мүмкін. Жыл мезгілінің суық уақыттарында метан шығарындылары түзілмегендіктен сұйық көңді ұзақ сақтау мүмкін, алайда жылы мезгілдерде ұзақ сақтамаған абзал.

Әдебиеттер тізімі

[1] C. Valli, Mitigating enteric methane emission from livestock through farmer-friendly practices, Global climate change and environmental policy, Springer2020, pp. 257-273.
[2] K.A. Beauchemin, S.M. McGinn, H.V. Petit, Methane abatement strategies for cattle: Lipid supplementation of diets, Canadian Journal of Animal Science 87(3) (2007) 431-440.
[3] A. Hadipour, A. Mohit, H. Darmani Kuhi, F. Hashemzadeh, Recent nutritional advances to mitigate methane emission in cattle: a review, Iranian Journal of Applied Animal Science 11(1) (2021) 1-14.
[4] M. Kozłowska, A. Cieślak, A. Jóźwik, M. El‐Sherbiny, A. Stochmal, W. Oleszek, M. Kowalczyk, W. Filipiak, M. Szumacher‐Strabel, The effect of total and individual alfalfa saponins on rumen methane production, Journal of the Science of Food and Agriculture 100(5) (2020) 1922-1930.
[5] B.M. Roque, H.J. Van Lingen, H. Vrancken, E. Kebreab, Effect of Mootral—a garlic-and citrus-extract-based feed additive—on enteric methane emissions in feedlot cattle, Translational Animal Science 3(4) (2019) 1383-1388.
[6] T. Ma, D. Chen, Y. Tu, N. Zhang, B. Si, K. Deng, Q. Diao, Effect of supplementation of allicin on methanogenesis and ruminal microbial flora in Dorper crossbred ewes, Journal of animal science and biotechnology 7(1) (2016) 1-7.
[7] L. Zhao, Q. Meng, L. Ren, W. Liu, X. Zhang, Y. Huo, Z. Zhou, Effects of nitrate addition on rumen fermentation, bacterial biodiversity and abundance, Asian-Australasian journal of animal sciences 28(10) (2015) 1433.
[8] J. Lee, S. Hwang, Single and combined inhibition of Methanosaeta concilii by ammonia, sodium ion and hydrogen sulfide, Bioresource technology 281 (2019) 401-411.
[9] S. Astals, M. Peces, D. Batstone, P. Jensen, S. Tait, Characterising and modelling free ammonia and ammonium inhibition in anaerobic systems, Water research 143 (2018) 127-135.
[10] F.R. Dalby, S.D. Hafner, S.O. Petersen, A.C. VanderZaag, J. Habtewold, K. Dunfield, M.H. Chantigny, S.G. Sommer, Understanding methane emission from stored animal manure: A review to guide model development, Journal of Environmental Quality 50(4) (2021) 817-835.
[11] T. Hoehler, N.A. Losey, R.P. Gunsalus, M.J. McInerney, Environmental constraints that limit methanogenesis, Univ. of Oklahoma, Norman, OK (United States), 2018.
[12] S. Jabłoński, P. Rodowicz, M. Łukaszewicz, Methanogenic archaea database containing physiological and biochemical characteristics, International journal of systematic and evolutionary microbiology 65(Pt_4) (2015) 1360-1368.
[13] D. Fangueiro, M. Hjorth, F. Gioelli, Acidification of animal slurry–a review, Journal of environmental management 149 (2015) 46-56.
[14] L. Elsgaard, A.B. Olsen, S.O. Petersen, Temperature response of methane production in liquid manures and co-digestates, Science of the Total Environment 539 (2016) 78-84.