甲烷——另一种温室气体

这24个房间完美地排列在一个看起来应该出现在科幻电影里的实验室里。由管道和电缆交织而成的网络将每个室连接到一个测量气体、湿度、压力和温度的中央设备。这可能看起来有点不愉快，但偶尔在大厅里回荡的“咩”声也带来了一点快乐。毕竟，这个实验室的主要研究对象是绵羊。

在新西兰北帕默斯顿市的草原研究中心，尼尔婚姻他的同事多年来研究了数百只羊。他们建造了房间，放置每只动物，仔细测量羊和牛在进食时释放出多少气体。他们希望了解这些排放，并找到减少排放的分子方法，尽管绵羊排放的气体多种多样，但他们特别关注一种:甲烷。

两个气候问题

1997年，联合国通过了《京都议定书》在美国，甲烷是被列入减排承诺的7种温室气体之一。但自那以后，人们关注的焦点几乎完全集中在二氧化碳上。

“当政策制定者和研究人员开始制定应对气候变化的战略时，他们采用了一套与100年影响相关的指标。但由于甲烷在大气中的时间大约为十年，这些指标导致了政策行动的错误安排，”解释道史蒂文汉堡他是美国环境保护基金会的首席科学家。

甲烷不会在大气中停留很长时间。它长达十年的停留时间与二氧化碳长达一个世纪的停留时间形成了鲜明的对比跨度。而且甲烷的浓度水平远低于二氧化碳的浓度水平:如果大气是一个游泳池，其中大约有两杯甲烷，而二氧化碳则高达442杯。因此，虽然世界更加关注二氧化碳是可以理解的，但甲烷并不是无害的。在20年的时间尺度上，它使地球变暖的能力是二氧化碳的80倍，因为它能更有效地捕获热量。据认为，我们现在所经历的变暖至少有25%是由人为排放这种短命气体造成的。即使在十年之后，甲烷的影响仍在继续。多年来，它与臭氧反应形成水和二氧化碳，后者留在大气中，导致气候变化持续多年。

此后，《京都议定书》进行了修订和更新，甲烷越来越被视为一种值得大家关注的温室气体。在2021年11月的Cop26气候峰会上，世界各国领导人发起了全球甲烷承诺该倡议旨在未来几年降低甲烷排放，将全球变暖限制在1.5摄氏度以内。包括英国和美国在内的100多个国家加入了这一承诺，承诺到2030年将甲烷排放量至少减少30%。两国还将改进测量和量化甲烷排放的方法。这种(几乎)全球性的努力可以很快带来明显的成果。

减少甲烷排放为我们争取了时间来完成减少CO的艰巨工作₂排放

汉堡说:“我们可以将甲烷排放量减少一半，这将对降低变暖的速度和我们在未来30年经历的变暖总量产生巨大影响。”在他看来，我们目前正经历着两个不同的气候问题:一个是二氧化碳问题，一个是甲烷问题。甲烷是近期的问题，二氧化碳是长期的问题。两者都需要解决方案，尽管方案非常不同。“在短期内，如果我们想减少损害，甲烷是我们能做的最重要的事情。但从长远来看，CO₂是最重要的。这两件事可能同时是真的，”Hamburg补充道。

汉堡解释说，降低二氧化碳是一项艰巨的任务;它干扰了人类的整个能源经济，需要付出巨大的努力。另一方面，甲烷则比较容易处理。大量减少甲烷的技术已经存在，而且成本效益很高。只要它不让脱碳社会停滞不前，那么关注这种短命的气体是至关重要的一步。汉堡解释说:“(降低甲烷排放)为我们争取了时间来做艰苦的工作。”“但我们必须小心;不是按下暂停键。”

的排放

甲烷的排放者范围很广，而且并非所有排放者都是人类。例如，湿地中的细菌会释放大量的甲烷气体。当奶牛打嗝时，当微生物分解垃圾填埋场的垃圾时，当产生天然气时，甲烷也会释放出来。有一种人为排放和自然排放的混合物。然而，有证据表明，几十年来，人类的行为已经导致排放量激增。根据最新的联合国政府间气候变化专门委员会报告自2007年以来，美国甲烷浓度稳步上升，研究人员将其归因于化石燃料开采、废物和牲畜等主要来源的排放测量甲烷排放量对于减少甲烷排放至关重要)．

“我们浪费了大约30%到40%的粮食生产。想象一下，在整个系统中，所有的废物都会排放甲烷。乍得Frischmann他是Project Drawdown的首席研究员，该项目旨在让研究人员评估应对气候变化的最佳解决方案。

我们每天制造的垃圾和废物是甲烷的主要来源。在垃圾填埋场里，食物残渣和其他有机废物会分解，产生富含甲烷、二氧化碳和其他化合物的气体。它通常被称为垃圾填埋气，在全球甲烷排放量中占很大比例。2019年，仅美国的垃圾填埋场排放的温室气体就相当于1200万户家庭的温室气体排放量，预计这一数字还会增加。研究人员预测，三年后，垃圾填埋场将占所有人为温室气体排放的8-10%。甲烷观测卫星之类的Tropomi该仪器目前在欧洲航天局哨兵5号卫星的轨道上运行，它不断发现排放大量甲烷的垃圾填埋场。在2021年8月科学家们利用Tropomi数据和其他卫星信息，发现马德里市中心附近的垃圾填埋场每小时排放8800公斤甲烷。然而，尽管每个人的垃圾箱里的垃圾对有多少垃圾被送往垃圾填埋场起着至关重要的作用，但食品供应链游戏中的其他参与者也要分担责任。

我们浪费了大约30-40%的粮食生产。所有这些废料都会释放甲烷

弗里希曼说:“从生产到收获、包装、加工、分销和市场消费，废物遍布整个供应链。”我们的食物在全球约5.7亿个农场种植，在数千个设施中加工，并通过复杂的船舶、飞机和卡车网络运输。围绕如此庞大的供应链工作需要创造力和时间。然而在弗里希曼看来，领先的解决方案仍然取决于消费者。他说，在高收入国家，大部分食物都被消费者浪费在了供应链的末端。“大多数人过度消费，过度购买，然后把它们扔进垃圾填埋场。他解释说，消费者在杂货店和餐馆的选择决定了世界产生了多少垃圾。但是，虽然食品供应链是固定的(这可能需要一段时间来改变)，但有解决垃圾填埋场排放甲烷的方法。与其阻碍排放，一个解决方案可能是使它们有用。

善用堆填区

天然气是一种方便的燃料，因此找到利用垃圾填埋场甲烷的方法可以一石二鸟:一方面，它可以降低垃圾填埋场的排放。另一方面，天然气可以提供电力。在英国的500多个垃圾填埋场中，有10个已经配备了垃圾填埋气体回收系统。做这件事的方法在原则上相当简单。进入垃圾填埋场的垃圾被埋在称为细胞的部分，然后被土壤或其他材料层覆盖。最后的覆盖物更厚，由沙子、粘土、土壤和草制成。这是为了避免向大气中排放甲烷和其他气体。通过管道和真空泵网络，甲烷从垃圾填埋场收集并被送往处理设施。在这里，它的处理取决于所需气体的最终结果。一些设施净化甲烷，使其达到天然气标准。 Others either flare the methane (converting it into carbon dioxide and releasing it into the atmosphere) or generate electricity. Gas yields depend on the size and nature of landfills, but a large modern landfill could make usable fuel for 15 to 30 years.

另一个在甲烷进入大气之前捕获甲烷的策略是使用甲烷消化器。甲烷消化器是将有机物中的甲烷转化为有价值的基质的大型系统。有机物或牛粪被堆积在大罐中，微生物在那里产生沼气，燃烧后可作为燃料，而所谓的消化物是一种可用作肥料的固体。

有机物质可以进入甲烷消化器系统，产生甲烷，最后你可以燃烧甲烷来发电。对于这些大规模的操作，它可以为设施供电，而不是依靠电网，”Frischmann解释道。

这一策略在德国等国家拥有越来越多的粉丝，德国已经实施了8000个甲烷消化器系统。虽然更多的系统被用来处理牛粪，而不是垃圾填埋场的垃圾，但甲烷消化器可以利用任何有机物质，同时避免甲烷排放。

当然，这并不是什么灵丹妙药:燃烧沼气发电会释放二氧化碳。尽管如此，这还是朝着缓解甲烷短期气候问题迈出了一步。与此同时，其他研究人员并没有研究人类是如何浪费他们可以吃的食物的，而是研究了牛和羊等动物的饮食。

给羊打针

在新西兰，韦德洛克的工作从一开始就着眼于降低甲烷排放:牛的消化系统。牛和羊只是世界上许多反刍动物中的一部分。这些生物消化食物长达数小时，不停地咀嚼从四腔胃里进进出出的草。瘤胃是它们胃的第一部分，是一个复杂微生物系统的家园，一顿简单的饭就是在这里变成气候变化的问题。瘤胃中被称为产甲烷菌的细菌吸收复杂的碳水化合物并进行产甲烷，这是一种厌氧呼吸过程。二氧化碳被用作末端电子受体，H₂氧化成H⁺而股份有限公司₂还原为CH₄．牛胃中的这种分子途径每天产生约200升甲烷。世界上有14亿头牛，这个数字加起来相当快，使畜牧业成为全球甲烷预算中最大的人为来源。

一头牛的胃每天产生200升甲烷

韦德洛克和他的团队一直在研究一种阻止甲烷生成的疫苗。据他说，理想的疫苗应该产生抗体，对抗产甲烷菌的成分，从而中断甲烷的化学生成。但接触产甲烷菌并不容易;毕竟，他们只是3％瘤胃中复杂的微生物群。所以研究小组转而研究唾液。

“这些动物每天产生大量的唾液;一只羊每天能分泌10到16升唾液，大部分唾液都被吞下了，”韦德洛克解释道。“一旦你在唾液中产生了对抗产甲烷菌的抗体，它就成为了将抗体输送到瘤胃的完美载体。”

在最近的试验中，韦德洛克和他的团队在研制出疫苗原型并给绵羊注射后，将这些动物放进研究中心的实验室内，并将它们的排放量与未接种疫苗的动物进行比较。到目前为止，该团队还没有看到任何相关的差异，但Wedlock对未来充满希望。“我们将在几个月内进行一项实验，我们将尝试一种实验性疫苗，并将它们(绵羊)再次放入室内。”这可能是重大突破，但我无法预测;我只能寄希望于此。”

需要克服的障碍不仅限于生物学。毕竟，只有当一种工具在庞大的农业供应链中找到一席之地时，它才有帮助。“为人类接种Covid-19疫苗可能相当昂贵;政府将为此买单。但农场是不会付钱的，除非东西便宜，”他解释道。你不可能生产出100美元一剂的东西。要么一美元，要么两美元，也许更少。”

此外，还有公众认知方面的挑战。虽然韦德洛克认为反疫苗运动不会像对Covid-19疫苗注射那样太担心牲畜，但他仍然很谨慎。他补充说，你必须关注公众的看法。这可能会扼杀一个解决方案。”

在太平洋的另一边，美国研究人员希望阻止牛的甲烷生成。然而，他们没有研究疫苗，Ermias Kebreab他是加州大学戴维斯分校(University of California, Davis)可持续畜牧业教授，一直在研究补充剂。

服用补充剂

在2010年代，研究在培养皿中发现，红色大型海藻(海藻)Asparagopsis taxiformis使反刍动物的甲烷产量降低了99%。有了这些信息，Kebreab和他的同事们继续研究，在牛的饮食中添加这种类型的海藻作为饲料补充，是否会减少甲烷生成，从而减少排放。在他们最新的工作，结果令人鼓舞。

“使用非常少量的海藻就可以减少80%的甲烷。在某些情况下，这个比例甚至高达98%。”“这对我来说真是不可思议。如果你能减少那么多甲烷，那么我认为我们就有了一个很好的解决方案，可以可持续地生产粮食。”

在这项研究中，Kebreab观察了三组安格斯-赫里福德杂交肉牛(绝育雄性牛)。一组不服用补充剂，另一组饮食中海藻占25%，第三组饮食中海藻和精饲料各占一半。他们喂养这些动物五个月，每三周测量一次排放量。与Wedlock在新西兰的办公室不同，Kebreab使用的是GreenFed系统。这种露天设备可以测量动物在忙着吃东西时释放的气体。这些补充剂将甲烷减少到令人印象深刻的低水平，而不影响牛肉的质量标准。

少量的海藻就能减少80%的甲烷

结果的关键在于某些红海藻的抗产甲烷活性。补充剂中含有Asparagopsis taxiformis有一种活性成分，溴仿(CHBr_3.)．在瘤胃中，溴仿干扰了一种完成甲烷生成所必需的酶，甲基辅酶还原酶(MCR)。为了正常工作，MCR的镍辅助因子需要被氧化以继续产生甲烷的反应。溴仿进入瘤胃后，不断还原镍，抑制MCR，从而抑制甲烷生成。

海藻被证明是降低甲烷排放的一种令人兴奋的工具。尽管如此，如果世界上每个农场都想要一点，大型藻类生产者能跟上需求吗?还是会在食品供应链中制造另一个问题?对于Kebreab来说，这是毫无疑问的。他解释说，在海洋中种植海藻不需要任何肥料或淡水。此外，它可以自然地从海洋中去除二氧化碳，所以这可能是一个双赢的局面。他说，企业正在努力扩大规模，这可能会成为一个问题。当然，我们必须做一个生命周期评估，看看种植海藻需要多少能量，”他补充道。

这种补充剂尚未上市，因为它仍在等待监管机构的批准。这需要时间，有时甚至是太多时间。在FDA的监管下，很难知道(补充剂什么时候进入市场)。如果他们认为这是紧急和重要的，那么他们可以在几个月内完成。但除此之外，这可能需要数年的时间。”

虽然加州的这种补充剂还在等待批准，但其他补充剂已经领先一步，更接近于在全球范围内推广。在欧洲，荷兰公司DSM创造了介绍这是一种饲料添加剂，针对的是与红海藻相同的酶。主要活性成分，3-硝基氧丙醇，在微摩尔浓度下通过氧化其活性位点使酶失活。Bovaer已被批准在巴西和智利进行商业化，2021年底，欧洲食品安全局对该产品进行了积极评估，使其离欧洲市场又近了一步。

长期以来被政策制定者忽视的短期气体现在出现在数十个头条新闻和政治家的演讲中。如果人类要防止最坏的情况发生，全世界的科学家和研究人员正在做的工作是及时的，而且比以往任何时候都更有必要。“我是森林生态学家。我亲眼目睹了气候变化对森林的影响，”Hamburg说。“这是未来几十年减缓全球变暖速度的最大机会之一，我们需要好好利用它。”

Bárbara Pinho是葡萄牙波尔图的科学作家