Микробная экосистема и метаногенез у жвачных животных

Разведение крупного рогатого скота и других жвачных животных подвергается всё более пристальному общественному вниманию в связи с тем, что эти животные являются крупными источниками выбросов парникового газа метана. Метаногенез осуществляют метаногенные археи — специализированная группа микроорганизмов, обитающих в различных анаэробных средах, включая рубец. В рубце метаногены преимущественно используют H2 и CO2 в качестве субстратов для образования метана, занимая важную функциональную нишу в экосистеме. Однако на образование метана влияют и другие микроорганизмы — либо непосредственно участвующие в метаболизме водорода (H2), либо изменяющие численность метаногенов и других представителей микробиоты. В этой работе рассматривается взаимосвязь некоторых из этих микроорганизмов с метаногенезом и выделяются функциональные группы, которые могут способствовать снижению выбросов метана.

Водород (далее — H2) является ключевым фактором, определяющим образование метана в рубце. Среди продуцентов H2 особое место занимают простейшие; их роль усиливается тесной физической связью с метаногенами, которая облегчает перенос H2 от одних микроорганизмов к другим. Выявлена сильная положительная связь между численностью простейших и выбросами метана. Поскольку эта группа, вероятно, не является необходимой для функционирования рубца, простейшие могут стать мишенью для снижения выбросов метана.

Важной функцией, связанной с образованием H2, является расщепление волокнистых компонентов растительного сырья. Однако не все представители фибролитического сообщества рубца продуцируют H2. Увеличение доли фибролитических микроорганизмов, не образующих H2, может снизить образование метана без ухудшения переваримости кормов.

В рубце существуют и альтернативные пути окисления H2 с использованием акцепторов электронов, отличных от CO2. Бактерии с таким типом метаболизма обычно занимают особую экологическую нишу и не относятся к доминирующим представителям микробиоты, однако их численность может увеличиваться при наличии в рационе подходящего акцептора электронов. Нитрат служит альтернативным акцептором электронов и может стимулировать рост определённых бактерий, способных конкурировать с метаногенами. Из-за токсичности промежуточного продукта — нитрита — возможности применения нитрата изучены не полностью. Однако у адаптированных животных нитрит не накапливается, поэтому добавление нитрата при определённых типах рациона может быть перспективным направлением, требующим дальнейшего изучения.

Таким образом, метаногены рубца сосуществуют с другими микроорганизмами, деятельность которых может оказывать противоположное влияние на метаногенез. Более глубокое понимание этих микробных популяций и путей метаболизма, конкурирующих с метаногенезом, может помочь выявить новые мишени для снижения выбросов при разведении жвачных животных.