Metanógenos de rumiantes como blanco del cambio climático

La reducción de las concentraciones atmosféricas de metano, el potente pero efímero gas de efecto invernadero, es fundamental para frenar el aumento de las temperaturas globales. El ganado lechero y de carne, los rumiantes más numerosos del mundo, eructan alrededor de 100 teragramos (Tg) de metano (CH4) cada año. A nivel mundial, las emisiones de metano entérico rivalizan con las de la industria del petróleo y el gas.

Una búsqueda para reducir las emisiones de CH4 de los rumiantes ha llevado a la identificación del 3-nitrooxipropanol (3-NOP), un aditivo alimentario que interfiere específicamente con el paso final de la metanogénesis. La obtención de un producto con un modo de acción específico de una enzima es solo uno de los muchos esfuerzos realizados durante los últimos 75 años, junto con el desarrollo de vacunas y otros aditivos alimentarios, para reducir la metanogénesis en el rumen y comprender su influencia en la salud y la productividad animal. El desarrollo de 3-NOP, ahora un producto comercial, ejemplifica la aplicación del conocimiento microbiológico a la mitigación de las emisiones de gases de efecto invernadero de la agricultura. El compuesto, producido por la empresa holandesa DSM, ha sido patentado y aprobado para su uso con vacas lecheras en Brasil, Chile y la Unión Europea.

El metano es producido por arqueas que constituyen una pequeña proporción (hasta el 4%) de la biomasa microbiana en el rumen. Como el más grande de los 4 compartimentos del estómago de la vaca, el rumen constituye del 12 al 15 % de la masa corporal del animal y alberga una comunidad anaeróbica compuesta por diversas bacterias, protistas y hongos. Estos microbios degradan y fermentan el forraje lignocelulósico que el animal no puede digerir.

Los principales productos de fermentación microbiana consisten en ácidos grasos de cadena corta, que son absorbidos por el animal, así como CO2 y H2, que son convertidos por metanógenos en gas residual CH4. Parte del material no digerido se regurgita en la cavidad bucal, o boca, donde se mastica y se traga el bolo alimenticio. Otro material no digerido pasa al abomaso, donde los procesos digestivos de los mamíferos se hacen cargo antes de ingresar al tracto intestinal inferior.

Una vaca lechera típica emite alrededor de 160 kg de CH4 por año. Una proporción menor de CH4 (10-15%) de los rumiantes se produce en el tracto intestinal y sale por sus extremos traseros. La mayoría de CH4 (> 80%) sale de la boca durante el eructo o eructos. La cantidad de metano producido dentro del rumen depende de muchos factores, incluida la digestibilidad del alimento, la cantidad total de carbohidratos fermentados, las proporciones de ácidos grasos formados y las concentraciones de H2.

La mayoría de los metanógenos del rumen tienen metabolismos hidrogenotróficos, lo que significa que utilizan electrones del H2 para reducir el CO2 a CH4, una forma eficiente de reducir las concentraciones de H2 en el rumen. En un estudio global de los microbiomas del rumen de 32 especies de rumiantes, el 74 % de las arqueas pertenecían a solo 2 clados hidrogenotróficos que representaban a Methanobrevibacter gottschalkii y Methanobacterium ruminatium. Otros dos grupos metanógenos conocidos que producen CH4 a partir de compuestos del grupo acetato o metilo son mucho menos abundantes en el hábitat del rumen rico en H2.

La metanogénesis se puede considerar un proceso simbiótico porque impulsa las reacciones de fermentación, lo que ayuda a la producción continua de ácidos grasos para el animal. Sin embargo, también representa una pérdida de energía para la producción de leche y carne. Se ha estimado que los porcentajes de la ingesta bruta de energía perdida a través de los eructos de metano son del 2 al 12 %, con mayores pérdidas asociadas con las dietas ricas en forraje. Durante décadas, mejorar la eficiencia alimenticia fue el objetivo de la investigación para reducir el metano de los rumiantes a través de modificaciones en la dieta. La mitigación de los gases de efecto invernadero se convirtió en un impulso más fuerte para reducir el metano del ganado con el primer informe del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) en 1992. El informe del IPCC describió el aumento en las concentraciones de CH4 atmosférico de 750 a 1800 partes por mil millones (ppb) durante los 100 anteriores. años. Reconoció que el aumento de la población mundial y la demanda de proteínas animales impulsarían una mayor producción ganadera, con 1.300 millones de cabezas de ganado estimadas que representaron el 12% de las emisiones mundiales de metano en 1995.

Más recientemente, un enfoque bioquímico dirigido a la inhibición del metanógeno se basó en estructuras cristalinas de enzimas responsables de la producción de metano (metil coenzima M reductasa o MCR) en metanógenos hidrogenotróficos como Methanobacter thermoautotrophicum y Methanothermobacter marburgensi. La detección computacional identificó un grupo de moléculas pequeñas, los ácidos nitrooxicarboxílicos, como inhibidores potenciales que podrían encajar en el sitio activo de MCR. Se planteó la hipótesis de que la inactivación de enzimas se producía cuando un compuesto como 3-NOP encajaba en el sitio activo de MCR, inhibiendo su capacidad para llevar a cabo un paso clave en la formación de CH4. Más específicamente, 3-NOP se une a MCR cerca de la coenzima F430, un grupo protésico que contiene un átomo crítico de Ni(I). Se postula que la proximidad del grupo nitrato de 3-NOP provoca la oxidación de Ni(I) de modo que ya no puede llevar a cabo el paso final de reducción de la formación de CH4.

Los ensayos de alimentación con 3-NOP en ovejas, vacas lactantes y ganado vacuno en corrales de engorde han dado como resultado una reducción media del 30 % de las emisiones de CH4, lo que confirma que el 3-NOP funciona in vivo. En el laboratorio, sin embargo, la inhibición por 3-NOP del crecimiento de diferentes metanógenos en cultivos puros varía ampliamente. Concentraciones muy bajas (micromolares) previenen el crecimiento de metanógenos hidrogenotróficos como M. ruminantium, mientras que se necesitan concentraciones 100 veces más altas para inhibir otros hidrogenotrofos como Methanomicrobiium mobile y Methanosarcina barkeri. La diversidad filogenética y fisiológica entre los metanógenos puede dificultar eludir la relación simbiótica establecida entre rumiantes y arqueas consumidoras de H2 en el rumen.

La secuenciación de próxima generación de ADN y ARN microbianos extraídos del rumen se ha convertido en una gran ayuda para una comprensión más completa de los efectos de 3-NOP en el microbioma. Simultáneamente con la reducción de las emisiones de CH4, por ejemplo, la suplementación de 60 mg de 3-NOP por kg de materia seca de alimento en vacas lecheras durante 4 a 12 semanas resultó en una disminución de Methanobrevibacter spp dominante. y aumentos en Methanobacteriaceae y Methanosphaera spp no ​​clasificados. en comparación con los controles. Debido a que los miembros no metanógenos de los microbiomas ruminales no se vieron afectados significativamente, las alteraciones en la composición del metanógeno por 3-NOP parecieron explicar los aumentos en el ácido propiónico (un ácido graso de cadena corta) y H2 que se midieron durante el estudio.

En particular, a medida que mueren los metanógenos inhibidos por 3-NOP, las concentraciones de H2 pueden acumularse e interferir con el flujo de carbono y energía antes de que otros metanógenos puedan asumir el control. Esto puede requerir la adición de otros aceptores de electrones para ayudar a una fermentación eficiente. El uso más extensivo de 3-NOP dependerá de su aceptación, costo e investigación que confirme que la salud y la productividad animal no se ven afectadas a largo plazo.

Más recientemente, la alimentación de los rumiantes con el alga marina roja Asparagopsis taxiformis para reducir las emisiones de metano ha atraído la atención de la industria. Los estudios in vitro con estas algas han demostrado una inhibición del metano de hasta un 99 % sin efectos adversos para la salud. El modo de acción propuesto es la introducción de un compuesto bromado bioactivo (bromoformo) contenido en la biomasa de algas marinas, que es un análogo del metano halogenado que inhibe la metanogénesis. Para el propósito específico de la mitigación climática, se está dirigiendo una cantidad considerable de capital de riesgo hacia la producción de suministros adecuados de algas rojas en lugares que reducirían los costos de transporte.

Además de muchos suplementos dietéticos probados para la supresión del metanógeno, se han desarrollado vacunas antimetanogénicas basadas en el dominio reconocido de relativamente pocas especies hidrogenotróficas. Con ese fin, las vacunas se han derivado de células enteras o de componentes celulares de cultivos mixtos de metanógenos. Sin embargo, los estudios in vivo que miden las emisiones de metano, principalmente en ovejas, luego de la inoculación con vacunas de cultivos mixtos han informado pocas o ninguna reducción, lo que posiblemente refleja una mayor diversidad de metanógenos. Para hacer frente a este desafío, la reactividad cruzada de los anticuerpos mediante microesferas de inmunocaptura se puede probar in vitro con diversos metanógenos en los fluidos del rumen antes del ensayo in vivo. Aún así, con la falta de éxito de la vacuna, las modificaciones dietéticas siguen siendo el enfoque más común para reducir el CH4.

Se observan patrones consistentes en la magnitud de las emisiones de metano entre especies y razas de rumiantes domésticos. Algunas razas de ganado emiten consistentemente niveles más bajos de metano que otras, y el ganado vacuno generalmente emite menos metano que las vacas lecheras. La evidencia de que la genética del huésped afecta la composición del microbioma y el flujo de energía a través del rumen está dando lugar a esfuerzos que integran la genética animal y los análisis del microbioma. Se están evaluando muestras bucales de saliva y contenido de la boca en busca de biomarcadores que reflejen las características de los animales para una recopilación de datos más rápida y frecuente.

En algunos países, el auge de los sistemas de corrales de engorde confinados para criar y terminar el ganado ha resultado en un aumento de la alimentación con concentrados que contienen carbohidratos más digeribles y más proteínas que los forrajes con alto contenido de fibra. Las emisiones de metano del ganado alimentado con concentrado son más bajas que las del ganado alimentado con dietas ricas en forraje. La selección genética del ganado también puede resultar en emisiones de metano más bajas, con comederos de alta eficiencia que producen menos metano que los comederos de baja eficiencia.

Sin embargo, la alimentación concentrada, el uso de razas seleccionadas y los aditivos alimentarios no se implementan tan fácilmente en los países en desarrollo debido a la menor disponibilidad de recursos e infraestructura de investigación. Aún así, los agricultores de los países en desarrollo tienen opciones disponibles para reducir las emisiones de metano de los rumiantes. La cría de rumiantes no solo proporciona leche y carne, sino que también proporciona un servicio ecosistémico crucial al convertir materiales celulósicos de baja calidad en proteínas de alta calidad en tierras que de otro modo no podrían cultivarse. Y, en el futuro, será fundamental garantizar el acceso global equitativo a múltiples innovaciones agrícolas que reducen las emisiones de metano a medida que buscamos proteger la salud humana, animal y ambiental en todo el mundo.

Marry Ann Bruns, Ph.D., la autora de este artículo, convocará una sesión sobre Tecnologías Microbianas para Mitigar las Emisiones de Metano", en ASM Microbe 2023 el 16 de junio de 2023 de 1:45 a 3:45 p. m. Interesado en aprender ¿Se trata de reducir o prevenir la metanogénesis?