李忠东

温室气体排第二

近日，美国一家大型奶牛场发生大爆炸，瞬间升起巨大的黑色蘑菇云，数十千米外都清晰可见。爆炸引发的大火造成严重损失，烧死奶牛1.8万多头，数十名挤奶工人受伤。为什么奶牛場会发生如此大规模的爆炸？

调查人员发现，奶牛排放的甲烷是元凶。甲烷浓度过高时易形成爆炸性混合气体，一旦遇到明火或者电弧等就会造成严重后果，特别是养殖场等低通风的地方，更容易出现高浓度甲烷气体，进而引发爆炸事故。

奶牛运输过程中也发生过类似问题。2014年，一架波音747在爱尔兰海上空发出了火灾警报。飞行员随即紧急迫降，技术人员在现场进行检查，并未在机舱内发现火灾和烟雾的痕迹，但测出机舱内聚集了大量甲烷气体，而这种气体就来自于飞机上的400头奶牛。这些气体如果不能及时排除，就可能随时被引爆。

人类活动的影响，造成了区域性环境污染以及全球性的气候变暖。工业生产和交通运输消耗化石能源排放出大量污染物质和温室气体，是造成全球变暖的主要原因。与此同时，大规模饲养的牛羊等家畜在新陈代谢，特别是消化食物的过程中，也会排放大量的温室气体。据联合国粮农组织发布的公告，全球畜牧业所产生的温室气体量占到各行业各领域排放总量的15％左右，与之相比，机动车只占13％。

温室气体包括水蒸气、二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、臭氧、一氧化碳，以及氯氟烃、氟化物、溴化物、氯化物、醛类和各种氮氧化物、硫化物等极微量气体，会导致气候变化、冰川消融、海平面上升等诸多问题。

甲烷气体是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，约占全球温室气体排放量的20％。不过，排行第二的甲烷气体“增温能力”要比第一名二氧化碳强大得多。尽管甲烷气体的总量远不及二氧化碳的总量，但温室效应的潜能是二氧化碳的25倍。甲烷除了本身对红外线的吸收能力强大以外，被排入空气后还不易被生物直接利用，能在空气中停留9～15年。按照20年的时间框架内计算，甲烷气体的温室效应潜能可以飙升到二氧化碳的温室效应的72倍了。

资料显示，正常情况下甲烷气体对人体是基本无毒的，但浓度过高时，会使空气中氧含量明显降低，使人窒息。空气中甲烷气体达25％～30％时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中，以及呼吸和心跳加速等问题，若不及时远离，可致窒息死亡。

环保组织研究指出，农业领域约占全球甲烷气体排放量的40％，而畜牧业是其中最大的来源，达到32％。牛、羊每天通过打嗝和放屁释放的甲烷气体，占了大气层中甲烷总量的10％以上。据初步估算，一头成年奶牛每年排放的甲烷气体大约有110.7千克，相当于1.7辆汽车的甲烷气体排放量。羊虽然食量比牛小得多，一年排放量较少，只有不到10千克，但是基数很大，达到近30亿只。除了甲烷气体，牛排出的粪便中含有一氧化二氮（笑气）和氨气，这些化学物质对环境也有不容忽视的破坏作用。

在反刍动物中，牛的甲烷气体排放量占了大头。全球养殖牛的数量大约在20亿头，如果全球各地的养牛场所产生的甲烷气体得不到有效控制，就会对全球变暖产生严重影响。正因如此，近年来，控制甲烷气体排放成为应对全球气候变化的一个重点领域。联合国政府间气候变化专门委员会的报告显示，如果甲烷气体排放量在未来10年内减少40％～45％，在本世纪中叶之前可将全球变暖的预值降低0.3℃。

消化系统很特殊

牛羊的体内之所以会产生甲烷气体，主要与它们特殊的消化系统结构有关。牛、羊属于反刍动物，采食一般比较匆忙。主要食物是牧草、干草等，因富含纤维素等难以消化的物质，需要更长时间才能消化。牛的肠道非常长，能够让食物在体内停留14～20小时。常见的草食反刍动物有水牛、黄牛、奶牛、山羊、绵羊、骆驼、长颈鹿、羊驼、狍子，以及梅花鹿等。它们先将大部分牧草、干草等粗饲料吞咽进入瘤胃，等到了比较安全的地方，才会将在瘤胃浸泡和软化一段时间的粗饲料，经逆呕重新回到口腔咀嚼，混入唾液后再吞咽回瘤胃。这个过程就是反刍。

单胃哺乳动物只有一个胃室，主要利用肠子消化食物。糖类、脂类和蛋白质经消化液分解为较简单的形式后被吸收，提供维持自身生理活动所需的能量或合成自身代谢、生长、发育和繁殖所需的各种物质。反刍动物的消化生理要比单胃哺乳动物复杂得多。反刍动物的胃由瘤胃、网胃、重瓣胃和皱胃组成，它们不是一条直线通到底，而是相互交错。4个胃室各有分工，通过密切合作，才能完成食物的第二次咀嚼。瘤胃和网胃负责将食物和胆汁混合，特别是使用共生细菌将纤维素分解为葡萄糖，然后反刍食物，经缓慢咀嚼以充分混合，进一步分解纤维。重新吞咽后的食物经过瘤胃到重瓣胃，进行脱水，再送到皱胃，最后进入小肠被吸收。其中，瘤胃微生物的菌体蛋白质、糖类和脂类，是反刍动物最重要、最直接也是利用效益最高的营养来源。

瘤胃是食物进入牛羊等反刍动物胃肠道内的第一个胃室，体积最大，占了整个胃面积的80％。成年母牛的瘤胃容积可达151升，能存136千克内容物。瘤胃不能分泌胃液，它的消化功能全靠生活在这里的厌氧微生物。食物到达瘤胃后，大量微生物便会马上粘贴在它们的表面，分泌纤维素酶、半纤维素酶以及β－糖苷酶等消化酶，快速将食物中的纤维素、半纤维素和果胶等多糖类物质切割成单糖，并变身为挥发性的脂肪酸和二氧化碳等。反刍动物60％～70％的能量来源于脂肪酸。经过微生物的充分消化后，约50％的粗纤维可在瘤胃内被消化。

在消化过程中，瘤胃产生出大量氢气。无氧的瘤胃环境培养了产甲烷菌，它们并不参与瘤胃中的消化过程，但可以利用消化的副产物氢气，与二氧化碳结合生成甲烷气体和水，这一过程被称为甲烷生成反应。当甲烷气体逐渐增多后，牛不得不以打嗝、放屁的形式排出多余的气体。其中90％～95％通过口腔排出，5％～10％以粪便和放屁的形式释放。这让饱胀的牛、羊舒服了一些，却加剧了地球温室效应。

减少排放有妙招

为减少牛打嗝、放屁排放出的甲烷气体，日本科学家正在推进“减少牛甲烷项目”。他们希望通过开发牛胃传感器，同时使用人工智能控制喂食，在2050年将牛的甲烷气体排放量减少80％。研究人员发现，将腰果壳中提取的油混合到饲料中，氢气会被转化为牛的营养来源“丙酸”，而非甲烷气体，从而将甲烷气体的排放量减少近两成。

阿根廷科学家研制了一种有趣的“采屁背包”，用来收集牛屁。“采屁背包”一端延伸的管子插入到牛的消化腔，收集它消化时产生的甲烷气体，一天可以达到300升。收集后的甲烷气体还能进行二次利用，转化为充足能量后可使汽车行驶24个小时，也能利用燃烧释放的能量供应热水。

英国科学家研发了一款牛用减排口罩，口罩前端的传感器可以监测牛打嗝时排放的甲烷气体浓度。当含量过高时，口罩通过催化剂使奶牛排放的甲烷气体发生氧化反应，转化为二氧化碳和水，将甲烷中和50％，最终实现减少甲烷气体排放的目的。这款口罩不会影响奶牛正常活动和进食，可以将甲烷气体引起的温室效应数值降低到不足原始值的1.5％。

澳大利亚科学家通过喂牛吃红海藻，能降低99％以上的甲烷气体排放。红海藻即芦笋藻，藻体深红棕色或紫红色，高6～12厘米，主要生长在潮间带下深水沼中或低潮带下礁石上，在澳大利亚昆士兰的热带水域相当普遍。早在2014年，研究人员就做过实验，用芦笋藻做成牛的膳食补充剂，发现可消除肠胃99％以上甲烷气体，并且不影响肉质。

在新西兰北帕默斯顿的一个研究农场，研究者将红茶菌粉末混合成一种类似牛奶的饮料喂给小奶牛。研究人员指出，红茶菌是一种益生菌，研究表明它可以减少打嗝，从而减少甲烷气体排放。试验表明，吃了益生菌补充剂后，小牛的甲烷气体排放量减少了20％。

在过去15年中，新西兰科学家一直致力于开发一种疫苗。疫苗能刺激动物的免疫系统产生抗体，然后抑制生产甲烷气体的微生物，有可能将奶牛产生的甲烷气体量减少30％或更多。疫苗只需要每年注射一次，甚至可能在动物一生中只注射一次，而且不会伤害动物或影响牛奶或肉的质量。

新西兰人口约500万，但有约1000万头牛和2600万只羊。养殖业是该国最大的出口创汇来源。新西兰约一半的温室气体来自农场。作为应对全球气候变化的一项行动，该国政府计划对本国农场动物排放的温室气体征税。征集的税款将全部用于资助农业新技术的研究。此税将在2025年开始征收，但税费尚未确定。不过，该计划引来当地农场主的强烈反对，指出这种税将使小型农场无法生存，导致肉类和奶类价格上涨。