Het gebruik van een Automated System (GreenFeed) naar Enterisch methaan en kooldioxide emissies van herkauwers Monitor
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
Herkauwers (gedomesticeerde of wilde) stoten methaan (CH 4) door middel van fermentatie in hun spijsverteringskanaal en van de afbraak van mest tijdens opslag. Deze processen zijn de belangrijkste bronnen van broeikasgassen (BKG) uit dierlijke productiesystemen. Technieken voor het meten van enterische CH 4 variëren van directe metingen (ademhaling kamers, die zeer nauwkeurig zijn, maar met beperkte toepasbaarheid) aan verschillende indirecte methoden (sniffers, lasertechnologie, die praktisch zijn, maar met een variabele nauwkeurigheid). Het zwavelhexafluoride (SF 6) indicatorgas methode wordt vaak gebruikt om enterische CH4 productie te meten door dierlijke wetenschappers en meer recent, de toepassing van een Automated Head-Chamber System (AHCS) (GreenFeed, C-Lock, Inc., Rapid City, SD), die de focus van dit experiment, is gegroeid. AHCS is een geautomatiseerd systeem bewaken CH 4 en kooldioxide (CO2) massastromen vanadem van herkauwers. In een typische AHCS operatie worden kleine hoeveelheden uitspanning voeding verstrekt aan individuele dieren om ze dagelijks te lokken naar AHCS meerdere keren. Als het dier bezoekt AHCS, een ventilator systeem trekt lucht langs de snuit van het dier in een inlaatspruitstuk, en door middel van een lucht collectie pijp, waar continue luchtstroom tarieven worden gemeten. Een sub-monster van lucht uit de pijp gepompt in niet-dispersieve infrarood-sensoren voor continue meting van CH 4 en CO 2 concentraties. Gebied vergelijkingen van AHCS ademhaling kamers of SF 6 hebben aangetoond dat AHCS produceert herhaalbare en nauwkeurige CH 4 emissie-resultaten, op voorwaarde dat de dieren bezoeken aan AHCS zijn voldoende dus emissieramingen representatief zijn voor het ritme van de pens gasproductie overdag. Hier tonen we het gebruik van AHCS CO 2 en CH meet 4 stromen van melkkoeien krijgt een controle dieet of een dieet aangevuld met technische kwaliteit cashewnotenshell vloeistof.
Introduction
Dierlijke productie is een belangrijke bron van broeikasgassen (BKG) in de wereld, het genereren van CH 4 en lachgas, hetzij direct (bijvoorbeeld van enterische en mestbeheer) of indirect (bijvoorbeeld van feed-productie-activiteiten en de omzetting van het bos in de weide of akkerland). Schattingen voor vee bijdrage aan de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen variëren van ongeveer 1 tot 18 7% 2, afhankelijk van de grenzen van de analyse en methoden. In de Verenigde Staten, vee vertegenwoordigde 3,1% van de totale uitstoot van broeikasgassen in 2009 3.
Enteric CH 4 is de grootste bijdrage aan de uitstoot van broeikasgassen van vee. Daarom zijn dierlijke wetenschappers hun onderzoek gericht op het ontdekken mitigatie technologieën voor het verminderen van enterische CH4 productie van herkauwers. In veel gevallen zijn de resultaten van twijfelachtige wetenschappelijke waarde als gevolg van onvoldoende proefopzet or meettechnieken 1. Aldus, de nauwkeurigheid en de precisie van de meettechnieken cruciaal belangrijke onderdelen van BKG vermindering onderzoek. Een grote hoeveelheid literatuur is verschenen over dit onderwerp in de afgelopen jaren 07/04. Er zijn verschillende benaderingen voor het meten vastgesteld enterische CH4 productie bij herkauwers, zoals respiratiecellen (zeer nauwkeurig maar met beperkte toepasbaarheid), tracer gassen (zwavelhexafluoride, SF 6) en kop-kamers. Hoewel de ademhaling kamers worden beschouwd als de "gouden standaard" voor het meten van de pens van broeikasgassen, hun belangrijkste nadeel is dat het aantal dieren op proef meestal beperkt als gevolg van het beperkte aantal kamers beschikbaar op een bepaald onderzoeksfaciliteit. De meest praktische en meest gebruikte technieken voor het meten van enterische CH4 productie zijn de SF 6 tracergas methode en meer recent, een Automated Head-Chamber System (AHCS, GreenFeed) dat ceen beeldscherm CH 4 en CO 2 massale stromen van de adem en oprispingen gas van herkauwers 8. Zowel de SF 6 techniek en AHCS mogelijk maken de emissies worden geanalyseerd op een groot aantal dieren in de vrije grazen voorwaarden of in vrij- en tie-kraam schuren. De SF 6 techniek gebruikt SF6 als tracergas, dat continu wordt afgegeven uit een permeatiebuis ingebracht in de pens van het dier, verzamelen van een monster van uitgeademde gassen, en analyse van het gas SF6: CH 4 ratio. AHCS is een geautomatiseerd, head-kamer soort systeem dat ook is gebaseerd op het gebruik van een indicatorgas (propaan). Vergeleken met de respiratiekamer methode, waar de dieren worden opgesloten in abnormale voeding en gedrag omstandigheden, en met de SF 6 tracer methode, die speciaal analytische vaardigheden en uitrusting (voor gas verzamelen en SF6 analyse) plus uitgebreide dierlijke behandeling vereist, AHCS is niet -intrusive en is minder duurte verwerven en te bedienen. Grote tekortkomingen van AHCS omvatten niet-representatieve steekproef (in toepassingen, zoals begrazing systemen, waarbij de dieren vrijwillig bezoek aan de eenheid) en het gebruik van aas-feed, die tot 5% van de droge stof opname van het dier tijdens een gasmeting kunnen vertegenwoordigen event. Recente vergelijkende experimenten hebben geconcludeerd dat AHCS produceert emissie tarieven vergelijkbaar met die geschat met behulp van de ademhaling kamers of de SF 6 techniek 9,10.
De stand-alone AHCS systeem is opgebouwd rond een robuuste automatische feeder dat is gemakkelijk te vervoeren met de hand of kan een aanhangwagen uitgerust met zonnepanelen (of andere stroombronnen) voor het autonome gebied van bediening en lange afstanden worden gemonteerd. Het systeem omvat een dier Radio-Frequency Identification-systeem (RFID), een lokken systeem, een luchtbehandelingssysteem en meetsysteem, een gas tracer systeem, elektronica en communicatie-systeem, en een data-handling systeem (<strong> Figuur 1). Meer details zijn te vinden in de oorspronkelijke patent documentatie 11.
Het voorbeeld AHCS operatie protocol hieronder beschreven is voor melkgevende koeien gehuisvest in een tie-ligboxenstal. De procedure is van toepassing op andere categorieën runderen (niet-melkgevende koeien, vaarzen, of runderen) gehuisvest in soortgelijke faciliteiten. Het doel van deze proef is om de principes en werking van AHCS tonen voor het meten van CH4 en CO 2 uitstoot van herkauwers.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het AHCS combineert elementen van een dynamische behuizing techniek kamersysteem en tracer techniek voor massaflux metingen van CH4 en CO 2. In de loop van dagen, verzamelt meerdere monsters van elk dier de gemiddelde totale dagelijkse gas massastromen definiëren. Een dier te identificeren en leveren van de juiste hoeveelheid lokaas, wordt een RFID-lezer opgenomen in AHCS. De RFID-tag wordt gelezen als het dier begint zijn kop in de aanvoer. Zodra een dier wordt geïdentificeerd, AHCS bepaalt of hij in aanmerking komt voor een aas beloning op dat specifieke moment van de dag (beweiding of vrije-ligboxenstal toepassingen). De begin- en eindtijd van het bezoek van elk dier (bepaald op basis van de infrarood-sensoren) wordt automatisch geregistreerd. Het lokaas afgiftesysteem wordt gebruikt om dieren AHCS trekken periodiek gedurende de dag. Typisch wordt de lokken voeding pellets en kunnen gras, alfalfa, boon concentraten, melasse en plantaardige oliën bevatten.Terwijl een dier bezoeken AHCS, een ventilator trekt lucht over het hoofd (met een snelheid van ongeveer 26 l / min), vegen uitgezonden CH 4 en CO 2 in een inlaatspruitstuk. De luchtstroomsnelheid wordt continu gemeten met een hot-film anemometer in het midden van de lucht verzamelleiding. Een continue sub-sample van lucht wordt afgezogen en geleid tot een secundaire monster filter, vervolgens in twee niet-dispergerende infrarood analyzers, een sensor voor CO 2 en een voor CH 4. AHCS bevat ook extra sensoren voor temperatuur, luchtvochtigheid, aas drop, systeem voltage, atmosferische druk, propaan stroomsnelheid, en de positie van het hoofd. Grasland en trailer gemonteerde versies voor begrazing systemen omvatten een kopje anemometer (lokale windsnelheid) en de windvaan (windrichting). Alle sensorgegevens worden opgeslagen op een lokale datalogger en een computer, waarmee AHCS om automatisch en onafhankelijk functioneren. Sensordata worden ook opgeslagen op een interne standaard USB (Universal Serial Bus) memory stick. AHCS dataworden normaal gesproken overgedragen via een internet verbinding, een keer per uur, op een externe server, waar ze permanent worden geregistreerd. Gebruikers met internet connectiviteit kan op afstand inloggen op AHCS en de controle van de eenheid, het lokken schema te wijzigen, en bekijk de historische en real-time data, alsmede beoordeling en monitor AHCS functie.
Overall, experimenten uitgevoerd aan de Pennsylvania State University aangetoond dat de AHCS systeem levert betrouwbare schattingen voor CH 4 en de CO 2 -uitstoot van melkkoeien gehuisvest in tie-kraam schuren. De voordelen van AHCS dan ademhaling kamers is dat het dier niet beperkt en is in zijn natuurlijke omgeving (bijv., Op de weide), of vrij kan bewegen (in een vrije-ligboxenstal). AHCS is ook minder duur om te bouwen dan een traditionele ademhaling kamer. Deze relatief lage kosten belangrijk, met name voor CH 4 matiging onderzoek in ontwikkelingslanden. Ten opzichte van de SF 6 tracer werkwijze AHCS eenvoudiger te bedienen en geen ingewikkelde en dure analytische apparatuur. Misschien wel de meest zichtbare nadeel AHCS, vergeleken met de kamers en SF 6 methoden (met name bij gebruik in weiden of vrije ligboxenstal omgevingen), is dat het dier vrijwillig naar het apparaat en dus gasmeting gebeurtenissen afhankelijk dieren bezoeken . Binnen een dag, deze dierlijke bezoeken al dan niet representatief voor het ritme CH4 productie overdag. Daarom is in toepassingen waar het dier bezoeken AHCS vrijwillig bemonsteringsperiode moet lang genoeg zijn of herhaalde een voldoende aantal malen. De tie-kraam applicatie gebruikt de Pennsylvania State University lost dit probleem op door het beheersen van het aantal en temporele distributie van gas metingen tijdens een 24-uurs voeding cyclus. Voldoende bemonstering van oprisping gas gedurende een toevoercyclus (zoals in het bovenstaande protocol) is belangrijk voor representative schatting van CH 4 productie in de pens van koeien. De hoeveelheid lokaas voer gevoerd aan de dieren tijdens metingen met AHCS moet worden beschouwd in de algemene analyse (dat wil zeggen, worden toegevoegd aan de totale hoeveelheid voeder geconsumeerd door het dier), zodat emissie-intensiteit per eenheid voeder DMI nauwkeurig kan worden geschat. Onder normale voedingsomstandigheden, het aas voeding vertegenwoordigt minder dan 5% van het totale DMI van melkkoeien en het effect op de ruminale fermentatie en CH4 productie klein is. Opgemerkt wordt dat AHCS (en andere vergelijkbare systemen) CH 4 productie niet meten hindgut het dier. Einddarm fermentatie, echter, draagt slechts ongeveer 3% van de totale CH 4 emissies in herkauwers 7.
Op basis van ervaring, zijn er een aantal belangrijke onderdelen meten enterische productie pens gas via AHCS: (1) het dier moet worden gewend aan de lokken voeding (en AHCS) en heeft to als het in orde te benaderen en gebruiken AHCS feeder, (2) het hoofd van het dier moet worden gestoken helemaal in de feeder om betrouwbare broeikasgassen gegevens te verzamelen, (3) de AHCS kalibratie procedure moet strikt worden gevolgd (4) met voldoende tijd om achtergrond CH4 en CO 2 verzamelen tussen bemonstering individuele dieren is met name belangrijk bij tie-of vrije-stall schuren en (5) het is belangrijk dat voldoende gegevens zijn verzameld in een monsternamecyclus ( die een periode van 24 uur), zodat de emissie gegevens gegenereerd door AHCS zijn representatief voor de werkelijke dagelijkse CH 4 of CO 2 -uitstoot door het dier.
Vergelijkende tests met AHCS vs. gevestigde CH4 meettechnieken ondersteunen de bovenstaande conclusies. Bijvoorbeeld, een studie met toenemende melkvaarzen geconcludeerd dat AHCS staat was schatten CH 4 emissies uit dierlijke en emissie schattingen gegenereerd door AHCS vergelijkbaarmet waarden verkregen door respiratiecellen 9. Deze auteurs opgemerkt dat de werking van de AHCS eenheden en replicatie moeten zorgvuldig worden overwogen om voldoende aantallen metingen worden verkregen. Gebaseerd op ervaring, 8 sampling evenementen, gespreid over een periode van 3 dagen tot een 24-uurs voeding cyclus (zie protocol boven) te dekken zijn voldoende om nauwkeurige metingen van de uitstoot van gassen en relatief lage variabiliteit van de gegevens (dwz aanvaardbare precisie) te verkrijgen. In een studie bij lacterende koeien werd geconcludeerd dat CH 4, gemeten door de AHCS waren vergelijkbaar met literatuurwaarden afkomstig van ademhaling kamers en variabiliteit tussen dieren (CV van 11 tot 12%, herhaalbaarheid van 0,64 tot 0,81) was ook binnen de range gerapporteerd voor de ademhaling 10 kamers. In een recentelijk gepubliceerde studie met melkgevende koeien AHCS produceerde een CV kleiner dan de werkwijze SF 6 (14,1-22,4% vs. 16,0 om 111% SF 6) 13 </sup>. In een 12 weken durende experiment uitgevoerd aan de Pennsylvania State University met 48 melkgevende melkkoeien, waarbij pens CH 4 productie werd geremd met 30% (p <0,001), concludeerden wij dat AHCS en de werkwijze SF 6 een vergelijkbare CH 4 emissieresultaten : 319-481 g / koe per dag (gemiddelde = 374 g / d; SEM = 15,9; CV = 13%) en 345 om 485 g / koe per dag (gemiddelde = 396 g / d; SEM = 29,8; CV = 23 %) voor AHCS en SF 6, respectievelijk 14.
Tot slot, nauwkeurig, maar praktische technieken voor het meten van CH 4 productie in de pens zijn van cruciaal belang voor het welslagen van het terugdringen van broeikasgasemissies inspanningen. AHCS is een geautomatiseerd gas meetsysteem dat heeft bewezen een betrouwbare en nauwkeurige schattingen van enterische CH 4 en CO 2 -uitstoot van rundvlees en melkvee te leveren.
Disclosures
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).
