Ulises Esaú Medina Álvarez.
Introducción
Las actividades humanas son responsables del incremento de la mayoría de los gases efecto invernadero presentes en la atmósfera durante los últimos 150 años. En Estados Unidos de Norteamérica, la mayor fuente de emisiones antropomórficas corresponde a la combustión de combustibles fósiles, principalmente por la industria del transporte e industria eléctrica, sin embargo, la aportación por la industria agropecuaria y forestal tiene significancia (EPA, 2022). Los gases efecto invernadero como metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y óxido nítrico (NO), aumentan los efectos de la radiación térmica y solar sobre la temperatura atmosférica y de superficie de la tierra; estos gases usualmente se expresan en unidades equivalentes de dióxido de carbono (eqCO2) (Knapp et al., 2014).
En el año 2020, el total de emisiones de gases efecto invernadero hacia la atmósfera rebasó los 5,981 millones de toneladas métricas de equivalentes CO2; es la industria transportista el sector que generó la mayor cantidad de emisiones (27%), principalmente por uso de combustibles fósiles, mientras que el sector agrícola y pecuario en conjunto aportaron tan sólo el 11% de las emisiones antropogénicas totales (EPA, 2022; EPA, 2020).
En general, la producción de bovinos, tanto para fines de producción de carne o leche, es dependiente del ecosistema ruminal para la fermentación y transformación de forrajes indigeribles por el humano a productos de alto valor nutrimental (Min et al., 2022). Sin embargo, los rumiantes son considerados los principales emisores de metano en la ganadería debido a su proceso fermentativo ruminal de biomasa vegetal, que a nivel productivo representa considerable pérdida de energía (12% EB); ambientalmente estas emisiones de metano representan tan solo 3-5% del total de emisiones antropogénicas. Aunque las emisiones entéricas del bovino son las más importantes del sector ganadero, representan la fracción menor del total de emisiones antropogénicas (Knapp et al., 2014; Yu et al., 2021).
El eructo, mezcla de metano (30%), dióxido de carbono (45%), hidrógeno (0.2%), nitrógeno (7%), ácido sulfúrico y pequeñas cantidades de oxígeno (0.5%), per se evita el timpanismo ruminal; se estima que la producción de gas tiene un rango de 0.2 y 2.0 litros por minuto, según patrón de consumo de alimentos. El metano, producto natural y final de la fermentación ruminal e intestinal, que resulta ser también un potente gas efecto invernadero que contribuye al calentamiento global, con un potencial 82 veces más que el dióxido de carbono (CO2) en un periodo de 20 años o 28 veces más fuerte en un periodo de 100 años (Van Gastelen et al., 2020).
En rumiantes, la reducción en la producción y emisión de metano entérico hacia la atmósfera, puede resultar benéfico para el ambiente y mejorar la eficiencia de producción de carne y leche, impactando en la sostenibilidad económica de la unidad productiva (Min et al., 2022; Beauchemin et al., 2020).
En muchos de los países desarrollados con sistemas intensivos, la contribución de metano por industria lechera se estima es baja debido a su alta productividad; aun cuando las emisiones de metano se incrementan con dietas TMR con elevados niveles de concentrados, la emisión de metano por unidad de leche producida generalmente disminuye. Por otra parte, en los países desarrollados con sistemas de producción bajo pastoreo, el ganado bovino resulta un gran contribuyente de emisiones de metano (Min et al., 2022; knapp et al., 2014).
Las emisiones de metano a partir del estiércol en lecherías y corrales de engorda que se manejan intensivamente y con sistemas de almacenamiento de estos residuos, constituyen la porción mayoritaria del total de emisiones que se producen en la unidad productiva. Por esta razón toda estrategia dirigida a mitigar las emisiones entéricas de CH4, deberían considerar también el tratamiento de estiércol y demás efluentes generados (Knapp et al., 2014).
La ganadería bovina se enfrenta a la creciente demanda de alimento por expansión poblacional en el mundo, y por si fuera poco, debe apegarse a las exigencias medioambientales impuestas por los sectores sociales y gubernamentales (Beauchemin et al., 2019); derivado de este énfasis global sobre reducción de metano, numerosas y diversas estrategias costo efectivas de mitigación han sido estudiadas y desarrolladas, entre las que se incluyen formulación de dietas específicas, manejos reproductivos y genéticos, vacunas, inhibidores químicos, entre otras (Min et al., 2022; Yu et al., 2021). Cuando la productividad del animal se incrementa a través de dichas estrategias, la producción de metano por unidad de carne o leche se reduce ampliamente. Así pues, las emisiones de metano en ganadería bovina están en función del tamaño de población, su nivel de producción y manejo de efluentes originados por esta actividad (Knapp et al., 2014).
Función ruminal y metanogénesis
La evolución de los rumiantes y los microbios ha sido simultánea, completando un nicho basado en la conversión de un complejo de carbohidratos vegetales a energía que resulta benéfica para ambos. La biota ruminal incluye bacterias, arqueas, protozoarios y hongos específicos que difieren de cualquier otro ecosistema anaerobio; la presencia de microorganismos productores de metano (metanógenos) también tiene un perfil particular en rumiantes, pues se considera que los 6 principales géneros de metanógenos ruminales, presentes también en intestino, pertenecen al dominio arquea, aunque es probable que existan más (Knapp et al., 2014).
Los carbohidratos vegetales representan la principal fuente de energía de los rumiantes. en rumen, los principales polisacáridos celulosa, hemicelulosa y almidón son hidrolizados a glucosa y pentosa que a su vez son metabolizados a ácidos grasos volátiles (AGV´s), proceso de múltiples pasos que libera adicionalmente Dióxido de Carbono (CO2) e Hidrógeno metabólico (H) (Beauchemin et al., 2020; Knapp et al., 2014). Mediante la actividad de hidrogenasas, a partir de Hidrógeno se produce dihidrógeno (H2) en forma gaseosa (gH2) y disuelta (dH2), solo esta última isoforma es disponible para los microorganismos. Particularmente, las arqueas, usan este hidrógeno disuelto para reducir CO2 y otros componentes de carbono para la formación de metano. El formato derivado de la formación de acetil Co-A a partir de piruvato, puede ser empleado ampliamente como donador de H en la metanogénesis ruminal (Yu et al., 2021).
A continuación, se resume el metabolismo de los carbohidratos en ambiente ruminal:
Glucosa → 2 Piruvato + 4 H
Piruvato + H2O → Acetato + CO2 + 2H
Piruvato + 4H → Propionato + H2O
2 Acetato + 4H → Butirato + 2 H2O
CO2 + 8H → CH4 + 2 H2O
El dihidrógeno disuelto inhibe la fermentación ruminal a través de mecanismos de retroalimentación negativa y si no es removido por las arqueas metanogénicas o algún otro mecanismo, se presenta la acentuada disminución de degradación de carbohidratos, la tasa de crecimiento microbiano y por tanto la síntesis de proteína microbiana.
Estrategias de mitigación de metano
Numerosas estrategias han sido propuestas para mitigar la emisión de metano, algunas de estas resultan difíciles de implementar, mantienen bajo potencial o simplemente se encuentran en un periodo temprano de su desarrollo, por lo que requieren aún más pruebas para evidenciar sus efectos reales. A nivel de granja las estrategias costo-efectivas pueden ser divididas en tres amplios grupos:
1 Ingredientes, manejo de alimentación y nutrición:
La manipulación de las dietas puede resultar altamente efectiva en la mitigación de emisiones de metano. La eficacia de dietas particulares como estrategia de mitigación, dependen de sus efectos sobre la concentración y flujo de hidrógeno ruminal, comunidad microbiana, rutas de fermentación, permanencia de alimentos en rumen y la interacción entre estos factores (Beauchemin et al., 2020; Knapp et al., 2014).
A) Tipo de carbohidratos:
Mayores consumos de materia seca acompañadas de mejores rendimientos de lactancia y menores emisiones de metano son logrados mediante la alimentación de carbohidratos más digeribles. La concentración relativa de los productos finales de la fermentación ruminal, especialmente ácidos grasos volátiles de cadena corta, se mantiene bajo la influencia de las porciones de Fibra Detergente Neutra y Carbohidratos No Fibrosos presentes en la ración. De manera que las dietas basadas en forrajes altos en celulosa, hemicelulosa y lignina favorecen la producción de acetato y butirato que aumentan la disponibilidad de H metabólico; mientras que las dietas con mayor concentración de almidón favorecen la producción de propionato que limita la disponibilidad de H metabólico y por tanto metanogénesis. Se ha determinado que, al aumentar los carbohidratos no fibrosos de la dieta, pasando de 32% a 53% se puede disminuir hasta 20% de emisiones de metano en lactancias tempranas.
B) Índice de procesamiento de los alimentos:
El procesamiento que reciben los ingredientes presentes en las dietas de rumiantes reducen el tamaño de partícula y alteran la tasa de fermentación y pasaje por rumen. En general, el procesamiento del forraje por molido o peletizado disminuye la digestibilidad de la fibra detergente neutra y secundariamente las emisiones de metano también reducirán por el incremento en la tasa de pasaje.
C) Suplementación de grasas:
Los efectos de esta estrategia de mitigación de metano, dependen en gran medida de la fuente de la grasa, perfil de ácidos grasos y porcentaje de inclusión; estudios han mostrado que los lípidos adicionados a bajos niveles, no mayor al 4% de inclusión en la dieta puede reducir hasta 20% de las emisiones de metano. Estos lípidos suprimen las poblaciones metanogénicas por diferentes modos de acción, reducen la materia orgánica disponible y en consecuencia los sustratos de fermentación, lo cual aminora la síntesis de metano entérico. La biohidrogenación de ácidos grasos insaturados también limita las concentraciones de H metabólico disponible para metanogénesis, sin embargo, con el uso de lípidos como agente de mitigación, se puede alterar el consumo de materia seca y composición de leche (Min et al., 2022; Beauchemin et al., 2020).
2 Modificadores ruminales:
La adición de sustancias específicas a la dieta de bovinos pueden tener impacto directo o indirecto sobre la metanogénesis. El uso de control biológico o defaunación mediante bacteriofagos, antimicrobianos de origen diverso o inmunización reduce directamente la metanogénesis. Tales componentes necesitan mantener bajas las emisiones de metano sin efectos tóxicos para los animales, humanos y ambiente; además con el propósito de que sean aceptados por los productores estos deben ser de costo accesible y que impliquen un incremento en la productividad y rentabilidad.
A) 3-Nitro-oxipropranolol (3-NOP):
Diversos aditivos químicos inhibidores de metanogénesis han sido evaluados en las últimas décadas y a pesar de algunos de ellos han evidenciado reducir de manera efectiva más del 30% de emisiones de CH4 en los bovinos, sin embargo, su uso comercial ha sido restringido o negado principalmente por motivos de salud pública. Una excelente excepción a todas estas prohibiciones, es la molécula altamente soluble y metabolizable de 3-NOP que en años recientes ha demostrado ser una alternativa adecuada para la reducción de hasta el 80% de las emisiones en ganado productor de carne sin implicancias de riesgo a la salud humana. Esta sustancia se une e inhibe de manera temporal, pero con gran especificidad a la enzima responsable de catalizar la última reacción de la metanogénesis, la metil-coenzima M reductasa, sin mostrar efectos negativos sobre digestibilidad o desempeño productivo de los animales cuando se incluye a dosis de 1-2 g/día, aunque se recomiendan más estudios experimentales para determinar la dosis óptima de 3-NOP (Alemu et al., 2021; Yu et al., 2021; Romero-Pérez et al., 2014).
B) Ionóforos:
Los procesos de fermentación ruminal están acompañados de la producción de metano, que corresponden a procesos de reducción que se encuentran sujetos a la presencia de bacterias y arqueas Gram-positivas asociadas a la producción de succinato, acetato, butirato, formato e hidrógeno, de manera que cuando estos organismos dominan en rumen la síntesis de metano es mayor. Por otra parte, los organismos Gram-negativos conducen la ruta de fermentación ruminal hacia una mayor producción de propionato y succinato, esta menor disponibilidad de precursores de metano (formato-hidrógeno derivado de acetato) reduce la metanogénesis. Esta defaunacion selectiva a nivel ruminal puede ser favorecida por la adición de ionóforos, especialmente monensina a dosis de 300-350 mg/día en ganado lechero. Estas sustancias son productos derivados de la fermentación de varias especies de Actinomicetos y que cumplen con la definición clásica de los antibióticos de acción dirigida a Gram-positivos, sin embargo, esta estrategia se considera de poco impacto, pues se ha registrado sólo reducciones máximas de 12% y medias de 9% de las emisiones de metano (Beauchemin et al., 2020; Knapp et al., 2014; Ipharrague y Clark, 2003).
C) Fitocomponentes:
Los componentes secundarios de algunas plantas, tales como aceites esenciales, taninos, saponinas y flavonoides se estudian por sus propiedades potencialmente anti metanogénicas. numerosas evaluaciones sobre aceites esenciales derivados del ajo, orégano, eucalipto y canela (allium es el fitocomponente común) principalmente, han mostrado reducir las producciones in vitro de metano, sin embargo, muy pocos de estos componentes han evidenciado mantener el efecto sobre síntesis de metano a largo plazo in vivo.
Los prometedores taninos son componentes polifenólicos que se hallan en diversas plantas, estos complejos y variados fitocomponentes tienen afinidad de unión a diversas proteínas y sustancias estructurales de los forrajes, disminuyendo la digestibilidad de éstos, además se ha evidenciado cierto efecto sobre la población de bacterias y arqueas Gram-positivas a nivel ruminal (Beauchemin et al., 2020; Patra y Yu, 2012).
3 Incremento de la producción animal a través de manejo genético-reproductivo
Las ganancias genéticas y el incremento de la eficiencia reproductiva en hatos bovinos diluyen las necesidades de nutrientes para propósitos productivos, es decir, mayor eficiencia de producción y disminución de metano por unidad de producto. Producir lo mismo o más, con menor número de animales.
Aunque la producción de ganado cárnico ha incrementado rápidamente durante los últimos 50 años usando diversas técnicas, los análisis económicos reflejan que los sistemas vaca-cría, que surten principalmente de animales a las empresas de engorda, tienen bajos retornos financieros. Se considera que la principal limitante es la baja producción de kilogramos de becerro destetado por vaca reproductiva mantenida en unidades ganaderas (Pulina et al., 2021). Para lograr una buena eficiencia reproductiva en hatos bovinos cárnicos se debe cumplir con los siguientes objetivos:
1. Intervalo entre parto de 365 días.
2. Descarte por aspectos reproductivos, menor al 5%.
3. Lograr que el 95% de las vacas lleven un ternero desde el parto al destete.
4. Registrar primer parto de novillas a los 24 meses de edad.
5. Estacionar partos en un periodo no mayor a 42 días, coincidiendo con la mejor oferta forrajera.
6. Tasas de reemplazo anual entre 16-18%.
7. Mantener las mejoras genéticas en base a las características reproductivas y productivas más importantes, como fertilidad, facilidad de parto, peso al destete, etc.
Conclusiones
Sin duda alguna existen diversas alternativas comerciales y de manejo que permiten reducir en diferentes niveles las emisiones absolutas de metano entérico dentro de las unidades de producción de rumiantes, en general. Sin embargo, las mejores estrategias son aquellas que permiten incrementar la eficiencia productiva que se refleja en los g de metano sintetizado por cada unidad de producto bovino generado. La mitigación de emisiones metano entérico deberán siempre considerar otras fuentes de gases efecto invernadero e impacto económico, pues se requieren aproximaciones integrales y viables a nivel de unidad productiva. Antes de instaurar o pensar en agentes químicos que impactan sobre las poblaciones microbianas ruminales y rutas fermentativas, es preciso lograr las mejoras de eficiencia reproductiva y mejoras genéticas que ipso facto disminuirán las emisiones contaminantes. Sin embargo, sea cual sea la estrategia de mitigación a usar, debemos procurar la compatibilidad entre las actividades humanas, incluyendo la ganadería, y la sustentabilidad ambiental día con día.
Referencias
- Beauchemin, K. A., Ungerfeld, E. M., Eckard, R. J., & Wang, M. (2020). Fifty years of research on rumen methanogenesis: Lessons learned and future challenges for mitigation. Animal, 14(S1), s2-s16.
- EPA, (2022). Consulta digital en la siguiente dirección electrónica: https://www.epa.gov/climate-change.
- Ipharraguerre, I. R., & Clark, J. H. (2003). Usefulness of ionophores for lactating dairy cows: a review. Animal Feed Science and Technology, 106(1-4), 39-57.
- Knapp, J. R., Laur, G. L., Vadas, P. A., Weiss, W. P., & Tricarico, J. M. (2014). Invited review: Enteric methane in dairy cattle production: Quantifying the opportunities and impact of reducing emissions. Journal of dairy science, 97(6), 3231-3261.
- Min, B. R., Lee, S., Jung, H., Miller, D. N., & Chen, R. (2022). Enteric Methane Emissions and Animal Performance in Dairy and Beef Cattle Production: Strategies, Opportunities, and Impact of Reducing Emissions. Animals, 12(8), 948.
- Patra, A. K., & Yu, Z. (2012). Effects of essential oils on methane production and fermentation by, and abundance and diversity of, rumen microbial populations. Applied and Environmental Microbiology, 78(12), 4271-4280.
- Pulina, G., Acciaro, M., Atzori, A. S., Battacone, G., Crovetto, G. M., Mele, M., … & Rassu, S. P. G. (2021). Animal board invited review–Beef for future: technologies for a sustainable and profitable beef industry. Animal, 15(11), 100358.
- Romero-Perez, A., Okine, E. K., McGinn, S. M., Guan, L. L., Oba, M., Duval, S. M., … & Beauchemin, K. A. (2014). The potential of 3-nitrooxypropanol to lower enteric methane emissions from beef cattle. Journal of animal science, 92(10), 4682-4693.
- Van Gastelen, S., Dijkstra, J., Binnendijk, G., Duval, S. M., Heck, J. M., Kindermann, M., … & Bannink, A. (2020). 3-Nitrooxypropanol decreases methane emissions and increases hydrogen emissions of early lactation dairy cows, with associated changes in nutrient digestibility and energy metabolism. Journal of Dairy Science, 103(9), 8074-8093.
- Yu, G., Beauchemin, K. A., & Dong, R. (2021). A Review of 3-Nitrooxypropanol for Enteric Methane Mitigation from Ruminant Livestock. Animals, 11(12), 3540.
Artículo publicado en Entorno Ganadero Agosto Septiembre 2022
