李忠東

溫室氣體排第二

近日，美國一家大型奶牛場發(fā)生大爆炸，瞬間升起巨大的黑色蘑菇云，數(shù)十千米外都清晰可見。爆炸引發(fā)的大火造成嚴(yán)重?fù)p失，燒死奶牛1.8萬多頭，數(shù)十名擠奶工人受傷。為什么奶牛場會(huì)發(fā)生如此大規(guī)模的爆炸？

調(diào)查人員發(fā)現(xiàn)，奶牛排放的甲烷是元兇。甲烷濃度過高時(shí)易形成爆炸性混合氣體，一旦遇到明火或者電弧等就會(huì)造成嚴(yán)重后果，特別是養(yǎng)殖場等低通風(fēng)的地方，更容易出現(xiàn)高濃度甲烷氣體，進(jìn)而引發(fā)爆炸事故。

奶牛運(yùn)輸過程中也發(fā)生過類似問題。2014年，一架波音747在愛爾蘭海上空發(fā)出了火災(zāi)警報(bào)。飛行員隨即緊急迫降，技術(shù)人員在現(xiàn)場進(jìn)行檢查，并未在機(jī)艙內(nèi)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)和煙霧的痕跡，但測出機(jī)艙內(nèi)聚集了大量甲烷氣體，而這種氣體就來自于飛機(jī)上的400頭奶牛。這些氣體如果不能及時(shí)排除，就可能隨時(shí)被引爆。

人類活動(dòng)的影響，造成了區(qū)域性環(huán)境污染以及全球性的氣候變暖。工業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸消耗化石能源排放出大量污染物質(zhì)和溫室氣體，是造成全球變暖的主要原因。與此同時(shí)，大規(guī)模飼養(yǎng)的牛羊等家畜在新陳代謝，特別是消化食物的過程中，也會(huì)排放大量的溫室氣體。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織發(fā)布的公告，全球畜牧業(yè)所產(chǎn)生的溫室氣體量占到各行業(yè)各領(lǐng)域排放總量的15％左右，與之相比，機(jī)動(dòng)車只占13％。

溫室氣體包括水蒸氣、二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、臭氧、一氧化碳，以及氯氟烴、氟化物、溴化物、氯化物、醛類和各種氮氧化物、硫化物等極微量氣體，會(huì)導(dǎo)致氣候變化、冰川消融、海平面上升等諸多問題。

甲烷氣體是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，約占全球溫室氣體排放量的20％。不過，排行第二的甲烷氣體“增溫能力”要比第一名二氧化碳強(qiáng)大得多。盡管甲烷氣體的總量遠(yuǎn)不及二氧化碳的總量，但溫室效應(yīng)的潛能是二氧化碳的25倍。甲烷除了本身對紅外線的吸收能力強(qiáng)大以外，被排入空氣后還不易被生物直接利用，能在空氣中停留9～15年。按照20年的時(shí)間框架內(nèi)計(jì)算，甲烷氣體的溫室效應(yīng)潛能可以飆升到二氧化碳的溫室效應(yīng)的72倍了。

資料顯示，正常情況下甲烷氣體對人體是基本無毒的，但濃度過高時(shí)，會(huì)使空氣中氧含量明顯降低，使人窒息?？諝庵屑淄闅怏w達(dá)25％～30％時(shí)，可引起頭痛、頭暈、乏力、注意力不集中，以及呼吸和心跳加速等問題，若不及時(shí)遠(yuǎn)離，可致窒息死亡。

環(huán)保組織研究指出，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域約占全球甲烷氣體排放量的40％，而畜牧業(yè)是其中最大的來源，達(dá)到32％。牛、羊每天通過打嗝和放屁釋放的甲烷氣體，占了大氣層中甲烷總量的10％以上。據(jù)初步估算，一頭成年奶牛每年排放的甲烷氣體大約有110.7千克，相當(dāng)于1.7輛汽車的甲烷氣體排放量。羊雖然食量比牛小得多，一年排放量較少，只有不到10千克，但是基數(shù)很大，達(dá)到近30億只。除了甲烷氣體，牛排出的糞便中含有一氧化二氮（笑氣）和氨氣，這些化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境也有不容忽視的破壞作用。

在反芻動(dòng)物中，牛的甲烷氣體排放量占了大頭。全球養(yǎng)殖牛的數(shù)量大約在20億頭，如果全球各地的養(yǎng)牛場所產(chǎn)生的甲烷氣體得不到有效控制，就會(huì)對全球變暖產(chǎn)生嚴(yán)重影響。正因如此，近年來，控制甲烷氣體排放成為應(yīng)對全球氣候變化的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)的報(bào)告顯示，如果甲烷氣體排放量在未來10年內(nèi)減少40％～45％，在本世紀(jì)中葉之前可將全球變暖的預(yù)值降低0.3℃。

消化系統(tǒng)很特殊

牛羊的體內(nèi)之所以會(huì)產(chǎn)生甲烷氣體，主要與它們特殊的消化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。牛、羊?qū)儆诜雌c動(dòng)物，采食一般比較匆忙。主要食物是牧草、干草等，因富含纖維素等難以消化的物質(zhì)，需要更長時(shí)間才能消化。牛的腸道非常長，能夠讓食物在體內(nèi)停留14～20小時(shí)。常見的草食反芻動(dòng)物有水牛、黃牛、奶牛、山羊、綿羊、駱駝、長頸鹿、羊駝、狍子，以及梅花鹿等。它們先將大部分牧草、干草等粗飼料吞咽進(jìn)入瘤胃，等到了比較安全的地方，才會(huì)將在瘤胃浸泡和軟化一段時(shí)間的粗飼料，經(jīng)逆嘔重新回到口腔咀嚼，混入唾液后再吞咽回瘤胃。這個(gè)過程就是反芻。

單胃哺乳動(dòng)物只有一個(gè)胃室，主要利用腸子消化食物。糖類、脂類和蛋白質(zhì)經(jīng)消化液分解為較簡單的形式后被吸收，提供維持自身生理活動(dòng)所需的能量或合成自身代謝、生長、發(fā)育和繁殖所需的各種物質(zhì)。反芻動(dòng)物的消化生理要比單胃哺乳動(dòng)物復(fù)雜得多。反芻動(dòng)物的胃由瘤胃、網(wǎng)胃、重瓣胃和皺胃組成，它們不是一條直線通到底，而是相互交錯(cuò)。4個(gè)胃室各有分工，通過密切合作，才能完成食物的第二次咀嚼。瘤胃和網(wǎng)胃負(fù)責(zé)將食物和膽汁混合，特別是使用共生細(xì)菌將纖維素分解為葡萄糖，然后反芻食物，經(jīng)緩慢咀嚼以充分混合，進(jìn)一步分解纖維。重新吞咽后的食物經(jīng)過瘤胃到重瓣胃，進(jìn)行脫水，再送到皺胃，最后進(jìn)入小腸被吸收。其中，瘤胃微生物的菌體蛋白質(zhì)、糖類和脂類，是反芻動(dòng)物最重要、最直接也是利用效益最高的營養(yǎng)來源。

瘤胃是食物進(jìn)入牛羊等反芻動(dòng)物胃腸道內(nèi)的第一個(gè)胃室，體積最大，占了整個(gè)胃面積的80％。成年母牛的瘤胃容積可達(dá)151升，能存136千克內(nèi)容物。瘤胃不能分泌胃液，它的消化功能全靠生活在這里的厭氧微生物。食物到達(dá)瘤胃后，大量微生物便會(huì)馬上粘貼在它們的表面，分泌纖維素酶、半纖維素酶以及β－糖苷酶等消化酶，快速將食物中的纖維素、半纖維素和果膠等多糖類物質(zhì)切割成單糖，并變身為揮發(fā)性的脂肪酸和二氧化碳等。反芻動(dòng)物60％～70％的能量來源于脂肪酸。經(jīng)過微生物的充分消化后，約50％的粗纖維可在瘤胃內(nèi)被消化。

在消化過程中，瘤胃產(chǎn)生出大量氫氣。無氧的瘤胃環(huán)境培養(yǎng)了產(chǎn)甲烷菌，它們并不參與瘤胃中的消化過程，但可以利用消化的副產(chǎn)物氫氣，與二氧化碳結(jié)合生成甲烷氣體和水，這一過程被稱為甲烷生成反應(yīng)。當(dāng)甲烷氣體逐漸增多后，牛不得不以打嗝、放屁的形式排出多余的氣體。其中90％～95％通過口腔排出，5％～10％以糞便和放屁的形式釋放。這讓飽脹的牛、羊舒服了一些，卻加劇了地球溫室效應(yīng)。

減少排放有妙招

為減少牛打嗝、放屁排放出的甲烷氣體，日本科學(xué)家正在推進(jìn)“減少牛甲烷項(xiàng)目”。他們希望通過開發(fā)牛胃傳感器，同時(shí)使用人工智能控制喂食，在2050年將牛的甲烷氣體排放量減少80％。研究人員發(fā)現(xiàn)，將腰果殼中提取的油混合到飼料中，氫氣會(huì)被轉(zhuǎn)化為牛的營養(yǎng)來源“丙酸”，而非甲烷氣體，從而將甲烷氣體的排放量減少近兩成。

阿根廷科學(xué)家研制了一種有趣的“采屁背包”，用來收集牛屁?！安善ū嘲币欢搜由斓墓茏硬迦氲脚５南唬占瘯r(shí)產(chǎn)生的甲烷氣體，一天可以達(dá)到300升。收集后的甲烷氣體還能進(jìn)行二次利用，轉(zhuǎn)化為充足能量后可使汽車行駛24個(gè)小時(shí)，也能利用燃燒釋放的能量供應(yīng)熱水。

英國科學(xué)家研發(fā)了一款牛用減排口罩，口罩前端的傳感器可以監(jiān)測牛打嗝時(shí)排放的甲烷氣體濃度。當(dāng)含量過高時(shí)，口罩通過催化劑使奶牛排放的甲烷氣體發(fā)生氧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，將甲烷中和50％，最終實(shí)現(xiàn)減少甲烷氣體排放的目的。這款口罩不會(huì)影響奶牛正?；顒?dòng)和進(jìn)食，可以將甲烷氣體引起的溫室效應(yīng)數(shù)值降低到不足原始值的1.5％。

澳大利亞科學(xué)家通過喂牛吃紅海藻，能降低99％以上的甲烷氣體排放。紅海藻即蘆筍藻，藻體深紅棕色或紫紅色，高6～12厘米，主要生長在潮間帶下深水沼中或低潮帶下礁石上，在澳大利亞昆士蘭的熱帶水域相當(dāng)普遍。早在2014年，研究人員就做過實(shí)驗(yàn)，用蘆筍藻做成牛的膳食補(bǔ)充劑，發(fā)現(xiàn)可消除腸胃99％以上甲烷氣體，并且不影響肉質(zhì)。

在新西蘭北帕默斯頓的一個(gè)研究農(nóng)場，研究者將紅茶菌粉末混合成一種類似牛奶的飲料喂給小奶牛。研究人員指出，紅茶菌是一種益生菌，研究表明它可以減少打嗝，從而減少甲烷氣體排放。試驗(yàn)表明，吃了益生菌補(bǔ)充劑后，小牛的甲烷氣體排放量減少了20％。

在過去15年中，新西蘭科學(xué)家一直致力于開發(fā)一種疫苗。疫苗能刺激動(dòng)物的免疫系統(tǒng)產(chǎn)生抗體，然后抑制生產(chǎn)甲烷氣體的微生物，有可能將奶牛產(chǎn)生的甲烷氣體量減少30％或更多。疫苗只需要每年注射一次，甚至可能在動(dòng)物一生中只注射一次，而且不會(huì)傷害動(dòng)物或影響牛奶或肉的質(zhì)量。

新西蘭人口約500萬，但有約1000萬頭牛和2600萬只羊。養(yǎng)殖業(yè)是該國最大的出口創(chuàng)匯來源。新西蘭約一半的溫室氣體來自農(nóng)場。作為應(yīng)對全球氣候變化的一項(xiàng)行動(dòng)，該國政府計(jì)劃對本國農(nóng)場動(dòng)物排放的溫室氣體征稅。征集的稅款將全部用于資助農(nóng)業(yè)新技術(shù)的研究。此稅將在2025年開始征收，但稅費(fèi)尚未確定。不過，該計(jì)劃引來當(dāng)?shù)剞r(nóng)場主的強(qiáng)烈反對，指出這種稅將使小型農(nóng)場無法生存，導(dǎo)致肉類和奶類價(jià)格上漲。