השימוש במערכת אוטומטית (GreenFeed) לפקח פליטות המעיים מתאן ופחמן דו חמצני מבעלי חיים מעלה הגירה
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
בעלי חיים מעלה גרה (מבוית או פרא) פולטים מתאן (CH 4) דרך תסיסה מעיים במערכת העיכול שלהם ומפירוק של זבל במהלך האחסון. תהליכים אלה הם המקורות העיקריים של גזי חממה (GHG) פליטות ממערכות ייצור בעלי החיים. טכניקות למדידת CH מעיים 4 משתנות ממדידות ישירות (תאי נשימה, שהם מאוד מדויקים, אבל עם תחולה מוגבלת) לשיטות שונות עקיפות (sniffers, טכנולוגיית לייזר, שהם מעשיים, אבל עם דיוק משתנה). Hexafluoride גופרית שיטת גז נותב (6 SF) משמש בדרך כלל למדידת ייצור 4 CH מעיים על ידי מדענים בבעלי חיים, ולאחרונה, יישום של מערכת אוטומטית הראש-קאמרית (AHCS) (GreenFeed, C-Lock, Inc, ראפיד סיטי, SD), המהווה את המוקד של ניסוי זה, גדל. AHCS היא מערכת אוטומטית לניטור CH 4 ופחמן דו חמצני (CO 2) והנתיבים המוניים מנשימה של בעלי חיים מעלה גרה. במבצע AHCS טיפוסי, כמויות קטנות של מזון מתגרה מנופקות לבעלי חיים בודדים כדי לפתות אותם למספר רב של פעמים AHCS יומית. כבעלי החיים מבקרים AHCS, מערכת מאוורר מושכת אוויר עבר הלוע של החיה לסעפת יניקה, ודרך צינור אוסף אוויר שבו שיעורי זרימת אוויר רציפים נמדדים. תת מדגם של האוויר נשאב אל מחוץ לצינור לחיישני אינפרא-אדום שאינם נפיצה למדידה רציפה של CH 4 וריכוזי CO 2. השוואות תחום AHCS לתאי נשימה או SF 6 הוכיחו כי AHCS מייצר תוצאות CH 4 פליטת הדיר ומדויקות, ובלבד שביקורים של בעלי החיים לAHCS מספיקים כדי הערכות פליטה הן נציג של קצב היומי של הפקת גז כרס. הנה, אנחנו מדגימים את השימוש בAHCS למדוד CO 2 ו- CH 4 והנתיבים מפרות חולבות ניתנו דיאטת שליטה או דיאטה בתוספת אגוזי קשיו בדרגה טכניתנוזל פגז.
Introduction
ייצור בעלי החיים מהווה מקור משמעותי של גזי חממה (GHG) פליטה ברחבי העולם, יצירת CH 4 ותחמוצת חנקן באופן ישיר (למשל, מתסיסת מעיים וניהול זבל) או בעקיפין (למשל, מפעילויות הזנה-ייצור והמרה של יער למרעה או שדה יבול). אומדנים על תרומת בעלי חיים לפליטת גזי החממה הגלובלית משתנים מעל 01-18 יולי% 2, בהתאם לגבולות של הניתוח ושיטות. בארצות הברית, בעלי חיים מיוצגים 3.1% בסך הכל פליטת גזי חממה בשנת 2009 3.
Enteric 4 CH הוא התורם הגדול ביותר לפליטת גזי חממה מבעלי החיים. לכן, מדעני בעלי החיים התמקדו המחקר שלהם על גילוי טכנולוגיות להפחתה לצמצום CH מעיים 4 ייצור ממעלי גירה. במקרים רבים, תוצאות הן בעלי ערך מדעי מפוקפק בשל o עיצוב ניסיון מספיקהטכניקות מדידת r 1. לפיכך, הדיוק והדיוק של שיטות המדידה הם ביקורתי מרכיבים חשובים של מחקר הפחתת גזי חממה. גוף גדול של ספרות שפורסם בנושא זה בשנים האחרונות 4-7. ישנן מספר גישות למדידה הוקמו CH מעיים 4 ייצור במעלי גירה, כוללים תאי נשימה (מאוד מדויקים אבל עם תחולה מוגבלת), גזים נותב (hexafluoride גופרית; SF 6), וראש-תאים. למרות שתאי נשימה נחשבים "תקן הזהב" למדידת פליטת גזי כרס, החסרון העיקרי שלהם הוא שמספר בעלי החיים בניסוי הוא בדרך כלל מוגבל בשל המספר המצומצם של תאים זמינים במתקן מחקר מסוים. הטכניקות המעשיות ביותר בשימוש נרחב למדידת CH 4 ייצור מעיים הן שיטת גז 6 נותב SF ולאחרונה, מערכת אוטומטית הראש-קאמרית (AHCS, GreenFeed) ג שCH צג 4 ו- CO 2 נתיבים המוניים מהגז של מעלי גירה 8 הנשימה ושיהוק. שתי טכניקת SF 6 וAHCS לאפשר פליטה להיות מנותחת על מספר גדול של בעלי חיים בתנאי מרעה חופשיים או באסמי חופשיות ועניבה-דוכן. טכניקת SF 6 מנצלת SF 6 כגז נותב, אשר שוחרר ברציפות מצינור חלחול הוכנס בכרס של בעלי החיים, האוסף של מדגם של הגזים ננשפו, וניתוח של הגז לSF 6: 4 CH יחס. AHCS היא מערכת אוטומטית, ראש-קאמרי סוג שהוא גם מבוסס על השימוש בגז נותב (בנזין). לעומת השיטה קאמרי נשימה, שבו בעלי החיים כלואים בתנאי האכלה והתנהגות חריגים, ועם השיטה נותב SF 6, אשר דורשת מיומנויות מיוחדות אנליטיים וציוד (לאיסוף גז וSF 6 ניתוח) בתוספת טיפול בבעלי חיים רב, AHCS אינה -intrusive ופחות יקרלרכוש ולהפעיל. חסרונות עיקריים של AHCS כוללים דגימה מייצגת (ביישומים, כגון מערכות מרעה, שבו בעלי החיים צריכים לבקר את היחידה מרצון) ושימוש בהזנת פיתיון, שיכול לייצג עד 5% מצריכת החומר היבש של בעל החיים במהלך מדידת גז אירוע. הניסויים השוואתיים אחרונים הגיעו למסקנה כי AHCS מייצר פליטת שיעורים דומים לאלה שהוערכו באמצעות תאי נשימה או 9,10 טכניקת SF 6.
מערכת AHCS העצמאית בנויה סביב מזין אוטומטי חזק שהוא בקלות יביל ביד או יכול להיות מותקן על קרוון מצויד בפנלים סולאריים (או מקורות כוח אחרים) להפעלת שדה אוטונומית ונסיעות למרחקים ארוכות. המערכת כוללת מערכת טיפול בנתוני מערכת זיהוי בתדר רדיו בבעלי חיים (RFID), מערכת מתגרה, מערכת טיפול באוויר ומדידה, מערכת נותב גז, אלקטרוניקה ומערכת תקשורת, ו( <strong> איור 1). ניתן למצוא פרטים נוספים בתיעוד הפטנט המקורי 11.
פרוטוקול פעולת דוגמא AHCS המתואר להלן הוא למניקות פרות חלב שוכנו באסם עניבה-דוכן. ההליך הוא ישים לקטגוריות אחרות של בקר (פרות חולבות שאינו מניקות, עגלות, או בקר לבשר) שוכן במתקנים דומים. המטרה של ניסוי זה היא להדגים את העקרונות ותפעול של AHCS למדידת 4 CH ופליטת ה- CO 2 מבעלי חיים מעלה גרה.
Protocol
Representative Results
Discussion
מערכת AHCS משלבת אלמנטים של טכניקה דינמית מתחם, מערכת תא, וטכניקה נותב למדידות שטף מסה של 4 CH ו- CO 2. במהלך ימים, היא אוספת דגימות מרובות מכל חיה להגדיר כולל נתיבי גז ההמוניים יומי הממוצע. כדי לזהות בעלי חיים ולספק את הכמות הנכונה של פיתיון, קורא RFID הוא שולב AHCS. תג RFID הוא לקרוא כחיה מתחילה למקם את ראשו במזין. ברגע שבעלי חיים מזוהה, AHCS קובע אם הוא זכאי לקבל פרס פיתיון שבזמן מסוים של היום (מרעה או יישומי אסם חופשי דוכן). זמן ההתחלה וסיום של כל הביקור של בעל חיים (נקבע בהתבסס על חיישני אינפרא אדום) נרשם באופן אוטומטי. מערכת אספקת הפיתיון משמשת כדי למשוך בעלי חיים לAHCS מעת לעת במהלך היום. בדרך כלל, ההזנה מתגרה היא pelletized ועשוי להכיל דשא, אספסת, תרכיזי דגנים, מולסה, ושמן צמחי.בעוד ביקורי חיה AHCS, מאוורר מושך אוויר מעל ראשה (בשיעור של כ 26 ליטר / דקה), סוחף נפלט CH 4 ו- CO 2 לסעפת יניקת אוויר. זרימת אוויר המהירות נמדדת ברציפות עם מד רוח חם סרט באמצע צינור אוסף האוויר. תת-מדגם רציף של האוויר מופק ומנותב למסנן מדגם המשני, אז לשני מנתחי ללא נפיצה אינפרא אדום, חיישן אחד לCO 2 ואחד עבור CH 4. AHCS כולל גם חיישנים נוספים לטמפרטורת אוויר, לחות באוויר, ירידת פיתיון, מתח מערכת, לחץ אטמוספרי, קצב זרימת גז פרופן, ועמדה בראש. גרסאות מספוא והקרוון רכובים למערכות מרעה כוללות מד רוח כוס (מהירות רוח מקומית) ושבשבת רוח (כיוון רוח). כל נתוני החיישן מאוחסנים בוגר נתונים מקומי ומחשב, המאפשרים AHCS לתפקד באופן אוטומטי ובאופן עצמאי. נתוני חיישן גם מאוחסנים בUSB הסטנדרטי פנימי מקל זיכרון (Universal Serial Bus). נתונים AHCSבדרך כלל מועבר באמצעות קישור אינטרנט, פעם אחת לשעה, לשרת חיצוני שבו הם מחוברים באופן קבוע. משתמשים עם קישוריות לאינטרנט יכול להיכנס למרחוק ולשלוט AHCS היחידה, לשנות את לוחות הזמנים מתגרים, וסקירה היסטוריים בזמן אמת נתונים, כמו גם סקירה ולעקוב אחר תפקוד AHCS.
בסך הכל, ניסויים שנערכו באוניברסיטת פנסילבניה הראו כי מערכת AHCS מספקת אומדנים מהימנים לCH 4 ופליטת ה- CO 2 מפרות חולבות שוכנו באסמי עניבה-דוכן. היתרונות של AHCS על תאי נשימה הוא שבעלי החיים אינם מוגבלים, והוא בסביבתו הטבעית (כלומר., במרעה), או יכולים לנוע בחופשיות (באסם חופשי דוכן). AHCS הוא גם פחות יקר לבנות מתא נשימה מסורתי. עלות נמוכה יחסית זה חשוב, במיוחד עבור CH 4 מחקר הפחתה במדינות מתפתחות. בהשוואה לזכר SF 6שיטת R, AHCS היא פשוטה לתפעול ואינו דורש ציוד אנליטי מסובך ויקר. אולי החסרון הבולט ביותר של AHCS, לעומת תאים וSF 6 השיטות (במיוחד בעת שימוש בסביבות אסם מרעה או חופשי-דוכן), הוא שבעלי החיים יש לפנות מרצון את היחידה ולכן אירועי מדידת גז תלויים בביקורים של בעלי חיים . בתוך יום, ביקורים של בעלי החיים אלה עשויים או לא עשויים להיות נציג של קצב היומי של CH 4 ייצור. לכן, ביישומים שבם הביקורים של בעלי החיים AHCS מרצון, תקופת הדגימה צריכה להיות ארוך מספיק או חוזר ונשנה מספר מספיק של פעמים. יישום עניבה-הדוכן משמש באוניברסיטת מדינת פנסילבניה מקל את הבעיה הזו על ידי שליטה על המספר וההפצה זמנית של מדידות גז במהלך מחזור האכלה 24 שעות. דגימה מספקת של גז נפיחה במהלך מחזור האכלה (כמפורט בפרוטוקול לעיל) היא חשובה לrepresentatiיש הערכה של CH 4 ייצור בכרס של הבקר. כמות מזון פיתיון האכילה את החיות במדידות באמצעות AHCS יש לשקול בניתוח הכולל (כלומר, יש להוסיף לסכום הכולל של מזון שנצרך על ידי בעלי החיים), כך עוצמת פליטה ליחידת ההזנה DMI יכול להיות מדויק מוערך. בתנאים נורמלים האכלה, הזנת הפיתיון מייצגת פחות מ -5% מDMI הכולל של פרות חלב והשפעתו על התסיסה בכרס וCH 4 ייצור קטן. יצוין, כי AHCS (ומערכות דומות אחרות) אינו מודדים CH 4 ייצור במעי האחורי של החיה. תסיסה במעי האחורי, לעומת זאת, תורמת רק כ -3% מכלל CH 4 פליטות בבעלי חיים מעלה גרה 7.
בהתבסס על ניסיון, יש כמה מרכיבים חשובים של מדידת ייצור גז כרס מעיים באמצעות AHCS: (1) בעלי החיים צריך להיות רגילים להזנה מתגרה (וAHCS) ויש לו לאo כמו זה כדי להתקרב ולהשתמש במזין AHCS, (2) הראש של החיה יש להיות מוכנס כל הדרך למזין כדי לאסוף נתונים פליטת גזים אמינות, (3) הליך כיול AHCS יש רק אחריו , (4) שיש מספיק זמן כדי לאסוף CH רקע 4 ו- CO 2 נתונים בין דגימת בעלי חיים פרט חשוב, במיוחד באסמי tie- או חופשי-דוכן, ו( 5) חשוב שמספיק נתונים נאספים במעגל דגימה ( מכסה תקופה של 24 שעות) כך שנתוני פליטה שנוצרו על ידי AHCS הם נציג של CH היומי בפועל 4 או פליטת CO2 על ידי בעלי החיים.
בדיקות השוואתיים עם AHCS לעומת טכניקות CH 4 מדידה הוקמו תומכות במסקנות לעיל. לדוגמא, מחקר עם עגלות חלב גדלו הגיע למסקנה כי AHCS היה מסוגל לאמוד CH 4 פליטות מאומדני בעלי חיים ופליטה שנוצרו על ידי AHCS היו דומיםלערכים שהתקבלו על ידי תאי נשימה 9. מחברים אלה הצביעו על הפריסה של יחידות AHCS ושכפול יש לשקול בזהירות על מנת להבטיח כמות מספקת של מדידות מתקבלות. בהתבסס על ניסיון, 8 אירועי דגימה, על פני תקופה של 3 ימים כדי לכסות מחזור האכלה 24 שעות (ראה פרוטוקול לעיל) מספיקים כדי להשיג מדידות מדויקות של פליטת גזים והשתנות נמוכה יחסית בנתונים (כלומר, דיוק מקובל). במחקר שנערך עם פרות חלב מניקות, שהגיע למסקנה כי פליטת CH 4 נמדדה על ידי AHCS היתה דומה לערכי ספרות נגזרים מתאי נשימה ובין השתנות בעלי החיים (קורות חיים של 11 עד 12%; הדירות של 0.64-0.81) היו גם ב מגוון דיווח לתאי נשימה 10. במחקר שפורסם לאחרונה, עם פרות מניקות, AHCS מיוצר קורות חיים קטנים יותר מאשר בשיטת SF 6 (14.1-22.4% לעומת 16.0-111% לSF 6) 13 </sup>. בניסוי של 12 שבועות שנערך באוניברסיטת פנסילבניה עם 48 פרות חולבות מניקות, שבו כרס CH 4 ייצור היה מעוכבת על ידי 30% (P <0.001), הגענו למסקנה כי AHCS ושיטת SF 6 הניבו תוצאות דומות פליטת CH 4 : 319-481 גר '/ פרה ליום (ממוצע = 374 גר' / ד; SEM = 15.9; קורות חיים = 13%) ו345-485 גר '/ פרה ליום (ממוצע = 396 גר' / ד; SEM = 29.8; קורות חיים = 23 %) ולAHCS 6 SF, בהתאמה 14.
לסיכום, מדויק, אבל טכניקות מעשיות למדידת CH 4 ייצור בכרס הם חשובים וקריטיים להצלחה של מאמצים להפחתת גזי חממה. AHCS היא מערכת מדידת גז אוטומטית שהוכחה כדי לספק אומדנים מהימנים ומדויקים של CH מעי 4 ופליטת ה- CO 2 מבקר וחלב.
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
- 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).
