자동화 시스템 (GreenFeed)의 사용 반추 동물의 장내 메탄과 이산화탄소 배출량을 모니터링하려면
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
반추 동물 (들여진 또는 야생)은 자신의 소화 기관과 보관시 비료의 분해 장내 발효를 통해 메탄 (CH 4)을 방출한다. 이러한 프로세스는 온실 가스 (GHG) 동물 생산 시스템에서 배출의 주요 소스입니다. 장내의 메탄을 측정하는 기술은 (그러나 제한 적용으로, 매우 정확 호흡 챔버) 다양한 간접적 인 방법으로 직접 측정에 따라 다릅니다 (실용적 탐지기, 레이저 기술,하지만 변수 정확도). 육 불화 황을 (SF 6) 추적 가스 방법은 일반적으로 동물의 과학자들에 의해 그리고 최근 장내의 메탄 생산을 측정하는 데 사용됩니다, 자동 헤드 챔버 시스템 (AHCS) (GreenFeed, C-잠금, 주식, 래피드 시티의 응용 프로그램, 이 실험의 초점 SD)가 성장되었다. AHCS은 질량 플럭스 CH (4)과 이산화탄소 (CO 2)를 모니터링하기위한 자동화 시스템반추 동물의 호흡. 전형적인 AHCS 작업에서 피드를 유혹 소량 매일 AHCS 여러 번에 유혹 개별 동물에 분배된다. 동물 AHCS 방문 같이, 팬 시스템은 흡기 다기관으로 동물의 총구 지난 공기를 끌어 지속적인 기류 속도를 측정하는 공기 파이프를 통해 수집. 공기의 서브 – 샘플을 4, CH 2 CO 농도의 연속 측정을위한 비 분산 적외선 센서로 파이프 밖으로 펌핑된다. 호흡 챔버 또는 SF 6 AHCS의 필드 비교는 AHCS이, 반복 가능하고 정확한 메탄 방출 결과를 AHCS에 그 동물의 방문을 방출 추정 반추위 가스 생산의 낮의 리듬을 대표 있도록 충분한 것으로 증명하고있다. 여기, 우리는 AHCS의 사용은 4 플럭스 제어 다이어트 또는 기술 수준의 캐슈 너트 보충 다이어트를 부여 젖소에서 CO 2와 CH를 측정하기 위해 보여쉘 액체.
Introduction
동물 생산은 간접적으로 또는 (예를 들어, 사료 생산 활동과 숲의 전환에서 목초지로 또는 (장내 발효 및 분뇨 관리에서, 예를 들어) 직접 메탄과 아산화 질소를 생성, 온실 가스 (GHG) 전 세계 배출량의 중요한 소스를 나타냅니다 농경지). 글로벌 온실 가스 배출에 대한 가축 기여 예상 사용되는 분석 방법의 경계에 따라 약 7 1 2 18 % 다릅니다. 미국에서는 가축 2009 년 3 전체 온실 가스 배출량의 3.1 %를 차지.
장내 메탄은 가축에서 온실 가스 배출에 가장 큰 기여. 따라서, 동물의 과학자들은 반추 동물에서 장내의 CH 4의 생산을 감소 완화 기술을 발견에 연구를 집중했다. 많은 경우에, 결과는 부적절한 실험 디자인 O로 의심 과학적 가치가R 측정 기술 1. 따라서, 측정 방법의 정확도 및 정밀도는 매우 GHG 저감 연구의 중요한 구성 요소이다. 문학의 큰 몸은 최근 4-7 년이 주제에 게시되었습니다. 그리고 머리 챔버, 호흡 챔버 (매우 정확하지만 제한된 적용과), 추적 가스 (SF 6 육 불화 황)을 포함하여 장내의 CH에게 반추 동물에서 4 생산을 측정하기위한 몇 가지 설정 방법이 있습니다. 호흡 챔버가 반추위 가스 배출량을 측정하는 "금 표준"으로 간주되고 있지만, 그 주된 단점은 재판에있는 동물의 수는 일반적으로 인해 특정 연구 시설 이용 가능한 챔버들의 한정된 수에 제한된다는 점이다. 장용성 CH 4 생산을 측정하는 가장 실용적이고 널리 사용되는 기술은 더 최근에, 자동 헤드 챔버 시스템 (AHCS, GreenFeed) 즉 C SF 6 추적 가스 방법이며반추 동물 (8)의 호흡과 트림 가스로부터 모니터 CH 4와 CO 2 질량 플럭스. SF 6 기술과 AHCS 배출량을 사용 모두 무료 방목 조건 또는 자유 -와 넥타이 실속 축사에서 동물의 큰 숫자에서 분석한다. CH 4 비율 : SF 6 기술은 연속적 SF 6 투과 호기 가스 시료의 동물, 컬렉션의 반추위 내에 삽입 관 및 가스의 분석으로부터 방출 추적 가스로서 SF 6을 이용한다. AHCS 또한 추적 가스 (프로판)의 사용을 기반으로 자동화, 헤드 챔버 형 시스템이다. 동물의 이상 공급 및 동작 조건에서 제한하고, 광범위 한 동물 취급 (가스 수집 및 SF 6 분석을위한) 특별 분석 기술과 장비를 필요로하는 SF 6 추적 방법으로하는 호흡 챔버 법에 비해 AHCS 비입니다 -intrusive하고 저렴취득 및 조작합니다. AHCS의 주요 단점 및 가스 측정시 동물의 건조 물질 섭취량의 5 %까지 나타낼 수 미끼 사료의 사용 (예 : 초식 동물들이 자발적으로 장치를 방문해야 시스템과 같은 애플리케이션에서) 대표성 샘플링을 포함 이벤트. 최근 비교 실험 AHCS가 호흡 챔버 또는 SF 6 기술 9,10을 사용하여 추정 된 것과 비교 배출량을 생산한다는 결론을 내렸다.
독립형 AHCS 시스템은 손으로 용이하게 수송 할 수있는 자율적 인 또는 필드 동작 및 장거리 여행시에 태양 전지 패널 (혹은 기타 전원)를 구비 한 트레일러에 장착 될 수있는 자동 급지 장치의 주위에 견고한 구성된다. 상기 시스템은 동물의 무선 주파수 식별 시스템 (RFID), 탄압 시스템, 공기 조화 및 측정 시스템, 가스 추적 시스템, 전자 통신 시스템, 및 데이터 처리 시스템 (<를 포함강한> 그림 1). 더 자세한 내용은 원래의 특허 문서 11에서 찾을 수있다.
아래에서 설명하는 예 AHCS 작업 프로토콜은 타이 스톨 헛간에 보관 젖소를 수유입니다. 절차는 비슷 시설에 수용 소 (비 수유 젖소, 암소, 또는 육우)의 다른 카테고리에 적용 할 수있다. 이 실험의 목적은 CH 4 및 CO 반추 동물에서의 배출량 측정 AHCS의 원리 및 동작을 증명하는 것이다.
Protocol
Representative Results
Discussion
AHCS 시스템 CH 4, CO (2)의 질량 유량 측정 용 인클로저 동적 기법 챔버 시스템 및 추적 기술의 요소를 결합한다. 일의 과정 동안, 그 평균 총 일일 가스 질량 플럭스를 정의하는 각각의 동물로부터 복수의 샘플을 수집한다. 동물을 식별하고 미끼의 정확한 양을 제공하기 위해 RFID 리더는 AHCS에 포함된다. 동물 공급기에 머리를 배치하기 시작 RFID 태그를 읽습니다. 동물이 확인되면 그 날의 특정 시간에 미끼 보상을받을 자격이있는 경우, AHCS 결정 (방목 또는 프리 스톨 축사 응용 프로그램). 각 동물의 구경 (적외선 센서에 기초하여 결정)의 시작과 끝 시간은 자동적으로 기록된다. 미끼 전달 시스템은 주기적으로 하루 동안 AHCS에 동물을 유인하기 위해 사용된다. 일반적으로 탄압 공급은 펠릿과 잔디, 알팔파, 곡물 농축액, 당밀, 식물성 기름을 포함 할 수있다.동물 방문 AHCS는, 팬 (약 26 L / 분의 속도로)의 머리 위에 공기를 끌어 동안, 흡기 매니 폴드 (4) CH 2 CO 방출 스위핑. 공기의 유속은 공기 포집 관의 중간에 핫 필름 풍속계 연속적으로 측정된다. 공기의 연속 서브 샘플을 추출 후 두 개의 비 분산 적외선 분석기, 하나의 CO 2 센서와 CH 4 일에 2 차 샘플 필터로 라우팅됩니다. AHCS 역시 공기 온도, 습도, 먹이 강하 시스템 전압, 대기압, 프로판 유량 및 헤드 위치를위한 센서를 추가로 포함한다. 방목 시스템 목장 및 트레일러 탑재 버전은 컵 풍속계 (현지 풍속)과 바람 바람개비 (바람의 방향)를 포함한다. 모든 센서 데이터는 자동으로 및 독립적으로 작동 할 수있게 AHCS, 로컬 데이터 로거 및 컴퓨터에 저장된다. 센서 데이터는 내부 표준 USB (범용 직렬 버스) 메모리 스틱에 저장됩니다. AHCS 데이터일반적으로 그들은 영구적으로 기록하는 외부 서버로, 한 번 시간당, 인터넷 링크를 통해 전송됩니다. 인터넷 연결이있는 사용자는 원격으로 AHCS에 로그인하여 장치를 제어, 유혹 일정을 수정하고, 역사와 실시간 데이터뿐만 아니라 리뷰를 검토하고 AHCS 기능을 모니터링 할 수 있습니다.
전반적으로, 펜실베니아 주립 대학에서 실시한 실험 AHCS 시스템은 CH 4와 CO 제휴 스톨 헛간에 보관 젖소에서 배출량에 대한 신뢰성있는 추정치를 제공하는 것을 보여 주었다. 호흡 챔버를 통해 AHCS의 장점은 동물이 제한하고 자연 환경에서 (즉., 목장에서), 또는 자유 (자유 스톨 헛간에서) 이동할 수 있습니다되지 않는 것입니다. AHCS 또한 기존의 호흡 챔버보다 구축 비용이 저렴. 이 상대적으로 낮은 비용은 특히 개발 도상국의 메탄 저감 연구를 위해 중요하다. SF 6 추적과 비교연구 방법은 AHCS 작동하고 복잡하고 고가의 분석 장비를 필요로하지 않는 단순하다. 아마도 (방목 또는 자유 스톨 축사 환경에서 사용 특히) 챔버와 SF 6의 방법에 비해 AHCS의 가장 명백한 단점은, 동물이 자발적으로 장치에 접근하기 때문에 가스 측정 이벤트가 동물의 방문에 의존한다는 것이다 . 하루 내에서 이러한 동물의 방문 또는 메탄 생산의 낮의 리듬을 대표하지 않을 수 있습니다. 따라서, 어플리케이션에서 동물 방문 AHCS 자발적, 샘플링주기는 충분히 길게 될 또는 충분한 횟수를 반복해야한다. 펜실베니아 주립대 사용 타이 실속 애플리케이션은 24 시간주기 동안 공급 수와 가스 측정의 시간 분포를 제어함으로써 이러한 문제를 완화시킨다. (위의 프로토콜에 표시된대로) 먹이주기 동안 트림 가스의 충분한 샘플링은 representati 중요하다소의 반추위에서 메탄 생산의 추정을했습니다. AHCS를 사용하여 측정시 동물에 공급 미끼 공급량은 전체 분석 (즉, 동물에 의해 소비되는 사료의 총량에 첨가되어야 함) 때문에 발광 강도 피드 단위당 DMI 정확하게 될 수에서 고려되어야 추정했다. 정상 공급 조건 미끼 피드 반추위 발효의 총 젖소의 DMI와 그 효과 5 % 이하를 나타내며, CH 4의 생산은 작다. 그것은 AHCS (및 기타 유사한 시스템) 동물의 hindgut에서 메탄 생산을 측정하지 않는 것을 알 수있다. Hindgut 발효 그러나, 반추 동물 (7)에 총 4 CH 배출량의 약 3 %를 기여한다.
경험에 기초하여, AHCS를 사용 장용성 반추위 가스 생산을 측정하는 여러 가지 중요한 구성 요소가있다 : (1) 동물 탄압 피드 (및 AHCS)에 적응되어야하고 t를 갖는다그것에 다가 AHCS 공급기를 사용하기 위해 추천 O, (2) 동물의 머리가 안정적인 가스 배출 데이터를 수집하기 위하여 공급기에 완전히 삽입 될 수 있고, (3) AHCS 보정 절차가 반드시 따라야한다 (4) 개별 동물 샘플링 사이 배경 CH 4, CO 2 데이터를 수집 할 수있는 충분한 시간을 갖는 특히 tie- 또는 자유 실속 축사에서, 중요하고, (5)는 (충분한 데이터가 샘플링주기에서 수집하는 것이 중요 24 시간주기를 커버하는) 그렇게 생성 AHCS 배출 데이터는 4 또는 CO 배출량 동물에 의한 실제 일주 CH 대표.
설립 메탄 측정 기술 대 AHCS와 비교 테스트는 위의 결론을 지원합니다. 예를 들어, 성장 낙농 암소와 연구 AHCS가 AHCS에 의해 생성 된 가축 및 배출 추정치 CH 4 배출량을 추정 할 수 있었다 비교할 수 있다고 결론을 내렸다호흡 챔버 (9)에 의해 얻어진 값. 이들 저자는 AHCS 유닛의 배치를 지적 복제 신중 측정 얻어지는 충분한 수를 보장하기 위해 고려되어야한다. 경험에 기초하여, 8 샘플링 이벤트, 24 시간 먹이주기 (상기 프로토콜 참조)를 커버하는 3 일의 기간에 걸쳐 지그재그 기체 배출의 정확한 측정 및 데이터의 상대적 변화 (즉, 허용 가능한 정밀도)을 획득하기에 충분하다. 수유 젖소와 연구에서는 AHCS에 의해 측정 된 메탄 배출량은 호흡 챔버에서 동물 변동 사이에 도출 된 문헌 값과 유사 있다고 결론을 내렸다 (11~12%의 CV; 0.64-0.81의 반복성) 내에 있었다 범위는 호흡 챔버 (10)에 대해 보도했다. 수유 소와 최근에 출판 된 연구에서, AHCS는 (SF 6 16.0 1백11%에 대 14.1-22.4 %) (13) SF (6) 방법보다 작은 CV를 생산 </> SUP. 30 % (P <0.001)에 의해 억제되었다 메탄 생산을 반추위하는 48 수유 젖소와 펜실베니아 주립 대학에서 실시한 12 주간의 실험에서, 우리는 AHCS과 SF (6) 방법은 유사한 메탄 방출 결과를 생산 결론 : 319~481그램 / 하루에 소 (평균 = 374g / D; SEM = 15.9, CV = 13 %)과 3백45~4백85g / 하루에 소가 (평균 = 396g / D; SEM = 29.8, CV = 23 AHCS와 SF 6, 각각 14 %).
결론적으로, 정확하지만, 반추위에서 메탄 생산을 측정하기위한 실제적인 기술에서 온실 가스 감축 노력의 성공을 위해 매우 중요하다. AHCS 4와 CO 2 배출량 쇠고기와 낙농 가축의 장내 채널의 안정적이고 정확한 견적을 제공하는 입증 된 자동 가스 측정 시스템입니다.
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
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