Uvod

Populacija ljudi na našoj planeti je u stalnom porastu i zbog toga se očekuje da će do 2050. godine na Zemlji biti 9,7 milijardi ljudi. Porastom broja stanovnika, potrebe za hranom će se značajno povećati. Ove povećane potrebe neće moći da se zadovolje biljnim kulturama u okviru trenutne poljoprivredne proizvodnje. Da bi se nadomestio nedostatak hrane, zahtevi u stočarskoj proizvodnji, kojom se obezbeđuje konverzija nutritivno nisko vredne biljne hrane u nutritivno visoko vredna proteinska hraniva životinjskog porekla, u budućnosti će se povećati. Međutim, u poslednje vreme se sve više ukazuje da intenziviranje stočarske proizvodnje može značajno da ugrozi životnu sredinu. To se pre svega odnosi na farme goveda, a posebno farme visokomlečnih krava. Ove farme zbog visoke proizvodnje mleka, oslobađaju značajne količine gasova sa efektom staklene bašte (engl. Greenhouse Gasses; GHG), koji su prisutni u atmosferi. Naime, Sunčeva svetlost pada na zemljinu površinu gde se njena energija apsorbuje, a zatim vraća nazad u atmosferu kao toplota. Molekuli pojedinih gasova zadržavaju toplotu odbijenu sa Zemljine površine, a zatim je opet preusemeravaju nazad prema Zemlji (slika 1).

Slika 1. Zadržavanje toplote u Zemljinoj atmosferi od strane gasova sa efektom staklene bašte (ilustrovali Kirovski D. i sar.)

Metan se od prirodnih izvora najviše emituje sa močvarnih područja, a kada su u pitanju antropogeni izvori, sa stočarskih farmi. Govedarska proizvodnja, u odnosu na druge grane stočarstva, najviše doprinosi efektu staklene bašte. Unutar govedarske proizvodnje, najveći procenat GHG se proizvodi na farmama visokomlečnih krava. Prema podacima iz 2020. godine, stanovnici Evropske unije su preko 50% svojih potreba za proteinima zadovoljili konzumacijom mesa i mleka. Prema statističkim podacima za 2020. godinu, svaki stanovnik Evrope je konzumirao 69,5 kg mesa i 236 litara mleka. Pored toga što stočarska proizvodnja obezbeđuje snabdevanje stanovništva nutritivno vrednom hranom animalnog porekla, u globalnoj antropogenoj emisiji GHG, sektor stočarstva učestvuje čak sa 14,5%, čemu najviše doprinosi emisija CH4 (44%). Postoje dva glavna izvora CH4 na farmama visokomlečnih krava: enterična fermentacija koja doprinosi 90 do 95% emisije CH4 i oslobađanje CH4 iz stajnjaka tokom njegove obrade ili skladištenja, preostalih 5 do 10%. Na osnovu očekivanih promena u stočarskoj proizvodnji ali i navika potrošača, očekuje se da će emisija CH4 enteričnom ferementacijom, u poređenju sa 1995. godinom, do 2055. godine porasti za 70% (Reisinger i sar. 2021).

Biogeni ciklus ugljenika

Iako je tačno da visokomlečne krave predstavljaju značajan izvor enteričnog metana, važno je napomenuti da je metan koji one oslobode, deo prirodnog ciklusa označenog kao biogeni ciklus ugljenika (slika 2).

Ovaj ciklus se zasniva na sposobnosti biljaka da preuzmu CO2 iz atmosfere i deponuju ga u listovima, stabljikama i korenju, gde će se pod uticajem Sunčeve svetlosti odigrati proces fotosinteze, kojim se stvaraju ugljeni hidrati (šećeri) od CO2 i vode kao polaznih jedinjenja, uz oslobađanje molekulskog kiseonika (O2). Pri tome, fotosinteza zauzima centralno mesto u biogenom ciklusu ugljenika jer se tokom ovog procesa prevashodno sintetišu strukturni ugljeni hidrati biljaka, poznatiji kao biljna vlakna, a na prvom mestu celuloza, koja nije svarljiva u digestivnom traktu ljudi.

Zahvaljujući mikroorganizmima koji su prisutni u buragu, visokomlečne krave imaju sposobnost razgradnje celuloze, čime ugljenik „zarobljen“ u biljnim vlaknima postaje dostupan organizmu krava i može se iskoristiti za rast, proizvodnju mleka i druge metaboličke procese. Kao nuzproizvod razlaganja celuloze u buragu stvara se CH4, čije oslobađanje u spoljašnju sredinu podrigivanjem, zapravo, predstavlja vraćanje ugljenika, koji su biljke prethodno preuzele u obliku CO2 i iskoristile za sintezu ugljenih hidrata, nazad u atmosferu. Životni vek metana u atmosferi se kreće od 10 do 12 godina, nakon čega od njega nastaje CO2 procesom hidroksilne oksidacije. Tako formiran CO2, postaje ponovo dostupan biljkama koje ga mogu preuzeti iz atmosfere i iskoristiti za sintezu ugljenih hidrata u procesu fotosinteze. Kada visokomlečne krave unesu biljnu hranu, u kojoj je ugljenik „zarobljen“ u biljnim vlaknima, biogeni ciklus ugljenika ponovo započinje. Konačno, trajanje biogenog ciklusa ugljenika, odnosno, razmene ugljenika između biljaka i atmosfere, u kojoj posreduju krave, traje približno jednu deceniju. Suprotno tome, razmena ugljenika između atmosfere i geoloških rezervi (duboko podzemlje ispod dna mora ili okeana i stena) iz kojih se ugljenik iscrpljuje u obliku fosilnih goriva, traje približno jedan milenijum, što je stotinu puta duži period. Zbog toga, izvlačenje i sagorevanje fosilnih goriva ima značajno veći uticaj na našu klimu nego biogeni ciklus ugljenika u kome učestvuju goveda. Dodatno, izvlačenjem i sagorevanjem fosilnih goriva, oslobađa se ugljenik koji je u zemljištu „zarobljen“ milionima godina, čime se remeti ravnoteža u ciklusu ugljenika jer se oslobađa velika količina ugljenika za kratko vreme, koji se ne može u potpunosti apsorbovati (ukloniti) od strane okeana (slika 3). Zbog toga se ugljenik nakuplja u atmosferi u obliku CO2 uzrokujući klimatske promene povezane sa globalnim zagrevanjem.

Zastupljenost pojedinih mikroorganizama u buragu, a pre svega bakterija, prvenstveno zavisi od vrste hrane koju jedinka unosi. Bakterije razlažu složene ugljene hidrate do krajnjih proizvoda fermentacije. Prvo primarne bakterije razlažu složene ugljene hidrate do prostih molekula, koje zatim preuzimaju sekundarne bakterije i konvertuju ih do krajnjih proizvoda fermentacije (slika 5).

Kada u obrocima za ishranu krava veći deo čine kabasta hraniva, u sadržaju buraga dominiraju celulolitičke bakterije, a među njima su najzastupljenije Fibrobacter, Bacteroides i Ruminococcus. Ove bakterije razlažu celulozu do celobioze i dalje do glukoze ili aktivnošću fosforilaze, do glukozo-1-fosfata. Dodatno, bakterijske vrste Butyrivibrio fibrisolvens i Bacteroides ruminicolanos koje pripadaju grupi hemicelulolitičkih bakterija razlažu hemicelulozu do pentoza. Ukoliko je ishrana zasnovana na koncentrovanim hranivima, u buragu dominiraju amilolitičke bakterijske. Grupu najznačajnijih amilolitičkih bakterija mikroflore sadržaja buraga čine vrste iz rodova Prevotella i Succinivibrio. One primarno razlažu skrob do maltoze i izomaltoze, a zatim do glukoze ili glukozo-1-fosfata. Streptococcus bovis je amilolitička bakterija koja je značajno zastupljena u buragu krava kod kojih se uvodi koncentrovana hrana.

Piruvat je glavni međuproizvod metabolizma u buragu. On se stvara iz heksoza u Embden-Meyerhof-Parnasov-om putu. U ovom metaboličkom putu se glukoza fosforiliše, a zatim pretvara u dva triozo fosfata koji se zatim kovertuju u dva piruvata. Neto proizvod ovog puta su dva molekula ATP i redukuju se dva NAD+ u dva NADH. Razlaganjem pentoza u buragu, koje primarno potiču iz hemiceluloze, stvaraju se prvo dva heksozo fosfata i jedan trioza fosfat, a zatim se u Embden-Meyerhof-Parnasov-om metaboličkom putu stvara piruvat. Računato na količinu ugljenikovih atoma, metabolizam heksoza i pentoza obezbeđuje istu količinu ATP-a i NADH-a.

Od piruvata se stvaraju krajnji fermentacioni proizvodi metabolizma u buragu, a to su isparljive masne kiseline, vodonik i ugljen dioksid. Od isparljivih masnih kiselina najviše su zastupljene propionska, sirćetna i buterna kiselina. Propionska kiselina se može formirati iz piruvata kroz više različitih metaboličkih puteva. Metabolički put preko laktata i akrilata preovladava kada je ishrana preživara bazirana na koncentratima, a put preko sukcinata kada je ishrana bazirana na kabastim hranivima. Pri ishrani koncentratom, proizvedeni laktat može da se nakuplja u buragu i dovodi do nastanka acidoze.

Takođe je veoma bitan biohemijski proces da se stvoreni NADH ponovo oksidiše u NAD+. Ova reakcija oksidacije se ostvaruje oslobađanjem H2.

Fermentacija u stajnjaku kao izvor emisije metana

Skladištenjem stajnjaka u anaerobnim uslovima (slika 8) dominantno se razvijaju anaerobni mikroorganizmi kojima pripadaju i metanogeni. Oni razlažu organske materije u odsustvu kiseonika što je udruženo sa proizvodnjom CH4. Ovaj proces se odvija u tri faze: hidrolitička, kisela i metanska. Hidrolitička faza podrazumeva razgradnju masti, proteina i ugljenih hidrata do dugolančanih masnih kiselina, aminokiselina i prostih šećera. Dalje, u kiseloj fazi koja se karakteriše konverzijom prostih jedinjenja u kratko lančane (C1-C5), nastaju isparljive masne kiseline, kao što su mlečna, propionska i buterna kiselina. Zatim, ove kiseline koriste tzv. homoacetogeni mikroorganizmi koji, tokom proizvodnje sirćetne kiseline, oslobađaju CO2 i H+. Ovo su polazna jedinjenja za metanogenezu koja se odvija acetotrofnim, hidrogenotrofnim i metilotrofnim putem. Između svih nabrojanih vidova metanogeneze, dominantan je acetotrofni put. Postoje procene da ovako nastao CH4 ima udeo od približno 2% u antropogenoj emisiji. Količina CH4 koja će se osloboditi iz stajnjaka zavisi od nekoliko ključnih faktora u koje se ubrajaju: upravljanje stajnjakom, godišnje doba (ambijentalna temperatura) i sastav stajnjaka.

Upravljanje stajnjakom predstavlja veoma bitan segment menadžmenta farme visokomlečnih krava, od koga zavisi u kojoj meri će se CH4oslobađati iz stajnjaka. Za razliku od ekstenzivne govedarske proizvodnje u kojoj su količine oslobođenog CH4 iz stajnjaka relativno male, jer on ostaje izložen aerobnim uslovima na pašnjacima, intenzivna govedarska proizvodnja predstavlja značajno veći izvor CH4 iz stajnjaka. Naime, intenzivna govedarska proizvodnja dovodi do stvaranja velikih količina uglavnom tečnog stajnjaka, koji se skladišti u tankovima ili jamama u kojima vladaju anaerobni uslovi, koji stimulišu rast metanogenih mikroorganizama i proizvodnju CH4. Zbog toga je preporuka da se upravljanje stajnjakom na farmama usmeri u pravcu dobijanja čvrstog stajnjaka koji se skladišti u aerobnim uslovima, čime se smanjuje oslobađanje CH4. Pored toga, značajna je i dužina skladištenja stajnjaka. Utvrđeno je da oslobađanje CH4 iz stajnjaka raste i distiže svoj maksimum u desetoj nedelji skladištenja. Nakon tog perioda oslobađanje CH4 se postepeno smanjuje sve do 40. nedelje skladištenja, kada potencijal stajnjaka za oslobađanje CH4 predstavlja samo 8% onog potencijala koji je zabeležen desete nedelje skladištenja (Cárdenas i sar. 2021). Osim toga, isti autori ukazuju da se CH4 oslobađa iz stajnjaka u većoj meri u letnjem nego u zimskom periodu godine. Niske temperature ometaju metanogenezu, pri čemu optimalna temperatura za ovaj proces iznosi približno 20°C. To znači da se upravljanje stajnjakom na farmama može prilagoditi godišnjem dobu, bilo u pravcu kratkog skladištenja stajnjaka tokom letnjeg, a dugog skladištenja stajnjaka tokom zimskog perioda godine, bilo postupcima hlađenja stajnjaka na farmi. Konačno, ukoliko feces sadrži veću količinu razgradivih organskih materija, imaće veći potencijal za proizvodnju CH4 od strane metanogenih mikroorganizama.

Literatura:

1. Cárdenas A, Ammon C, Schumacher B, Stinner W, Herrmann C, Schneider M, Amon B, 2021, Methane emissions from the storage of liquid dairy manure: Influences of season, temperature and storage duration, Waste Manag, 121, 393–402.

2. IPCC — Intergovernamental Panel on Climate Change, 2006, Emissions from livestock and manure management, In: Eggleston HS, Buendia L, Miwa K, Ngara T, Tabane K, editors. IPCC Guideliness for nacional greenhouse gas inventories, Hayama: IGES, 747–846.

3. Janssen PH, Kirs M, 2008, Structure of the archaeal community of the rumen, Appl Environ Microbiol, 74, 3619–25.

4. Jose VS, Sejian V, Bagath M, Ratnakaran AP, Lees AM, Al-Hosni YA, Gaughan JB, 2016, Modeling of greenhouse gas emission from livestock, Front Env Sci, 4, 27.

5. Lyu Z, Shao N, Akinyemi T, Whitman WB, 2018, Methanogenesis, Curr Biol, 28, 727–32.