Использование автоматизированной системы (GreenFeed) для мониторинга Кишечная метана и диоксида углерода выбросов из жвачных животных
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
Жвачных животных (домашних или диких) выделяют метан (CH 4) посредством кишечной ферментации в их желудочно-кишечном тракте и от разложения навоза во время хранения. Эти процессы являются основными источниками выбросов из систем животноводства парниковых газов (ПГ). Методы измерения кишечно CH 4 варьируются от прямых измерений (дыхание камер, которые с высокой точностью, но с ограниченной применимости) для различных косвенных методов (снифферы, лазерной технологии, которые практично, но с переменным точности). Гексафторид серы (SF 6) метод меченых атомов газа обычно используется для измерения в кишечнике CH 4 производство учеными животных и в последнее время, применение Автоматизированной системы Head-камерного (ЩГК) (GreenFeed, C-Lock, Inc., Рапид-Сити, SD), который находится в центре внимания этого эксперимента, растет. ЩГК является автоматизированная система для мониторинга CH 4 и диоксид углерода (СО 2) массовые потоки отДыхание жвачных животных. В типичной операции ЩГК, в небольших количествах травля канал распределяют на отдельных животных, чтобы заманить их в ЩГК несколько раз в день. Как посещает животное ЩГК, система вентилятор тянет воздух мимо морды животного во впускной коллектор, а через сбора воздуха трубы, где непрерывные расход воздуха измеряются. К югу от образца воздуха выкачивается из трубы в недиспергирующих инфракрасных датчиков для непрерывного измерения СН 4 и СО 2 концентрациях. Полевые сравнения ЩГК к дыхания камер или SF 6, показали, что ЩГК производит повторяющиеся и точные результаты СН 4 выбросов, при условии, что визиты животных в ЩГК являются достаточными, чтобы оценки выбросов представитель суточного ритма производства рубца газа. Здесь мы демонстрируем использование ЩГК для измерения CO 2 и CH 4 потоков от молочных коров, приведенных в контрольную диету или диету с добавлением ореха кешью технического качестваоболочки жидкости.
Introduction
Животноводство представляет собой значительный источник выбросов по всему миру парниковых газов (ПГ), генерации CH 4 и закись азота либо напрямую (например, от кишечной ферментации и навоза) или косвенно (например, из корма-производственной деятельности и превращения лесов в пастбища или пахотные земли). Оценки вклада животноводства в глобальной эмиссии ПГ варьировать от приблизительно 7 1 до 18% 2, в зависимости от границ анализа и используемых методов. В Соединенных Штатах, сельскохозяйственные животные представлены 3,1% от общего объема выбросов парниковых газов в 2009 году 3.
Кишечная СН 4 является крупнейшим источником выбросов парниковых газов от животноводства. Таким образом, ученые животных сосредоточили свои исследования по выявлению технологии смягчения для снижения Enteric СН 4 от производства жвачных животных. Во многих случаях, результаты сомнительной научной ценности из-за недостаточного экспериментального проектирования OМетоды измерения R 1. Таким образом, точность и точность методов измерения критически важными компонентами исследования по сокращению выбросов ПГ. Большое количество литературы было опубликовано на эту тему в последние годы 4-7. Есть несколько подходов, установленные для измерения Enteric СН 4 жвачных животных в производство, в том числе дыхания камер (высокой точности, но с ограниченной применимости), трассирующих газов (гексафторида серы; SF 6), и штаб-камер. Хотя дыхание камеры считаются "золотым стандартом" для измерения выбросов газов рубца, их основным недостатком является то, что количество животных на суде, как правило, ограничены из-за ограниченного числа камер, доступных на конкретной научно-исследовательский центр. Наиболее практичным и широко используемые методы измерения кишечно СН 4 производства являются метод газа 6 трассирующими СФ и в последнее время, система Head-камера Автоматизированная (ЩГК, GreenFeed), что сМонитор СН 4 и СО 2 массовые потоки от дыхания и отрыжка газа жвачных 8. И SF 6 и техника ЩГК включить выбросы должны быть проанализированы на большом количестве животных в условиях свободного выпаса или в свободно-и галстук-коровниках. СФ 6 техника использует SF 6 в качестве индикаторного газа, который непрерывно освобождается от проникающей трубку, вставленную в рубце животного, сбор образца выдыхаемого газов, и анализ газа на SF 6: CH соотношение 4. ЩГК является автоматизированным, головной камера тип системы, которая также основана на использовании индикаторного газа (пропан). По сравнению с методом дыхания камеры, где животные ограничены в ненормальных кормления и поведения условий, и с методом SF 6 индикаторного, который требует специальных аналитических навыков и оборудования (для сбора газа и SF 6 анализа), а также обширной обработки животных, ЩГК не является -intrusive и дешевлеприобретать и работать. Основные недостатки ЩГК включают нерепрезентативных выборки (в приложениях, таких как системы выпаса, где животные должны добровольно посетить устройство) и использование приманки, корма, которые могли бы представлять до 5% от потребления сухого вещества животного во время измерения газа события. Последние сравнительные эксперименты пришли к выводу, что ЩГК производит уровня выбросов, сопоставимые с теми, оценивается с помощью дыхания камеры или технику 9,10 SF 6.
Система ЩГК автономный строится вокруг надежной автоматической подачи, которая легко транспортируется вручную или может быть установлен с прицепом, оборудованным с солнечными панелями (или других источников питания) для автономной работы на местах и дальних путешествий. Система включает в себя животных Радиочастотная система идентификации (RFID), системы травли, в вентиляционное и системы измерения, системы индикаторного газа, электроники и систему связи, и систему обработки данных (<сильный> Рисунок 1). Более подробную информацию можно найти в оригинальной патентной документации 11.
Пример ЩГК операция протокол, описанный ниже для дойных коров, размещенных в тай-стойловый сарай. Эта процедура применима к другим категориям скота (не кормящих молочных коров, нетелей, или крупного рогатого скота), размещенных на аналогичных установках. Целью этого эксперимента является демонстрация принципов и эксплуатации ЩГК для измерения СН 4 и СО 2 выбросы от жвачных животных.
Protocol
Representative Results
Discussion
Система ЩГК сочетает в себе элементы динамической техники корпуса, системы камеры, и техники для измерения индикаторного массовых потоков СН 4 и СО 2. В течение суток, он собирает несколько образцов от каждого животного, чтобы определить среднюю полные потоки массовых ежедневно газа. Для идентификации животных и доставить правильное количество прикормки, считыватель RFID включена в ЩГК. Тег RFID читается как животное начинает размещать свою голову в податчик. После того, как животное идентифицируется, ЩГК определяет, если он имеет право на получение вознаграждения приманки в то определенное время дня (выпаса скота или свободной кабина сарай приложения). Начало и конец время визита каждого животного (определяется на основе инфракрасных датчиков) автоматически записывается. Система доставки приманки используется для привлечения животных ЩГК периодически в течение дня. Как правило, подача травля гранулируют и могут содержать травы, люцерны, концентраты зерна, мелассы, и растительное масло.То время как, посещения животных ЩГК, вентилятор тянет воздух над головой (со скоростью около 26 л / мин), подметание, излучаемый CH 4 и CO 2 в воздухозаборник коллектора. Скорость потока воздуха постоянно измеряется с горячей пленки анемометра в середине сбора воздуха трубы. Непрерывный подвыборка воздуха извлекается и направляется во вторичный фильтр образца, затем в двух недисперсионный Инфракрасные анализаторы, одного датчика для CO 2 и один для CH 4. ЩГК также включает в себя дополнительные датчики для температуры воздуха, влажности воздуха, падение приманки, напряжения системы, атмосферного давления, скорости потока пропана, и положение головы. Пастбищные и прицепные версии для систем выпаса включают чашки анемометра (локальный скорость ветра) и флюгер (направление ветра). Все данные датчика хранятся на локальном регистраторе данных и компьютером, позволяя ЩГК автоматически и независимо функционировать. Данные датчиков также хранятся на внутренней стандартной USB (Universal Serial Bus) флэш-памяти. Данные ЩГКкак правило, передается через интернет-связь, один раз в час, на внешний сервер, где они постоянно зарегистрированы. Люди с подключением к Интернету могут удаленно войти в ЩГК и управлять устройством, изменение графиков травли, и рассмотреть исторические и данных в реальном времени, а также обзор и контролировать функцию ЩГК.
В целом, эксперименты, проведенные на государственном университете Пенсильвании показали, что система поставляет надежные ЩГК оценки CH 4 и CO 2 выбросов от молочных коров, размещенных в тай-коровниках. Преимущества ЩГК более дыхания камер, что животное не ограничивается, и в своей естественной среде (т.е.., На пастбище), или может свободно перемещаться (в свободной от опрокидывания амбаре). ЩГК также дешевле построить, чем традиционные дыхательной камере. Это относительно низкая стоимость является важным, особенно для СН 4 исследований по смягчению последствий в развивающихся странах. По сравнению с SF 6 следг метод ЩГК проще в эксплуатации и не требует сложного и дорогостоящего аналитического оборудования. Возможно, наиболее очевидным недостатком ЩГК, по сравнению с камерами и SF 6 методов (в частности, при использовании в выпас или свободной кабина сарай сред), является то, что животное имеет добровольно подойти устройство и, следовательно, события измерения газа зависят от посещений животных , В течение дня, эти визиты животных могут быть или не быть представителем суточного ритма СН 4 производства. Таким образом, в тех случаях, когда визиты животных ЩГК добровольно, период дискретизации должна быть достаточно длинной, или повторяется достаточное количество раз. Галстук-кабина приложение используется в Университете штата Пенсильвания снимает эту проблему путем контроля количества и временного распределения измерений газа в течение 24 ч цикла кормления. Достаточное выборки отрыжка газа во время цикла подачи (как показано в приведенном выше протоколе) имеет важное значение для representatiве оценку СН 4 производства в рубце крупного рогатого скота. Количество приманки подачи подается на животных в процессе измерений с использованием ЩГК следует рассматривать в общем анализе (например, должны быть добавлены к общему количеству корма, потребляемого животного), так что интенсивность излучения на единицу корма DMI может быть точно По оценкам. При нормальных условиях кормления, то приманка составляет менее 5% от общего DMI из молочных коров и его влияние на рубце брожения и СН 4 производство мало. Он отметил, что ЩГК (и другие подобные системы) не измерить СН 4 производство в кишке животного. Кишки брожения, однако, вносит лишь около 3% от общего объема выбросов СН 4 в жвачных животных 7.
Основываясь на опыте, есть несколько важных компонентов измерения производства кишечно рубца газа, используя ЩГК: (1) животное должно быть приучены к корму наживления (и ЩГК) и имеет тО, как это для того, чтобы приблизиться к и использовать подачи ЩГК (2) голова животного должна быть вставлена полностью в податчик для того, чтобы собрать достоверные данные о выбросах газа, (3) процедура калибровки ЩГК должен строго следовать (4), достаточно времени, чтобы собрать фоне СН 4 и СО 2 данных между выборки отдельных животных важно, особенно в привязывайте или свободной коровниках, и (5), важно, что достаточно данных собраны в цикле выборки ( охватывающий период 24 ч), так что данные о выбросах, порожденные ЩГК представляют фактического суточного CH 4 или CO 2, выбросы животным.
Сравнительные испытания с ЩГК против установленных методов измерения СН 4 поддерживают выше выводы. Например, исследование, с ростом молочных телок к выводу, что ЩГК был способен оценить выбросы СН 4 от скота и выбросов оценок, порожденных ЩГК были сопоставимыдо значений, полученных при дыхании камер 9. Эти авторы отметили, что развертывание подразделений ЩГК и репликация должна быть тщательно продумана, чтобы обеспечить достаточное количество измерений получены. Основываясь на опыте, 8 события выборки, в шахматном порядке в течение 3-дневный срок, чтобы покрыть цикл подачи 24 ч (см протокол выше) являются достаточными для получения точных измерений газообразных выбросов и относительно низкое изменчивость данных (т.е., приемлемой точности). В исследовании с дойных коров, был сделан вывод, что выбросы CH 4, измеренные ЩГК были похожи на литературных значений, полученных из дыхательных камерах и между изменчивостью животных (CV от 11 до 12%; повторяемость 0,64 0,81) также в пределах Диапазон сообщалось дыхания камер 10. В недавно опубликованном исследовании с кормящих коров, ЩГК производится меньше, чем резюме метода SF 6 (14,1 до 22,4% против 16,0% в 111 для SF 6) 13 </SUP>. В 12-недельного эксперимента, проведенного в Университете штата Пенсильвания с 48 кормящих молочных коров, в которых рубца СН 4 производство было запрещено на 30% (P <0,001), мы пришли к выводу, что ЩГК и метод SF 6 производится подобные СН 4 результаты выбросов : 319, чтобы 481 г / корову в день (среднее = 374 г / день; SEM = 15,9; CV = 13%) и 345 с 485 г / корову в день (среднее = 396 г / день; SEM = 29,8; CV = 23 %) для ЩГК и SF 6, соответственно 14.
В заключение, точно, но практических методов для измерения СН 4 производства в рубце являются критически важными для успеха усилий по смягчению последствий ПГ. ЩГК является автоматизированная система измерения газа, что было доказано, чтобы доставить надежные и точные оценки кишечной CH 4 и СО 2 выбросы от мясного и молочного крупного рогатого скота.
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).
