Forschungsergebnisse zur Reduktion von Emissionen in der Rinderhaltung

Treibhausgas-Messungen dänischer Forscher im Atem von Milchkühen zeigten erblich bedingte Schwankungen zwischen den einzelnen Tieren. „Dies bedeutet, dass wir Individuen auszuwählen können, die weniger Methan produzieren“, erklärt Dr. Jan Lassen, der das Forschungsprojekt zu individuellen Methanmessungen von Milchkühen an der Universität Aarhus geleitet hat.

Hintergrund

In den letzten 60 Jahren wurde Milchvieh selektiv gezüchtet, um die Milchproduktion zu maximieren. Infolgedessen sind Kühe sehr effizient bei der Umwandlung von Nahrungsmitteln wie Gras, Gärfutter, Heu und Konzentraten in landwirtschaftliche Produkte wie Milch und Fleisch. Gleichzeitig haben Futterqualität, Rationalisierung und Herdenmanagement zur allgemeinen Steigerung der Produktivität beigetragen. Eines der Nebenprodukte beim Wiederkäuen, der Prozess, bei dem Tiere wie Schafe und Rinder Nahrung verdauen, ist Methan – ein starkes Treibhausgas (THG).

Rückwirkende Berechnungen (Chase 2006) ergeben, dass die Methanemissionen pro Liter Milch, die in den USA von 1944 bis 2007 produziert wurden, um 40% zurückgegangen sind. Dennoch ist das Methan aus dem Abatmen einer Kuh im Laufe eines Jahres gleichwertig mit der Kohlendioxidemission eines Kleinwagens. Weltweit wird geschätzt, dass 15% der gesamten Treibhausgasemissionen auf die Tierhaltung entfallen (Steinfeld et al., 2006). Daher wird nach Wegen gesucht, um diesen Wert zu reduzieren.

Das globale Erwärmungspotenzial von Methan ist etwa 25 mal so hoch wie das von Kohlendioxid (Forster et al., 2007), sodass eine geringe Reduktion der Methanproduktion signifikante positive Effekte haben kann.

In jüngster Zeit haben Forscher in einer Reihe von Ländern nachgewiesen, dass die Methanemission von Kühen durch Veränderung ihrer Ernährung reduziet werden können. Dies kann sich jedoch nur dann positiv auf die Treibhausgasemissionen auswirken, wenn die notwendigen Futtermittel die Gesamtkosten der Ernährung nicht erhöhen und keine negativen Auswirkungen auf die Tierproduktion stattfinden. Wenn Einzeltiere, die niedrigere Methanmengen ausstoßen, sich identifizieren lassen, wäre es möglich, dieses Merkmal über Zuchtprogramme aufzubauen.

Gasprobenahme

Methan ist ein Nebenprodukt der Fermentation im Pansen und wird durch Aufstoßen oder Rülpsen ausgeschieden. Etwa 80% der Wiederkäuer-Methan-Emissionen kommen aus dem Mund des Tieres, nur 10% werden von hinten emittiert. Infolgedessen konzentrierten sich die dänischen Forscher auf den Atem der Kühe. Natürlich ist es schwierig, den gesamten Atem eines Tieres unter natürlichen Bedingungen zu erfassen. Daher wurde ein Probenahmesystem konstruiert, das den Atem der Kühe sammelt, während sie in einer automatischen Melkmaschine stehen – eine Aktivität, die während des Forschungsprogramms zwischen 2 und 12 Mal pro Tag stattgefunden hat.

Gasanalyse

Die zwei wichtigsten GHGs von Interesse waren Methan und Kohlendioxid, sie wurden gleichzeitig mit einem Gasmet FTIR (Fourier Transform InfraRed) -Analysator gemessen. Zunächst wurde ein tragbarer FTIR-Analysator Gasmet DX4030 von der Universität Kopenhagen ausgeliehen. Im Anschluss wurde ein ähnlicher Analysator, ein Gasmet DX4000, erworben und in eine maßgeschneiderte klimatisierte Kammer eingebaut. Diese schützt den Analysator vor Staub und Schmutz.

FTIR

Ein FTIR-Spektrometer erhält Infrarotspektren, indem zunächst ein Interferogramm eines Probensignals mit einem Interferometer erzeugt wird, das alle Infrarotfrequenzen gleichzeitig misst, um ein Spektrum zu erzeugen. Durch die kontinuierliche Kalibrierung mit einem He-Ne-Laser, der eine stabile Wellenzahl-Skala liefert, werden hohe Genauigkeiten und geringe Wartungsintervalle erreicht. Zudem sind ein hohes spektrales Signal-Rausch-Verhältnis und eine hohe Wellenzahlgenauigkeit charakteristisch für das FTIR-Verfahren.

Während der Gasmet FTIR Methan und Kohlendioxid kontinuierlich misst, erzeugt er auch Spektren der Probengase, aus denen die Konzentrationen von Hunderten anderer Gase bestimmt werden können. Dies war ein entscheidender Aspekt bei der Wahl von FTIR. „Für die Messung von Methan und Kohlendioxid sind einfachere und kostengünstigere Analysegeräte erhältlich“, erläutert Jan Lassen, „aber wir wollten eine umfassende Analyse der Viehatmung über möglichst viele Tiere und möglichst viele chemische Spezies aufbauen.“

„Der Gasmet FTIR wird mit der Software Calcmet geliefert, die es uns ermöglicht, die Spektren zu speichern. Das ist von wesentlicher Bedeutung, da so unsere Ergebnisse in Zukunft nicht nur von uns, sondern auch von anderen Forscherteams genutzt werden können.“

Calcmet enthält eine Bibliothek mit Referenzspektren, die sich auf die gleichzeitige Quantifizierung von 50 Gasen oder die Identifizierung von Unbekannten aus einer Sammlung von 5000+ Gasen erstreckt. Dadurch ist es möglich, produzierte Spektren für fast alle chemischen Spezies nachträglich zu analysieren.

„Anfangs galt unser Interesse Methan und Kohlendioxid, aber wir planen auch die Gasmengen von Aceton, Ammoniak, Ethanol und Lachgas zu untersuchen. Diese Gase sind sehr wahrscheinlich Indikatoren für metabolische Effizienz, sodass die FTIR-Spektren neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz in der Tierproduktion eröffnen können.“

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Sowohl die Konzentratfutteraufnahme als auch die Gesamtmenge der gemischten Rationen verhielten sich positiv auf die Methanproduktion, während die Milchproduktion nicht mit der Methanproduktion korrelierte. Nach Untersuchungen mit mehr als eintausend Kühen schwankte die Methanproduktion zwischen den Individuen um etwa 20 %, was sich als erbliches Merkmal herausstsellte. Andere Untersuchungen ergaben eine vererbbare Schwankungsbreite von 13 % bei Schafen (Robinson et al., 2010).

Eine ähnliche Untersuchung an der Universität von Nottingham, UK, schlussfolgerte auch, dass die Schwankungsbreite zwischen Einzeltieren Möglichkeiten zur genetischen Selektion bietet. (Garnsworthy et al., 2012).

Größtenteils wird die gesteigerte Milchleistung der Kühe durch Zuchtbullen mit den gewünschten Merkmalen erreicht. So ist es möglich, die Methanproduktion von Rindern zu messen und für einzelne Bullen einen „Methangutwert“ abzuleiten. Der kann ein Auswahlkriterium für die Landwirte bei der Rindezucht werden.

Durch die Wahl der Vererber mit einem guten Methanwert können Milchbauern einen wichtigen Beitrag zum Kampf gegen den Klimawandel leisten. Sie von solchen Entscheidungen zu überzeugen kann jedoch schwierig sein, es sei denn, es besteht ein erheblicher kommerzieller Anreiz. Zu diesem Punkt erkärt Jan Lassen: „Der Aufstoss von Methan stellt einen Energieverlust und damit eine Verringerung der Produktionseffizienz dar. Daher ist es für Landwirte kommerziell sinnvoll, Tiere auszuwählen, die weniger Methan emittieren. Wahrscheinlich wird so die Effizienz beim Verdauungsvorgang der Wiederkäuer bei Nachkommen verbessert und zudem der Klimawandel nicht beschleunigt.“

Blick in die Zukunft

Dr. Lassen hofft, dass in naher Zukunft internationale Projekte initiiert werden, die die aus der Forschung gewonnenen Daten mit denen in anderen Ländern kombinieren. Beispielsweise sind ihm Forscher bekannt, die ähnliche Arbeiten mit Gasmet FTIR-Analysatoren in anderen Ländern durchführen. Gasanalysespektren aus diesen Projekten können kombiniert werden, um das Verständnis von Methanproduktion und Vererbbarkeit zu vertiefen. Diese Spektren bieten jedoch auch die vorzügliche Möglichkeit, verschiedene chemische Spezies zu analysieren, um die Produktivität von Wiederkäuern weiter zu untersuchen.

Die TIR-Gasanalyse wird zurzeit für Messungen von Treibhausgasen in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, einschließlich Industrieemissionen, Kfz-Emissionen und Gasflussmessungen in arktischen Böden. Daraus lassen sich zwei bedeutende Vorteile für die zukünftige Forschung ableiten. Zum einen haben die Mitarbeiter von Gasmet mittlerweile umfangreiche Erfahrungen in der Konfiguration von Systemen zur Messung von Treibhausgasen. Zweitens wurde eine riesige Bibliothek gespeicherter Spektren geschaffen, die zukünftige Forscher unterstützen wird, sowohl neue als auch alte Messungen zu analysieren.

Da mehr Daten von einer größeren Anzahl von Rindern gesammelt werden, wird es möglich, für bestimmte Bullen einen Methanwert zu ermitteln. Dr. Lassen ist optimistisch, dass dieser Wert in Zukunft ein Auswahlkriterium sein wird.