牛羊排氣加劇暖化 紐西蘭科學家三策略改造畜牧業

甲烷菌不斷運作，甲烷越積越多，最後就以打嗝放屁的形式排出體外。因此，要改變牛羊排氣量，得從牛羊胃裡的甲烷菌下手。

紐西蘭是畜牧大國，牛羊總數超過3600萬隻，超過全國人口7倍，是紐西蘭的經濟命脈，但千萬隻成天吃飽打嗝放屁的牛羊，排放大量甲烷，也讓政府傷透腦筋。

牛羊等草食動物在消化纖維素後，會以打嗝或放屁的形式排放甲烷。紐西蘭政府在2019年淨零目標入法時，也宣布以2017年為基準，2030年前甲烷排放降低10%；2050年甲烷排放降低24%至47%。然而，放屁打嗝乃是牛羊自然生理現象，政府無法禁止，更不可能要人民少賺錢，於是將希望寄託在科學上。

一般動物無法將植物纖維素轉換為能量。但牛羊等草食動物演化出一套與微生物合作的特殊消化系統。牛羊擁有四個胃，其中最大的胃──瘤胃（Rumen）含有能分解纖維素的大量微生物，以及一群被稱為甲烷菌（methanogen）的古細菌（Archaea）。

微生物進行發酵作用，將植物纖維素分解為氫離子、二氧化碳、揮發性脂肪酸（volatile fatty acids, VFA）以獲取能量。甲烷菌則不分解纖維素，而是將發酵作用留下的氫離子和二氧化碳轉換為甲烷，藉此獲取能量。甲烷菌不斷運作，甲烷越積越多，最後就以打嗝放屁的形式排出體外。因此，要改變牛羊排氣量，得從牛羊胃裡的甲烷菌下手。

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瘤胃內的甲烷生成過程。圖片來源：sciencenews

2003年，由7個研究單位組成的農牧溫室氣體研究聯盟（Pastoral Greenhouse Gas Research Consortium）與紐西蘭政府簽署合作備忘錄，展開一系列降低畜牧業甲烷排放的研究。目前已發展出育種、抑制劑以及疫苗三大策略，未來可望降低牛羊「放屁量」。

一、低甲烷品種選育

聯盟的第一個策略是「人擇」。2007年起與各地牧場合作挑選甲烷排放量較低的羊，培育、交配並產生下一代。經數個世代繁殖後，獲得低甲烷排放的新品種。低甲烷羊的羊瘤胃較小、但胃裡的皺褶更多，發酵效率更好。

更重要的是，雖然甲烷排放量少了約11%，但羊肉和羊毛可是一點也沒少。

為挑選低甲烷牛羊，科學家製作了一種稱為「呼吸艙」的裝置，能自動採集艙內牛羊打嗝放屁的甲烷總量。但「呼吸艙」造價不斐，再加上一次測量需時兩天，牛羊焦慮失眠、不吃飯導致實驗失敗並不罕見，進度極為緩慢。

為此，團隊現正開發輕便式的壓克力呼吸艙，類似作法也已被英國等地採納，於世界各地同步展開。

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農牧溫室氣體研究聯盟的可攜帶式呼吸艙。圖片來源：農牧溫室氣體研究聯盟新聞稿

二、食品添加物

第二種策略是研發食品添加物。這類添加物能干擾古細菌的甲烷合成作用，進而降低排放量。

來自荷蘭的皇家帝斯曼公司（Royal DSM N.V.）推出針對反芻動物的飼料添加劑Bovaer。Bovaer目前已經在全球各地完成測試並上市，業者只需將1/4匙的Bovaer混入飼料，就可以降低約30%甲烷排放量。

Bovaer進入瘤胃後會釋放3-硝基氧丙醇，與甲烷合成作用的關鍵酵素甲基輔酶Ｍ還原酶（Methyl-Coenzyme M Reductase, MCR）結合，使甲烷菌產生甲烷的速率大幅下降。由於MCR只存在於甲烷菌內，因此Bovaer對於牛羊本身，以及胃裡其他細菌不會產生干擾。實驗也顯示，定期餵食Bovaer的乳牛，並不會改變牛奶的營養成分。

另一種抑制策略，則是在牛羊食物裡加入類甲烷的鹵化衍生物。這類分子能夠與MCR上的重要輔基結合，使酵素產生甲烷的效率大幅降低。例如在牛羊食物裡加入富含三溴甲烷的蘆筍藻（Asparagopsis taxiformis），不但有效降低甲烷排放量，海藻低廉的成本也比購買Bovaer更加划算。但三溴甲烷對人體具毒性，專家對此策略仍持保留態度。

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富含三溴甲烷的蘆筍藻。圖片來源：Jean-Pascal Quod／Wiki（CC BY-SA 3.0）

三、抗甲烷疫苗

第三種策略是研發「抗甲烷疫苗」，誘發免疫系統製造抗體，藉由攻擊甲烷菌，降低甲烷排放。

畜牧業為牛羊施打疫苗，預防口蹄疫等疾病已行之有年，因此業者對甲烷疫苗抱有高度期望。希望一針見效、一勞永逸。但對科學家而言，疫苗的研發難度遠高於其他兩種策略。

科學家面臨的首要問題便是如何將抗體送到瘤胃，並在充滿食物、細菌和胃酸的食糜裡面發揮作用。為此，研究團隊改變免疫球蛋白的結構，使其在酸性環境裡保持活性，同時增加蛋白親水性，搭配適當的佐劑，使牛羊的「口水」富含大量抗體，讓這些能夠殺死甲烷菌的口水，混著草料一起吞進瘤胃。

另一個大難題，則是要讓疫苗誘發的抗體足夠「精準」，不要殺死胃裡其他微生物與不產生甲烷的古細菌。目前聯盟利用基因定序初步篩選出400種可能的抗原，接下來將逐步縮小範圍。只是距離疫苗正式上市，還有很長的一段路要走。

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抗甲烷疫苗研發流程與挑戰。圖片來源：擷取自《Are Vaccines the Solution for Methane Emissions from Ruminants? A Systematic Review》研究報告

科學方法搭配政策誘因 徹底減少甲烷排放

當科學家在實驗室裡工作，政策制定者也在研擬各項配套措施。紐西蘭政府研擬運用價格機制，針對高排放甲烷業者收費的「甲烷定價」 （methane pricing ）策略，被台灣媒體戲稱為「牛羊放屁稅」。聽來滑稽，但試想：如果排出大量甲烷的畜牧業者，需繳交高額罰金，那業者就會花錢選育低碳品系、或是購買疫苗和抑制劑，降低公司的營運成本。政府又可以回頭用這些經費，支持科學家做出更好的研究。

無論是選育、添加物與疫苗研發、或收取「牛羊放屁稅」，都需要科學家、藥廠、畜牧業者、乳品肉品業者、在地社區甚至是金融業的通力合作。紐西蘭也於2019年聯合初級產業中的利害關係人成立「我們同舟共濟」（He Waka Eke Noa，毛利語）氣候夥伴計畫。在此框架下，畜牧業者與科學家通力合作，才有了前述重要研究成果。

另一方面，夥伴計畫的利害關係人也為甲烷減量計畫帶來阻力。「牛羊放屁稅」就受到許多業者質疑，不但傷及本土農民生計，還會使國際消費者轉而購買其他國家生產的「高甲烷」低價產品。隨著總理阿爾登於今（2023 ）年1月辭職，未來工黨是否延續此一政策，都還是未定之數。

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紐西蘭農業排放定價報告書。圖片來源：紐西蘭環境部

參考資料

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50. DSM官網