Methane, one of the important greenhouse gas, has a higher global warming potential than that of carbon dioxide. Agriculture, especially livestock, is considered as the biggest sector in producing anthropogenic methane. Among livestock, ruminants are the highest emitters of enteric methane. Methanogenesis, a continuous process in the rumen, carried out by archaea either with a hydrogenotrophic pathway that converts hydrogen and carbon dioxide to methane or with methylotrophic pathway, which the substrate for methanogenesis is methyl groups. For accurate estimation of methane from ruminants, three methods have been successfully used in various experiments under different environmental conditions such as respiration chamber, sulfur hexafluoride tracer technique, and the automated head-chamber or GreenFeed system. Methane production and emission from ruminants are increasing day by day with an increase of ruminants which help to meet up the nutrient demands of the increasing human population throughout the world. Several mitigation strategies have been taken separately for methane abatement from ruminant productions such as animal intervention, diet selection, dietary feed additives, probiotics, defaunation, supplementation of fats, oils, organic acids, plant secondary metabolites, etc. However, sustainable mitigation strategies are not established yet. A cumulative approach of accurate enteric methane measurement and existing mitigation strategies with more focusing on the biological reduction of methane emission by direct-fed microbials could be the sustainable methane mitigation approaches.
Ruminal methane production functions as the main sink for metabolic hydrogen generated through rumen fermentation and is recognized as a considerable source of greenhouse gas emissions. Methane production is a complex trait affected by dry matter intake, feed composition, rumen microbiota and their fermentation, lactation stage, host genetics, and environmental factors. Various mitigation approaches have been proposed. Because individual ruminants exhibit different methane conversion efficiencies, the microbial characteristics of low-methane-emitting animals can be essential for successful rumen manipulation and environment-friendly methane mitigation. Several bacterial species, including Sharpea, uncharacterized Succinivibrionaceae, and certain Prevotella phylotypes have been listed as key players in low-methane-emitting sheep and cows. The functional characteristics of the unclassified bacteria remain unclear, as they are yet to be cultured. Here, we review ruminal methane production and mitigation strategies, focusing on rumen fermentation and the functional role of rumen microbiota, and describe the phylogenetic and physiological characteristics of a novel Prevotella species recently isolated from low methane-emitting and high propionate-producing cows. This review may help to provide a better understanding of the ruminal digestion process and rumen function to identify holistic and environmentally friendly methane mitigation approaches for sustainable ruminant production.
Methane emission from the enteric fermentation of ruminant livestock is a main source of greenhouse gas (GHG) emission and a major concern for global warming. Methane emission is also associated with dietary energy lose; hence, reduce feed efficiency. Due to the negative environmental impacts, methane mitigation has come forward in last few decades. To date numerous efforts were made in order to reduce methane emission from ruminants. No table mitigation approaches are rumen manipulation, alteration of rumen fermentation, modification of rumen microbial biodiversity by different means and rarely by animal manipulations. However, a comprehensive exploration for a sustainable methane mitigation approach is still lacking. Dietary modification is directly linked to changes in the rumen fermentation pattern and types of end products. Studies showed that changing fermentation pattern is one of the most effective ways of methane abatement. Desirable dietary changes provide two fold benefits i.e. improve production and reduce GHG emissions. Therefore, the aim of this review is to discuss biology of methane emission from ruminants and its mitigation through dietary manipulation.
Roderick I. Mackie;Hyewon Kim;Na Kyung Kim;Isaac Cann
Animal Bioscience
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v.37
no.2_spc
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pp.323-336
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2024
Molecular hydrogen (H2) and formate (HCOO-) are metabolic end products of many primary fermenters in the rumen ecosystem. Both play a vital role in fermentation where they are electron sinks for individual microbes in an anaerobic environment that lacks external electron acceptors. If H2 and/or formate accumulate within the rumen, the ability of primary fermenters to regenerate electron carriers may be inhibited and microbial metabolism and growth disrupted. Consequently, H2- and/or formate-consuming microbes such as methanogens and possibly homoacetogens play a key role in maintaining the metabolic efficiency of primary fermenters. There is increasing interest in identifying approaches to manipulate the rumen ecosystem for the benefit of the host and the environment. As H2 and formate are important mediators of interspecies interactions, an understanding of their production and utilization could be a significant starting point for the development of successful interventions aimed at redirecting electron flow and reducing methane emissions. We conclude by discussing in brief ruminant methane mitigation approaches as a model to help understand the fate of H2 and formate in the rumen ecosystem.
Ruminal ciliates are a fundamental constituent within the rumen microbiome of ruminant animals. The complex interactions between ruminal ciliates and other microbial guilds within the rumen ecosystems are of paramount importance for facilitating the digestion and fermentation processes of ingested feed components. This review underscores the significance of ruminal ciliates by exploring their impact on key factors, such as methane production, nitrogen utilization efficiency, feed efficiency, and other animal performance measurements. Various methods are employed in the study of ruminal ciliates including culture techniques and molecular approaches. This review highlights the pressing need for further investigations to discern the distinct roles of various ciliate species, particularly relating to methane mitigation and the enhancement of nitrogen utilization efficiency. The promotion of establishing robust reference databases tailored specifically to ruminal ciliates is encouraged, alongside the utilization of genomics and transcriptomics that can highlight their functional contributions to the rumen microbiome. Collectively, the progressive advancement in knowledge concerning ruminal ciliates and their inherent biological significance will be helpful in the pursuit of optimizing rumen functionality and refining animal production outcomes.
Methane, which is emitted from natural and anthropogenic sources, is a representative greenhouse gas for global warming. Methanotrophs are widespread in the environment and play an important role in the biological oxidation of methane via methane monooxygenases (MMOs), key enzymes for methane oxidation with broad substrate specificity. Methanotrophs have attracted attention as multifunctional bacteria with promising applications in biological methane mitigation technology and environmental bioremediation. In this review, we have summarized current knowledge regarding the biodiversity of methanotrophs, catalytic properties of MMOs, and high-cell density cultivation technology. In addition, we have reviewed the recent advances in biological methane mitigation technologies using methanotrophs in field-scale systems as well as in lab-scale bioreactors. We have also surveyed information on the dynamics of the methanotrophic community in biological systems and discussed the various challenges pertaining to methanotroph-related biotechnological innovation, such as identification of suitable methanotrophic strains with better and/or novel metabolic activity, development of high-cell density mass cultivation technology, and the microbial consortium (methanotrophs and non-methanotrophs consortium) design and control technology.
Abushammala, Mohammed F.M.;Basri, Noor Ezlin Ahmad;Irwan, Dani;Younes, Mohammad K.
Asian Journal of Atmospheric Environment
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v.8
no.1
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pp.1-14
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2014
Migration of methane ($CH_4$) gas from landfills to the surrounding environment negatively affects both humankind and the environment. It is therefore essential to develop management techniques to reduce $CH_4$ emissions from landfills to minimize global warming and to reduce the human risks associated with $CH_4$ gas migration. Oxidation of $CH_4$ in landfill cover soil is the most important strategy for $CH_4$ emissions mitigation. $CH_4$ oxidation occurs naturally in landfill cover soils due to the abundance of methanotrophic bacteria. However, the activities of these bacteria are influenced by several controlling factors. This study attempts to review the important issues associated with the $CH_4$ oxidation process in landfill cover soils. The $CH_4$ oxidation process is highly sensitive to environmental factors and cover soil properties. The comparison of various biotic system techniques indicated that each technique has unique advantages and disadvantages, and the choice of the best technique for a specific application depends on economic constraints, treatment efficiency and landfill operations.
On a global scale agriculture and in particular enteric fermentation in ruminants is reported to produce about one fourth (21 to 25%) of the total anthropogenic emissions of methane ($CH_4$). Methane is produced during the anaerobic fermentation of hydrolyzed dietary carbohydrates in the rumen and represents an energy loss to the host besides contributing to emissions of greenhouse gases into the environment. However, there appears to be uncertainty in the $CH_4$ estimation from livestock due to the limited availability of data to document the variability at the farm level and also due to the significant impact of diet on the enteric $CH_4$ production. The methane mitigation strategies require robust prediction of emissions from rumen. There are many methods available which would be suitable for measuring $CH_4$ produced from the various stages of animal production. However, several factors need to be considered in order to select the most appropriate technique like the cost, level of accuracy required and the scale and design of the experiments to be undertaken. Selection of any technique depends on the accuracy as each one has its advantages and disadvantages. Screening of mitigation strategies may be evaluated using individual animal before large-scale trials on groups of animals are carried out. In this review various methods for the estimation of methane production from ruminants as well as for the determination of methane production potential of ruminant feeds are discussed. The advantages and disadvantages of the methods starting from respiration chamber, ventilated hood, facemask, sulphur hexafluoride ($SF_6$) tracer technique, prediction equations and meteorological methods to in vitro methods are detailed.
Kim, Seon-Ho;Mamuad, Lovelia L;Islam, Mahfuzul;Lee, Sang-Suk
Journal of Animal Science and Technology
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v.62
no.1
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pp.1-13
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2020
This study was designed to evaluate the in vitro and in vivo effects of reductive acetogens isolated from ruminants on methane mitigation, and milk performance, respectively. Four acetogens, Proteiniphilum acetatigenes DA02, P. acetatigenes GA01, Alkaliphilus crotonatoxidans GA02, and P. acetatigenes GA03 strains were isolated from ruminants and used in in vitro experiment. A control (without acetogen) and a positive group (with Eubacterium limosum ATCC 8486) were also included in in vitro experiment. Based on higher acetate as well as lower methane producing ability in in vitro trial, P. acetatigenes GA03 was used as inoculum for in vivo experiment. Holstein dairy cows (n = 14) were divided into two groups viz. control (without) and GA03 group (diet supplied with P. acetatigenes GA03 at a feed rate of 1% supplementation). Milk performance and blood parameters were checked for both groups. In in vitro, the total volatile fatty acids and acetate production were higher (p < 0.05) in all 4 isolated acetogens than the control and positive treatment. Also, all acetogens significantly lowered (p < 0.05) methane production in comparison to positive and control groups however, GA03 had the lowest (p < 0.05) methane production among 4 isolates. In in vivo, the rate of milk yield reduction was higher (p < 0.05) in the control than GA03 treated group (5.07 vs 2.4 kg). Similarly, the decrease in milk fat was also higher in control (0.14% vs 0.09%) than treatment. The somatic cell counts (SCC; ×103/mL) was decreased from 128.43 to 107.00 in acetogen treated group however, increased in control from 138.14 to 395.71. In addition, GA03 increased blood glucose and decreased non-esterified fatty acids. Our results suggest that the isolated acetogens have the potential for in vitro methane reduction and P. acetatigenes GA03 strain could be a candidate probiotic strain for improving milk yield and milk fat in lactating cows with lowering SCCs.
Petroleum-contaminated soil is considered among the most important potential anthropogenic atmospheric methane sources. Additionally, various rhizoremediation factors can affect methane emissions by altering soil ecosystem carbon cycles. Nonetheless, greenhouse gas emissions from soil have not been given due importance as a potentially relevant parameter in rhizoremediation techniques. Therefore, in this study we sought to investigate the effects of different plant and soil amendments on both remediation efficiencies and methane emission characteristics in diesel-contaminated soil. An indoor pot experiment consisting of three plant treatments (control, maize, tall fescue) and two soil amendments (chemical nutrient, compost) was performed for 95 days. Total petroleum hydrocarbon (TPH) removal efficiency, dehydrogenase activity, and alkB (i.e., an alkane compound-degrading enzyme) gene abundance were the highest in the tall fescue and maize soil system amended with compost. Compost addition enhanced both the overall remediation efficiencies, as well as pmoA (i.e., a methane-oxidizing enzyme) gene abundance in soils. Moreover, the potential methane emission of diesel-contaminated soil was relatively low when maize was introduced to the soil system. After microbial community analysis, various TPH-degrading microorganisms (Nocardioides, Marinobacter, Immitisolibacter, Acinetobacter, Kocuria, Mycobacterium, Pseudomonas, Alcanivorax) and methane-oxidizing microorganisms (Methylocapsa, Methylosarcina) were observed in the rhizosphere soil. The effects of major rhizoremediation factors on soil remediation efficiency and greenhouse gas emissions discussed herein are expected to contribute to the development of sustainable biological remediation technologies in response to global climate change.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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