O uso de um sistema automatizado (GreenFeed) para monitorar entérica de metano e dióxido de carbono As emissões dos ruminantes
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
Os animais ruminantes (domesticados ou selvagens) emitem metano (CH 4), por meio da fermentação entérica em seu trato digestivo e da decomposição do estrume durante o armazenamento. Estes processos são as principais fontes de gases de efeito estufa (GEE) provenientes de sistemas de produção animal. As técnicas para medir entérico CH4 variar de medições directas (câmaras de respiração, que são altamente precisos, mas com aplicabilidade limitada) a vários métodos indirectos (olfactivos, tecnologia de laser, os quais são práticos, mas com precisão variável). O hexafluoreto de enxofre (SF 6) método do gás marcador é comumente usado para medir entérico CH 4 por cientistas de produção de animais e, mais recentemente, a aplicação de um sistema automatizado Head-Câmara (CAHs) (GreenFeed, C-Lock, Inc., Rapid City, SD), que é o foco desta experiência, tem vindo a crescer. CAHs é um sistema automatizado para monitorar CH4 e dióxido de carbono (CO 2) a partir de fluxos de massa arespiração de animais ruminantes. Em uma operação típica CAHs, pequenas quantidades de isca de alimentação são dispensados aos animais individuais para atraí-los para CAHs várias vezes ao dia. Como o animal visita CAHs, um sistema de ventilação puxa o ar passado focinho do animal em um coletor de admissão, e através de um tubo de recolha de ar onde as taxas de fluxo de ar contínuo são medidos. A sub-amostra de ar é bombeado para fora do tubo para sensores infra-vermelho não dispersivo para medição contínua de CH 4 e concentrações de CO 2. Comparações campo de CAHs para câmaras de respiração ou SF 6 demonstraram que CAHs produz resultados CH 4 de emissão repetíveis e precisos, desde que as visitas de animais para CAHs são suficientes para estimativas de emissão são representativos do ritmo diurno da produção de gás rúmen. Aqui, nós demonstrar o uso de CAHs para medir CO 2 e CH 4 fluxos de vacas leiteiras dada uma dieta controle ou dieta acrescida com castanha de caju técnico-gradelíquido shell.
Introduction
A produção animal representa uma fonte significativa de gases de efeito estufa (GEE) em todo o mundo, gerando CH4 eo óxido nitroso, quer directamente (por exemplo, pela fermentação entérica e manejo de dejetos) ou indiretamente (por exemplo, de actividades de produção de ração e conversão da floresta em pastagens ou terra cultivada). Estimativas para gado contribuição para a emissão de GEE variar desde cerca de 1 7 a 18% de 2, dependendo dos limites da análise e dos métodos utilizados. Nos Estados Unidos, pecuária representou 3,1% do total das emissões de GEE em 2009 3.
Entérico CH 4 é o maior contribuinte para as emissões de GEE provenientes da pecuária. Por isso, os cientistas animais têm-se centrado a sua investigação na descoberta de tecnologias de mitigação para reduzir entérico CH 4 produção de ruminantes. Em muitos casos, os resultados são de valor científico questionável devido à inadequada experimental projeto oTécnicas de medição de R 1. Assim, a exatidão e precisão das técnicas de medição são criticamente importantes componentes de pesquisa de mitigação de GEE. Um grande corpo de literatura tem sido publicado sobre este tema nos últimos anos 4-7. Há várias abordagens estabelecidas para medir entérico CH 4 produção em ruminantes, incluindo as câmaras de respiração (altamente precisos, mas com aplicabilidade limitada), gases traçadores (hexafluoreto de enxofre; SF 6), e cabeça-câmaras. Embora câmaras de respiração são considerados o "padrão ouro" para medir as emissões de gases do rúmen, a sua principal desvantagem é que o número de animais na experimentação é geralmente limitado devido ao número limitado de câmaras disponíveis nas instalações de investigação particular. As técnicas mais práticas e amplamente utilizado para medir a produção entérica de CH4 são o método do gás traçador SF 6 e, mais recentemente, um sistema Head-Câmara (Automated CAHs, GreenFeed) que cum monitor de CH 4 e CO 2 fluxos de massa do ar e eructação gás de ruminantes 8. Tanto a técnica de SF 6 e CAHs permitir emissões a serem analisados em um grande número de animais em condições de pastoreio livre ou em celeiros LIVRE e tie-stall. A técnica SF 6 utiliza SF6 como gás marcador, que é continuamente libertado a partir de um tubo de permeação inserida no rúmen do animal, a recolha de uma amostra dos gases expirados, e análise do gás de SF6: CH rácio 4. CAHs é, um sistema de tipo cabeça-câmara automatizado que também se baseia no uso de um gás marcador (propano). Em comparação com o método de câmara de respiração, onde os animais são confinados em condições de alimentação e de comportamento anormal, e com o método traçador SF 6, que requer habilidades analíticas e equipamentos especiais (para coleta de gás e SF 6 análises) mais extensa manipulação animal, CAHs é não -intrusive e é menos caropara adquirir e operar. As principais deficiências do CAHs incluem amostragem representativa (em aplicações, como sistemas de pastagem, onde os animais têm de visitar voluntariamente a unidade) e da utilização de alimentos para animais isca, o que poderia representar até 5% do consumo de matéria seca do animal durante uma medição de gás evento. Experimentos comparativos recentes concluíram que CAHs produz taxas de emissão comparáveis aos estimados utilizando câmaras de respiração ou o SF 6 técnica 9,10.
O sistema CAHs autônomo é construído em torno de um alimentador automático robusto que é facilmente transportável à mão ou pode ser montado em um reboque equipado com painéis solares (ou outras fontes de energia) para a operação de campo autônoma e viagens de longa distância. O sistema inclui um sistema animais Radio-Frequency Identification (RFID), um sistema de iscagem, um sistema de tratamento de ar e medição, um sistema de traçador gás, eletrônica e sistema de comunicação, e um sistema de manipulação de dados (<forte> Figura 1). Mais detalhes podem ser encontrados nos documentos da patente original 11.
O exemplo de protocolo operação CAHs descrito abaixo é para vacas leiteiras alojadas em um celeiro tie-stall. O procedimento é aplicável a outras categorias de gado (vacas não-lactantes, novilhas leiteiras, ou gado de corte) alojados em instalações similares. O objetivo deste experimento é demonstrar os princípios e operação de CAHs para a medição de CH 4 e emissões de CO 2 a partir de animais ruminantes.
Protocol
Representative Results
Discussion
O sistema CAHs combina elementos de uma técnica dinâmica gabinete, sistema de câmara, e técnica de marcador para medições de fluxo em massa de CH 4 e CO 2. Ao longo do dia, recolhe amostras múltiplas de cada animal para definir os totais médios fluxos de massa de gás por dia. Para identificar um animal e proporcionar a quantidade correcta de isca, um leitor de RFID é incorporado CAHs. A tag RFID é lido como o animal começa a colocar sua cabeça no alimentador. Uma vez que um animal é identificado, CAHs determina se ele é elegível para receber uma recompensa isca naquele momento específico do dia (pastando ou aplicações free-stall celeiro). A hora de início e fim da visita de cada animal (calculado com base nos sensores infravermelhos) é gravado automaticamente. O sistema de entrega de isca é usado para atrair animais para CAHs periodicamente ao longo do dia. Normalmente, a alimentação baiting é peletizado e podem conter grama, alfafa, concentrados de grãos, melaço e óleo vegetal.Enquanto um animal Visitas CAHs, um ventilador puxa o ar sobre sua cabeça (a uma taxa de cerca de 26 L / min), varrendo emitida CH 4 e CO 2 em um coletor de admissão de ar. A velocidade do fluxo de ar é medida continuamente com um anemómetro quente de película no meio do tubo de recolha de ar. Uma sub-amostra de ar contínuo é extraído e encaminhado para um filtro de amostra secundária, em seguida, em dois analisadores não dispersivo de infravermelhos, um sensor de CO 2 e um para CH4. CAHs também inclui sensores adicionais para a temperatura do ar, umidade do ar, queda de isca, tensão do sistema, a pressão atmosférica, a taxa de fluxo de propano, e posição da cabeça. Pasto e reboque versões montadas para sistemas de pastejo incluem um copo anemômetro (velocidade do vento local) e cata-vento (direção do vento). Todos os dados do sensor são armazenados no registador de dados local, um e um computador, permitindo CAHs para funcionar automaticamente e de forma independente. Dados do sensor também são armazenados em um USB padrão interno (Universal Serial Bus) memory stick. Dados CAHssão normalmente transferidos através de uma ligação à Internet, uma vez por hora, para um servidor externo, onde são permanentemente conectado. Os usuários com conectividade internet pode acessar remotamente CAHs e controlar a unidade, modificar horários de iscagem, e examinar os dados históricos e em tempo real, bem como avaliação e monitoramento da função CAHs.
No geral, experimentos conduzidos na Universidade Estadual da Pensilvânia demonstraram que o sistema CAHs proporciona estimativas fiáveis para CH 4 e emissões de CO 2 de vacas leiteiras alojadas em galpões tie-stall. As vantagens de CAHs mais câmaras de respiração é que o animal não está restringida e é no seu ambiente natural (isto é., Em pastagem), ou pode mover-se livremente (no celeiro um livre-box). CAHs também é menos caro construir do que uma câmara de respiração tradicional. Este custo relativamente baixo é importante, particularmente para CH 4 investigação mitigação nos países em desenvolvimento. Comparado com o SF 6 traceMétodo R, CAHs é mais simples de operar e não requer equipamento caro e complicado analítica. Talvez a desvantagem mais aparente de CAHs, em comparação com as câmaras e os SF 6 métodos (especialmente quando usados em ambientes de pastagem ou free-stall celeiro), é que o animal tem de se aproximar voluntariamente a unidade e, portanto, eventos de medição de gases são dependentes de visitas animais . Dentro de um dia, essas visitas animais podem ou não ser representativa do ritmo diurno de CH 4 produção. Por conseguinte, em aplicações onde as visitas de animais CAHs voluntariamente, o período de amostragem deve ser suficientemente longo, ou repetido um número de vezes suficiente. A aplicação tie-stall utilizado na Universidade Estadual da Pensilvânia alivia este problema, controlando o número ea distribuição temporal das medições de gás durante um ciclo de alimentação 24 horas. Amostragem de gás suficiente eructação durante um ciclo de alimentação (como indicado no protocolo acima) é importante para representative estimativa de CH4 no rúmen do gado. A quantidade de alimentação de isca alimentados aos animais durante as medições utilizando CAHs tem de ser considerado na análise global (isto é, deve ser adicionado à quantidade total de alimentos consumida pelo animal), de modo que a intensidade de emissão por unidade de alimentação de DMI pode ser exacta estimado. Sob condições normais de alimentação, a alimentação de isca representa menos do que 5% do total de DMI a vacas leiteiras, e o seu efeito sobre a fermentação no rúmen e CH4 produção é pequena. Note-se que CAHs (e outros sistemas semelhantes) não mede CH4 produção em intestino posterior do animal. Fermentação do intestino posterior, no entanto, contribui apenas cerca de 3% do total de emissões de CH4 em um animal ruminante 7.
Com base na experiência, existem vários componentes importantes de medição de produção de gás do rúmen entérico usando CAHs: (1) o animal tem que ser acostumados à alimentação de isco (e CAHs) e tem to como ele, a fim de se aproximar e usar o alimentador CAHs, (2) a cabeça do animal tem de ser inserido todo o caminho para o alimentador, a fim de recolher dados sobre as emissões de gases de confiança, (3) o processo de calibração CAHs tem de ser seguido estritamente , (4) que tem tempo suficiente para coletar fundo CH 4 e CO 2 de dados entre a amostragem animais individuais é importante, particularmente em celeiros LAÇO ou free-stall, e (5), é importante que dados suficientes sejam recolhidos em um ciclo de amostragem ( cobrindo um período de 24 horas) para que os dados de emissões geradas por CAHs são representativos da CH diurna real 4 ou emissões de CO 2 por o animal.
Testes comparativos com CAHs vs. técnicas CH 4 de medição estabelecidos apoiar as conclusões acima. Por exemplo, um estudo com crescimento novilhas leiteiras concluiu que CAHs foi capaz de estimar emissões de CH 4 do gado e de emissão estimativas geradas por CAHs eram comparáveisaos valores obtidos por câmaras de respiração 9. Estes autores apontam que a implantação das unidades CAHs e replicação devem ser cuidadosamente consideradas para garantir um número suficiente de medições são obtidas. Com base na experiência, 8 eventos de amostragem, escalonados ao longo de um período de 3 dias para cobrir um ciclo de alimentação 24 horas (ver protocolo acima) são suficientes para obter medidas precisas das emissões gasosas e relativamente baixa variabilidade dos dados (ou seja, precisão aceitável). Em um estudo com as vacas em lactação, concluiu-se que CH 4 emissões medidos pelo CAHs foram semelhantes aos valores da literatura derivados de câmaras de respiração e entre a variabilidade dos animais (CV de 11 a 12%; repetibilidade de 0,64 a 0,81) foi também dentro do faixa relatada para câmaras de respiração 10. Em um estudo recentemente publicado com vacas em lactação, CAHs produziu um CV menor do que o método de SF 6 (14,1-22,4% vs. 16,0-111% para SF 6) 13 </sup>. Em um experimento de 12 semanas realizado na Universidade Estadual da Pensilvânia, com 48 vacas em lactação, em que ruminais CH 4 produção foi inibida em 30% (P <0,001), concluímos que CAHs eo método SF 6 produzido CH 4 resultados das emissões semelhantes : 319-481 g / vaca por dia (média = 374 g / d; EPM = 15,9; CV = 13%) e 345-485 g / vaca por dia (média = 396 g / d; EPM = 29,8; CV = 23 %) para CAHs e SF 6, respectivamente 14.
Em conclusão, precisas, mas as técnicas práticas para medir CH 4 produção no rúmen são extremamente importantes para o sucesso dos esforços de mitigação de GEE. CAHs é um sistema de medição de gás automatizado que tem sido comprovada para fornecer estimativas confiáveis e precisas de CH 4 entérico e emissões de CO 2 a partir de carne e leite.
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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