Die Verwendung eines automatisierten Systems (GreenFeed) bis Enteric Methan und der Kohlendioxidemissionen von Wiederkäuern Überwachen
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
Wiederkäuer (domestiziert oder wild) emittieren, Methan (CH 4), durch enterische Fermentation in ihrem Verdauungstrakt und aus der Zersetzung von Gülle während der Lagerung. Diese Prozesse sind die Hauptquellen von Treibhausgasen (THG) Emissionen aus der Tierproduktionssysteme. Techniken zur Messung ente CH 4 variieren von direkten Messungen (Respirationskammern, die sehr genau sind, aber nur begrenzte Anwendbarkeit) verschiedene indirekte Verfahren (Sniffer, Lasertechnik, die praktisch sind, aber mit variabler Genauigkeit). Die Schwefelhexafluorid (SF 6) Tracergas-Methode wird häufig verwendet, um ente CH 4 Herstellung von Tier Wissenschaftlern und in jüngerer Zeit zu messen, die Anwendung eines automatisierten Kopf-Kammer-System (AHCS) (GreenFeed, C-Lock, Inc., Rapid City, SD), die im Mittelpunkt dieses Experiments ist, hat zugenommen. AHCS ist ein automatisiertes System, CH 4 und Kohlendioxid (CO 2) zu überwachen Massenflüsse von denHauch von Wiederkäuern. In einem typischen AHCS Operation werden kleine Mengen von Hetze Zufuhr zu einzelnen Tieren verzichtet, um sie an AHCS mehrmals täglich zu locken. Als das Tier besucht AHCS zieht ein Fan System Luft an das Tier Schnauze in einen Einlasskrümmer und durch eine Luftsammelleitung in dem kontinuierlichen Luftdurchsatz gemessen. Ein Teilluftprobe aus dem Rohr in nicht-dispersiven Infrarot-Sensoren zur kontinuierlichen Messung von CH 4 und CO 2 -Konzentrationen gepumpt. Feldvergleiche AHCS Atmung Kammern oder SF 6 haben gezeigt, dass AHCS produziert reproduzierbare und genaue CH 4 Emissionen Ergebnis, sofern diese Tierbesuche AHCS sind ausreichend, so Emissionsschätzungen Vertreter der Tagesrhythmus von Pansengasproduktion sind. Hier zeigen wir die Verwendung von AHCS zu CO 2 und CH 4 Flüsse von Milchkühen bei einer Kontrolldiät oder eine Diät mit technischem Cashewnuss ergänzt MessungShell Flüssigkeit.
Introduction
Tierproduktion stellt eine bedeutende Quelle von Treibhausgasemissionen (THG) weltweit, Erzeugung CH 4 und Lachgas entweder direkt (zB aus der Verdauung und Wirtschaftsdünger-Management) oder indirekt (zum Beispiel von Futtermittel-Produktion und Umwandlung von Wald in Weide oder Ackerland). Die Schätzungen für das Vieh Beitrag zur globalen THG-Emissionen variieren von etwa Juli 01-18% 2, je nachdem, die Grenzen der Analyse und Methoden. In den Vereinigten Staaten, Nutztiere vertreten 3,1% der gesamten Treibhausgasemissionen im Jahr 2009 3.
Magensaftresistente CH 4 ist der größte Beitrag zur Treibhausgas-Emissionen aus der Tierhaltung. Deshalb haben tierische Wissenschaftler ihre Forschung sich auf die Entdeckung Minderungstechnologien zur Verringerung ente CH 4 Herstellung von Wiederkäuern. In vielen Fällen Ergebnisse von fragwürdigen wissenschaftlichen Wert durch unzureichende experimentelle Design or Messverfahren 1. Somit ist die Genauigkeit und Präzision der Messverfahren sind von entscheidender Bedeutung, Komponenten der THG-Verringerung Forschung. Eine große Menge an Literatur hat sich zu diesem Thema in den letzten Jahren 4-7 erschienen. Es gibt verschiedene Ansätze für die Messung festente CH 4 Produktion in Wiederkäuern, einschließlich Atmungskammern (sehr genaue, aber nur begrenzte Anwendbarkeit), Tracergasen (Schwefelhexafluorid, SF 6), und Kopfkammern. Obwohl die Atmung Kammern gelten als der "Goldstandard" für die Messung Pansengasemissionen, ist ihr großer Nachteil, dass die Anzahl der Tiere auf dem Prüfstand ist in der Regel aufgrund der begrenzten Anzahl von Kammern in einem bestimmten Forschungsanlage zur Verfügung begrenzt. Die praktischsten und am häufigsten verwendeten Techniken zur Messung ente CH 4 Herstellung sind SF 6 Tracergas Verfahren und in jüngerer Zeit eine automatisches Druckkopf-Kammer-System (AHCS, GreenFeed), daß cein Monitor CH 4 und CO 2 Massenflüsse aus der Luft und Aufstoßen Gas von Wiederkäuern 8. Sowohl der SF 6 Technik und AHCS aktivieren Emissionen auf eine große Anzahl von Tieren in freier Weidebedingungen oder in Free- und tie-Laufställen untersucht werden. Das SF 6 Technik verwendet SF 6 als ein Tracergas, das kontinuierlich von einer Permeationsrohr im Pansen des Tieres, Sammeln einer Probe der ausgeatmeten Gase eingeführt, und die Analyse des Gases für SF 6 freigegeben wird: CH 4-Verhältnis. AHCS ist ein automatisiertes, Kopfkammertyp-System, das ebenfalls auf der Verwendung von Tracergas (Propan) basiert. Verglichen mit der Atmung Kammerverfahren, in denen Tiere unter anormalen Fütterung und Verhalten Bedingungen beschränkt ist, und mit dem SF 6 Tracer-Methode, die spezielle analytische Fähigkeiten und Anlagen (für die Gaserfassung und SF 6-Analyse) sowie umfangreiche Behandlung der Tiere verlangt, ist AHCS Nicht -intrusive und ist weniger teuerzu erwerben und zu betreiben. Die wichtigsten Mängel der AHCS gehören nicht repräsentative Probenahme (in Anwendungen, wie zB Weidesysteme, in denen die Tiere freiwillig besuchen Sie die Einheit) und die Verwendung von Köderfutter, die bei einer Gasmessung bis zu 5% des Trockenmasseaufnahme des Tieres darstellen könnte Ereignis. Aktuelle Vergleichsversuche haben ergeben, dass AHCS produziert Emissionsraten vergleichbar mit denen geschätzt mit Hilfe von Atmungskammern oder die SF 6 Technik 9,10.
Die Stand-Alone AHCS System wird um eine robuste automatische Zuführung, die leicht zu transportieren ist von Hand oder mit einem Anhänger mit Sonnenkollektoren (oder andere Stromquellen) für autonome Feldbetrieb und Fernverkehr ausgestattet montiert werden aufgebaut. Das System umfasst ein Tier Radiofrequenz-Identifikationssystem (RFID), eine Ködersystem, ein Luft Handhabung und Messsystem, ein Gas-Tracer-System, Elektronik und Kommunikationssystem und ein Datenverarbeitungssystem (<strong> Abbildung 1). Weitere Details finden Sie in der ursprünglichen Patentdokumentation 11 gefunden werden.
Das nachfolgend beschriebene Beispiel AHCS Betrieb Protokoll für laktierenden Milchkühen in einem Tie-Laufstall untergebracht. Das Verfahren ist anwendbar auf andere Kategorien von Rindern (nicht laktierenden Milchkühe, Färsen, oder Rinder) in ähnlichen Einrichtungen untergebracht. Das Ziel dieses Experiments ist es, die Prinzipien und den Betrieb der AHCS zur Messung von CH 4 und CO 2 -Emissionen von Wiederkäuern zu demonstrieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die AHCS System kombiniert Elemente eines dynamischen Gehäuse Technik Kammersystem und Tracertechnik für die Massenflussmessungen von CH 4 und CO 2. Im Laufe von Tagen sammelt es mehrere Proben von jedem Tier zur Überwachung der durchschnittlichen täglichen Gesamtgasmassenflüsse zu definieren. Um ein Tier zu identifizieren und liefern die richtige Menge an Köder, wird ein RFID-Lesegerät in AHCS eingebaut. Der RFID-Tag gelesen wird, wie das Tier beginnt, den Kopf in den Einzug legen. Sobald ein Tier identifiziert wird, bestimmt AHCS wenn es berechtigt, einen Köder Belohnung zu diesem bestimmten Zeitpunkt des Tages zu empfangen ist (Beweidung oder Freilaufstall-Anwendungen). Die Start- und Endzeit der Besuch jedes Tieres (basierend auf den Infrarot-Sensoren bestimmt wird) wird automatisch erfasst. Der Köder-Abgabesystem verwendet wird, um Tiere zu AHCS periodisch über den Tag zu gewinnen. Typischerweise ist die Köderfutter pelletisiert und kann Gras, Luzerne, Getreide Konzentrate, Melasse und Pflanzenöl enthält.Während ein Tier Besucher AHCS zieht ein Fan Luft über dem Kopf (mit einer Geschwindigkeit von etwa 26 l / min), Fegen emittiert CH 4 und CO 2 in einen Lufteinlassverteiler. Die Luftströmungsgeschwindigkeit wird kontinuierlich mit einem Heißfilmanemometers in der Mitte des Luftsammelrohrs gemessen. Eine kontinuierliche Teilstichprobe der Luft extrahiert und in eine sekundäre Probenfilter geleitet, dann in zwei nicht-dispersiven Infrarot-Analysegeräte, einen Sensor zur CO 2 und eine für CH 4. AHCS umfasst auch zusätzliche Sensoren für Lufttemperatur, Luftfeuchte, Köder Drop, Systemspannung, Luftdruck, Propan Durchsatz und Kopfposition. Weide und Anhänger montiert Ausführungen für Weidesysteme gehören ein Schalenstern (lokale Windgeschwindigkeit) und Windfahne (Windrichtung). Alle Sensordaten werden in einem lokalen Datenspeicher und einem Computer gespeichert, so dass AHCS um automatisch und unabhängig funktionieren. Sensordaten werden auch auf einen internen Standard USB (Universal Serial Bus) Memory-Stick gespeichert. AHCS Datenwerden in der Regel über eine Internet-Verbindung übertragen werden, einmal pro Stunde, auf einen externen Server, wo sie dauerhaft angemeldet sind. Benutzer mit Internet-Anbindung können aus der Ferne in AHCS protokollieren und kontrollieren Sie das Gerät, Hetze Zeitpläne zu ändern und zu überprüfen historische und Echtzeit-Daten sowie Überprüfung und AHCS Funktion zu überwachen.
Insgesamt Experimente an der Pennsylvania State University durchgeführt, zeigten, dass die AHCS System liefert verlässliche Schätzungen für CH 4 und CO 2 -Emissionen von Milchkühen im Tie-Laufställen untergebracht. Die Vorteile der AHCS über Atmung Kammern ist, dass das Tier nicht beschränkt und ist in seiner natürlichen Umgebung (dh., Auf der Weide), oder sich frei bewegen kann (in einem Freilaufstall). AHCS ist auch weniger teuer zu bauen als eine traditionelle Respirationskammer. Diese relativ geringen Kosten ist wichtig, insbesondere für CH 4 Minderungs Forschung in Entwicklungsländern. Verglichen mit dem SF 6 Spurenr Verfahren ist AHCS einfacher zu bedienen und keine komplizierte und teure Analysegeräte erforderlich. Vielleicht ist die scheinbare Nachteil AHCS gegenüber Kammern und den SF 6-Methoden (vor allem, wenn in Beweidung oder Freilaufstall Umgebungen verwendet), ist, dass das Tier hat, freiwillig zu nähern das Gerät und damit Gasmessung Ereignisse sind vielmehr abhängig von Tierbesuche . Innerhalb eines Tages diese Tierbesuche oder auch nicht repräsentativ für den Tagesrhythmus von CH 4 Produktion. Bei Anwendungen, in denen das Tier Abfragen AHCS freiwillig die Abtastperiode lang genug sein sollte oder wiederholt eine ausreichende Anzahl von Malen. Der Tie-Stall-Anwendung an der Pennsylvania State University verwendet lindert dieses Problem, indem die Anzahl und die zeitliche Verteilung der Gasmessungen während eines 24-Stunden-Zuführungszyklus. Ausreichende Abtastung Aufstossen Gas während eines Zuführungszyklus (wie in dem obigen Protokoll bezeichnet) ist wichtig für Vertreve Schätzung CH4-Produktion in den Pansen von Rindern. Die Menge des Köders Ernährung der Tiere während der Messungen mit AHCS zugeführt, um in der Gesamtanalyse (dh sie müssen zur Gesamtfuttermenge von dem Tier verzehrt hinzugefügt werden), so dass die Emissionsintensität pro Einheit des Vorschub DMI genau sein betrachtet werden geschätzt. Unter normalen Ernährungsbedingungen, die Köderfutter weniger als 5% des Gesamt DMI eines Milchkühen und seine Wirkung auf die Pansen und CH 4 Herstellung gering ist. Es wird angemerkt, dass AHCS (und anderen vergleichbaren Systemen) nicht CH 4-Produktion zu messen im Tier Enddarm. Enddarm Fermentations trägt jedoch nur etwa 3% der gesamten CH 4 -Emissionen in einem Wiederkäuer 7.
Basierend auf der Erfahrung, gibt es einige wichtige Komponenten des Messentepansengasproduktion mit AHCS: (1) das Tier an die Hetze Futtermittel (und AHCS) gewöhnt werden und hat to, wie es um die Annäherung und verwenden Sie die AHCS Anleger, (2) den Kopf des Tieres hat, den ganzen Weg, um zuverlässige Gasemissionen Daten zu sammeln eingefügt werden in den Einzug, (3) die AHCS Kalibrierungsvorgang muss unbedingt eingehalten werden ist (4) mit ausreichend Zeit, um Hintergrund CH 4 und CO 2 Daten zwischen Abtasten einzelner Tiere zu sammeln wichtige, vor allem im Tie-oder Freilaufställen, und (5), ist es wichtig, dass genügend Daten werden in einem Abtastzyklus gesammelt ( Abdecken eines 24-Stunden-Zeitraum), so dass durch AHCS erzeugten Emissionsdaten repräsentativ für die tatsächliche Tages CH 4 oder CO 2 -Emissionen durch das Tier sind.
Vergleichsversuche mit AHCS vs. gegründet CH 4 Messtechniken unterstützen die vorstehenden Schlussfolgerungen. Zum Beispiel, eine Studie mit wachsender Färsen Schluss, dass AHCS war in der Lage zu schätzen CH4-Emissionen aus der Tierhaltung und Emissions Einschätzungen AHCS erzeugt waren vergleichbardurch Respirationskammern 9 erhalten wurden. Diese Autoren darauf hingewiesen, dass der Einsatz der AHCS Einheiten und Replikation müssen sorgfältig geprüft, um sicherzustellen, eine ausreichende Zahl von Messungen erhalten werden. Basierend auf der Erfahrung, 8 Probenahme Veranstaltungen, eine 3-Tage-Frist, um eine 24-Stunden-Zuführungszyklus (siehe Protokoll oben) decken gestaffelt über ausreichend sind, um genaue Messungen der gasförmigen Emissionen und relativ geringe Variabilität in den Daten (dh akzeptable Präzision) zu erhalten. In einer Studie an laktierenden Kühen, wurde geschlossen, dass CH 4 -Emissionen von der AHCS gemessen wurden Literaturwerte aus Respirationskammern zwischen Variabilität der Tiere abgeleitet (CV von 11 bis 12%; Reproduzierbarkeit von 0,64 bis 0,81) wurde ebenfalls in der Bereich für Atmungskammern 10 ausgewiesen. In einer kürzlich veröffentlichten Studie mit laktierenden Kühen, hergestellt AHCS eine kleinere CV als der SF 6 Verfahren (14,1 bis 22,4% vs. 16,0 bis 111% für SF 6) 13 </sup>. In einer 12-Wochen-Experiment an der Pennsylvania State University mit 48 laktierenden Milchkühen, bei der Pansen CH 4 Produktion wurde um 30% (p <0,001) gehemmt wird durchgeführt, schlossen wir, dass AHCS und die SF 6 Verfahren hergestellte ähnliche CH 4 Emissionsergebnisse : 319-481 g / Kuh pro Tag (Durchschnitt = 374 g / d; SEM = 15,9; CV = 13%) und 345 bis 485 g / Kuh pro Tag (Durchschnitt = 396 g / d; SEM = 29,8; CV = 23 %) für AHCS und SF 6 bzw. 14.
Abschließend genau, aber praktische Techniken zur Messung von CH 4 Produktion im Pansen sind für den Erfolg der THG-Minderungsanstrengungen von entscheidender Bedeutung. AHCS ist eine automatisierte Gasmesssystem, das erwiesenermaßen zuverlässige und genaue Schätzungen der magensaftresistenten CH 4 und CO 2 -Emissionen von Rindfleisch und Milchvieh zu liefern.
Divulgations
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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