Một số giải pháp dinh dưỡng giảm phát thải khí nhà kính trong chăn nuôi gia súc nhai lại

Chăn nuôi góp phần vào biến đổi khí hậu toàn cầu do phát thải khí nhà kính (GHG). Các khí nhà kính chính sản sinh trong quá trình sản xuất từ ngành chăn nuôi là carbon dioxide (CO₂), mê-tan (CH₄) và nitơ oxit (N₂O). Sự sản sinh khí mê-tan từ quá trình lên men trong đường tiêu hóa của vật nuôi nhai lại là nguồn phát thải khí nhà kính chính, chiếm khoảng 12-41%và là mối quan tâm chính đối với sự nóng lên toàn cầu trong vòng 50 năm tới. Sự phát thải khí mê-tan cũng liên quan đến việc tổn thất năng lượng trong khẩu phần ăn, do đó làm giảm hiệu quả sử dụng thức ăn. Do những tác động tiêu cực đến môi trường, việc giảm thiểu phát thải khí mê-tan đã được đưa ra trong vài thập kỷ gần đây và nhiều nỗ lực đã được thực hiện nhằm giảm phát thải khí mê-tan từ động vật nhai lại. Việc thay đổi khẩu phần ăn có liên quan trực tiếp đến thay đổi kiểu lên men trong dạ cỏ và các loại sản phẩm cuối cùng, mà kiểu lên men này là một trong những cách khử khí mê-tan hiệu quả nhất.Do đó, mục đích của bài báo tổng quan này là thảo luận về sinh học phát thải khí mê-tan từ động vật nhai lại và việc giảm thiểu nó thông qua thay đổi khẩu phần ăn.

1. Đặt vấn đề

Các khí nhà kính chủ yếu gây nên hiện tượng ấm lên toàn cầu hiện nay bao gồm: khí carbon dioxide (CO₂), oxit nitơ (N₂O), mê-tan(CH₄) vàCloruafloruacarbons (CFC).Trong số các loại khí này thì mê-tanlà loại khí có ảnh hưởng đứng thứhai trong việc gây ra hiệu ứng nhà kính. Nguồn phát thải khí mê-tan vào khí quyển từ chăn nuôi gia súc nhai lại chiếm 12 – 41% (Abecia, L. và cs., 2012).

Mê-tan là một trong những khí nhà kính mạnh nhất, giữ nhiệt gấp 25 lần so với khí carbon dioxide. Mỗi khi trâu, bò và các loài gia súc ợ hơi, khí mê-tan sẽ theo đường gió thải vào khí quyển. Mê-tan là một sản phẩm phụ, sinh ra trong quá trình lên men ở dạ cỏ của động vật nhai lại, nhờ vi khuẩn methanogenic. Theo số liệu thống kê, một nửa lượng khí thải nhà kính do chăn nuôi tạo ra trên toàn cầu là từ gia súc như trâu, bò thải ra.Mê-tan xuất hiện trong quá trình lên men các vật chất hữu cơ của thực vật chủ yếu ở dạ cỏ, do đó mê-tan thải ra có liên quan chặt chẽ với lượng thức ăn ăn vào và tiêu hoá. Chính vì lý do đó, chiến lược thay đổi khẩu phần ăn cho gia súc nhai lại để giảm thiểu phát thải khí mê-tan đã được xem xét rộng rãi. Rất nhiều nghiên cứu thử nghiệm đã được thực hiện để giảm phát thải khí mê-tan.

Giảm thiểu thải khí mê-tan từ gia súc nhai lại đạt được hai mục đích đó là: (i) Giảm khí nhà kính toàn cầu và (ii) Nâng cao hiệu quả sử dụng thức ăn.Cách để giảm thải khí mê-tan từ gia súc nhai lại thông qua: Thay đổi con đường trao đổi chất và thay đổi tổ hợp vi sinh vật dạ cỏ hay tác động để thay đổi sinh lý tiêu hóa dạ cỏ.

Chiến lược dinh dưỡng giảm thiểu phát thải mê-tan dựa trên cơ sở các nguyên lý: (i) Giảm sinh hydro (H) nhưng không được ảnh hưởng đến lên men thức ăn trong dạ cỏ và (ii) Giảm thiểu mê-tan, ngăn chặn và hạn chế quá trình hình thành mê-tan, đưa hydro (H) vào các sản phẩm trao đổi chất khác.

2. Quá trình sản sinh khí mê-tan trong dạ cỏ

Trong quá trình lên men dạ cỏ, ngoài các sản phẩm chính là các axit béo bay hơi (như axetic, propionic và butyric) ra thì một sản phẩm không mong muốn đó là khí mê-tan. Quá trình lên men thức ăn cùng sự sản sinh khí mê-tan được tóm tắt bằng các phương trình phản ứng và hình minh họa dưới đây:

– Axit axetic: C₆H₁₂O₆ + 2H₂O → 2CH₃COOH + 2CO₂ + 4H₂

– Axit propionic: C₆H₁₂O₆ + 2H₂ → 2CH₃CH₂COOH + 2H₂O

– Axit butyric: C₆H₁₂O₆ → CH₃-CH₂CH₂COOH + 2CO₂ + 2H₂

– Khí mê-tan: CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O

Trong điều kiện yếm khí ở dạ cỏ: Phản ứng oxy hóa để lấy năng lượngở dạng ATP giải phóng ra hydro (H). Tích lũy ion hydro trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật dạ cỏ chỉ có thể tránh được bằng quá trình sinh tổng hợp mê-tan, bởi những vi khuẩn sinh mê-tan (rumen methanogens) (O’Mara và cs., 2008). Đây là qui trình bình thường trong quá trình lên men ở dạ cỏ. Lượng hydro giải phóng phụ thuộc chủ yếu vào khẩu phần và loại hình vi sinh vật dạ cỏ (Martin và cs., 2008).

Quá trình sinh mê-tan ở dạ cỏ là cơ chế tạo điều kiện cho dạ cỏ tránh đượcnguy cơ tích lũy quá nhiều hydro (Martin và cs., 2008). Hydro tự do sẽ ức chế enzym khử hydro (dehydrogenases) và ảnh hưởng đến quá trình lên men (Martin và cs., 2008). Sử dụng H và CO₂ để tạo ra CH₄ là một đặc tính đặc biệt của nhóm vi khuẩn sinh mê-tan.

Ở gia súc nhai lại, CH₄ được tạo thành từ CO₂ và H₂ dưới tác dụng của vi khuẩn methanogenic cùng với năng lượng của cơ thể động vật. Methanogenic là nhóm vi khuẩn trong hệ vi sinh vật dạ cỏ của động vật nhai lại, chúng có thể tồn tại ở pH trung tính 6-8.Tuy nhiên, một số loài methanogenic có thể tồn tại trong môi trường pH dao động từ 3-9,2 (Jones và cs.,1987). Hiện nay, người ta đã tìm thấy 5 loài vi khuẩn methanogenic trong dạ cỏ của động vật nhai lại là Methanobrevibacter ruminantium, Methanosarcina barkeri, Methanosarcina mazei, Methanobacterium formicicum và Methanomicrobium mobile trong đó 2 loài đầu là phổ biến nhất. Vi khuẩn methanogenic có thể sống tự do trong dạ cỏ hoặc chúng sống cộng sinh trên bề mặt của protozoa.

3. Một số giải pháp dinh dưỡng giảm thiểu phát thải khí nhà kính

3.1. Bổ sung các chất ức chế – Inhibitors

Rất nhiều chất ức chế đến hệ vi sinh vật dạ cỏ đã được nghiên cứu. Trong số này bromochloro mê-tan (BCM), 2-bromo-ethane sulfonate (BES), chloroform và cyclodextrin là những hợp chất đã được thử nghiệm thành công nhiều nhất trên động vật nhai lại. Các chất ức chế sản sinh mê-tan này đã giảm một cách đáng tin cậy về thống kê trên 50% mê-tan ở bò và cừu (Mitsumori và cs., 2011 và Immig và cs., 1996); Chloroform (Knight và cs., 2011); Cyclodextrin (Lila và cs., 2004).

Trong loạt thí nghiệm trên bò đực thiến lai Brahman, Tomkins và cs. (2009) đã quan sát thấy khi cho ăn BCM ở mức 0,3 g/100 kg khối lượng cơ thể đã làm giảm mê-tan sinh ra trong dạ cỏ đến 50% trong một thí nghiệm kéo dài 90 ngày. Không thấy BCM ảnh hưởng đến tăng trọng, lượng thức ăn ăn vào, hiệu quả sử dụng thức ăn và chất lượng thịt xẻ, đồng thời cũng không thấy tồn dư BCM tăng lên trong mô.

Các chất ức chếmê-tan đặc biệt là BCM và chloroform là các chất ức chếmê-tan rất hiệu quả. Ảnh hưởng lâu dài của các chất ức chếmê-tan còn chưa chắc chắn và cần có nhiều số liệu hơn nữa để xem xét ảnh hưởng lâu dài.

3.2. Bổ sung các chất nhận electron – electron receptors

Trong nhóm này: fumarate, nitrates, sulphates và nitroethane (Gutierrez-Banuelos và cs., 2007; Brown và cs., 2011) được nghiên cứu nhiều nhất. Gần đây nghiên cứu trên cừu (Sar và cs., 2004; Nolan và cs., 2010; van Zijderveld và cs., 2010) và trên bò (van Zijderveld và cs., 2011a,b) đã cho các kết quả rất khả quan với nitrates: Tạo ra khả năng chuyển hóa nitrate thành NH₃, giảm sản sinh mê-tan dạ cỏ đến 50%.

Tiềm năng của các chất nhận electron, đặc biệt là nitrate được khai thác đặc biệt đối với các khẩu phần nghèo protein, ở đây vi sinh vậtdạ cỏ có thể có được các lợi ích từ các nguồn nitơ phi protein (non-protein N -NPN). Chiến lược bổ sung nitrate có thể đặc biệt hấp dẫn ở các nước đang phát triển, nơi không đủ protein thô (CP) để duy trì khả năng sản xuất của gia súc. Tổng nitơ khẩu phần cơ sở thấp có thể là điều kiện quan trọng cho sử dụng nitrate thành công trong việc làm giảm phát thải CH₄ ở dạ cỏ.

Khối tảng liếm urê rỉ mật đa dinh dưỡng được thiết kế để cung cấp urê, hỗn hợp các chất khoáng và trong một vài trường hợp là protein phân giải chậm đối với gia súc nhai lại trong điều kiện chăn thả. Nếu nitrate thay thế urê trong các khối tảng liếm urê rỉ mật đa dinh dưỡng này thì việc tiếp cận chúng cần phải hạn chế để lượng nitrate ăn vào không làm gia súc ngộ độc.

Alaboudi và Jones (2015) báo cáo rằng hoạt động khử nitrate của dịch dạ cỏ cừu đã quen với nitrate ở mức 2,5 g/kg khối lượng/ngày đã giảm về mức khởi đầu trong 3 tuần sau khi không bổ sung KNO₃ trong khẩu phần.

3.3. Bổ sung các hợp chất có hoạt tính sinh học từ thực vật (Plant bioactive compounds – PBAC)

Một loạt các hợp chất có trong thực vật đặc biệt là tanin, saponin và tinh dầu cùng các thành phần hoạt hóa của chúng. Tanin và saponin đã được nghiên cứu khá nhiều và đã chứng tỏ là các hợp chất có nhiều hứa hẹn nhất cho việc giảm phát thải CH₄ từ dạ cỏ đến trên 20% (Beauchemin và cs., 2007a).Tanin còn có các lợi ích về dinh dưỡng và sức khỏe gia súc (tẩy giun sán và chống chướng hơi dạ cỏ)

Nghiên cứu về saponin được Goel và Makkar (2012) tổng hợp, có 6 nghiên cứu báo cáo việc giảm CH₄, từ 6 đến 27 % (theo tổng CH₄ hay CH₄ cho một đơn vị khối lượng hoặc một đơn vị thức ăn ăn vào).

Các nghiên cứu ảnh hưởng của saponin trong lá chè đến hiệu quả giảm phát thải CH₄ ở dạ cỏ và năng suất gia súc của Wang và cs. (2009); Hu và cs. (2005) trên cho dê ăn: 0; 3 và 6g saponin từ lá chè/ngày đã quan sát thấy, dê tăng lượng thức ăn ăn vào và kết quả là tăng tăng trọng ngày (Average Daily Gain – ADG) khi cho ăn 3g saponin từ lá chè/ngày.

Một nghiên cứu với dê cho ăn khẩu phần chứa 5,6g tanin/kg DM (taninthủy phân và đậm đặc) cho thấy, tanin đã làm giảm hệ số phát thải từ 7%, (nhóm đối chứng không có tanin) xuống còn 6,0% tổng năng lượng thô ănvào (GEI – Gross Energy Intake) ở nhóm ăn tanin, (Bhatta và cs., 2012);

3.4. Bổ sung lipid

Tổng kết nhiều số liệu của Moate và cs. (2011) và Grainger và Beauchemin (2011) cũng cho biết, lượng mê-tan sản xuất ra/1 đơn vị chất khô thức ăn ăn vào đã giảm 20%.

Grainger và Beauchemin (2011) đã phân tích số liệu của 27 nghiên cứu và kết luận thấy rằng trong phạm vi bổ sung như thực tế hiện đang áp dụng nhỏ hơn 8% mỡ trong khẩu phần thì cứ 10g mỡ/kg tăng lên trong khẩu phần sẽ làm giảm 1g CH₄/kg DMI (Dry matter intake: chất khô ăn vào) ở bò và 2,6g CH₄/kg DMI ở cừu.

Một tác động khác với lipid cũng cần quan tâm đó là, khi bổ sung lipid tăng cường tiềm năng giảm phát thải mê-tan đi song song với giảm mỡ sữa và protein sữa (Mathew và cs., 2011). Một số loại lipid như dầu dừa làm giảm lượng chất khô ăn vào và giảm tỷ lệ tiêu hóa xơ rất nhiều, kết quả là năng suất sữa và mỡ sữa cũng giảm rất mạnh ở bò sữa (Hristov và cs., 2011, 2013; Lee và cs., 2012b; Hollmann và Beede, 2012).

Việc bổ sung lipid vào khẩu phần gia súc nhai lại cũng cần được cân nhắc kỹ. Giá dầu thực vật hiện đang tăng trên thị trường thế giới trong 10 năm qua. Câu hỏi đặt ra là bổ sung lipid vào khẩu phần để giảm phát thải mê-tan hiện có kinh tế không và tương lai thì sao.

4. Tình hình nghiên cứu giải pháp nhằm giảm phát thải khí nhà kính trong chăn nuôi gia súc nhai lại

4.1. Thế giới:

Knight và cs. (2011) cho thấy sự giảm mê-tan ở dạ cỏ diễn ra rất mạnh ở bò cạn sữa cho ăn chloroform. Ảnh hưởng của chloroform kéo dài đến 42 ngày mặc dù lượng mê-tan sản xuất ra trong dạ cỏ tăng từ từ đến mức bằng 62% lúc chưa cho ăn chloroform.

Woodward và cs. (2006) nghiên cứu ảnh hưởng của dầu thực vật và dầu cá đến năng suất sữa và phát thải mê-tan trong thí nghiệm ngắn ngày (14 ngày) và dài ngày (12 tuần). Kết quả cho thấy, lipid đã giảm mê-tan một cách đáng tin cậy về mặt thống kê trong thời gian ngắn (14 ngày), nhưng ảnh hưởng này không thấy sau 12 tuần ở thí nghiệm dài ngày. Các tác giả trên đưa ra kết luận, lipid không thích hợp cho mục đích giảm phát thải mêtan ở bò sữa và cần thận trọng khi dùng lipid để giảm phát thải ở bò sữa.

Benchaar và Greathead (2011) cũng có nghiên cứu và kết luận rằng, dầu tỏi và các dẫn xuất đã làm giảm sản sinh mê-tan.

Holter và cs. (1992) thấy có sự giảm mê-tan đáng tin cậy về thống kê trong một thí nghiệm kéo dài 16 tuần ở bò vắt sữa khi khẩu phần được bổ sung hạt bông cả vỏ (4,1 và 6,8 % béo của khẩu phần). Hạt bông cả vỏ được báo cáo là một thức ăn rất hiệu quả để giảm phát thải mê-tan lâu dài trong nghiên cứu của Grainger và cs. (2008).

Gần đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Kebreab và Roque (2021) đã bổ sung một lượng nhỏ rong biển (Asparagopsis taxiformis)vào khẩu phần ăn của 21 con bò thịt và theo dõi sự tăng trọng cũng như phát thải khí mê-tan của chúng. Gia súc tiêu thụ khoảng 80 gam (3 ounce) rong biển/ngày sẽ tăng trọng lượng như các con bò khác trong đàn, trong khi thải ra khí mê-tan ít hơn 82%. Rong biển ức chế một loại enzyme trong hệ tiêu hóa của bò tạo ra khí mê-tan.Trong nghiên cứu mới, Kebreab và Roque (2021) đã kiểm tra xem liệu mức giảm đó có bền vững theo thời gian hay không bằng cách cho bò ăn rong biển mỗi ngày trong 05 tháng, từ khi chúng còn nhỏ. Bốn lần một ngày. Kết quả: Gia súc ăn rong biển thải ra ít khí mê-tan hơn nhiều và hiệu quả không giảm theo thời gian. Kết quả từ một bảng kiểm tra hương vị không tìm thấy sự khác biệt về hương vị của thịt bò từ những con bò ăn rong biển so với một nhóm đối chứng. Các thử nghiệm tương tự với bò sữa cho thấy rong biển không ảnh hưởng đến mùi, vị của sữa.

Hiện không có đủ rong biển trong tự nhiên để sử dụng rộng rãi. Nên các nhà khoa học hiện đang nghiên cứu cách trồng loại rong biển – Asparagopsis taxiformis – mà nhóm của Kebreab đã sử dụng trong các thử nghiệm. Bên cạnh, Kebreab và Roque đang hợp tác với Blue Ocean Barns, một công ty khởi nghiệp đang nghiên cứu và cung cấp các chất phụ gia có thành phần giống rong biển vào thức ăn gia súc.

4.2. Ở Việt Nam

Các bộ phận của cây, càng được tiếp xúc nhiều với ánh sáng mặt trời thì hàm lượng tanin càng cao. Trong khi đó, Việt Nam là nước nằm trong khu vực nhiệt đới, có thời gian chiếu sáng hàng năm lớn thì hầu hết các loài thực vật đều chứa một hàm lượng tanin nhất định. Đặc biệt các loài thực vật có vị chát thì có hàm lượng tanin khá cao. Ví dụ như tanin của lá chè chiếm 12,68% vật chất khô (Lê Tự Hải, 2010), trong cây keo lá tràm (Acacia auriculiformis) và cây kim phượng (Bonducpina pulcierrina) có hàm lượng tanin lần lượt là 16,63 và 7,6 % vật chất khô (Hồ Thị Liễu, 2004). Như vậy ta có thể sử dụng nguồn tanin sẵn có từ thực vật bổ sung vào khẩu phần ăn của gia súc nhai lại để giảm thiểu phát thải khí mê-tan.

Một số nhà khoa học cho rằng tanin là một hợp chất kháng dinh dưỡng vì tanin kết hợp với protein của thức ăn và với cả enzym đường tiêu hoá làm giảm tỷ lệ tiêu hoá protein thức ăn, giảm thu nhận thức ăn, giảm sinh trưởng, giảm sản lượng của vật nuôi (Dương Thanh Liêm, 2008) và cần phải khắc phục ảnh hưởng có hại của tanin bằng cách xử lý kiềm hoặc phối hợp thức ăn chứa tanin với sunphat sắt hoặc polyethilene glycol – 4000 (PEG-4000) (Vũ Duy Giảng, 2001). Ngược lại, theo Nguyễn Xuân Trạch (2003) lại cho rằng bổ sung tannin vào khẩu phần ăn của gia súc nhai lại ở mức thấp (20-40 g/kg vật chất khô thức ăn) sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng protein của gia súc. Để đạt được hai mục tiêu giảm thiểu mê-tan và duy trì được tỷ lệ tiêu hóa của khẩu phần, chúng ta cần phải xác định được nguồn tanin cũng như tỷ lệ bổ sung vào thích hợp khẩu phần ăn của gia súc nhai lại.

Năm 2011, Viện chăn nuôi đã tiến hành các nghiên cứu trong ống nghiệm, xác định động thái sinh khí của 4 loại cây họ đậu (chè đại, keo dậu, đậu Sơn Tây, thân lá lạc sau thu hoạch) và ngọn lá sắn được phối trộn với chất nền (50% rơm khô 50% cám gạo tính theo vật chất khô) theo các tỷ lệ khác nhau. Kết quả cho thấy hàm lượng tanin trong các loại thức ăn này khá cao, dao động từ 2,5 – 5% VCK. Trong số các loại cây thức ăn này, keo dậu có tác dụng làm giảm lượng mê-tan sản sinh ra nhiều nhất, đặc biệt với tỷ lệ phối trộn 40% keo dậu có thể là giảm đến 13% so với khẩu phần đối chứng chỉ có rơm và cám gạo.

Năm 2016, Chu Mạnh Thắng,thực hiện đề tài đối tượng bò sữa và bò thịt. Kết quả cho thấy: (i) Sử dụng cây ngô ủ chua trong khẩu phần làm thức ăn cho bò đã cải thiện tăng năng suất sữa 5,98% (bò sữa), tăng khối lượng 9,75% (bò thịt) và hiệu quả chuyển hóa thức ăn so với lô ăn khẩu phần ăn truyền thống,(ii) đồng thời giảm rõ rệt mức độ phát thải mê-tan. Cường độ phát thải khí mê-tan tính trên 1 kg sữa tiêu chuẩn giảm 17,8% (bò sữa) và tính trên đơn 1kg thịt sản xuất giảm 13,3% so với bò ăn khẩu phần ăn truyền thống.

4. KẾT LUẬN:

 Để giảm phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực chăn nuôi, nhiều biện pháp đã được nghiên cứu và áp dụng nhằm cải thiện chế độ dinh dưỡng cho trâu bò, giúp tăng hiệu quả sử dụng thức ăn, qua đó giảm phát thải khí mê-tan. Sử dụng thức ăn ủ chua, bổ sung các chất ức chế, chất nhận điện tử, các hợp chất có hoạt tính sinh học từ thực vật, bổ sung chất béo là các biện pháp hữu hiệu nhằm giúp tăng năng suất chăn nuôi và giảm lượng phát thải khí mê-tan vào khí quyển.

Nhìn chung, giải quyết phát thải khí mê-tan là một mục tiêu lớn vì nó có khả năng tạo ra tác động lớn trên toàn cầu. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc giảm thiểu phát thải khí mê-tan từ ngành nông nghiệp nói chung và chăn nuôi gia súc nhai lại nói riêng, là nhu cầu cấp thiết, góp phần giảm phát thải khí nhà kính trên toàn cầu, mở đường cho việc chăn nuôi bền vững trên toàn thế giới.