L'utilisation d'un système (fourrage vert) automatisé pour surveiller entérique méthane et de dioxyde de carbone Les émissions provenant de ruminants Animaux
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
Les ruminants (domestiques ou sauvages) émettent du méthane (CH 4) par la fermentation entérique dans leur tube digestif et de la décomposition du fumier pendant le stockage. Ces processus sont les principales sources de gaz à effet de serre (GES) émissions provenant des systèmes de production animale. Les techniques de mesure de CH 4 entérique varient de mesures directes (chambres de respiration, qui sont très précis, mais avec une portée limitée) à diverses méthodes indirectes (renifleurs, technologie laser, qui sont pratiques, mais avec une précision variable). L'hexafluorure de soufre (SF 6) Méthode de gaz traceur est communément utilisé pour mesurer entérique production de CH 4 par les scientifiques sur les animaux et, plus récemment, l'application d'un système automatisé Head Chambre (CSSA) (fourrage vert, C-Lock, Inc., Rapid City, SD), qui est l'objet de cette expérience, n'a cessé de croître. CSSA est un système automatisé pour contrôler le CH 4 et le dioxyde de carbone (CO 2) flux de masse de lasouffle des ruminants. Dans une opération typique CSSA, de petites quantités de appâtage aliments sont distribués aux animaux individuels pour les attirer au CSSA plusieurs fois par jour. Comme l'animal visite CSSA, un système de ventilateur aspire l'air passé le museau de l'animal dans un collecteur d'admission, et à travers un tuyau de collecte d'air où les taux de flux d'air continu sont mesurés. Un sous-échantillon de l'air est pompé sur le tuyau dans de capteurs infra-rouge non dispersif pour la mesure continue de CH 4 et concentrations de CO 2. Comparaisons sur le terrain du CSSA à chambres de respiration ou SF 6 ont démontré que CSSA produit des résultats CH 4 émissions reproductibles et précis, à condition que les visites d'animaux à CSSA sont suffisantes pour les estimations des émissions sont représentatifs du rythme diurne de la production de gaz du rumen. Ici, nous démontrons l'utilisation de CSSA pour mesurer le CO 2 et CH 4 flux de vaches laitières donnés un régime de contrôle ou un régime supplémenté en qualité technique de noix de cajouliquide coquille.
Introduction
La production animale représente une source importante de gaz à effet de serre (GES) dans le monde entier, générant CH 4 et l'oxyde nitreux, soit directement (par exemple, à partir de la fermentation entérique et gestion du fumier) ou indirectement (par exemple, des activités feed-production et la conversion de la forêt en pâturages ou terres cultivées). Les estimations pour la contribution de l'élevage à l'émission globale de GES varient d'environ 1 au 18 juillet 2%, selon les limites de l'analyse et des méthodes utilisées. Aux États-Unis, l'élevage représente 3,1% des émissions totales de GES en 2009 3.
Entérique CH 4 est le plus grand contributeur aux émissions de GES provenant du bétail. Par conséquent, de zootechniciens ont concentré leur recherche sur la découverte de technologies d'atténuation pour réduire production de CH 4 entérique des ruminants. Dans de nombreux cas, les résultats sont de valeur scientifique douteuse en raison de l'insuffisance de conception expérimentale oles techniques de mesure de R1. Ainsi, l'exactitude et la précision des techniques de mesure sont critique des composantes importantes de la recherche de l'atténuation des GES. Une abondante littérature a été publié sur ce sujet au cours des dernières années 4-7. Il existe plusieurs approches établies pour mesurer entérique production de CH 4 chez les ruminants, y compris les chambres de respiration (très précis, mais avec une applicabilité limitée), gaz traceurs (d'hexafluorure de soufre; SF 6), et de la tête chambres. Bien que les chambres de respiration sont considérés comme la «norme d'or» pour mesurer les émissions de gaz du rumen, leur inconvénient majeur est que le nombre d'animaux à l'essai est généralement limité du fait du nombre limité de chambres disponibles dans un établissement de recherche particulier. Les techniques les plus pratiques et largement utilisé pour mesurer la production de CH 4 entérique sont la méthode du gaz traceur SF 6 et, plus récemment, un système de Head-Chambre automatisé (CSSA, fourrage vert) qui cun moniteur de CH 4 et CO 2 flux de masse de la respiration et l'éructation de gaz de ruminants 8. Tant la technique SF 6 et CSSA permettre émissions à analyser sur un grand nombre d'animaux dans des conditions de pâturage libre ou dans des granges free- et à stabulation entravée. La technique SF 6 utilise du SF 6 comme gaz traceur, qui est libéré en continu à partir d'un tube de perméation insérée dans le rumen de l'animal, prélèvement d'un échantillon des gaz expirés et l'analyse du gaz de SF 6: CH rapport 4. CSSA est un système de type tête-chambre automatisé qui est également basée sur l'utilisation d'un gaz traceur (propane). Par rapport à la méthode de la chambre de respiration, où les animaux sont confinés dans des conditions d'alimentation et d'un comportement anormal, et avec la méthode SF 6 du traceur, ce qui nécessite des compétences analytiques et l'équipement (pour la collecte des gaz et SF 6 analyse) plus large manipulation des animaux, CSSA est non -intrusive et est moins coûteuxà acquérir et à utiliser. Des lacunes importantes de CSSA comprennent l'échantillonnage non représentatif (dans des applications telles que les systèmes de pâturage, où les animaux doivent se rendre volontairement l'unité) et l'utilisation d'aliments de l'appât, ce qui pourrait représenter jusqu'à 5% de la consommation de matière sèche de l'animal lors d'une mesure de gaz événement. Expériences comparatives récentes ont conclu que CSSA produit des taux comparables à ceux estimés en utilisant des chambres de respiration ou la technique 9,10 SF 6 émissions.
Le système de CSSA autonome est construit autour d'un chargeur automatique robuste qui est facilement transportable à la main ou peut être monté sur une remorque équipée de panneaux solaires (ou d'autres sources d'énergie) pour le fonctionnement du champ autonome et à long Voyage distance. Le système comprend un système animale Radio-Frequency Identification (RFID), un système d'amorçage, un système de traitement de l'air et de la mesure, un système de gaz traceur, l'électronique et le système de communication, et un système de traitement de données (<strong> Figure 1). Plus de détails peuvent être trouvés dans la documentation de brevet original 11.
L'exemple CSSA protocole d'opération décrite ci-dessous est pour les vaches laitières en lactation logées dans une étable à stabulation entravée. La procédure est applicable à d'autres catégories de bovins (vaches non allaitantes laitières, les génisses, ou les bovins de boucherie) logés dans des installations similaires. L'objectif de cette expérience est de démontrer les principes et le fonctionnement de CSSA pour la mesure de CH 4 et émissions de CO 2 provenant d'animaux ruminants.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le système combine des éléments de CSSA une technique dynamique de l'enceinte, le système de chambre, et la technique de traceur pour la mesure du flux de masse de CH 4 et CO 2. Au cours des jours, il recueille des échantillons multiples de chaque animal pour déterminer la moyenne totale flux massiques de gaz par jour. Pour identifier un animal et de fournir le montant exact de l'appât, un lecteur RFID est incorporé dans CSSA. L'étiquette RFID est lue comme l'animal commence à placer sa tête dans le chargeur. Une fois que l'animal est identifié, CSSA détermine si elle est admissible à recevoir une récompense d'appât à ce moment précis de la journée (applications stabulation libre pâturage ou grange). L'heure de début et de fin de la visite de chaque animal (déterminé sur la base des capteurs infrarouges) est automatiquement enregistrée. Le système de distribution d'appât est utilisé pour attirer les animaux à CSSA périodiquement tout au long de la journée. Typiquement, la charge d'amorçage est granulé et peut contenir de l'herbe, luzerne, les concentrés de céréales, la mélasse et l'huile végétale.Alors qu'un visites animales CSSA, un ventilateur aspire l'air au-dessus de sa tête (à un taux d'environ 26 L / min), le balayage émis CH 4 et CO 2 dans un collecteur d'admission d'air. La vitesse d'écoulement de l'air est mesurée en continu avec un anémomètre à film chaud au milieu de la conduite de collecte d'air. Un sous-échantillon d'air continu est extrait et conduit dans un filtre d'échantillon secondaire, puis dans deux analyseurs non dispersif infrarouge, un capteur pour le CO 2 et l'autre pour le CH 4. CSSA comprend également des capteurs supplémentaires pour la température de l'air, l'humidité de l'air, la chute de l'appât, la tension du système, la pression atmosphérique, débit de propane, et la position de tête. Pâturage et remorque versions montées pour les systèmes de pâturage comprennent un anémomètre à coupelles (la vitesse du vent local) et girouette (direction du vent). Toutes les données de capteur sont enregistrées sur un enregistreur de données local et un ordinateur, ce qui permet CSSA pour fonctionner automatiquement et de manière indépendante. Les données des capteurs sont également stockés sur une clé USB standard interne (Universal Serial Bus) de bâton de mémoire. Données CSSAsont normalement transférées par l'intermédiaire d'une liaison Internet, une fois par heure, à un serveur externe où ils sont enregistrés de façon permanente. Les utilisateurs disposant de la connectivité Internet peuvent se connecter à distance CSSA et contrôler l'appareil, modifier les horaires d'appâtage, et examiner les données historiques et en temps réel ainsi que l'examen et surveiller la fonction CSSA.
Dans l'ensemble, les expériences menées à l'Université d'État de Pennsylvanie ont démontré que le système CSSA fournit des estimations fiables pour le CH 4 et émissions de CO 2 vaches laitières logées dans étables à stabulation entravée. Les avantages de la CSSA plus de chambres de respiration est que l'animal ne se limite pas et est dans son environnement naturel (ie., Sur les pâturages), ou peut se déplacer librement (dans une étable à stabulation libre). CSSA est également moins cher à construire que d'une chambre de respiration traditionnelle. Ce coût relativement faible est important, en particulier pour le CH 4 recherche sur l'atténuation dans les pays en développement. En comparaison avec le SF 6 traceProcédé de r, CSSA est plus simple à utiliser et ne nécessite pas de matériel d'analyse compliqué et coûteux. Peut-être l'inconvénient le plus apparent du CSSA, comparativement avec les chambres et les SF 6 méthodes (en particulier lorsqu'ils sont utilisés dans des environnements de pâturage ou à stabulation libre grange), est que l'animal doit aborder volontairement l'unité et donc les événements de mesure de gaz dépendent de visites d'animaux . En une journée, ces visites d'animaux peuvent être ou ne pas être représentatif du rythme diurne de production de CH 4. Par conséquent, dans les applications où les visites d'animaux CSSA volontairement, la période d'échantillonnage devraient être assez longue ou répétée un nombre suffisant de fois. L'application stabulation utilisé à l'Université d'État de Pennsylvanie atténue ce problème en contrôlant le nombre et la répartition temporelle des mesures de gaz pendant un cycle d'alimentation de 24 heures. Échantillonnage suffisante de gaz d'éructation pendant un cycle d'alimentation (comme indiqué dans le protocole ci-dessus) est important pour representative estimation de production de CH 4 dans le rumen des bovins. La quantité de nourriture appât donnés aux animaux lors de mesures en utilisant CSSA doit être considéré dans l'analyse globale (à savoir, doit être ajouté à la quantité totale d'aliments consommés par l'animal), de sorte que l'intensité des émissions par unité de fourrage DMI peut être précisément estimée. Dans des conditions normales d'alimentation, l'alimentation de l'appât représente moins de 5% du total DMI d'un vaches laitières et son effet sur la fermentation ruminale et production de CH 4 est petite. Il est à noter que CSSA (et d'autres systèmes similaires) ne mesure pas la production de CH 4 dans le gros intestin de l'animal. Intestin postérieur fermentation, cependant, ne contribue que pour environ 3% des émissions totales de CH 4 dans un ruminant 7.
Basé sur l'expérience, il ya plusieurs éléments importants de la mesure de la production de gaz du rumen entérique utilisant CSSA: (1) l'animal doit être accoutumés à la nourriture de l'appâtage (et CSSA) et a to comme lui afin de se rapprocher et utiliser le chargeur CSSA, (2) la tête de l'animal doit être inséré tout le chemin dans le chargeur afin de recueillir des données fiables sur les émissions de gaz, (3) la procédure d'étalonnage CSSA doit être strictement suivies , (4) ayant suffisamment de temps pour recueillir des données de fond CH 4 et CO 2 entre l'échantillonnage des animaux individuels est important, en particulier dans les granges TIE ou en stabulation libre, et (5) il est important que suffisamment de données sont recueillies dans un cycle d'échantillonnage ( couvrant une période de 24 heures) afin que les données d'émissions générées par CSSA sont représentatifs de la CH diurne réelle 4 ou émissions de CO 2 par l'animal.
Des tests comparatifs avec CSSA vs techniques CH 4 de mesure établis appuient les conclusions ci-dessus. Par exemple, une étude avec des génisses laitières croissance a conclu que CSSA était capable d'estimer émissions de CH 4 estimations du bétail et d'émission générés par CSSA étaient comparablesà des valeurs obtenues par des chambres de respiration 9. Ces auteurs ont fait remarquer que le déploiement des unités CSSA et de réplication doivent être examinés avec soin pour assurer un nombre suffisant de mesures sont obtenues. Basé sur l'expérience, 8 événements d'échantillonnage, échelonnées sur une période de 3 jours pour couvrir un cycle d'alimentation de 24 heures (voir le protocole ci-dessus) sont suffisantes pour obtenir des mesures précises des émissions gazeuses et relativement faible variabilité dans les données (par exemple, une précision acceptable). Dans une étude avec des vaches laitières en lactation, on a conclu que CH 4 émissions mesurées par le CSSA étaient similaires aux valeurs de la littérature dérivés de chambres respiratoires et entre la variabilité des animaux (CV de 11 à 12%; répétabilité de 0,64 à 0,81) est également à l'intérieur de la fourchette rapportée pour 10 chambres de respiration. Dans une étude récemment publiée, avec des vaches en lactation, CSSA a produit un CV plus petit que la méthode SF 6 (14,1 à 22,4% vs 16,0 à 111% pour SF 6) 13 </sup>. Dans une expérience de 12 semaines menée à l'Université d'Etat de Pennsylvanie avec 48 vaches laitières en lactation, dans lequel Rumen production de CH 4 a été inhibée de 30% (P <0,001), nous avons conclu que CSSA et la méthode SF 6 ont produit des résultats similaires d'émissions de CH 4 : 319 à 481 g / vache et par jour (moyenne = 374 g / d; SEM = 15,9; CV = 13%) et de 345 à 485 g / vache et par jour (moyenne = 396 g / d; SEM = 29,8; CV = 23 %) pour CSSA et SF 6, respectivement 14.
En conclusion, précis, mais les techniques pratiques pour mesurer la production de CH 4 dans le rumen sont d'une importance cruciale pour le succès des efforts d'atténuation des GES. CSSA est un système de mesure de gaz automatique qui a été prouvé à fournir des estimations fiables et précises de CH 4 entérique et émissions de CO 2 de boeuf et de bovins laitiers.
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
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