Metan fra drøvtyggere

KvægInfo nr.: 1438 Dato: 20-01-2005 Forfatter: Martin R. Weisbjerg, Torben Hvelplund, Peter Lund Metan fra drøvtyggere Ændringer i køernes fodring er pt. den eneste realistiske mulighed for at reducere køernes produktion af metan. Der findes andre metoder, men de er enten for dyre eller omfatter brug af stoffer, der ikke er acceptable i dansk husdyrproduktion. Køernes produktion af metan udgør en væsentlig del af den samlede produktion af metan fra den danske husdyrproduktion. Da metan er en meget potent drivhusgas, der har en effekt der er 21 gange større end kuldioxid, er det særdeles ønskeligt at finde metoder til reduktion af køernes produktion af metan. Metanproduktionen indebærer samtidig et tab af energi, så også udfra dette synspunkt er en reduktion af produktionen af metan ønskelig. Ved øget foderoptagelse og produktionsniveau falder mængden af produceret metan i forhold til mængden af produceret mælk og kød. Det skyldes dels den reducerende effekt af, at vedligeholdelsesfoderet fordeles på en større produktion, og dels at øget foderoptagelse som regel ændrer kraftfoder/grovfoderforholdet. Et øget kraftfoder/grovfoderforhold og/eller en øget tildeling af fedt vil reducere mængden af metan, der produceres i vommen. Produktionen af metan globalt set Metan er en meget potent drivhusgas, der har en effekt der er 21 gange større end kuldioxid (CO 2 ) mht. den globale opvarmning. Næstefter produktionen af metan i vådområder (sumpe og rismarker.) er produktionen af metan i fordøjelseskanalen hos dyr en af de mest betydende kilder til udskillelse af metan på verdensplan (figur 1). 5% 4% 1% 6% Vådområder 11% 6% 37% Risdyrkning Olieudvinding Husdyrs fordøjelseskanal Afbrænding Lossepladser Kulminer Husdyrgødning Have og søer 14% Figur 1. Fordelingen af den globale produktion af metan (689 mill. tons) på kilder (Moss et al., 2000). 16% Produktionen af metan fra husdyr

Metan kan dannes i fordøjelseskanalen hos de fleste husdyr. Metan dannes når foderet under iltfrie forhold forgæres i formaver eller i blind- og tyktarm. Især omsætningen i vommen hos drøvtyggere giver anledning til en stor produktion af metan, og en malkeko vil dagligt producere 250 500 liter (167-333 g) metan. Metan (CH 4 ) er det samme som naturgas, og er således energirig. 500 liter metan svarer til ca. ½ l fyringsolie, og det er således en betydelig del af foderets energi, der tabes i metanen. Tabet af energi som metan under forgæringen i vommen er velkendt og har længe været en integreret del af energivurderingssystemer til drøvtyggere. Mens interessen indtil for ca. 15 år siden var at undgå det betydelige energitab i metan af hensyn til drøvtyggernes produktion, er fokus i dag rettet på at reducere udledningen af drivhusgasserne. Imidlertid er ønsket i begge tilfælde en reduktion af produktionen af metan. Der var således allerede en betydelig viden omkring faktorer, der påvirker produktionen af metan, da interessen for drivhusgasser kom frem. Hos drøvtyggere opræbes metanen gennem spiserøret sammen med blandt andet kuldioxid, der også dannes under forgæringen i vommen. En mindre produktion af metan foregår ligeledes ved mikrobiel forgæring i blind-tyktarm, hvorfor også enmavede dyr producerer en vis mængde metan. Generelt er produktionen af metan i blind-tyktarm hos enmavede dyr mindre end man skulle forvente ud fra støkiometriske beregninger, hvilket tyder på at metandannelse i blind-tyktarmen konkurrerer med andre stofskifteveje. Metan produceret i blind- og tyktarm vil delvist udskilles via endetarmen, delvist via udåndingsluften afhængig af dyreart. I Danmark er produktionen af metan fra husdyrs fordøjelsessystem således opgjort til i alt 133 Gg metan i 2002 (tabel 1), hvoraf kvæg er ansvarlige for de 114 Gg og malkekøer alene 72 Gg (1 giga g = 1 Gg = 1.000.000.000 g = 1.000.000 kg = 1000 ton). Det ses af tabel 1, at produktionen af metan fra kvæg udgør den altovervejende del af metan produceret fra fordøjelsessystemet, mens svin er hovedansvarlige for den betydelige produktion af metan fra gødningslagre. Tabel 1. Årlig produktion af metan fra husdyr i Danmark (Mikkelsen et al., 2005) Kilde Husdyrkategori 1000 tons metan/år Fordøjelsessystemet Malkekøer 72 Alt kvæg 114 Små drøvtyggere 1,4 Heste 3,7 Svin 14 Alle husdyr 133 Gødningslagre Kvæg 12 Svin 33 Øvrige husdyr 2 Alle husdyr 47 Det er specielle bakterier (metanogene bakterier) der danner metanen. Produktionen af metan er en energigivende proces for de metanogene bakterier, der samtidig forbruger overskydende brint som er fremkommet ved forgæring af foderet til eddikesyre og smørsyre (reaktion 1 og 3 i tabel 2). I vommen dannes metan primært ved reduktion af kuldioxid (CO 2 ) (reaktion 4 i tabel 2), en proces som er med til at opretholde et lavt brinttryk i vommen. Brint bruges også af acetogene bakterier, som kan danne eddikesyre fra kuldioxid og brint (2CO 2 + 4H 2 CH 3 COOH + 2H 2 O), men denne reaktion giver mindre energi end metandannelse og vil normalt ikke være konkurrencedygtig under det herskende brinttryk i vommen. Mens dannelse af eddikesyre og smørsyre er forbundet med brintproduktion, så medfører dannelse af propionsyre et forbrug af brint. Derfor vil produktionen af metan afspejle balancen mellem på den ene side produktionen af propionsyre (reaktion 2) og på den anden side produktionen af eddikesyre og smørsyre (reaktion 1 og 3), som det ses af reaktionsligningerne i tabel 2.

Tabel 2. De væsentligste støkiometriske ligninger af betydning for produktionen af metan fra kulhydrat. 1 C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O 2CH 3 COOH + 2CO 2 + 4H 2 Eddikesyre 2 C 6 H 12 O 6 + 2H 2 2CH 3 CH 2 COOH + 2H 2 O Propionsyre 3 C 6 H 12 O 6 CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2CO 2 + 2H 2 Smørsyre 4 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O Metan Fodringens betydning for produktionen af metan Et øget foderniveau vil normalt forskubbe forgæringsmønstret i vommen, således at en større andel af de kortkædede fedtsyrer bliver propionsyre og en mindre andel eddike- og smørsyre, både ved uændret rationssammensætning, men især ved øget kraftfoder/grovfoderforhold. Det kan således forventes, at andelen af bruttoenergi der tabes som metan, falder ved øget foderniveau, og faldet afhænger af forholdet mellem kraftfoder og grovfoder i rationen og rationens fordøjelighed. Desuden medfører et øget foderniveau også en større passagehastighed af foder og mikrober ud af vommen, og dermed en lavere fordøjelighed af foderet i vommen (lavere fodereffektivitet). Derved bliver passagen af mikrobielt stof til tarmen forøget (reduceret omsætning af mikrobielt stof i vommen), og forholdet mellem produceret mikrobielt stof og kortkædede syrer bliver forskubbet i retning af mikrobielt stof, hvilket også reducerer det afledte metantab. Typisk udgør energien i den producerede metan 5-7 % af bruttoenergien (7-10 % af fordøjelig energi). Omfanget af produktionen af metan pr. ko eller pr. kg fodertørstof kan variere betydeligt. Således vil produktionen af metan stige med øget foderoptagelse, men langt fra proportionalt med øgningen i foderoptagelsen (figur 2). Ligeledes kan en ændring i rationens næringsstofsammensætning have en stor effekt på produktionen af metan, især gennem ændring af forgæringsmønstret eller ved direkte hæmning af de metanogene bakterier. Da produktionen af metan medfører et energitab, og samtidig via drivhusgaseffekten er en miljøtrussel, er det ønskeligt at reducere produktionen af metan. Her gennemgås nogle af de væsentligste fodringsmæssige aspekter der påvirker produktionen af metan. Øget produktionsniveau (foderoptagelse) En malkeko bruger de første 5-6 kg fodertørstof til basale livsytringer (vedligehold). Derfor vil et øget produktionsniveau (tilvækst, mælkeproduktion) medføre at produktionen af metan pr. kg produceret kød eller mælk bliver reduceret. Effekten af denne fortynding er aftagende ved stigende produktionsniveau. Øget produktionsniveau medfører en øget foderoptagelse. En øget foderoptagelse vil i sig selv, men især fordi det normalt følges af øget kraftfoder/grovfoderforhold, medføre et ændret forgæringsmønster i vommen med mere propionsyre og mindre eddike- og smørsyre. Dette reducerer produktionen af metan pr. kg optaget foder eller i procent af bruttoenergien (figur 2b). Et øget foderniveau vil medføre en reduceret fordøjelighed i vommen (pga. mindre optimalt vommiljø og øget passsagehastighed), hvilket også vil give en reduceret produktion af metan i procent af optaget bruttoenergi. Fodring med fedt I modsætning til kulhydrater (cellevægskulhydrater, stivelse, sukker) forgæres fedtsyrer ikke i vommen og vil således ikke i sig selv resultere i produktion af metan. Især umættede fedtsyrer og mellem-langkædede fedtsyrer har en betydelig effekt på forgæringsmønstret i vommen i retning af mere propionsyre. Disse fedtsyrer hæmmer forgæringen af cellevægskulhydrater (der betinger produktion af eddikesyre) og hæmmer ligeledes de metanogene bakterier. Fedtsyrer reducerer antallet af protozoer i vommen. Dette vil medføre en reduceret produktion af metan, dels fordi mange metanproducerende bakterier lever tæt sammen med protozoer (symbiose), delvist fordi protozoer danner meget smørsyre, som giver brintoverskud og dermed grundlag for produktion af metan. Umættede fedtsyrer har en eller flere dobbeltbindinger, dvs. kapacitet til at binde brint (mætning). De umættede fedtsyrer mættes i vid udstrækning i vommen, og udnytter derved brint der ellers ville være blevet brugt til produktion af metan.

25 20 Metan (MJ/dag) 15 10 5 y = 3.1564x + 5.7468 R 2 = 0.4647 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Foderniveau (x vedligehold) 10 M etan i % af bruttoenergi 8 6 4 2 0 y = -0.7097x + 7.1599 R 2 = 0.1873 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Foderniveau (x vedligehold) Figur 2. Energitabet i metan pr. dag (a) og som % af bruttoenergi-optaget (b) som funktion af foderniveau (x vedligehold). (Kristensen et al. (2003b) ud fra resultater samlet af Benchaar et al. (1998)). Samlet set kan fodring med fedt medføre en betydelig reduktion af produktionen af metan. Især mellemlangkædede (laurin- og myristinsyre) og stærkt umættede fedtsyrer (linol- og især linolensyre) har en kraftig effekt på vomomsætningen, sandsynligvis gennem en direkte toksisk effekt på især de cellulolytiske bakterier. Resultatet er reduceret fordøjelighed af cellevægskulhydraterne, med lavere produktion af eddikesyre og højere propionsyre/(eddikesyre + smørsyre) forhold, der medfører en lavere produktion af brint og dermed metan. Desuden reducerer umættede fedtsyrer også produktionen af metan gennem et direkte forbrug af brint ved mætning i vommen, hvor typisk omkring 80% af fedtsyrernes dobbeltbindinger mættes. I modsætning til dette har mættede langkædede fedtsyrer som palmitinsyre og stearinsyre kun en meget begrænset effekt på omsætningen i vommen, og derfor kan der kun forventes en meget begrænset effekt af disse fedtsyrer på produktionen af metan ud over effekten af at fedtsyrerne ikke forgæres i vommen. Da fedtsyresammensætningen kan være meget forskellig afhængig af fedtkilde, kan der forventes en stor forskel mellem fedtkilder, og der er en stor variation i de fedtkilder (fedt og olier), der anvendes til fodring af drøvtyggerere. Således er kokos- og palmekerneolie rig på mellem-langkædede fedtsyrer som laurinsyre

(C12:0, hvor 12 er antallet af kulstofatomer og 0 er antallet af dobbeltbindinger) og myristinsyre (C14:0). Palmeolie, der er meget anvendt som tilskudsfedt, er rig på palmitinsyre (C16:0) og oliesyre (C18:1). Fedtrige rapskager også en betydelig fedtkilde, og rapsolie er rig på oliesyre (C18:1). Olien fra bomuld, soja og solsikkeprodukter er ligesom kornprodukter og helsædsensilage rig på linolsyre (C18:2). Olie fra hørfrøprodukter samt græsmarksprodukter er rig på linolensyre (C18:3). Hvordan kan produktionen af metan reduceres? En række stoffer kan påvirke produktionen af metan, enten gennem påvirkning af sammensætningen af mikroberne i vommen eller ved forbrug af brint. Biologiske metoder (virus, bakteriociner, dvs. bakteriehæmmere) til ændring af vommikrofloraens sammensætning kan ligeledes påvirke produktionen af metan. Bakteriociner er giftstoffer som bakterier udskiller til hjælp i deres indbyrdes konkurrence. Mange af de kemiske stoffer, som er afprøvet, vil ikke være acceptable til generel anvendelse i kvægbruget, og anvendelsen af de fleste af de biologiske metoder er endnu teknologisk umodne. De mest lovende metoder, som også kunne være acceptable til generel brug, er anvendelsen af bakteriociner som f.eks. Nisin samt tilsætning af brintforbrugende stoffer som f.eks. fumarat eller malat (salte af organiske syrer) til foderet. Imidlertid er disse metoder med de nuværende prisrelationer for omkostningstunge. Der arbejdes også med vacciner, der kan fremme drøvtyggernes antistofproduktion mod metanogene bakterier, og som synes at medføre en vis reduktion i produktionen af metan. Effekten af denne vaccination på den animalske produktion er imidlertid endnu ikke undersøgt. Modelberegninger indikerer, at produktionen af metan kan variere mellem 184 og 439 g metan pr. ko pr. dag for køer på højt foderniveau ved at variere foderrationen på en måde som ikke er urealistisk for danske forhold. Den foderændring, der har størst effekt på produktionen af metan er ændring af fedtniveauet, f.eks. kan en øgning af fedtniveauet fra 400 til 800 g tilskudsfedt pr. ko pr. dag forventes at sænke produktionen af metan med 93 g metan pr. ko pr. dag. Heraf vil den direkte effekt af at umættet fedt binder brint kun være 6 g metan pr. ko pr. dag, under forudsætning af at det er foderfedt med et jodtal på 75 og et fedtsyreindhold på 80% i råfedtet samt at 80% af fedtsyrernes dobbeltbindinger mættes i vommen. Med den omfattende forskning, der foregår i mange lande vedrørende produktion af metan hos drøvtyggere, kan det forventes, at der vil fremkomme effektive og acceptable metanhæmmere. Men indtil sådanne metanhæmmere evt. er på markedet, er ændringer i fodringen den eneste mulighed for at reducere produktionen af metan fra drøvtyggerne. Der kan forventes en fortsat stigning i produktionsniveauet i de kommende år, og det vil som nævnt ovenfor medføre en reduceret produktion af metan pr. produceret kg mælk eller kød. Øget fodring med tilskudsfedt vil ligeledes medføre en reduktion i produktionen af metan, idet fedt ikke forgæres i vommen. Desuden vil tilskudsfedt via effekten på omsætningen i vommen reducere produktionen af metan fra kulhydratforgæringen. Den nuværende mælkekvote med fedtregulering betyder imidlertid, at det er økonomisk fordelagtigt at minimere brugen af tilskudsfedt, idet øget brug af tilskudsfedt reducerer proteinprocenten i mælken, og dermed den økonomiske værdi af den mælk, der kan sælges under kvoten. Referencer og forslag til yderligere læsning Aaes, O., Børsting, C.F., Sehested, J. & Hvelplund, T. 2003. Kvægets miljøpåvirkning, med fokus på kvælstof, fosfor og metan. I: Kvægets ernæring og fysiologi. Bind 2 Fodring og produktion. Ed.: F. Strudsholm & K. Sejrsen. DJF rapport nr. 54. 323-340. Benchaar, C., Rivest, J., Pomar, C. & Chiquette, J., 1998. Prediction of methane production from dairy cows using existing mechanistic models and regression equations. J. Anim. Sci. 76, 617-627. Kristensen, N.B., Hvelplund, T., Weisbjerg, M.R. & Nørgaard, P. 2003a. Mikrobiel omsætning i formaverne. I: Kvægets ernæring og fysiologi. Bind 1 Næringsstofomsætning og fodervurdering. Ed.: T. Hvelplund & P. Nørgaard. DJF rapport nr. 53. 211-237. Kristensen, V.F., Weisbjerg, M.R., Børsting, C.F., Aaes, O. & Nørgaard, P. 2003b. Malkekoens energiforsyning og produktion. I: Kvægets ernæring og fysiologi. Bind 2 Fodring og produktion. Ed.: F. Strudsholm & K. Sejrsen. DJF rapport nr. 54. 73-112. Mikkelsen, M.H., Gyldenkærne, S., Poulsen, H.D., Olesen, J. & Sommer, S.G. 2005. Opgørelse og beregningemetode for landbrugets emissioner af ammoniak og drivhusgasser. Rapport, in press, Danmarks Miljøundersøgelser og Danmarks JordbrugsForskning. Moss, A.R., Jouany, J.P. & Newbold, J., 2000. Methane production by ruminants: Its contribution to global warming. Ann. Zootech. 49, 231-253. Weisbjerg, M.R., Hvelplund, T., Lund, P. & Olesen, J.E. 2005. Metan fra husdyr: Muligheder for reduktion ved ændret fodring. Kapitel 5 i: Olesen, J.E. Drivhusgasser fra jordbruget reduktionsmuligheder. DJF rapport, in press.

Weisbjerg, M.R. & Hvelplund, T. 2005. Metan fra husdyr: Muligheder for reduktion ved brug af metanhæmmende stoffer. Kapitel 6 i: Olesen, J.E. Drivhusgasser fra jordbruget reduktionsmuligheder. DJF rapport, in press. KvægInfo nr.: 1438 Dansk Kvæg