• Energy Research

Efficient conversion of lignocellulosic biomass to fermentable sugars requires the synergistic action of multiple enzymes; consequently enzyme mixtures must be properly formulated for effective hydrolysis. The nature of an optimal enzyme blends depends on the type of pretreatment employed as well the characteristics of the substrate. In this study, statistical experimental design was used to develop mixtures of recombinant glycosyl hydrolases from thermophilic and anaerobic fungi that enhanced the digestion of alkaline peroxide treated alfalfa hay and barley straw by mixed rumen enzymes as well as commercial cellulases (Accelerase 1500, A1500; Accelerase XC, AXC).Combinations of feruloyl and acetyl xylan esterases (FAE1a; AXE16A_ASPNG), endoglucanase GH7 (EGL7A_THITE) and polygalacturonase (PGA28A_ASPNG) with rumen enzymes improved straw digestion. Inclusion of pectinase (PGA28A_ASPNG), endoxylanase (XYN11A_THITE), feruloyl esterase (FAE1a) and β-glucosidase (E-BGLUC) with A1500 or endoglucanase GH7 (EGL7A_THITE) and β-xylosidase (E-BXSRB) with AXC increased glucose release from alfalfa hay. Glucose yield from straw was improved when FAE1a and endoglucanase GH7 (EGL7A_THITE) were added to A1500, while FAE1a and AXE16A_ASPNG enhanced the activity of AXC on straw. Xylose release from alfalfa hay was augmented by supplementing A1500 with E-BGLUC, or AXC with EGL7A_THITE and XYN11A_THITE. Adding arabinofuranosidase (ABF54B_ASPNG) and esterases (AXE16A_ASPNG; AXE16B_ASPNG) to A1500, or FAE1a and AXE16A_ASPNG to AXC enhanced xylose release from barley straw, a response confirmed in a scaled up assay.The efficacy of commercial enzyme mixtures as well as mixed enzymes from the rumen was improved through formulation with synergetic recombinant enzymes. This approach reliably identified supplemental enzymes that enhanced sugar release from alkaline pretreated alfalfa hay and barley straw.

Bioaugmentation with an anaerobic fungus, Piromyces rhizinflata YM600, was evaluated in an anaerobic two-stage system digesting corn silage and cattail. Comparable methane yields of 328.8±16.8mLg(-1)VS and 295.4±14.5mLg(-1)VS and hydrogen yields of 59.4±4.1mLg(-1)VS and 55.6±6.7mLg(-1)VS were obtained for unaugmented and bioaugmented corn silage, respectively. Similar CH4 yields of 101.0±4.8mLg(-1)VS and 104±19.1mLg(-1)VS and a low H2 yield (<1mLg(-1)VS) were obtained for unaugmented and bioaugmented cattail, respectively. However, bioaugmentation resulted in an initial increase in CH4 and H2 production rates and also increased volatile fatty acid degradation rate for both substrates. Our study demonstrates the potential of bioaugmentation with anaerobic fungus for improving the digestibility of lignocellulose substrates for biogas and biohydrogen production.

Anaerobic fungi produce extracellular hydrolytic enzymes that facilitate degradation of cellulose and hemicellulose in ruminants. The purpose of this work was to study the impact of three different anaerobic fungal species (Anaeromyces mucronatus YE505, Neocallimastix frontalis 27, and Piromyces rhizinflatus YM600) on hydrolysis of two different lignocellulosic substrates, corn (Zea mays L.) silage and reed (Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud.). Biomass from each plant species was incubated anaerobically for 11 days either in the presence of live fungal inoculum or with heat-inactivated (control) inoculum. Headspace gas composition, dry matter loss, soluble chemical oxygen demand, concentration of volatile fatty acids, and chemical composition were measured before and after hydrolysis. While some microbial activity was observed, inoculation with anaerobic fungi did not result in any significant difference in the degradation of either type of plant biomass tested, likely due to low fungal activity or survival under the experimental conditions tested. While the premise of utilizing the unique biological activities of anaerobic fungi for biotechnology applications remains promising, further research on optimizing culturing and process conditions is necessary.

The beef sector is working towards continually improving its sustainability in order to achieve environmentally, socially and economically desirable outcomes, all of which are of increasing concern to consumers. In this context, the Global Roundtable for Sustainable Beef (GRSB) provides guidance to advance the sustainability of the beef industry, through increased stakeholder engagement and the formation of national roundtables. Recently, the 2nd Global Conference on Sustainable Beef took place in Banff, Alberta, Canada, hosted by the GRSB and the Canadian Roundtable for Sustainable Beef. Conference attendees discussed the various initiatives that are being developed to address aspects of beef sustainability. This paper reviews the main discussions that occurred during this event, along with the key lessons learned, messages, and strategies that were proposed to improve the sustainability of the global beef industry.

Use of productivity-enhancing technologies (PET: growth hormones, ionophores, and beta-adrenergic agonists) to improve productivity has recently garnered public attention regarding environmentally sustainability, animal welfare, and human health. These consumer perceptions and increased demand for PET-free beef offer opportunities for the beef industry to target niche premium markets, domestically and internationally. However, there is a need to critically examine the trade-offs and benefits of beef raised with and without the use of PETs. This review contains a summary of the current literature regarding PET products available. The implications of their use on resource utilization, food safety and security, as well as animal health and welfare are discussed. Furthermore, we identified gaps in knowledge and future research questions related to the sustainability of these technologies in beef production systems. This work highlights the tradeoffs between environmental sustainability of beef and supplying the dietary needs of a growing population.

Globally, methane emissions account for 40–45% of greenhouse gas emissions from ruminant livestock, with over 90% of these emissions arising from enteric fermentation. Consequently, enteric CH4 emi...

Le bétail ruminant est une source importante de méthane anthropique (CH4). La diminution des émissions de CH4 entérique provenant de la production de ruminants est stratégique pour limiter l'augmentation de la température mondiale à 1,5 °C d'ici 2050. La recherche dans le domaine de l'atténuation du CH4 entérique a connu une croissance exponentielle au cours des deux dernières décennies, diverses stratégies de réduction du CH4 entérique étant à l'étude : intensification de la production, manipulation alimentaire (y compris la supplémentation et le traitement des concentrés et des lipides, et la gestion du fourrage et des pâturages), manipulation du rumen (supplémentation en ionophores, 3-nitrooxypropanol, macroalgues, accepteurs d'électrons alternatifs et phytochimiques) et sélection d'animaux à faible teneur en CH4. D'autres stratégies d'atténuation du CH4 entérique en sont aux premiers stades de la recherche, mais se développent rapidement. Ici, nous discutons et analysons l'état actuel des stratégies d'atténuation du CH4 entérique disponibles en mettant l'accent sur les opportunités et les obstacles à leur mise en œuvre dans les systèmes de production de pâturage confinés et partiels, et dans les systèmes de production de pâturage étendus et complets. Pour chaque stratégie d'atténuation du CH4 entérique, nous discutons de son efficacité à réduire les émissions totales de CH4 et les émissions par produit animal, des problèmes de sécurité, des impacts sur les émissions d'autres gaz à effet de serre, ainsi que d'autres aspects économiques, réglementaires et sociétaux qui sont essentiels à la mise en œuvre. La plupart des recherches ont été menées avec des animaux confinés, et beaucoup plus de recherches sont nécessaires pour développer, adapter et évaluer des stratégies antiméthanogènes pour les systèmes de pâturage. En général, peu d'options sont actuellement disponibles pour les systèmes de production extensifs sans supplémentation alimentaire. La recherche et le développement continus sont nécessaires pour développer des stratégies d'atténuation du CH4 entérique qui sont applicables localement. Des informations sont nécessaires pour calculer l'empreinte carbone des interventions sur une base régionale afin d'évaluer l'impact des stratégies d'atténuation sur les émissions nettes de gaz à effet de serre. Des solutions d'atténuation du CH4 entérique économiquement abordables sont nécessaires de toute urgence. La mise en œuvre réussie de stratégies antiméthanogènes sûres et efficaces nécessitera également des mécanismes de livraison et un soutien technique adéquat pour les producteurs, ainsi que la participation et l'acceptation des consommateurs. Les paramètres les plus appropriés doivent être utilisés pour quantifier les résultats climatiques globaux associés à l'atténuation des émissions entériques de CH4. Une approche holistique est nécessaire, et l'adhésion est nécessaire à tous les niveaux de la chaîne d'approvisionnement. El ganado rumiante es una fuente importante de metano antropogénico (CH4). Disminuir las emisiones de CH4 entérico de la producción de rumiantes es estratégico para limitar el aumento de la temperatura global a 1,5 °C para 2050. La investigación en el área de la mitigación entérica de CH4 ha crecido exponencialmente en las últimas 2 décadas, y se están investigando diversas estrategias para la reducción entérica de CH4: intensificación de la producción, manipulación dietética (incluida la suplementación y el procesamiento de concentrados y lípidos, y el manejo de forrajes y pastos), manipulación del rumen (suplementación de ionóforos, 3-nitrooxipropanol, macroalgas, aceptores de electrones alternativos y fitoquímicos) y selección de animales con baja producción de CH4. Otras estrategias entéricas de mitigación de CH4 se encuentran en etapas más tempranas de investigación, pero se están desarrollando rápidamente. En este documento, discutimos y analizamos el estado actual de las estrategias de mitigación entérica de CH4 disponibles con énfasis en las oportunidades y barreras para su implementación en sistemas de producción de pastoreo confinado y parcial, y en sistemas de producción extensiva y de pastoreo completo. Para cada estrategia entérica de mitigación de CH4, discutimos su efectividad para disminuir las emisiones totales de CH4 y las emisiones por producto animal, los problemas de seguridad, los impactos en las emisiones de otros gases de efecto invernadero, así como otros aspectos económicos, regulatorios y sociales que son clave para la implementación. La mayoría de las investigaciones se han realizado con animales confinados, y se necesita mucha más investigación para desarrollar, adaptar y evaluar estrategias antimetanogénicas para los sistemas de pastoreo. En general, actualmente hay pocas opciones disponibles para sistemas de producción extensivos sin suplementos alimenticios. Se necesita investigación y desarrollo continuos para desarrollar estrategias entéricas de mitigación de CH4 que sean aplicables localmente. Se necesita información para calcular la huella de carbono de las intervenciones a nivel regional para evaluar el impacto de las estrategias de mitigación en las emisiones netas de gases de efecto invernadero. Se necesitan con urgencia soluciones de mitigación de CH4 entéricas económicamente asequibles. La implementación exitosa de estrategias antimetanogénicas seguras y efectivas también requerirá mecanismos de entrega y apoyo técnico adecuado para los productores, así como la participación y aceptación de los consumidores. Se deben utilizar las métricas más apropiadas para cuantificar los resultados climáticos generales asociados con la mitigación de las emisiones entéricas de CH4. Se requiere un enfoque holístico y la aceptación es necesaria en todos los niveles de la cadena de suministro. Ruminant livestock are an important source of anthropogenic methane (CH4). Decreasing the emissions of enteric CH4 from ruminant production is strategic to limit the global temperature increase to 1.5°C by 2050. Research in the area of enteric CH4 mitigation has grown exponentially in the last 2 decades, with various strategies for enteric CH4 abatement being investigated: production intensification, dietary manipulation (including supplementation and processing of concentrates and lipids, and management of forage and pastures), rumen manipulation (supplementation of ionophores, 3-nitrooxypropanol, macroalgae, alternative electron acceptors, and phytochemicals), and selection of low-CH4-producing animals. Other enteric CH4 mitigation strategies are at earlier stages of research but rapidly developing. Herein, we discuss and analyze the current status of available enteric CH4 mitigation strategies with an emphasis on opportunities and barriers to their implementation in confined and partial grazing production systems, and in extensive and fully grazing production systems. For each enteric CH4 mitigation strategy, we discuss its effectiveness to decrease total CH4 emissions and emissions on a per animal product basis, safety issues, impacts on the emissions of other greenhouse gases, as well as other economic, regulatory, and societal aspects that are key to implementation. Most research has been conducted with confined animals, and considerably more research is needed to develop, adapt, and evaluate antimethanogenic strategies for grazing systems. In general, few options are currently available for extensive production systems without feed supplementation. Continuous research and development are needed to develop enteric CH4 mitigation strategies that are locally applicable. Information is needed to calculate carbon footprints of interventions on a regional basis to evaluate the impact of mitigation strategies on net greenhouse gas emissions. Economically affordable enteric CH4 mitigation solutions are urgently needed. Successful implementation of safe and effective antimethanogenic strategies will also require delivery mechanisms and adequate technical support for producers, as well as consumer involvement and acceptance. The most appropriate metrics should be used in quantifying the overall climate outcomes associated with mitigation of enteric CH4 emissions. A holistic approach is required, and buy-in is needed at all levels of the supply chain. تعد الثروة الحيوانية المجترة مصدرًا مهمًا للميثان البشري المنشأ (CH4). يعد خفض انبعاثات الميثان المعوي من إنتاج الحيوانات المجترة أمرًا استراتيجيًا للحد من زيادة درجة الحرارة العالمية إلى 1.5 درجة مئوية بحلول عام 2050. نمت الأبحاث في مجال التخفيف المعوي للميثان بشكل كبير في العقدين الماضيين، مع التحقيق في استراتيجيات مختلفة للتخفيف المعوي للميثان: تكثيف الإنتاج، والتلاعب الغذائي (بما في ذلك مكملات ومعالجة المركزات والدهون، وإدارة العلف والمراعي)، والتلاعب في الكرش (مكملات الحاملات الأيونية، و 3 -نيترو أكسي بروبانول، والطحالب الكبيرة، ومستقبلات الإلكترون البديلة، والمواد الكيميائية النباتية)، واختيار الحيوانات المنتجة للميثان المنخفض. لا تزال استراتيجيات التخفيف المعوية الأخرى للميثان في مراحل مبكرة من البحث ولكنها تتطور بسرعة. هنا، نناقش ونحلل الوضع الحالي لاستراتيجيات التخفيف من الميثان المعوي المتاحة مع التركيز على الفرص والعقبات التي تحول دون تنفيذها في أنظمة إنتاج الرعي المحصورة والجزئية، وفي أنظمة إنتاج الرعي المكثفة والكاملة. بالنسبة لكل استراتيجية تخفيف معوية للميثان، نناقش فعاليتها في تقليل إجمالي انبعاثات الميثان وانبعاثاته على أساس كل منتج حيواني، وقضايا السلامة، والتأثيرات على انبعاثات غازات الدفيئة الأخرى، بالإضافة إلى الجوانب الاقتصادية والتنظيمية والمجتمعية الأخرى التي تعتبر أساسية للتنفيذ. وقد أجريت معظم البحوث على الحيوانات المحصورة، وهناك حاجة إلى مزيد من البحوث لتطوير وتكييف وتقييم استراتيجيات مضادة للميثانوجين لأنظمة الرعي. بشكل عام، هناك عدد قليل من الخيارات المتاحة حاليًا لأنظمة الإنتاج المكثفة بدون مكملات الأعلاف. هناك حاجة إلى البحث والتطوير المستمرين لتطوير استراتيجيات التخفيف المعوية للميثان القابلة للتطبيق محليًا. هناك حاجة إلى معلومات لحساب البصمة الكربونية للتدخلات على أساس إقليمي لتقييم تأثير استراتيجيات التخفيف على صافي انبعاثات غازات الدفيئة. هناك حاجة ماسة إلى حلول تخفيف غاز الميثان المعوي ميسورة التكلفة اقتصاديًا. سيتطلب التنفيذ الناجح لاستراتيجيات آمنة وفعالة مضادة للميثان أيضًا آليات تسليم ودعمًا تقنيًا كافيًا للمنتجين، بالإضافة إلى مشاركة المستهلك وقبوله. يجب استخدام المقاييس الأكثر ملاءمة في تحديد النتائج المناخية العامة المرتبطة بالتخفيف من انبعاثات الميثان المعوي. هناك حاجة إلى نهج شامل، وهناك حاجة إلى المشاركة على جميع مستويات سلسلة التوريد.