استخدام النظام الآلي (GreenFeed) لرصد المعوية الميثان وثاني أكسيد الكربون الانبعاثات الناتجة عن الحيوانات المجترة
Summary
Accuracy and precision of the techniques used to measure methane emissions from ruminant animals are critically important for the success of greenhouse gas mitigation efforts. This manuscript describes the principles and operation of an automated system to monitor methane and carbon dioxide mass fluxes from the breath of ruminant animals.
Abstract
الحيوانات المجترة (المستأنسة أو البرية) ينبعث غاز الميثان (CH 4) عن طريق التخمر المعوي في الجهاز الهضمي والتحلل من السماد أثناء التخزين. هذه العمليات هي المصادر الرئيسية لغازات الاحتباس الحراري (الدفيئة) من نظم الإنتاج الحيواني. تقنيات لقياس المعوية CH 4 تختلف من القياسات المباشرة (غرف التنفس، والتي هي دقيقة للغاية، ولكن مع تطبيق محدودة) إلى أساليب مختلفة غير المباشرة (المتشممون، تكنولوجيا الليزر، التي هي عملية، ولكن مع دقة متغير). وسادس فلوريد الكبريت يستخدم (SF 6) طريقة الغاز التتبع عادة لقياس المعوية CH 4 إنتاج علماء الحيوان ومؤخرا، وتطبيق نظام آلي الرأس غرفة (AHCS) (GreenFeed، C للقفل، وشركة، رابيد سيتي، SD)، والذي هو محور هذه التجربة، آخذة في التزايد. AHCS هو نظام آلي لمراقبة CH 4 وثاني أكسيد الكربون (CO 2) تدفقات جماعية منالتنفس من الحيوانات المجترة. في عملية AHCS نموذجية، يتم الاستغناء عن كميات صغيرة من الاصطياد الأعلاف للحيوانات الفردية لاستدراجهم إلى AHCS عدة مرات يوميا. كما يزور الحيوان AHCS، نظام المروحة تسحب الهواء الماضي كمامة الحيوان إلى مشعب السحب، ومن خلال أنابيب جمع الهواء حيث يتم قياس معدلات تدفق الهواء المستمر. يتم ضخ عينة فرعية من الهواء من الأنابيب في أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء غير المشتتة للقياس المستمر لCH 4 و CO 2 تركيزات. وقد أظهرت المقارنات مجال AHCS لغرف التنفس أو SF 6 AHCS أن يؤدي إلى نتائج CH 4 الانبعاثات للتكرار ودقيقة، شريطة أن الزيارات الحيوان إلى AHCS كافية حتى تقديرات الانبعاثات هي ممثلة للإيقاع نهاري من إنتاج الغاز الكرش. هنا، علينا أن نظهر استخدام AHCS لقياس CO 2 و CH 4 تدفقات من الأبقار نظرا لمراقبة النظام الغذائي أو اتباع نظام غذائي تستكمل مع تقنية المستوى جوز الكاجوقذيفة السائل.
Introduction
ويمثل الإنتاج الحيواني مصدرا هاما من مصادر غازات الاحتباس الحراري (الدفيئة) في جميع أنحاء العالم، وتوليد CH 4 وأكسيد النيتروز إما مباشرة (على سبيل المثال، من التخمر المعوي وإدارة السماد) أو غير مباشر (على سبيل المثال، من أنشطة التغذية الإنتاج وتحويل الغابات إلى مراع أو الأراضي الزراعية). تقديرات للمساهمة الثروة الحيوانية في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري العالمي تختلف من حوالي 01-18 يوليو 2٪، وهذا يتوقف على حدود التحليل والأساليب المستخدمة. في الولايات المتحدة، وتمثل الثروة الحيوانية 3.1٪ من إجمالي انبعاثات غازات الدفيئة في 2009 3.
المعوي CH 4 هو أكبر مساهم في انبعاثات غازات الدفيئة من الماشية. ولذلك، علماء الحيوان تركز أبحاثهم على اكتشاف تكنولوجيات التخفيف للحد من المعوية CH 4 الإنتاج من الحيوانات المجترة. في كثير من الحالات، نتائج ذات قيمة علمية مشكوك فيها بسبب عدم كفاية التجريبية تصميم ستقنيات القياس ص 1. وهكذا، فإن دقة وتقنيات القياس خطيرة عناصر هامة في البحوث تخفيف انبعاثات غازات الدفيئة. وقد نشرت مجموعة كبيرة من المؤلفات حول هذا الموضوع في السنوات الأخيرة 4-7. هناك أساليب عدة التي أنشئت لقياس المعوية CH 4 الإنتاج في الحيوانات المجترة، بما في ذلك غرف التنفس (دقيقة للغاية ولكن مع تطبيق محدودة)، والغازات التتبع (سادس فلوريد الكبريت، SF 6)، والرأس غرف. على الرغم من غرف التنفس تعتبر "المعيار الذهبي" لقياس انبعاثات غازات الكرش، العيب الرئيسي منها هو أن عدد الحيوانات في محاكمة عادة محدودا نظرا لعدد محدود من الغرف المتاحة في منشأة بحثية معينة. أكثر التقنيات العملية واستخداما لقياس المعوي إنتاج CH 4 هي طريقة SF الغاز 6 التتبع ومؤخرا، نظام الرأس غرفة الآلي (AHCS، GreenFeed) أن جوCH رصد 4 و CO 2 تدفقات جماعية من التنفس وتجشؤ الغاز المجترات 8. كل من تقنية SF 6 و AHCS تمكين الانبعاثات ليتم تحليلها على عدد كبير من الحيوانات في ظروف الرعي الحرة أو في الحظائر احلرية وربطة عنق المماطلة. تقنية SF 6 تستخدم SF 6 كغاز التتبع، والتي يتم تحريرها بشكل مستمر من أنبوب تخلل إدراجها في الكرش من الحيوانات، وجمع عينة من غازات الزفير، وتحليل الغاز لSF 6: CH 4 النسبة. AHCS هو الآلي، وجها لغرفة نظام النوع الذي يستند أيضا على استخدام الغاز التتبع (البروبان). مقارنة مع أسلوب غرفة التنفس، حيث تقتصر الحيوانات تحت التغذية والسلوك ظروف غير طبيعية، ومع أسلوب التتبع SF 6، الأمر الذي يتطلب المهارات التحليلية الخاصة والمعدات (لجمع الغاز وSF 6 تحليل)، بالإضافة إلى التعامل مع الحيوان واسعة النطاق، AHCS هو غير -intrusive وأقل تكلفةللحصول على وتشغيلها. وتشمل أوجه القصور الرئيسية لAHCS أخذ العينات غير تمثيلية (في التطبيقات، مثل نظم الرعي، حيث تتمتع هذه الحيوانات لزيارة طوعا وحدة) واستخدام الأعلاف الطعم، والتي يمكن أن تمثل ما يصل الى 5٪ من كمية المادة الجافة الحيوان خلال قياس الغاز الحدث. وخلصت التجارب المقارنة الأخيرة التي AHCS تنتج معدلات انبعاث مماثلة لتلك المقدرة باستخدام غرف التنفس أو تقنية 9،10 SF 6.
يتم إنشاء نظام AHCS مستقل حول وحدة التغذية التلقائية قوية يمكن نقله بسهولة باليد أو يمكن تركيبه على مقطورة مجهزة الألواح الشمسية (أو مصادر أخرى للطاقة) لعملية ميدانية مستقلة والسفر لمسافات طويلة. ويشمل النظام نظام الحيوانية تحديد الترددات الراديوية (RFID)، وهو نظام الاصطياد، ونظام مناولة الهواء والقياس، نظام التتبع الغاز والإلكترونيات ونظام الاتصالات، ونظام معالجة البيانات (<قوي الشكل> 1). مزيد من التفاصيل يمكن العثور عليها في وثائق البراءة الأصلية 11.
على سبيل المثال AHCS بروتوكول العملية المبينة أدناه هي لأبقار الألبان يضم في الحظيرة التعادل المماطلة. الإجراء ينطبق على الفئات الأخرى من الماشية (الأبقار غير المرضعات الألبان، العجول، أو الأبقار) الموجودة في مرافق مماثلة. والهدف من هذه التجربة هو للتدليل على مبادئ وتشغيل AHCS لقياس CH 4 و CO 2 انبعاثات من الحيوانات المجترة.
Protocol
Representative Results
Discussion
نظام AHCS يجمع بين عناصر تقنية ديناميكية الضميمة، ونظام الغرفة، وتقنية التتبع لقياس التدفق الجماعي للCH 4 و CO 2. على مدار الأيام، فإنه يجمع عينات متعددة من كل حيوان لتحديد متوسط إجمالي تدفقات كتلة الغاز يوميا. لتحديد حيوان وتسليم المبلغ الصحيح من الطعم، يتم دمج قارئ RFID في AHCS. قراءة علامة RFID حيث يبدأ الحيوان إلى وضع رأسه في وحدة التغذية. حالما يتم التعرف حيوان، AHCS يحدد ما اذا كان يحق له الحصول على مكافأة الطعم في ذلك الوقت محدد من اليوم (الرعي أو تطبيقات خالية من المماطلة الحظيرة). يتم تسجيل وقت البدء والانتهاء من زيارة كل حيوان (تحديدها استنادا إلى أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء) تلقائيا. يستخدم نظام تقديم الطعم لجذب الحيوانات إلى AHCS بشكل دوري طوال اليوم. عادة، يتم pelletized تغذية الاصطياد وربما تحتوي على العشب، والبرسيم، مركزات الحبوب، دبس السكر، والزيت النباتي.في حين أن الحيوان مرة AHCS، مروحة تسحب الهواء فوق رأسه (بمعدل حوالي 26 لتر / دقيقة)، أعمال التجريف المنبعثة CH 4 و CO 2 إلى مشعب السحب الهواء. يتم قياس سرعة تدفق الهواء بشكل مستمر مع شدة الريح الفيلم الساخن في منتصف أنبوب جمع الهواء. يتم استخراج A مستمرة عينة فرعية من الهواء وتوجيهها إلى تصفية عينة الثانوية، ثم إلى قسمين تحليل غير المتشتتة الأشعة تحت الحمراء، وأجهزة الاستشعار واحد لCO 2 واحد لCH 4. يشمل AHCS أيضا أجهزة استشعار إضافية لدرجة حرارة الهواء والرطوبة الجوية، وانخفاض الطعم، نظام الجهد، والضغط الجوي، ومعدل تدفق غاز البروبان، وموقف رئيس. وتشمل المراعي ومقطورة الإصدارات التي شنت لنظم الرعي على مقياس شدة الريح كوب (سرعة الرياح المحلية) ودوارة الرياح (اتجاه الرياح). يتم تخزين كافة بيانات الاستشعار على مسجل البيانات المحلية وجهاز كمبيوتر، مما AHCS لتعمل تلقائيا وبشكل مستقل. يتم تخزين بيانات الاستشعار أيضا على USB قياسي داخلي (الناقل التسلسلي العالمي) عصا الذاكرة. البيانات AHCSيتم نقلها عادة عبر وصلة الإنترنت، مرة كل ساعة، إلى خادم خارجي حيث يتم تسجيل بشكل دائم. يمكن للمستخدمين الاتصال بشبكة الإنترنت مع تسجيل عن بعد في AHCS والسيطرة على حدة، وتعديل جداول الاصطياد، ومراجعة البيانات التاريخية في الوقت الحقيقي، وكذلك مراجعة وظيفة مراقب AHCS.
عموما، والتجارب التي أجريت في جامعة ولاية بنسلفانيا أثبتت أن نظام AHCS يسلم تقديرات موثوقة لCH 4 و CO 2 انبعاثات من الأبقار الموجودة في الحظائر التعادل المماطلة. مزايا AHCS على غرف التنفس هي أن الحيوان لا يقتصر وهو في بيئتها الطبيعية (أي، على المراعي)، أو يمكن أن تتحرك بحرية (في حظيرة خالية من كشك). AHCS هو أيضا أقل تكلفة لبناء من دائرة التنفس التقليدية. هذه التكلفة المنخفضة نسبيا مهمة، ولا سيما بالنسبة للCH 4 البحوث التخفيف في البلدان النامية. مقارنة مع التتبع SF 6طريقة ص، AHCS أبسط لتشغيل ولا تتطلب معدات تحليلية معقدة ومكلفة. ولعل العيب أكثر وضوحا من AHCS، مقارنة مع الدوائر وأساليب SF 6 (وخاصة عند استخدامها في بيئات الرعي أو خالية من المماطلة الحظيرة)، غير أن هذا الحيوان أن نقترب طوعا وحدة، وبالتالي أحداث قياس الغاز تعتمد على الزيارات الحيوان . خلال يوم واحد، قد أو قد لا تكون هذه الزيارات الحيوان ممثل إيقاع نهاري من CH 4 الإنتاج. لذلك، في التطبيقات حيث الزيارات الحيوان AHCS طوعا، ينبغي أن تكون فترة أخذ العينات لفترة كافية أو تكرار عدد كاف من المرات. تطبيق التعادل كشك المستخدمة في جامعة ولاية بنسلفانيا يخفف هذه المشكلة عن طريق التحكم في عدد وتوزيع الزمني للقياسات الغاز خلال دورة التغذية 24 ساعة. أخذ العينات كافية من الغاز تجشؤ خلال دورة التغذية (كما هو مبين في البروتوكول أعلاه) مهمة لrepresentatiلقد تقدير CH 4 الإنتاج في الكرش من الماشية. كمية من العلف الطعم لتغذية الحيوانات خلال القياسات باستخدام AHCS لابد من مراعاتها في التحليل الكلي (أي يجب أن تضاف إلى المبلغ الإجمالي للتغذية التي يستهلكها الحيوان)، لذلك كثافة الانبعاثات لكل وحدة من العلف DMI يمكن أن يكون بدقة المقدرة. في ظل ظروف التغذية الطبيعية، وتغذية الطعم تمثل أقل من 5٪ من DMI الكلي للأبقار الألبان وتأثيرها على التخمر الكرش وCH 4 إنتاج صغير. وتجدر الإشارة إلى أن AHCS (وغيرها من النظم المشابهة) لا يقيس CH 4 الإنتاج في المعى المؤخر الحيوان. التخمير المعى المؤخر، ومع ذلك، يساهم بحوالي 3٪ فقط من إجمالي انبعاثات CH 4 في الحيوانات المجترة 7.
بناء على الخبرة، وهناك العديد من المكونات الهامة لقياس المعوي إنتاج الغاز الكرش باستخدام AHCS: (1) لديه حيوان لتكون معتادا على تغذية الاصطياد (وAHCS) وله رس مثل ذلك من أجل الاقتراب واستخدام وحدة التغذية AHCS، (2) رأس الحيوان لابد من إدراجها على طول الطريق إلى وحدة التغذية من أجل جمع بيانات انبعاثات غازات موثوق بها، (3) إجراء المعايرة AHCS لابد من اتباعها بدقة (4) وجود الوقت الكافي لجمع CH الخلفية 4 و CO 2 البيانات بين أخذ عينات الحيوانات الفردية أمر مهم، خاصة في الحظائر tie- أو خالية من المماطلة، و (5) من المهم أن بيانات كافية يتم جمع في دورة أخذ العينات ( تغطي فترة 24 ساعة) حتى بيانات الانبعاثات الناتجة عن AHCS هي ممثلة للCH نهاري الفعلي 4 أو CO 2 الانبعاثات بنسبة الحيوان.
اختبارات المقارنة مع AHCS مقابل تقنيات CH 4 قياس أنشأت تدعم الاستنتاجات الواردة أعلاه. على سبيل المثال، خلصت دراسة مع تزايد العجول الألبان التي AHCS كان قادرا على تقدير CH 4 الانبعاثات من تقديرات الثروة الحيوانية والانبعاثات الناتجة عن AHCS كانت قابلة للمقارنةإلى القيم التي تم الحصول عليها عن طريق غرف التنفس 9. وأشار هؤلاء المؤلفين إلى أن نشر وحدات AHCS ويجب أن تدرس بعناية تكرار لضمان أعداد كافية من يتم الحصول على القياسات. على أساس الخبرة، 8 أحداث أخذ العينات، ومتداخلة لمدة 3 أيام لتغطية دورة التغذية 24 ساعة (انظر بروتوكول أعلاه) كافية للحصول على قياسات دقيقة للانبعاثات الغازية وتغير منخفضة نسبيا في البيانات (أي دقة مقبولة). في دراسة مع الأبقار المرضعات الألبان، وخلص إلى أن CH 4 انبعاثات يقاس AHCS كانت مشابهة لقيم الأدب المستمدة من غرف التنفس وبين تقلب الحيوان (CV من 11 إلى 12٪، التكرار من 0،64-0،81) كان أيضا ضمن مجموعة أبلغ عن غرف التنفس 10. في دراسة نشرت مؤخرا مع الأبقار المرضعات، أنتجت AHCS السيرة الذاتية أصغر من طريقة SF 6 (14،1-22،4٪ مقابل 16،0 حتي 111٪ لSF 6) 13 </سوب>. في تجربة لمدة 12 أسبوعا أجريت في جامعة ولاية بنسلفانيا مع 48 بقرة حلوب المرضعات، والتي الكرش CH 4 إنتاج ومستعمل بنسبة 30٪ (P <0.001)، استنتجنا أن AHCS وطريقة SF 6 أسفرت عن نتائج مماثلة الانبعاثات CH 4 : 319-481 غرام / البقرة يوميا (يعني = 374 ز / د، SEM = 15.9؛ CV = 13٪) و345-485 غرام / البقرة يوميا (يعني = 396 ز / د، SEM = 29.8؛ CV = 23 ٪) لAHCS وSF 6 على التوالي 14.
في الختام، ودقيقة، ولكن التقنيات العملية لقياس CH 4 الإنتاج في الكرش هي ذات أهمية حاسمة لنجاح جهود التخفيف من غازات الدفيئة. AHCS هو نظام قياس الغاز الآلية التي ثبت لتقديم تقديرات موثوقة ودقيقة لCH المعوي 4 و CO 2 انبعاثات من لحوم البقر ومنتجات الألبان الماشية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank the staff of the Department of Animal Science’s Dairy Center for their conscientious care of the experimental cows used to generate data for this study.
Materials
| AHCS | 1 | C-Lock, Inc. | |
| Zero, 100 N2 | 1 | Air Liquide | 4 m3 sized tanks filled with 13,790 kPa |
| Span, 0.15% CH4 and 1% CO2 | 1 | Air Liquide | 4 m3 sized tanks filled with 13,790 kPa |
| Gas sampling bag | 2 | SKC, Inc. | FlexFoil® PLUS Breath-gas analysis bags |
| Gas regulator | 2 | Scott Gasses | |
| CO2 cylinder | 6 | JT | 90 g CO2 tanks |
| Mass scale | 1 | A&D EJ6100 | > 4 kg, with 0.1 g resolution |
| Propane cylinder 485 mL | 1 | Coleman | |
| ISO 11784/11785 button ear tag | 40 | Allflex USA | One tag per animal |
| Alleyway (for free-stalls, tie-stalls) | 2 | Behlen Country | One alleyway per unit |
| 30 m AC extension cord | 1 | HDX | |
| A container with warm water (37-43°C) | 1 | N/A | |
| Stopwatch (sec) | 1 | N/A |
References
- Hristov, A. N., Gerber, P. J., Henderson, B., Makkar, P. S., et al. . Mitigation of greenhouse gas emissions in livestock production – A review of technical options for non-CO2 emissions. , (2013).
- Steinfeld, H., et al. . Livestock’s long shadow – Environmental issues and options. , (2006).
- . . Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990-2009. , (2011).
- Makkar, H. P. S., Vercoe, P. . Quantification of methane emission from ruminants, FAO/IAEA Publication. , 138 (2007).
- Williams, S. R. O., et al. Background matters with the SF6 tracer method for estimating enteric methane emissions from dairy cows: A critical evaluation of the SF6 procedure. Anim. Feed Sci. Technol. 170 (3-4), 265-276 (2011).
- Storm, I. M. L. D., Hellwing, A. L. F., Nielsen, N. I., Madsen, J. Methods for measuring and estimating methane emission from ruminants. Animals. 2, 160-183 (2012).
- Hristov, A. N., et al. Mitigation of methane and nitrous oxide emissions from animal operations: I. A review of enteric methane mitigation options. J. Anim. Sci. 91 (9), 5045-5069 (2013).
- Zimmerman, P., Zimmerman, S., Utsumi, S., Beede, D. Development of a user-friendly online system to quantitatively measure metabolic gas fluxes from ruminants. J. Dairy Sci. 94, 760 (2011).
- Hammond, K. J., et al. Methane emissions from growing dairy heifers estimated using an automated head chamber (GreenFeed) compared to respiration chambers or SF6 techniques. Adv. Anim. Biosci. 4 (Pt 2), 391 (2013).
- Huhtanen, P., Krizsan, S., Cabezas Garcia, E. H., Hetta, M., Gidlund, H. Repeatability and between cow variability of enteric CH4 and total CO2 emissions. Adv. Anim. Biosci. 4 (Pt 2), 588 (2013).
- Zimmerman, P. Method and system for monitoring and reducing ruminant methane production. US patent. , (2011).
- Branco, A. F., et al. Effect of technical cashew nut shell liquid on rumen methane production and lactation performance of dairy cows. J. Dairy Sci. 98, 4030-4040 (2015).
- Dorich, C. D., et al. Short communication: Use of a portable automated opencircuit gas quantification system and the sulfur hexafluoride tracer technique for measuring enteric methane emissions in Holstein cows fed ad libitum or restricted. J. Dairy Sci. 98, 2676-2681 (2015).
- Hristov, A. N., et al. An inhibitor persistently decreased enteric methane emission from dairy cows with no negative effect on milk production. Proc Nat Acad Sci USA. , (2015).
