Bir Otomatik Sistem (GreenFeed) Kullanımı Ruminant Animals Enterik Metan ve Karbon Dioksit Emisyonları izlemek için
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
Ruminant hayvanların (evcilleştirilmiş veya vahşi) kendi sindirim sisteminde ve depolama sırasında gübrenin ayrışmasından enterik fermantasyon yoluyla metan (CH 4) yayarlar. Bu süreçler sera gazı (SG) hayvansal üretim sistemlerinden kaynaklanan emisyonlara başlıca kaynaklarıdır. Enterik CH 4 ölçme teknikleri (ama sınırlı uygulanabilirliği ile, son derece hassas olan solunum odaları,) çeşitli dolaylı yöntemlerle doğrudan ölçümlerden farklı (pratik izleyiciler, lazer teknolojisi, ama değişken doğrulukla). Kükürt heksafluorür (SF 6) izleyici gaz yöntemi yaygın olarak hayvan bilim adamları tarafından ve daha yakın enterik CH 4 üretimini ölçmek için kullanılan, bir Otomatik Head-odası Sistemi (AHCS) (GreenFeed, Cı-Lock, Inc., City of Rapid uygulanması, Bu deneyin odak noktası SD), artmaktadır. AHCS kitle akıları CH 4 ve karbondioksit (CO2) izlemek için otomatik bir sistemdirgeviş getiren hayvanların nefes. Tipik bir AHCS operasyonda, yem mola küçük miktarlarda günlük AHCS birden çok kez onları cezbetmek için bireysel hayvanlara dağıtılmıştır. Hayvan AHCS ziyaret gibi, bir fan sistemi emme manifolduna hayvanın namlu geçmiş havayı çeker ve sürekli hava akımı oranları ölçülür bir hava toplama borusu içinden. Bir hava alt örnek CH 4 ve CO2 konsantrasyonları sürekli ölçülmesi için non-dispersive bir kızıl-ötesi sensör içine boru üzerinden pompalanır. Solunum odalar ya da SF 6 AHCS Alanı Bu karşılaştırmalar AHCS, tekrarlanabilir ve hassas şekilde CH 4 emisyon sonuçlar üretir AHCS bu hayvan kez emisyon tahminleri rumen gazı üretiminin gündüz ritim için temsili olacak şekilde yeterli olması koşuluyla olduğunu göstermiştir. Burada, biz AHCS kullanımı 4 tozlar kontrol diyet veya teknik dereceli kaju somunu ile desteklenmiş bir diyet verilen süt ineklerinin gelen CO 2 ve CH ölçmek göstermekKabuk sıvı.
Introduction
Hayvansal üretim dolaylı ya da (örneğin, yem-üretim faaliyetleri ve orman dönüşüm mera içine ya da (enterik fermantasyon ve gübre yönetimi, gibi) ya doğrudan CH 4 ve azot oksit üreten, sera gazı (SG), dünya çapında emisyonlarının önemli bir kaynağını temsil ekili arazi). Küresel sera gazı emisyonuna katkısı hayvancılık için tahminler kullanılan analiz ve yöntemler sınırları bağlı olarak yaklaşık 7 1 2% 18 arasında değişmektedir. Amerika Birleşik Devletleri'nde, hayvancılık 2009 3 toplam sera gazı emisyonlarının% 3.1 temsil etti.
Enterik CH 4 hayvancılıktan sera gazı emisyonlarının en büyük katkıda bulunuyor. Bu nedenle, hayvan bilim adamları ruminantlarda enterik CH 4 üretimini azaltmak için hafifletme teknolojilerini keşfetmek üzerine araştırma odaklanmıştır. Birçok durumda, sonuçlar yetersiz deneysel tasarım o kadar şüpheli bilimsel değeri vardırr ölçüm teknikleri 1. Böylece, ölçüm teknikleri doğruluk ve kesinlik eleştirel sera gazı azaltım araştırmanın önemli bileşenleridir. Literatürde büyük bir vücut, son yıllarda 4-7, bu konuda yayınlanmıştır. Ve baş odaları; solunum odalarına (son derece hassas ama sınırlı uygulanabilirliği ile), izleyici gazlar (SF 6 sülfürhekzaflorür) de dahil olmak üzere enterik CH geviş getiren hayvanlarda 4 üretimini ölçmek için birkaç kurulan yaklaşımlar vardır. Solunum odaları Rumen gazı emisyonlarını ölçmek için "altın standart" olarak kabul edilse de, onların en büyük dezavantajı yargılanan hayvan sayısı nedeniyle genellikle belirli bir araştırma tesisinde mevcut odaların sınırlı sayıda sınırlı olmasıdır. Enterik CH 4 üretimini ölçmek için en pratik ve yaygın olarak kullanılan teknikler son zamanlarda, Otomatik Head-Chamber Sistemi (AHCS, GreenFeed) o c SF 6 izleyici gaz yöntemdir vegeviş getiren hayvanların 8 nefes ve geğirme gazından bir monitör CH 4 ve CO 2 kütle akıları. SF 6 tekniği ve AHCS emisyonlarını etkinleştirmek Hem serbest otlatma koşullarında veya serbest ve tie-durak ahırlarda hayvanların çok sayıda analiz edilecek. CH 4 oranı: SF 6 tekniği sürekli SF 6 için geçirgenlik solunan gazların bir numunenin bir hayvan, toplama işkembesinde takılı tüp, ve gaz analiz salınan bir izleyici gazın olarak SF 6 kullanmaktadır. AHCS bir izleyici gazın (propan) kullanımına dayanan otomatik bir baş-odası tipi sistemidir. Hayvanlar anormal beslenme ve davranış koşullarında sınırlı ve artı geniş hayvan işleme (gaz toplama ve SF 6 analiz için), özel analitik beceri ve ekipman gerektirir SF 6 izleyici yöntemi ile olan solunum odası yöntemi ile karşılaştırıldığında, AHCS non -intrusive ve daha az pahalıkazanmak ve işletmek. AHCS Başlıca eksiklikleri ve gaz ölçümü sırasında hayvanın kuru madde alımının% 5'e kadar temsil edebilir yem yem kullanımı (örneğin otlatma hayvanlar gönüllü birimi ziyaret etmek zorunda sistemleri gibi uygulamalarda) temsil edici örnekleme dahil Olay. Son karşılaştırmalı deneyler AHCS solunum odaları veya SF 6 tekniği 9,10 kullanılarak tahmin kıyaslanabilir emisyon oranlarını üretir sonucuna varmışlardır.
Tek başına AHCS sistemi elle kolayca taşınabilir ya da özerk alan çalışması ve uzun mesafe seyahat için güneş panelleri (ya da diğer güç kaynaklarına) ile donatılmış bir römorka monte edilebilen bir sağlam otomatik besleyici etrafında inşa edilmiştir. Sistem bir hayvan Radyo Frekansı ile Tanımlama Sistemi (RFID), bir canını sıkma sistemi, hava taşıma ve ölçüm sistemi, gaz izleyici sistemi, elektronik ve haberleşme sistemi ve veri işleme sistemi (<içerirstrong> Şekil 1). Daha fazla detay orijinal patent belgelerinde 11 bulunabilir.
Aşağıda açıklanan örnek AHCS operasyon protokolü tie-durak ahır içinde yer laktasyondaki inekler içindir. Prosedür benzer tesislerde yer sığır (non-emzikli süt inekleri, düvelerin veya sığır), diğer kategorilerde de uygulanabilir. Bu deneyin amacı, CH 4 ve CO geviş getiren hayvanlardan 2 emisyonlarının ölçümü için AHCS ilke ve çalışması göstermektir.
Protocol
Representative Results
Discussion
AHCS sistemi CH 4 ve CO 2 kütle akışı ölçümleri için dinamik bir muhafaza tekniği, bölme sistemi ve izleyici tekniğinin unsurları birleştirir. Gün boyunca, ortalama günlük toplam gaz kütlesi akıları tanımlamak için her hayvandan birden örnekleri toplar. Bir hayvan belirlemek ve yem doğru bir miktar vermek için bir RFID okuyucu AHCS içine dahil edilmiştir. Hayvan besleyiciye kafasını yere başlar RFID etiket okunur. Bir hayvan tespit edildiğinde o günün belirli bir zamanda bir yem ödül almaya uygun olup olmadığını, AHCS belirler (otlatma veya serbest durak ahır uygulamaları). Her hayvanın ziyareti (kızılötesi sensörler göre belirlenir) başlangıç ve bitiş zamanı otomatik olarak kaydedilir. Yem dağıtım sistemi periyodik gün boyunca AHCS hayvanları çekmek için kullanılır. Tipik olarak, canını sıkma besleme Tablet ve çim, yonca, tahıl konsantreleri, pekmez, ve bitkisel yağ içerebilir.Bir hayvan ziyaretleri AHCS, fan (yaklaşık 26 L / dak hızında) onun başının üzerinde havayı çeker iken, bir hava emme manifolduna CH 4 ve CO 2 yayılan süpürme. Hava akış hızı, hava toplama borusu ortasında sıcak film anemometre ile sürekli olarak ölçülür. Hava sürekli bir alt numune çıkarılır ve daha sonra iki Yayılmayan Kızılötesi analiz, tek bir CO2 için sensör ve CH 4, içine bir ikinci numune filtrenin içine yönlendirilir. AHCS ayrıca hava sıcaklık, hava nemi, yem damla, sistem voltajı, atmosfer basıncında, propan akış hızı ve kafa pozisyonu için ek sensörleri içerir. Otlatma sistemleri için Mera ve römork takılı sürümleri fincan anemometre (yerel rüzgar hızı) ve rüzgar gülü (rüzgar yönü) içerir. Tüm sensör verileri otomatik ve bağımsız olarak çalışabilmesi için AHCS sağlayan bir yerel veri kaydedici ve bir bilgisayarda saklanır. Sensör verileri de bir iç standart USB (Universal Serial Bus) memory stick saklanır. AHCS verilerinormalde kalıcı kaydedilir harici bir sunucuya, saatte bir, bir internet bağlantısı üzerinden aktarılır. İnternet bağlantısına sahip kullanıcılar uzaktan AHCS giriş ve kontrol ünitesine, canını sıkma programları değiştirmek, tarihi ve gerçek zamanlı veri yanı sıra incelemesi ve AHCS fonksiyonunu izleyebilirsiniz.
Genel olarak, Pennsylvania State Üniversitesi'nde yapılan deneyler AHCS sistem CH 4 ve CO tie-durak ahırlarda yer süt ineklerinin 2 emisyonları için güvenilir tahminler sağladığını göstermiştir. Solunum odaları üzerinde AHCS avantajları hayvan kısıtlı ve doğal ortamında (yani., Merada), ya da özgürce (serbest durak ahır) hareket edemez olmasıdır. AHCS ayrıca geleneksel solunum odasına daha inşa etmek ucuzdur. Bu nispeten düşük maliyetli, özellikle gelişmekte olan ülkelerde CH 4 azaltım araştırma için önemlidir. SF 6 iz ile karşılaştırıldığındar yöntem olup, AHCS çalıştırmak için ve karmaşık ve pahalı bir analitik ekipman gerektirmez daha basittir. Belki (otlatma veya serbest durak ahır ortamlarda kullanılan özellikle) odaları ve SF 6 yöntemleri ile karşılaştırıldığında AHCS en belirgin dezavantajı, hayvan gönüllü birimi yaklaşım ve bu nedenle gaz ölçüm olayları hayvan ziyaretleri bağlıdır zorunda olmasıdır . Bir gün içinde, bu hayvan ziyaretleri ya da CH 4 üretim gündüz ritminin temsilcisi olmayabilir. Bu nedenle, uygulamalarda hayvan ziyaretleri AHCS gönüllü, örnekleme periyodu yeterince uzun olması ya da birkaç kez yeterli sayıda tekrarlanan nerede. Pennsylvania State University'de kullanılan tie-durak uygulaması 24 saat besleme döngüsü sırasında sayısını ve gaz ölçümleri zamansal dağılımı kontrol ederek bu sorunu hafifletir. (Yukarıdaki protokole gösterildiği gibi) bir besleme döngüsü sırasında geğirme gazının yeterli numune representati önemlidirSığırlarda işkembesinde CH 4 üretim tahminini ettik. AHCS kullanılarak ölçümler sırasında beslenen hayvanlara yem yem miktarı genel analizi (yani, hayvan tarafından tüketilen toplam besleme miktarının eklenmesi gerekir), yani emisyon yoğunluğu besleme birimi başına DMI doğru olabilir olarak düşünülmelidir Tahmini. Normal beslenme koşullarında, yem yem ruminal fermantasyon toplam bir süt ineklerinin DMI ve etkisi% 5'inden az temsil eder ve CH 4 üretim küçüktür. Bu AHCS (ve diğer benzer sistemleri), hayvanın arka bağırsaktan CH 4 üretimini ölçmek yok olduğunu belirtti. Hindgut fermentasyon Bununla birlikte, geviş getiren hayvana 7 toplam CH 4 emisyon yalnızca yaklaşık% 3 katkı sağlamaktadır.
Deneyimlerine dayanarak, AHCS kullanarak enterik rumen gaz üretiminin ölçülmesi birçok önemli bileşen vardır: (1) hayvan yemi canını sıkma (ve AHCS) alışık olması gerekir ve t vardıro yaklaşım ve AHCS besleyici kullanmak için gibi o, (2) hayvanın kafası güvenilir gazı emisyonları veri toplamak amacıyla besleyiciye tüm yol eklenecek vardır, (3) AHCS Kalibrasyon prosedürü sıkı takip edilmelidir (4) bireysel hayvanları örnekleme arasındaki fon CH 4 ve CO 2 veri toplamak için yeterli zaman sahip özellikle Tie ya da serbest durak ahırlar, önemlidir ve (5) bu (yeterli veri örnekleme döngüsünde toplanan önemlidir 24 saat dönemini kapsayan) bu yüzden AHCS tarafından üretilen emisyon verileri 4 veya CO2 emisyonları hayvanın gerçek gündüz CH temsilcisi vardır.
Kurulan CH 4 ölçüm teknikleri vs AHCS ile karşılaştırmalı testler yukarıdaki sonuçları destekleyen. Örneğin, artan süt düve ile bir çalışma AHCS AHCS tarafından oluşturulan hayvancılık ve emisyon tahminlerinden CH 4 emisyonlarının hesaplanması yeteneğine sahip olduğunu karşılaştırılabilir olduğu sonucuna varmışlardırsolunum odaları 9 ile elde edilen değerlere. Bu yazarlar, AHCS ünitelerin dağıtım işaret ve çoğaltma dikkatli ölçümler elde edilir yeterli sayıda sağlamak amacıyla dikkate alınmalıdır. Deneyimlerine dayanarak, 8 örnekleme olaylar, 24 saat besleme döngüsü (yukarıdaki protokol bakın) kapsayacak şekilde 3 günlük süre içinde sendeledi gaz emisyonlarının doğru ölçümler ve veri nispeten düşük değişkenlik (yani, kabul edilebilir kesinlik) elde etmek için yeterli bulunmaktadır. Emziren süt inekleri ile çalışmada, AHCS ile ölçülen CH 4 emisyon solunum odalarından ve hayvan değişkenliği arasında elde edilen literatür değerlerine benzer olduğu sonucuna varılmıştır (% 11 12 CV, 0.64 0.81 arasında tekrarlanabilirlik) içinde de aralık solunum odaları 10 bildirdiler. Emziren inek ile bir süre önce yayınlanan bir çalışmada, AHCS (SF 6 16.0% 111 vs 14,1-22,4%) 13 SF 6 yönteminden daha küçük bir CV üretti </> sup. % 30 (p <0.001) tarafından inhibe edilmiştir CH 4 üretimini rumen hangi 48 emzikli süt ineklerinin, Pennsylvania State Üniversitesi'nde yapılan 12 haftalık deneyde, AHCS ve SF 6 yöntem benzer CH 4 emisyon sonuçlar sonucuna : 319 gr 481 / gün başına inek (ortalama = 374 g / d; SEM = 15.9; CV =% 13) ve 345 g 485 / günde inek (ortalama = 396 g / d; SEM = 29.8; CV = 23 AHCS ve SF 6, sırasıyla 14 için%).
Sonuç olarak, doğru, ama rumendeki CH 4 üretimini ölçmek için pratik teknikler içinde sera gazı azaltım çabalarının başarısı için kritik önem taşımaktadır. AHCS 4 ve CO2 emisyonları sığır ve süt sığır enterik CH güvenilir ve doğru tahminler sunmak için kanıtlanmıştır otomatik gaz ölçüm sistemidir.
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).
