MEASURING TO REDUCE ENTERIC METHANE: IN VITRO, IN SILICO AND IN VIVO APPROACHES

Enteric methane from ruminants is a potent greenhouse gas and a major contributor to agricultural emissions. This PhD research explored integrative strategies to measure and mitigate enteric methane through a multi-approach framework combining in vivo, in vitro, and in silico methodologies. First, feeding behavior and enteric emissions were evaluated in dairy cows supplemented with 3-nitrooxypropanol (3-NOP), demonstrating significant methane reduction without impairing milk yield or animal health. Second, rumen inocula from 3-NOP-treated and control cows were used to assess fermentation kinetics in vitro, highlighting temporal shifts in gas production, volatile fatty acids profiles, and hydrogen dynamics, particularly during the initial incubation phases. Third, a dynamic mechanistic model of rumen fermentation was applied to 39 total mixed rations representative of Italian dairy systems, identifying biological parameters, such as hydrogen utilization rate and sugar degradation kinetics, linked to nutritional strategies and farm-level energy efficiency. Fourth, a comprehensive screening of Italian Mediterranean macroalgae revealed several species with promising methane mitigating potential and high levels of phenolic and flavonoid compounds, suggesting eco-compatible alternatives to tropical species like Asparagopsis taxiformis. Together, these studies offer a coherent picture of the methane mitigation potential of nutritional strategies, the value of mechanistic modeling for predictive purposes, and the relevance of local biomasses. The integrative methodological approach enhances our understanding of microbial adaptations, hydrogen fluxes, and modeling accuracy, providing decision-support tools for more sustainable ruminant systems in the context of climate change.

Il metano enterico prodotto dai ruminanti rappresenta un potente gas a effetto serra e una delle principali fonti di emissioni del settore agricolo. La presente ricerca di dottorato ha esplorato strategie integrate per la misurazione e la mitigazione del metano enterico attraverso un approccio multi-metodologico che combina studi in vivo, in vitro e in silico con l'ausilio di modelli matematici. In primo luogo, è stato valutato il comportamento alimentare e le emissioni enteriche di vacche da latte alimentate con una razione base e un supplemento di 3-nitrossipropanolo (3-NOP), evidenziando una significativa riduzione della produzione di metano senza effetti negativi sulla produzione di latte o sulla salute animale. In secondo luogo, inoculi ruminali provenienti da bovine trattate con 3-NOP e da animali di controllo sono stati utilizzati per studiare le cinetiche di fermentazione in vitro, mettendo in luce variazioni temporali nella produzione di gas, nei profili di acidi grassi volatili e nelle dinamiche dell’idrogeno, in particolare nelle fasi iniziali dell’incubazione. Il terzo capitolo, si basa sull'utilizzo di un modello meccanicistico dinamico di fermentazione ruminale e la sua applicazione su un dataset contenente dati di fermentazioni ruminali in vitro di 39 unifeed rappresentativi dei sistemi lattiero-caseari italiani, consentendo di identificare parametri biologici – quali la velocità di utilizzo dell’idrogeno e la cinetica di degradazione degli zuccheri – associati a strategie nutrizionali e all’efficienza energetica a livello aziendale. Per ultimo è stato svolto un ampio screening di macro alghe mediterranee italiane nel quale si è potuto evidenziare diverse specie con elevato potenziale mitigante del metano e ricche di composti fenolici e flavonoidi, suggerendo alternative ecocompatibili a specie tropicali come l'Asparagopsis taxiformis. Complessivamente, questi studi forniscono un quadro coerente del potenziale mitigante delle strategie nutrizionali, del valore predittivo della modellizzazione meccanicistica e della rilevanza delle biomasse locali. L’approccio metodologico integrato proposto contribuisce ad approfondire la comprensione delle adattazioni microbiche nel rumine, dei flussi di idrogeno e della precisione modellistica, offrendo strumenti di supporto decisionale per la progettazione di sistemi di allevamento dei ruminanti più sostenibili nel contesto dei cambiamenti climatici.