L'uso di un sistema automatizzato (GreenFeed) per monitorare enterica metano e anidride carbonica Emissioni dei ruminanti
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
Ruminanti (domestici o selvatici) emettono metano (CH 4) attraverso fermentazione enterica nel loro tratto digestivo e dalla decomposizione delle deiezioni durante la conservazione. Questi processi sono le principali fonti di gas serra (GHG) provenienti da sistemi di produzione animale. Tecniche per la misurazione enterico CH 4 variano da misure dirette (camere respirazione, che sono estremamente preciso, ma con limitata applicabilità) a vari metodi indiretti (sniffers, tecnologia laser, che sono pratici, ma con accuratezza variabile). L'esafluoruro di zolfo (SF 6) metodo gas tracciante viene comunemente utilizzato per misurare enterico CH 4 produzione dagli scienziati animali e, più recentemente, l'applicazione di un Head-Camera Automated System (AHCS) (GreenFeed, C-Lock, Inc., Rapid City, SD), che è al centro di questo esperimento, è in crescita. AHCS è un sistema automatizzato per monitorare CH 4 e anidride carbonica (CO 2) del flusso di massa dallaalito di ruminanti. In una tipica operazione AHCS, piccole quantità di adescamento mangime sono dispensati a singoli animali per attirarli a AHCS più volte al giorno. Come l'animale visita AHCS, un sistema di ventilazione tira aria oltre il muso dell'animale in un collettore di aspirazione, e attraverso un tubo di raccolta dell'aria dove vengono misurati i tassi di flusso d'aria continuo. Un sottocampione di aria viene pompata dal tubo in sensori non dispersivo a raggi infrarossi per la misura continua di CH 4 e concentrazioni di CO 2. Confronti campo di AHCS alle camere di respirazione o di SF 6 hanno dimostrato che AHCS produce risultati CH 4 emissioni ripetibili e accurati, a condizione che le visite di animali a AHCS sono sufficienti così stime delle emissioni sono rappresentativi del ritmo diurno della produzione di gas rumine. Qui, dimostriamo l'uso di AHCS per misurare di CO 2 e CH 4 flussi di vacche da latte dato una dieta di controllo o di una dieta integrata con anacardi tecnico-gradeshell liquido.
Introduction
Produzione animale rappresenta una significativa fonte di gas a effetto serra (GHG) in tutto il mondo, generando CH 4 e il protossido di azoto, sia direttamente (ad esempio, da fermentazione enterica e letame) o indirettamente (ad esempio, da attività feed-produzione e conversione delle foreste in pascoli o terreni coltivati). Le stime per il contributo bestiame alla emissioni di gas serra globali variano da circa 01-18 LUGLIO% 2, a seconda dei confini dell'analisi e dei metodi utilizzati. Negli Stati Uniti, il bestiame ha rappresentato il 3,1% del totale delle emissioni di gas serra nel 2009 3.
Enterica CH 4 è il maggior contribuente alle emissioni di gas serra prodotte dal bestiame. Pertanto, gli scienziati animali hanno concentrato la loro ricerca sulla scoperta tecnologie di mitigazione per ridurre enterica CH4 produzione dai ruminanti. In molti casi, i risultati sono di valore scientifico discutibile a causa di inadeguata sperimentale disegno otecniche di misurazione r 1. Così, l'accuratezza e la precisione delle tecniche di misurazione sono criticamente importanti componenti di GHG ricerche mitigazione. Una grande quantità di letteratura è stato pubblicato su questo argomento negli ultimi anni 4-7. Ci sono diversi approcci consolidati per la misurazione enterico CH 4 produzione nei ruminanti, comprese le Camere di respirazione (alta precisione ma con limitata applicabilità), gas traccianti (esafluoruro di zolfo, SF 6), e testa-camere. Anche se le camere di respirazione sono considerati il "gold standard" per la misurazione delle emissioni di gas rumine, il loro principale svantaggio è che il numero di animali in prova è di solito limitata a causa del numero limitato di camere disponibili in un particolare struttura di ricerca. Le tecniche più pratici e ampiamente utilizzati per la misurazione enterico CH 4 produzione sono il metodo del gas tracciante SF 6 e, più recentemente, un Head-Camera automatico di sistema (AHCS, GreenFeed) che cun monitor di CH 4 e CO 2 dei flussi di massa dal gas respiro e eruttazione di ruminanti 8. Sia la tecnica SF 6 e AHCS consentono emissioni da analizzare su un gran numero di animali in condizioni di pascolo libero o in fienili di libero e tie-stallo. La tecnica SF 6 utilizza SF 6 come gas tracciante, che viene continuamente rilasciato da un tubo di permeazione inserito nel rumine dell'animale, la raccolta di un campione dei gas espirati, e analisi del gas SF 6: CH 4 rapporto. AHCS è un sistema di tipo automatizzato, head-camera che si basa anche l'utilizzo di un gas tracciante (propano). Rispetto al metodo della camera di respirazione, in cui gli animali sono confinati in condizioni di alimentazione e comportamento anomalo, e con il metodo di SF 6 tracciante, che richiede capacità analitiche e apparecchiature speciali (per la raccolta del gas e SF 6 Analisi) più vasta trattamento degli animali, AHCS è non -intrusive ed è meno costosoacquisire e gestire. Gravi carenze di AHCS includono campionamento rappresentativi (in applicazioni, come i sistemi di pascolo, dove gli animali hanno a visitare volontariamente l'unità) e l'uso di mangimi esca, che potrebbe rappresentare fino al 5% di assunzione di sostanza secca dell'animale durante una misurazione del gas evento. Esperimenti comparativi recenti hanno concluso che AHCS produce tassi di emissione paragonabili a quelli stimati utilizzando camere di respirazione o la SF 6 tecnica 9,10.
Il sistema AHCS stand-alone è costruito intorno a un alimentatore automatico robusto che è facilmente trasportabili a mano o può essere montato su un rimorchio dotato di pannelli solari (o altre fonti di energia) per il funzionamento di campo autonomo e viaggi a lunga distanza. Il sistema comprende un sistema animale a radiofrequenza (RFID), un sistema di adescamento, un sistema di trattamento dell'aria e misura, un sistema di gas tracciante, elettronica e sistema di comunicazione, e un sistema di gestione dei dati (<strong> Figura 1). Maggiori dettagli possono essere trovati nella documentazione brevettuale originale 11.
L'esempio AHCS protocollo operazione descritta di seguito è per bovine in lattazione alloggiati in un fienile tie-stallo. La procedura si applica ad altre categorie di bovini (mucche non in lattazione latte, giovenche, o bovini da carne) alloggiati in strutture simili. L'obiettivo di questo esperimento è quello di dimostrare i principi e il funzionamento del AHCS per la misura di CH 4 e le emissioni di CO2 provenienti da ruminanti.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il sistema AHCS combina elementi di una tecnica dinamica enclosure, sistema a camera, e la tecnica tracciante per misure di flusso di massa di CH 4 e CO 2. Nel corso dei giorni, raccoglie campioni multipli di ciascun animale per definire i flussi di massa totale medio giornaliero di gas. Per identificare un animale e fornire la corretta quantità di esche, un lettore RFID è incorporato AHCS. Il tag RFID viene letto come l'animale comincia a mettere la testa verso l'alimentatore. Una volta che un animale è identificato, AHCS determina se è idoneo a ricevere una ricompensa esca in quel momento specifico della giornata (pascolo o applicazioni senza stallo fienile). L'ora di inizio e di fine della visita di ogni animale (determinato sulla base dei sensori a raggi infrarossi) viene registrato automaticamente. Il sistema di erogazione esca è utilizzato per attrarre animali a AHCS periodicamente durante la giornata. In genere, l'alimentazione pasturazione è pellettizzato e possono contenere erba, erba medica, grano concentrati, melassa, e olio vegetale.Mentre un animale visite AHCS, un ventilatore tira aria sopra la testa (a velocità di circa 26 l / min), spazzando emesso CH 4 e CO 2 in un collettore di aspirazione dell'aria. La velocità del flusso d'aria viene misurato continuamente con un anemometro a film caldo nel mezzo del tubo di raccolta dell'aria. Un sottocampione continuo di aria viene estratta e instradato in un filtro campione secondario, poi in due analizzatori non dispersivo a raggi infrarossi, un sensore per il CO 2 e uno per CH 4. AHCS include anche ulteriori sensori per la temperatura dell'aria, l'umidità dell'aria, esca goccia, tensione di sistema, la pressione atmosferica, la portata di propano, e la posizione della testa. Versioni montate pascolo e rimorchi per i sistemi di pascolo, dispone di un anemometro (velocità del vento locale) e banderuola (direzione del vento). Tutti i dati del sensore sono memorizzati su un registratore di dati locali e un computer, consentendo AHCS per il funzionamento automatico e indipendente. Dati del sensore sono memorizzati su un USB standard interno (Universal Serial Bus) memory stick. Dati AHCSsono normalmente trasferiti attraverso un collegamento internet, una volta all'ora, su un server esterno in cui vengono registrati in modo permanente. Gli utenti con connettività internet possono accedere in remoto AHCS e controllare l'unità, modificare gli orari di adescamento, e rivedere i dati storici e in tempo reale, nonché di verificare e monitorare la funzione AHCS.
Nel complesso, gli esperimenti condotti presso l'Pennsylvania State University hanno dimostrato che il sistema AHCS fornisce stime affidabili per CH 4 e emissioni di CO2 delle vacche da latte alloggiate in granai tie-stallo. I vantaggi di AHCS oltre camere respirazione è che l'animale non è limitato ed è nel suo ambiente naturale (es., Al pascolo), oppure può muoversi liberamente (in una stalla senza stallo). AHCS è anche meno costoso da costruire che una camera di respirazione tradizionale. Questo costo relativamente basso è importante, in particolare per CH 4 ricerca mitigazione nei paesi in via di sviluppo. Rispetto alla traccia SF 6Metodo r, AHCS è semplice da utilizzare e non richiede attrezzature analitiche complicato e costoso. Forse il più evidente svantaggio di AHCS, rispetto alle camere e ai metodi di SF 6 (in particolare se usati in ambienti di pascolo o privo di stallo fienile), è che l'animale deve affrontare volontariamente l'unità e quindi gli eventi di misura del gas dipendono visite animali . Nel giro di un giorno, queste visite di animali possono o non possono essere rappresentativi del ritmo diurno di CH 4 produzione. Pertanto, nelle applicazioni in cui le visite animali AHCS volontariamente, il periodo di campionamento dovrebbero essere sufficientemente lungo o ripetuto un numero di volte sufficiente. L'applicazione tie-box utilizzato alla Pennsylvania State University allevia questo problema controllando il numero e la distribuzione temporale delle misurazioni di gas durante un ciclo di alimentazione 24 hr. Campionamento di gas sufficiente eructation durante un ciclo di alimentazione (come indicato nel protocollo di cui sopra) è importante per representative stima CH 4 Produzione nel rumine di bestiame. La quantità di mangime esche somministrati agli animali durante le misurazioni utilizzando AHCS deve essere considerato nell'analisi generale (cioè, deve essere aggiunto al totale degli alimenti consumati dall'animale), quindi intensità di emissione per unità di alimentazione DMI può essere accuratamente stimato. In condizioni normali di alimentazione, l'alimentazione esca rappresenta meno del 5% del totale DMI di un mucche da latte e il suo effetto sulla fermentazione ruminale e CH 4 produzione è piccola. Si nota che AHCS (e altri sistemi simili) non misura CH 4 produzione hindgut dell'animale. Fermentazione hindgut, però, contribuisce solo circa il 3% del totale delle emissioni di CH 4 in un ruminante 7.
Sulla base dell'esperienza, ci sono diversi componenti importanti per misurare la produzione di gas rumine enterico usando AHCS: (1) l'animale deve essere abituato al feed adescamento (e AHCS) e dispone di to simile per accedere e utilizzare l'alimentatore AHCS, (2) la testa dell'animale deve essere inserito fino nell'alimentatore per raccogliere dati sulle emissioni di gas affidabili, (3) la procedura di calibrazione AHCS occorre seguire strettamente , (4) avere il tempo sufficiente per raccogliere i dati di fondo di CH 4 e CO 2 tra il campionamento singoli animali è importante, in particolare nelle stalle tie o privi di stallo, e (5) è importante che i dati sufficienti sono raccolti in un ciclo di campionamento ( che copre un periodo di 24 ore) in modo da dati di emissione generati da AHCS sono rappresentativi della reale diurno CH 4 o emissioni di CO2 da parte dell'animale.
Test comparativi con AHCS vs tecniche di CH 4 di misurazione stabiliti sostengono le conclusioni di cui sopra. Ad esempio, uno studio con crescenti giovenche da latte ha concluso che AHCS era in grado di stimare le emissioni di CH 4 dalle stime del bestiame e delle emissioni generate da AHCS erano comparabiliai valori ottenuti dalle camere 9 respirazione. Questi autori hanno sottolineato che la distribuzione delle unità AHCS e la replica devono essere considerati con attenzione al fine di garantire un numero sufficiente di si ottengono misurazioni. Sulla base dell'esperienza, 8 eventi di campionamento, scaglionati nel corso di un periodo di 3 giorni per coprire un ciclo di alimentazione 24 ore (vedi protocollo di cui sopra) sono sufficienti per ottenere misure accurate delle emissioni gassose e relativamente bassa variabilità dei dati (ad esempio, la precisione accettabile). In uno studio con mucche lattazione, si è concluso che CH 4 emissioni misurate dal AHCS erano simili a valori di letteratura derivati dalle camere respirazione e variabilità tra animali (CV del 11 al 12%; ripetibilità di 0,64 a 0,81) era anche all'interno gamma segnalato per camere respirazione 10. In uno studio di recente pubblicazione con vacche in lattazione, AHCS prodotto un curriculum più piccolo del metodo di SF 6 (14,1-22,4% rispetto 16,0-111% per SF 6) 13 </sup>. In un esperimento di 12 settimane condotto presso la Pennsylvania State University con 48 vacche da latte in lattazione, in cui rumine CH 4 produzione è stata inibita del 30% (p <0,001), abbiamo concluso che AHCS e il metodo di SF 6 prodotti simili CH 4 risultati di emissione : 319-481 g / vacca al giorno (media = 374 g / d; SEM = 15,9; CV = 13%) e 345-485 g / vacca al giorno (media = 396 g / d; SEM = 29.8; CV = 23 %) per AHCS e SF 6, rispettivamente, 14.
In conclusione, precisa, ma le tecniche pratiche per misurare la produzione di CH 4 nel rumine sono di fondamentale importanza per il successo di gas serra sforzi di mitigazione. AHCS è un sistema di misurazione dei gas automatico che ha dimostrato di fornire stime affidabili e accurate di CH 4 enterico e emissioni di CO 2 da carne e da latte bestiame.
Offenlegungen
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 |
Referenzen
- 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).
