SỬ DỤNG NITRATE CHO GIA SÚC NHAI LẠI

Quá trình hình thành khí CH4 ở dạ cỏ

Quá trình tiêu hóa gluxit ở dạ cỏ bao gồm gluxit phi cấu trúc (tinh bột, đường và pectin) và gluxit vách tế bào thực vật (xenluloza và hemexenluloza) được lên men bởi vi sinh vật dạ cỏ. Vi sinh vật tiết ra các enzyme đường phân gluxit phức tạp thành đường đơn là các sản phẩm trung gian (hình 1). Quá trình lên men này sản sinh ATP, Nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) và pyruvate. Pyruvate được chuyển hóa bởi các vi sinh vật dạ cỏ để tạo ra axit béo bay hơi chủ yếu là axít axetic, propionic và butyric. Sự hình thành acetate và butyrate xảy ra thông qua chuyển hóa pyruvate-formate, qua đó sản sinh formate và acetyl CoA. Acetyl CoA được các vi sinh vật dạ cỏ sử dụng để tạo ra acetate và butyrate trong khi formate thì được chuyển thành CO2 và H2 (Leng, 2014), là cơ chất cho methanogens sử dụng để sản xuất khí CH4. Sự hình thành propionate thông qua pyruvate được vi sinh vật chuyển đổi thành propionate theo hai hướng đường phân oxaloacetate hoặc lactate (Nolan,1999).

Hình 1: Quá trình lên men gluxit và hình thành CH4 ở dạ cỏ (Nolan, 1999)

Trong quá trình lên men, NADH được ôxy hóa lại NAD+ và giải phóng H2 [NADH + H+ <-> NAD+ + 2 (H)] để quá trình đường phân tiếp tục (J.V. Nolan, 1999). Methanogens không thể sử dụng axit propionic hoặc butyric làm cơ chất để phục vụ cho nhu cầu năng lượng của chúng, nhưng H2, CO2, axit formic, axit axetic và một số methanol có thể được sử dụng bởi các methanogenic archaea cho nhu cầu năng lượng để sinh trưởng và phát triển dẫn đến sự bài tiết CH4. Axit axetic được chuyển đổi thành CO2 và CH4 bởi các methanogen với các xictochromes trong khi H2, CO2 và Formate được chuyển thành CH4 bởi methanogen thiếu xictochromes (Rudolf K. Thauer et al., 2010).

Một số hướng nghiên cứu giảm thiểu CH4 ở dạ cỏ

Khí CH4 là sản phẩm phụ của qua trình lên men của vi sinh vật trong dạ cỏ và gây lãng phí từ 5 – 7% tổng năng lượng thô ăn vào đối với khẩu phần giàu xơ, tương đương với việc sản xuất ra 16 – 26 g CH4/kg vật chất khô (VCK) ăn vào (Hristov et al., 2013). Về mặt lý thuyết, phát thải CH4 ở gia súc nhai lại có thể được kiểm soát hoặc giảm thiểu qua một số nghiên cứu được tóm tắt dưới đây

Thay đổi phương thức quản lý, qua đó tăng năng suất đàn và giảm số lượng đầu con bằng cách loại thải gia súc cho năng suất thấp. Gia súc có khả năng sinh trưởng nhanh hơn sẽ phát thải ít CH4 hơn/kg tăng trọng với cùng một nguồn thức ăn như nhau (Kurihara et al., 1999). Chọn lọc gia súc phát thải ít CH4/kg VCK ăn vào có tương quan di truyền thấp với các tính trạng sản suất như khối lượng sơ sinh, khối lượng sau cai sữa và tăng trọng (Donoghue et al., 2016).

Thay đổi chất lượng khẩu phần, qua đó làm giảm tỷ lệ acetate/propionate ở dạ cỏ, giảm sự phát thải electron H+ tự do là cơ chất cho methanogens (Hristov et al., 2013). Sử dụng các loại axit béo mạch ngắn/trung bình (Hristov et al., 2009; Amlan Kumar Patra, 2014). Patra (2014) phân tích kết quả của nhiều nghiên cứu (meta-analysis) và đưa ra nhận định bổ sung 1% axit béo vào khẩu phần gia súc nhai lại có thể giảm 4,3% CH4, với xu hướng làm tăng axit propinonic và giảm axit butyric.

Tiêm vaccine nhằm ức chế có chọn lọc 3 chủng methanogens đã làm giảm gần 8% lượng CH4 ở cừu (Wright et al., 2004). Sản xuất kháng thể IgY kháng có chọn lọc 3 chủng methanogens từ trứng gà, sau đó bột trứng gà có chứa kháng thể kháng methanogens được đưa vào môi trường dịch dạ cỏ nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, kết quả cho thấy CH4 giảm rõ rệt sau 12 giờ nuôi cấy, nhưng lại không có sự khác biệt về CH4 hay tỷ lệ tiêu hóa VCK sau 24 giờ nuôi cấy trong phòng thí nghiệm (McAllister & Newbold, 2008).

Acetogenic bacteria (acetogens) có khả năng sử dụng H2 và CO2 như nguồn năng lượng thiết yếu như methanogens để sinh trưởng, phát triển. Tuy nhiên thay vì sản xuất CH4 như methanogens, acetogen sản suất acetate, là nguồn axit béo mạch ngắn cho vật chủ (Ouwerkerk et al., 2009). Tuy nhiên, trong môi trường dạ cỏ ở GSNL, acetogens gần như không phát triển do không thể cạnh tranh H2 với methanogens (Joblin, 1999), do đó các nhà khoa học vẫn đang tìm kiếm giải pháp một mặt ức chế sự phát triển của methanogens, mặt khác kích thích sự phát triển của acetogens như một sự thay thế methanogens dể duy trì nồng độ H2 thấp trong dạ cỏ và giảm thiểu CH4.

Một số methanogens sống ký sinh trên bề mặt của ciliate protozoa và đóng góp vào khoảng 37% lượng khí CH4 ở dạ cỏ (Finlay & Esteban, 2013). Loại bỏ ciliate protozoa làm giảm tỷ lệ acetate/propionate và giảm electron H+ tự do (Eugène et al., 2004). Hơn nữa, loại bỏ protozoa làm tăng 30% protein vi sinh vật thoát qua và giảm 11% CH4 ở dạ cỏ GSNL (C. J. Newbold et al., 2015).

Bổ sung nitrate (NO3-) vào khẩu phần cho GSNL cho thấy hiệu quả ổn định giảm phát thải CH4 (Lee & Beauchemin, 2014).

Sử dụng nitrate để giảm sự hình thành mêtan ở dạ cỏ

 Hình 2: Quá trình trao đổi nitrate/nitrite ỏ dạ cỏ (J. V. Nolan et al., 2016): 1: nitrate trong thức ăn, 2: nitrate hòa tan trong môi trường dạ cỏ, 3: nitrate được hấp thu qua màng vi khuẩn, 4: quá trình khử nitrate thành nitrite, 5: các sản phẩm khí của quá trình chuyển hó nitrate, 6: quá trình chuyển hóa nitrite thành ammonia, 7: sử dụng ammonia để tổng hợp protein của vi khuẩn, 8: hấp thu nitrite và ammonia qua vách dạ cỏ.

Nitrate là một trong số ít các phương pháp hiện nay có tiềm năng giảm sự hình thành CH4 ở dạ cỏ một cách ổn định (Gerber et al., 2013; Lee & Beauchemin, 2014). Bổ sung NO3- trong khẩu phần ăn của GSNL ở mức từ 1,8 – 2,8% VCK làm giảm CH4/kg VCK ăn vào từ 16 – 35% (de Raphélis-Soissan et al., 2014; J.V. Nolan et al., 2010; van Zijderveld et al., 2011).

Cơ chế hóa sinh của trao đổi nitrate ở dạ cỏ: Trong môi trường dạ cỏ, NO3- bị khử thành NH3 thông qua quá trình hai bước tạo ra NO2- như một sản phẩm trung gian. Hydrogen tự do được sử dụng để khử NO3- thành NH3 diễn ra mạnh hơn quá trình kết hợp CO2 và H2 bởi methanogens để tổng hợp CH4. Quá trình khử NO3- thành NH3 cần 8 electron H+ tương đương với số lượng electron H+ mà methanogens cần để tổng hợp CH4, do đó bổ sung 1 mol NO3- sẽ sản suất được 1 mol NH3 và làm giảm 1 mol CH4, tương đương 16 g hay 22,4 L CH4 (Ungerfeld & Kohn, 2006). Mặc dù vậy, nhiều nghiên cứu cho thấy bổ sung NO3- để giảm khí CH4 ở dạ cỏ cừu và bò cho thấy hiệu quả giảm CH4 thực tế là thấp hơn so với tiềm năng được tính toán theo lý thuyết. Hiệu quả giảm khí CH4 thực tế trên cừu vào khoảng 72 – 98% so với lý thuyết (J.V. Nolan et al., 2010; van Zijderveld et al., 2010) và trên bò từ 49 – 87% so với lý thuyết (Hulshof et al., 2012; J. R. Newbold et al., 2014; van Zijderveld et al., 2011). Điều này được giải thích do sự mất mát một phần NO3 và NO2- qua hấp thu trực tiếp vào máu trước khi chuyển thành NH3 (J. R. Newbold et al., 2014; van Zijderveld et al., 2011). Hơn nữa, cơ chế chuyển hóa NO3- ở dạ cỏ còn làm giảm hình thành propionate và tăng acetatedo đó làm giảm hiệu quả của NO3- đến giảm thiểu CH4 (J. R. Newbold et al., 2014).

Quá trình khử nitrate và nitrite trong vi khuẩn: Nitrate từ thức ăn sau khi vào dạ cỏ sẽ bị vi sinh vật dạ cỏ chuyển hóa theo 3 phương thức: (1) quá trình khử nitơ của NO3- thành NO3-, nitric oxide (NO), nitrious oxide (N2O) và khí nitơ (N2). (2) quá trình khử NO3- trực tiếp thành NH3 và (3) quá trình khử NO3- thành NH3 qua sản phẩm trung gian là NO2- (Simon, 2002).

Sử dụng nitrate cung cấp NPN

Bên cạnh những lợi ích đã được chứng minh trong việc giảm khí CH4 ở dạ cỏ, bổ sung NO3 còn là nguồn cung cấp đạm phi protein (NPN). De Raphelis-Soissan et al. (2018) sử dụng phương pháp chỉ thị đánh dấu đồng vị 15N để lượng hóa quá trình chuyển đổi NO3 thành NH3 ở dạ cỏ cừu và cho biết 90% NO3 được chuyển đổi thành NH3, là nguồn NPN cho vi sinh vật dạ cỏ. Li et al. (2012) cho biết khẩu phẩn bổ sung 3% calcium nitrate làm giảm 35,4% CH4 (L/kg VCK) khi so sánh với khẩu phần bổ sung 1,5% urê, nhưng không làm ảnh hưởng đến tiêu hóa và tăng trọng trên cừu. Tuy nhiên, việc bổ sung NO3- vào khẩu phần ăn cần thực hành rất thận trọng để giảm quy cơ gây ngộ độc cho vật chủ, do vi sinh vật dạ cỏ có khả năng chuyển đổi NO3- thành NO2- và NO2- thành NH3.