Přímé vlivy hospodářské produkce na emise spleku: enterická fermentace, hospodářství a spotřeba energie

Významným zdrojem emisí skleníkových plynů je podle odhadů živočišná výroba, která se na celkových antropogenních emisích podílí z 14,5 %, tj. 8,1 gigatun ekvivalentu CO₂ ročně [1]. CO₂ ekvivalent (CO₂-eq) je jednotka měření oxidu uhličitého, obvykle vyjádřená v metrických tunách, a používá se ke standardizaci měření všech skleníkových plynů (GHG), které přispívají ke globálnímu oteplování. Tyto plyny zadržují teplo v zemské atmosféře, což vede ke zvyšování teplot a dalším klimatickým změnám.

Uhlíková stopa se používá jako měřítko množství CO₂ a dalších emisí skleníkových plynů vypouštěných do atmosféry při lidských činnostech (spotřeba energie, doprava, výroba potravin atd.). Poskytuje způsob, jak kvantifikovat celkové množství emisí skleníkových plynů produkovaných určitou činností, produktem nebo osobou. Pro výpočet uhlíkové stopy se všechny emise skleníkových plynů převádějí na ekvivalent CO₂ na základě jejich potenciálu globálního oteplování (GWP). GWP udává, kolik tepla plyn zachytí v atmosféře ve srovnání s CO₂ za dané časové období (obvykle 100 let). V závislosti na zdroji má metan hodnotu GWP 28–36krát vyšší než CO₂ za 100 let, takže emise 1 tuny metanu odpovídá emisím 28–36 tun CO₂ . Hodnota GWP oxidu dusného je 265krát vyšší než hodnota CO₂ za 100 let, takže emise 1 tuny oxidu dusného odpovídá emisím 265 tun CO₂. Pomocí měření CO₂-eq je možné porovnávat emise různých skleníkových plynů a sledovat pokrok ve snižování celkových emisí skleníkových plynů v reálném čase.

Metan (CH₄), oxid dusný (N₂O) a oxid uhličitý (CO₂ ) jsou tři primární skleníkové plyny uvolňované hospodářskými zvířaty. Oxid uhličitý se uvolňuje především při spalování fosilních paliv v energetických strojích a při spalování biomasy mikrobiálním rozkladem. Emise oxidu uhličitého mohou vzniknout také přeměnou orné půdy na trvalé travní porosty (změnou využití půdy) nebo úpravami hospodaření na zemědělské půdě. Metan vzniká při rozkladu organického materiálu za anaerobních podmínek (fermentace přežvýkavců, skladování hnoje nebo organického odpadu ze zpracovatelského průmyslu). Oxidy dusíku se uvolňují při mikrobiální přeměně dusíku v půdě nebo v hnoji.

K analýze relativního množství zmíněných plynů byl použit model FAO Global Environmental Assessment Model in Livestock (GLEAM) [2] a IPCC (2014) 100letý potenciál oteplování (298 pro N₂O a 34 pro CH₄ ) k přepočtu na CO ₂ -eq.

Podle tohoto modelu tvoří metan (CH₄), oxid dusný (N₂O) a oxid uhličitý (CO₂ ) 50 %, 24 % a 26 % emisí v dodavatelském řetězci živočišných produktů (obrázek 1). Hlavním zdrojem skleníkových plynů je skot, který se podílí asi 62% na celkových emisích všech druhů hospodářských zvířat. Mléčný a masný skot přitom produkuje podobné množství emisí. Emise z jiných druhů (včetně prasat, drůbeže, buvolů a malých přežvýkavců) se jednotlivě pohybují od 7 do 11 %. Obrázek 2 ukazuje odhadovaný podíl emisí podle druhů hospodářských zvířat.

Hodnoty ekvivalentních emisí CO₂ v produkci skotu odhadnuté pomocí modelu GLEAM [2] jsou 3,0 pro hovězí maso a 1,6 gigatuny pro mléko. Výroba vepřového masa produkuje 0,82 gigatuny ekvivalentu CO₂, kuřecího masa a vajec 0,79 gigatuny ekvivalentu CO₂ , buvolího masa a mléka 0,7 gigatuny ekvivalentu CO₂ a 0,5 gigatuny ekvivalentu CO₂ z produkce masa a mléka malých přežvýkavců. Ostatní drůbež a nepoživatelné produkty tvoří zbytek emisí.

Porovnání emisí mezi různými druhy živočišných produktů na základě produkce bílkovin je možná relevantnějším způsobem vyjádření těchto vztahů. V tomto případě se buvolí maso vyznačuje nejvyšší intenzitou emisí, v průměru 404 kg CO₂ -eq na kg vyprodukovaného proteinu. Na druhém místě je produkce hovězího masa s průměrem 295 kg CO₂ -eq na kg bílkovin. Následuje maso a mléko malých přežvýkavců a buvolí mléko s emisemi 201, 148 a 140 kg CO ₂-eq na kg bílkovin. Do skupiny s nejnižší emisní náročností (méně než 100 kg CO ₂ -eq na kg bílkovin) v tomto výpočtu patří produkce kravského mléka, drůbežího masa a vajec a vepřového masa [2]. Je důležité zdůraznit, že odhadovaná emisní náročnost se výrazně liší v závislosti na regionu, tedy agroekologických podmínkách, použité technologii výroby a celkovém hospodaření.

Přímé emise jsou ty, které vznikají při chovu zvířat, včetně uvolňování škodlivých plynů prostřednictvím enterické fermentace a hnoje. Do skupiny přímých emisí lze zařadit i emise, které vznikají doprovodnou spotřebou energie. Nepřímé emise pocházejí hlavně z výroby krmiv a souvisejících změn ve využívání půdy. Poměr velikostí přímých a nepřímých emisí není dosud zcela objasněn, tj. stále nelze určit, který z těchto dvou typů emisí má větší podíl [3; 4].

Enterická fermentace

V trávicím systému přežvýkavců (obrázek 3) probíhá proces enterické fermentace, při které dochází pod vlivem přítomné mikroflóry k rozkladu organické hmoty převážně vláknitého celulózového typu [5]. Jedná se v podstatě o unikátní a užitečný proces, který umožňuje přeměnu těžko rozložitelných látek (celulóza, lignin) na nutričně hodnotné látky, které jsou v konečném důsledku využívány pro lidskou výživu. Při enterální fermentaci však dochází i ke vzniku škodlivého plynu-methanu, který zvířata uvolňují do prostředí (vydechováním, říháním, vyprazdňováním). Přežvýkavci jsou tak skupinou domácích zvířat, která se nejvíce podílí na emisích metanu do atmosféry [6].

Metan produkovaný enterickou fermentací představuje 39,1 % celkových emisí skleníkových plynů (obrázek 1) a má 28krát vyšší potenciál oteplování atmosféry než CO₂ [7]. U nepřežvýkavců také probíhá produkce metanu, ale v nesrovnatelně menším množství. Množství metanu produkovaného přežvýkavci však není konstantní, ale je ovlivněno různými faktory (obrázek 4).

Největší vliv na emise, tedy množství spotřebovaných živin a jejich kvalitu, má příjem krmiva. Se zvyšující se stravitelností krmiva se tedy snižuje syntéza metanu a zvyšuje se produktivita zvířat. Pokud zvířata konzumují hojnější potravu, projeví se to zvýšenými emisemi metanu. Kromě toho může mít na emise vliv i zdravotní stav zvířat a přítomnost krmných přísad.

Lze konstatovat, že druhy přežvýkavců, produkční systém i regionální charakteristiky synergicky ovlivňují rychlost přeměny energie potravy na metan [1].

Vzhledem k podílu přežvýkavců na emisích CH₄ a negativnímu vlivu metanogeneze na produktivitu je nutné najít účinné způsoby, jak tento proces omezit. Dosud bylo definováno několik strategií, obecně souvisejících s dietními a manažerskými modulacemi, manipulacemi s aktivitou bachoru a pokročilými strategiemi na molekulární a biochemické úrovni. To bude podrobně probráno v následující kapitole.

Management hnoje

Pokračující intenzifikace a specializace živočišné výroby vede k nárůstu množství kejdy, která je zdrojem skleníkových plynů (GHGs) metanu (CH₄) a oxidu dusného (N₂O). Odhaduje se, že hnůj je zodpovědný za téměř 10 % celkových emisí skleníkových plynů [2]. Čisté emise těchto plynů jsou výsledkem různých mikrobiálních aktivit v hnoji [9]. Skot a prasata představují největší zdroj emisí metanu z hnoje, jak je znázorněno na obrázku 5 [4;10]. Na rozdíl od enterické fermentace, která uvolňuje především metan, je hnůj kromě metanu také substrátem pro uvolňování oxidů dusíku.

Obrázek 1 ukazuje, že průměrný příspěvek emisí metanu a oxidů dusíku z hnoje k celkovým emisím skleníkových plynů je 4,3 % a 5,2 %. Absolutní a relativní hodnoty emisí těchto plynů z hnoje závisí na podmínkách prostředí (teplota vzduchu, vlhkost), době skladování a manipulace s hnojem a na druhu krmiva. Například vznik metanu je příznivě ovlivněn anaerobními podmínkami, zatímco pro vznik oxidů dusíku z amoniaku jsou vyžadovány aerobní i anaerobní podmínky [4].

Bylo zjištěno, že největší množství oxidů dusíku se uvolňuje při ukládání hnoje v pevném stavu nebo při rozmetání na zem [3]. To odpovídá odhadovanému 16,4% podílu emisí oxidů dusíku pro uložený/aplikovaný hnůj, jak je znázorněno na obrázku 1. Naopak, když je hnůj skladován v kapalném stavu, emise plynů se zvyšují ve prospěch metanu [10].

Spotřeba energie

Mnoho výrobních procesů v chovu zvířat vyžaduje použití energie, jako je výroba hnojiv, používání strojů a přeprava krmiv a hospodářských zvířat. Na samotných farmách je energie potřebná pro vytápění/chlazení, krmení, větrání, osvětlení, dojení a hospodaření s hnojem. Elektřina se obecně používá pro osvětlení, krmení a systémy dojení, zatímco fosilní paliva spojená s přímou spotřebou energie se používají pro hospodaření s hnojem a vytápění. Výroba krmiv pro hospodářská zvířata, stejně jako výroba živočišných produktů, zahrnuje také spotřebu energie. Lze konstatovat, že spotřeba energie v chovu zvířat se soustředí na produkci krmiv, ustájení a hospodaření s hnojem.

Zdrojem energie v chovu zvířat jsou především fosilní paliva a jejich spotřeba představuje další zdroj emisí C0₂ . Odhaduje se, že celková spotřeba energie ve výrobním cyklu živočišných produktů se podílí asi 25 % na celkových emisích v odvětví živočišné výroby [1].

V celém výrobním procesu se předpokládá, že největší spotřebu energie představuje výroba krmiv pro zvířata (koncentráty, konzervy, pastviny) [11]. Problémem je, že zde existují určité analytické nesrovnalosti, protože spotřeba energie spojená s výrobou krmiv se vyskytuje mimo farmu a obecně není v oficiálních zemědělských statistikách připisována odvětví živočišné výroby.

Výroba, skladování a přeprava krmiva jsou intenzivní procesy, které spotřebovávají velké množství energie spojené s palivy, hnojivy a pesticidy. Kromě toho je výroba živočišných produktů obecně energeticky neefektivní, protože velká část energie z jídla se vynakládá na udržování tělesné stavby (regenerace tkání) a fyziologických procesů (tepelné ztráty), méně na tvorbu struktur. používané v lidské výživě [12].
Ze všech parametrů, které ovlivňují spotřebu energie v živočišné výrobě, jsou nejdůležitější druh zvířat, geografická poloha, agroekologické podmínky a systém produkce.

Paris et al [13] ve vztahu k plemeni a typu (účelu) hospodářských zvířat zjistili, že spotřeba energie se pohybuje od 2,1 do 5,3 MJ/kg na ECM při produkci kravského mléka, 59,2 MJ/kg pro systém produkce krávy a telat, 15,9 MJ/kg až 22,7 MJ/kg v produkci vepřového masa, 9,6 MJ/kg až 19,1 MJ/kg v produkci brojlerů, 20,5 až 3,5 MJ/kg v produkci vajec (obrázek 6).

V metastudii Paris et al [13] dominovala produkce krmiva jako nepřímý energetický vstup (75 % spotřeby) ve všech systémech chovu hospodářských zvířat (EU-27) kromě produkce hovězího masa (tabulka 1). Ustájení a krmení (zejména ve formě elektřiny) a hospodaření s hnojem (zejména s využitím nafty) představují většinu přímé spotřeby energie při produkci hovězího masa. V chovu dojnic tvořilo většinu přímé spotřeby energie dojení, chlazení mléka a ohřev vody. Zde existují rozdíly ve zdrojích energie v závislosti na geografické poloze studie, protože některá místa primárně využívají elektřinu pro určitý účel, zatímco jiná využívají přímo fosilní paliva. Spotřeba elektřiny na čerpání vody, osvětlení a další činnosti se ukázala jako relativně nízká. Podle zahrnutých studií byl energeticky nejnáročnějším výrobním systémem (na kilogram masa) chov skotu, následovaný chovem prasat a drůbeže.

Tabulka 1. Intervaly energetických vstupů (nízké-vysoké) pro nepřímou (krmiva) a přímou spotřebu v různých výrobních systémech (MJ/kg) [13].

Rostoucí intenzifikace zemědělství si v příštích letech vyžádá přeměnu výrobních metod v odvětví živočišné výroby tak, aby přispěly k udržitelnosti životního prostředí, tj. ke snížení emisí škodlivých plynů. To by znamenalo převedení živočišné výroby na alternativní a udržitelnější výrobní technologie založené na ekologických principech a větším využívání obnovitelných zdrojů energie.

Reference

[1] Gerber, P. J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., Falcucci, A., & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock: A global assessment of emissions and mitigation opportunities. Tackling Climate Change through Livestock: A Global Assessment of Emissions and Mitigation Opportunities. https://www.cabdirect.org/cabdirect/abstract/20133417883

[2] Dashboard-old | Global Livestock Environmental Assessment Model (GLEAM) | Food and Agriculture Organization of the United Nations. (n.d.). Retrieved 24 March 2023, from https://www.fao.org/gleam/results/en/

[3] Steinfeld, H., Gerber, P., Wassenaar, T. D., Castel, V., Rosales M., M., & Haan, C. de. (2006). Livestock’s long shadow: Environmental issues and options. Food and Agriculture Organization of the United Nations.

[4] Grossi, G., Goglio, P., Vitali, A., & Williams, A. G. (2019). Livestock and climate change: Impact of livestock on climate and mitigation strategies. Animal Frontiers, 9(1), 69–76. https://doi.org/10.1093/af/vfy034

[5] Zhao, Y., Nan, X., Yang, L., Zheng, S., Jiang, L., & Xiong, B. (2020). A Review of Enteric Methane Emission Measurement Techniques in Ruminants. Animals, 10(6), Article 6. https://doi.org/10.3390/ani10061004

[6] Beauchemin, K. A., McAllister, T. A., & McGinn, S. M. (2009). Dietary mitigation of enteric methane from cattle. CABI Reviews, 2009, 1–18. https://doi.org/10.1079/PAVSNNR20094035

[7] AR5 Synthesis Report: Climate Change 2014 — IPCC. (n.d.). Retrieved 23 March 2023, from https://www.ipcc.ch/report/ar5/syr/

[8] Liu, G. (2012). Greenhouse Gases: Capturing, Utilization and Reduction. BoD – Books on Demand.

[9] Petersen, S. O., Blanchard, M., Chadwick, D., del Prado, A., Edouard, N., Mosquera, J., & Sommer, S. G. (2013). Manure management for greenhouse gas mitigation. Animal, 7, 266–282. https://doi.org/10.1017/S1751731113000736

[10] Johnson, D. E., & Ward, G. M. (1996). Estimates of animal methane emissions. Environmental monitoring and assessment, 42(1-2), 133–141. https://doi.org/10.1007/BF00394046

[11] Beckman, J., Borchers, A., & Jones, C. A. (2013). Agriculture’s Supply and Demand for Energy and Energy Products (SSRN Scholarly Paper No. 2267323). https://doi.org/10.2139/ssrn.2267323

[12] de Visser, C. L. M., de Buisonje, F. E., Ellen, H. H., Stanghellini, C., & van der Voort, M. P. J. (2012). State of the Art on Energy Efficiency in Agriculture, Country data on energy consumption in different agroproduction sectors in the European countries.

[13] Paris, B., Vandorou, F., Tyris, D., Balafoutis, A. T., Vaiopoulos, K., Kyriakarakos, G., Manolakos, D., & Papadakis, G. (2022). Energy Use in the EU Livestock Sector: A Review Recommending Energy Efficiency Measures and Renewable Energy Sources Adoption. Applied Sciences, 12(4), Article 4. https://doi.org/10.3390/app12042142