El uso de un sistema automatizado (Magnetovisor Verde) para supervisar entérica de metano y dióxido de carbono Las emisiones de los rumiantes
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
Los animales rumiantes (domésticos o salvajes) emiten metano (CH 4) a través de la fermentación entérica en su tracto digestivo y de la descomposición del estiércol durante su almacenamiento. Estos procesos son las principales fuentes de gases de efecto invernadero (GEI) de los sistemas de producción animal. Las técnicas para medir entérico CH 4 varían de mediciones directas (cámaras de respiración, que son altamente precisa, pero con una aplicabilidad limitada) a varios métodos indirectos (sniffers, la tecnología láser, que son prácticos, pero con una precisión variable). El hexafluoruro de azufre (SF 6) Método de gas trazador se utiliza comúnmente para medir entérica CH4 producción por científicos de animales y, más recientemente, la aplicación de un Sistema Automatizado de Head-Cámara (AHCS) (Magnetovisor Verde, C-Lock, Inc., Rapid City, SD), que es el foco de este experimento, ha ido creciendo. AHCS es un sistema automatizado para supervisar CH 4 y dióxido de carbono (CO 2) los flujos de masa de lala respiración de los animales rumiantes. En una operación típica AHCS, pequeñas cantidades de cebo de alimentación se dispensan a los animales individuales para atraer a AHCS múltiples veces al día. Como el animal visita AHCS, un sistema de ventilación extrae el aire pasado el hocico del animal en un colector de admisión, y por medio de un tubo de recogida de aire, donde se miden las tasas de flujo de aire continuo. Una sub-muestra de aire se bombea fuera de la tubería en sensores de infrarrojos no dispersivo para la medición continua de CH 4 y concentraciones de CO 2. Comparaciones de campo de AHCS a cámaras de respiración o SF 6 han demostrado que AHCS produce resultados CH4 emisiones repetibles y precisos, a condición de que las visitas de los animales a AHCS son suficientes por lo que las estimaciones de emisiones son representativos del ritmo diurno de la producción de gas rumen. Aquí, se demuestra el uso de AHCS para medir CO 2 y CH 4 flujos de vacas lecheras dado una dieta control o una dieta suplementada con calidad técnica anacardolíquido de la cáscara.
Introduction
La producción animal representa una fuente importante de gases de efecto invernadero (GEI) en todo el mundo, generando CH 4 y el óxido nitroso, ya sea directamente (por ejemplo, a partir de la fermentación entérica y el aprovechamiento del estiércol) o indirectamente (por ejemplo, de las actividades de alimentación de producción y conversión de bosques en pastos o tierras de cultivo). Las estimaciones para el ganado contribución a la emisión global de GEI varían desde alrededor de julio 1-18% 2, en función de los límites del análisis y los métodos utilizados. En los Estados Unidos, la ganadería representa el 3,1% de las emisiones totales de gases de efecto invernadero en 2009 3.
Entérica CH 4 es el mayor contribuyente a las emisiones de gases de efecto invernadero de la ganadería. Por lo tanto, los científicos de los animales se han centrado su investigación en el descubrimiento de las tecnologías de mitigación para reducir entérica CH4 producción de rumiantes. En muchos casos, los resultados son de valor científico cuestionable debido al diseño experimental o inadecuadatécnicas de medición r 1. Por lo tanto, la exactitud y la precisión de las técnicas de medición son críticamente importantes componentes de la investigación de mitigación de GEI. Una gran cantidad de literatura se ha publicado sobre este tema en los últimos años 4-7. Existen varios enfoques establecidos para medir entérica CH4 producción en rumiantes, incluyendo cámaras de respiración (muy precisos pero con una aplicabilidad limitada), gases trazadores (hexafluoruro de azufre; SF 6), y de cabeza cámaras. Aunque las cámaras de respiración se consideran el "estándar de oro" para la medición de las emisiones de gases ruminales, su principal desventaja es que el número de animales de ensayo se limita generalmente debido al número limitado de cámaras disponibles en un centro de investigación en particular. Las técnicas más prácticas y ampliamente utilizado para medir entérica CH4 producción son el método del gas trazador SF 6 y, más recientemente, un sistema Head-Cámara Automatizado (AHCS, Magnetovisor Verde) que cun monitor de CH 4 y CO 2 flujos de masa de la respiración y eructos de gas de los rumiantes 8. Tanto la técnica de SF 6 y AHCS habilitar las emisiones que se analizaron en un gran número de animales en pastoreo libre o en graneros de libre y corbata-parada. La técnica SF 6 utiliza SF 6 como un gas trazador, que se libera de forma continua desde un tubo de permeación insertado en el rumen del animal, la recogida de una muestra de los gases exhalados, y el análisis del gas de SF 6: CH 4 proporción. AHCS es un sistema de tipo automatizado, cabeza-cámara que también se basa en el uso de un gas trazador (propano). En comparación con el método de cámara de respiración, donde los animales están confinados en condiciones anormales de alimentación y de comportamiento, y con el método trazador SF6, que requiere habilidades analíticas especiales y equipo (para la recolección de gas y SF 6 análisis) más amplio manejo de animales, AHCS es no -intrusive y es menos costosopara adquirir y operar. Las principales deficiencias de AHCS incluyen el muestreo no representativo (en aplicaciones, tales como sistemas de pastoreo, donde los animales tienen que visitar voluntariamente la unidad) y la utilización de piensos de cebo, lo que podría representar hasta un 5% del consumo de materia seca del animal durante una medición de gas evento. Experimentos comparativos recientes han concluido que AHCS produce tasas de emisiones comparables a los estimados usando cámaras de respiración o el SF 6 técnica 9,10.
El sistema AHCS independiente se construye alrededor de un alimentador automático robusto que es fácilmente transportable a mano o puede ser montado en un remolque equipado con paneles solares (u otras fuentes de energía) para la operación de campo autónomo y viajes de larga distancia. El sistema incluye un sistema animal de Radio-Frequency Identification (RFID), un sistema de cebado, un sistema de tratamiento de aire y medición, un sistema de trazador gas, electrónica y sistema de comunicación, y un sistema de manipulación de datos (<strong> Figura 1). Más detalles se pueden encontrar en la documentación de patente original 11.
El ejemplo de protocolo operación AHCS se describe a continuación es para vacas lecheras alojadas en un granero tie-puesto. El procedimiento es aplicable a otras categorías de bovinos (vacas no lactantes lácteos, novillas, o ganado de carne) alojadas en instalaciones similares. El objetivo de este experimento es para demostrar los principios y el funcionamiento de AHCS para la medición de CH 4 y las emisiones de CO2 procedentes de animales rumiantes.
Protocol
Representative Results
Discussion
El sistema AHCS combina elementos de una técnica dinámica recinto, el sistema de cámara, y la técnica de trazador para las mediciones de flujo de masa de CH 4 y CO 2. En el transcurso de días, que recoge múltiples muestras de cada animal para definir el total de los flujos de masa promedio diaria de gas. Para identificar un animal y entregar la cantidad correcta de cebo, un lector de RFID se incorpora en AHCS. La etiqueta RFID se lee como el animal comienza a colocar la cabeza en el alimentador. Una vez que un animal es identificado, AHCS determina si es elegible para recibir una recompensa de cebo en ese momento específico del día (pastoreo o aplicaciones granero sin parada). El inicio y final de la visita de cada animal (determinado en base a los sensores de infrarrojos) se registra automáticamente. El sistema de suministro de cebo se utiliza para atraer a los animales a AHCS periódicamente durante todo el día. Típicamente, la alimentación de cebo se granula y puede contener hierba, alfalfa, concentrados de granos, melaza, y aceite vegetal.Mientras que una visitas de animales AHCS, un ventilador empuja el aire por encima de su cabeza (a una velocidad de unos 26 l / min), Barrer emitida CH 4 y CO 2 en un colector de admisión de aire. La velocidad de flujo de aire se mide continuamente con un anemómetro de película caliente en el medio de la tubería de recogida de aire. Una submuestra continuo de aire se extrae y se encamina hacia un filtro muestra secundaria, y luego en dos analizadores no dispersivo por infrarrojos, un sensor de CO 2 y una para CH 4. AHCS también incluye sensores adicionales para la temperatura del aire, humedad del aire, la caída de cebo, la tensión del sistema, la presión atmosférica, la tasa de flujo de propano, y posición de la cabeza. Pasto y remolque versiones montadas para los sistemas de pastoreo incluyen un anemómetro de cazoletas (velocidad del viento local) y veleta (dirección del viento). Todos los datos de sensor se almacenan en un registrador de datos local y un ordenador, lo que permite AHCS para funcionar automáticamente y de forma independiente. Datos de sensor también se almacenan en un USB estándar interno (Universal Serial Bus) memory stick. Datos AHCSse transfieren normalmente a través de un enlace de Internet, una vez por hora, a un servidor externo en el que se registran de forma permanente. Los usuarios con conexión a Internet pueden iniciar sesión de forma remota en AHCS y controlar la unidad, modificar horarios de carnada, y revisar los datos históricos y en tiempo real, así como la revisión y controlar la función AHCS.
En general, los experimentos realizados en la Universidad Estatal de Pennsylvania demostraron que el sistema AHCS ofrece estimaciones fiables para CH 4 y emisiones de CO2 de las vacas lecheras alojados en establos de amarre de puesto. Las ventajas de AHCS más cámaras de respiración es que el animal no está restringido y se encuentra en su ambiente natural (es decir., En los pastos), o puede mover libremente (en un granero sin parada). AHCS también es menos caro de construir que una cámara de respiración tradicional. Este relativamente bajo costo es importante, sobre todo para el CH 4 investigación mitigación en los países en desarrollo. En comparación con el SF 6 rastrométodo r, AHCS es más simple de operar y no requiere equipo analítico complicado y costoso. Tal vez el más aparente desventaja de AHCS, en comparación con las cámaras y los métodos SF 6 (en particular cuando se utilizan en entornos de pastoreo o sin parada del granero), es que el animal tiene que acercarse voluntariamente la unidad y por lo tanto los eventos de medición de gas dependen de las visitas de animales . Dentro de un día, estas visitas de animales pueden o no ser representativos del ritmo diurno de CH4 producción. Por lo tanto, en aplicaciones en las visitas de animales AHCS voluntariamente, el período de muestreo debe ser suficientemente largo o repetido un número suficiente de veces. La aplicación tie-establo usado en la Universidad Estatal de Pennsylvania alivia este problema mediante el control del número y la distribución temporal de las mediciones de gas durante un ciclo de alimentación de 24 horas. Muestreo suficiente de gas eructos durante un ciclo de alimentación (como se indica en el protocolo anterior) es importante para representative estimación de la producción de CH 4 en el rumen de los bovinos. La cantidad de pienso de cebo se alimenta a los animales durante las mediciones utilizando AHCS tiene que ser considerado en el análisis global (es decir, hay que añadir a la cantidad total de alimento consumido por el animal), por lo que la intensidad de emisiones por unidad de alimento DMI puede ser precisa estimado. En condiciones normales de alimentación, la alimentación de cebo representa menos del 5% del total de DMI a vacas lecheras y su efecto sobre la fermentación ruminal y CH 4 producción es pequeña. Se observa que AHCS (y otros sistemas similares) no mide CH 4 la producción en intestino posterior del animal. Fermentación intestino posterior, sin embargo, aporta sólo alrededor del 3% del total de las emisiones de CH 4 en un animal rumiante 7.
Con base en la experiencia, hay varios componentes importantes de la medición de la producción de gas ruminal entérica usando AHCS: (1) el animal tiene que estar acostumbrado a la alimentación de cebo (y AHCS) y tiene to como si el fin de acercarse y utilizar el alimentador AHCS, (2) la cabeza del animal tiene que ser insertado hasta el fondo en el alimentador con el fin de recopilar datos sobre las emisiones de gases de confianza, (3) el procedimiento de calibración AHCS tiene que ser seguido estrictamente , (4) que tiene tiempo suficiente para recoger datos de antecedentes CH 4 y CO 2 entre el muestreo de animales individuales es importante, sobre todo en graneros Tie- o sin parada, y (5) es importante que suficientes datos se recogen en un ciclo de muestreo ( que abarca un período de 24 horas) lo que los datos de las emisiones generadas por AHCS son representativas de la CH diurna real 4 o emisiones de CO 2 por el animal.
Las pruebas comparativas con AHCS vs. técnicas CH 4 de medición establecidos apoyan las conclusiones anteriores. Por ejemplo, un estudio con crecientes vaquillas concluyó que AHCS fue capaz de estimar las emisiones de CH4 del ganado y de emisión estimaciones generadas por AHCS fueron comparablesa los valores obtenidos por las cámaras de respiración 9. Estos autores señalaron que el despliegue de las unidades AHCS y replicación deben considerarse cuidadosamente para asegurar un número suficiente de se obtienen mediciones. Basado en la experiencia, 8 eventos de muestreo, escalonadas durante un período de 3-días para cubrir un ciclo de alimentación 24 hr (véase el protocolo anterior) son suficientes para obtener mediciones precisas de emisiones gaseosas y relativamente baja variabilidad de los datos (es decir, la precisión aceptable). En un estudio con las vacas lecheras en lactación, se concluyó que emisiones de CH 4 medidos por el AHCS fueron similares a valores de la literatura derivados de cámaras de respiración y entre la variabilidad de los animales (CV de 11 a 12%; repetibilidad de 0,64 a 0,81) fue también dentro de la rango reportado para cámaras de respiración 10. En un estudio recientemente publicado con las vacas en lactación, AHCS produjo un CV más pequeño que el método SF 6 (14,1 a 22,4% frente a 16,0 a 111% para el SF 6) 13 </sup>. En un experimento de 12 semanas realizado en la Universidad Estatal de Pennsylvania con 48 vacas lecheras lactantes, en los que rumen CH4 producción se inhibió en un 30% (p <0,001), llegamos a la conclusión de que AHCS y el método SF 6 produjeron similares CH 4 resultados de las emisiones : 319 a 481 g / vaca por día (media = 374 g / d; SEM = 15,9; CV = 13%) y 345 a 485 g / vaca por día (media = 396 g / d; SEM = 29,8; CV = 23 %) para AHCS y SF 6, respectivamente 14.
En conclusión, precisa, pero las técnicas prácticas para la medición de la producción de CH4 en el rumen son de importancia crítica para el éxito de los esfuerzos de mitigación de GEI. AHCS es un sistema de medición de gas automatizado que ha sido probado para entregar estimaciones fiables y precisas de CH 4 entérico y las emisiones de CO2 a partir de carne y leche.
Divulgaciones
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 |
Referencias
- 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).
