蓝谷院校动态丨山东大学青岛校区海洋研究院刘纪化教授团队研究发现养殖海藻在甲烷减排方面的重要作用

近日，山东大学青岛校区海洋研究院刘纪化教授团队在环境领域TOP期刊Environmental Research上发表了题为“Potential to reduce methane production of using cultivated seaweeds supplementation to reshape the community structure of rumen microorganisms”的研究论文。该研究发现养殖海藻可以通过重塑反刍动物瘤胃微生物群落结构来减少反刍动物胃肠道的甲烷生产。本文第一作者为博士后刘倩及博士研究生雷仕泽。

自工业革命以来，全球甲烷（CH4）排放量显著增加，当前全球CH4水平是工业化前的259%，约占全球变暖贡献的四分之一。政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出，深度减排CH4等非二氧化碳温室气体是实现《巴黎协定》目标的关键。到2030年将CH4排放减少40%至45%可以立即减缓全球变暖速度，预计到2040年全球气温上升幅度至少减少0.3°C。人类活动约占全球CH4排放的三分之二，其中牲畜养殖业尤为重要，反刍动物胃肠发酵是主要来源，占畜牧业CH4排放的90%以上。畜牧业CH4排放已成为气候变化辩论的焦点，“全球甲烷行动”也提出到2030年将CH4排放减少30%的目标。

图1、全球甲烷排放量及反刍动物甲烷减排策略

自20世纪50年代以来，为减少畜牧业的CH4排放，研究人员探索了包括化学抑制剂、电子受体和植物材料在内的多种策略。有研究显示包括褐藻、红藻和绿藻在内的大型海藻也能够显著减少反刍动物的CH4排放，其中大型野生红藻-海门冬藻最高可减少98%的CH4排放，但据我们所知，海门冬藻尚未商业化大规模种植，极大地限制了其在反刍动物甲烷减排中的应用。而我国拥有全球最大的海藻养殖规模、丰富的海藻养殖品种，若我国的养殖藻种具有同样的甲烷减排能力，则可为我国及全球畜牧业甲烷排放提供解决方案。然而，我国养殖海藻对反刍动物胃肠道甲烷生产的影响鲜有研究。

本研究发现，加入海带、紫菜等大型养殖海藻及海藻酶解液后，甲烷产量显著减少。其中，海带及海带酶解液的甲烷减排效果最显著，甲烷生产减少比例高达95%和99%。此外，16S rRNA基因测序结果显示，产丙酸/丁酸的细菌如Rikenellaceae、BS11_gut_group、Oscillospiraceae、Eubacterium和Hungateiclostridiaceae，以及部分与纤维降解相关的Clostridia在调节甲烷积累中可能发挥了重要作用。同时，编码同化性硝酸盐还原酶narB基因丰度显著降低，可能导致细菌对硝酸盐同化的减少，这可能使电子流转向硝酸盐还原途径，减少H2向甲烷的转化，最终减少甲烷产量。

图2、海藻补充剂重塑牛瘤胃微生物群落

本研究积极响应“碳中和”的国家战略，对两种养殖海藻进行了定量和定性评估，以化学、生物学、生态学等多学科交叉的方式研究养殖海藻在CH4减排方面的作用，以期在不影响反刍动物健康状况及保障食品安全的同时，实现有效的CH4减排。该研究得到了山东省重点研发项目、农业农村部“海藻饲料添加反刍动物肠道甲烷减排技术试验”项目等项目的支持和资助，并为“海洋负排放国际大科学计划（ONCE）”作出贡献。