Abstract
Ruminanti (domestici o selvatici) emettono metano (CH 4) attraverso fermentazione enterica nel loro tratto digestivo e dalla decomposizione delle deiezioni durante la conservazione. Questi processi sono le principali fonti di gas serra (GHG) provenienti da sistemi di produzione animale. Tecniche per la misurazione enterico CH 4 variano da misure dirette (camere respirazione, che sono estremamente preciso, ma con limitata applicabilità) a vari metodi indiretti (sniffers, tecnologia laser, che sono pratici, ma con accuratezza variabile). L'esafluoruro di zolfo (SF 6) metodo gas tracciante viene comunemente utilizzato per misurare enterico CH 4 produzione dagli scienziati animali e, più recentemente, l'applicazione di un Head-Camera Automated System (AHCS) (GreenFeed, C-Lock, Inc., Rapid City, SD), che è al centro di questo esperimento, è in crescita. AHCS è un sistema automatizzato per monitorare CH 4 e anidride carbonica (CO 2) del flusso di massa dallaalito di ruminanti. In una tipica operazione AHCS, piccole quantità di adescamento mangime sono dispensati a singoli animali per attirarli a AHCS più volte al giorno. Come l'animale visita AHCS, un sistema di ventilazione tira aria oltre il muso dell'animale in un collettore di aspirazione, e attraverso un tubo di raccolta dell'aria dove vengono misurati i tassi di flusso d'aria continuo. Un sottocampione di aria viene pompata dal tubo in sensori non dispersivo a raggi infrarossi per la misura continua di CH 4 e concentrazioni di CO 2. Confronti campo di AHCS alle camere di respirazione o di SF 6 hanno dimostrato che AHCS produce risultati CH 4 emissioni ripetibili e accurati, a condizione che le visite di animali a AHCS sono sufficienti così stime delle emissioni sono rappresentativi del ritmo diurno della produzione di gas rumine. Qui, dimostriamo l'uso di AHCS per misurare di CO 2 e CH 4 flussi di vacche da latte dato una dieta di controllo o di una dieta integrata con anacardi tecnico-gradeshell liquido.
Introduction
Produzione animale rappresenta una significativa fonte di gas a effetto serra (GHG) in tutto il mondo, generando CH 4 e il protossido di azoto, sia direttamente (ad esempio, da fermentazione enterica e letame) o indirettamente (ad esempio, da attività feed-produzione e conversione delle foreste in pascoli o terreni coltivati). Le stime per il contributo bestiame alla emissioni di gas serra globali variano da circa 01-18 LUGLIO% 2, a seconda dei confini dell'analisi e dei metodi utilizzati. Negli Stati Uniti, il bestiame ha rappresentato il 3,1% del totale delle emissioni di gas serra nel 2009 3.
Enterica CH 4 è il maggior contribuente alle emissioni di gas serra prodotte dal bestiame. Pertanto, gli scienziati animali hanno concentrato la loro ricerca sulla scoperta tecnologie di mitigazione per ridurre enterica CH4 produzione dai ruminanti. In molti casi, i risultati sono di valore scientifico discutibile a causa di inadeguata sperimentale disegno otecniche di misurazione r 1. Così, l'accuratezza e la precisione delle tecniche di misurazione sono criticamente importanti componenti di GHG ricerche mitigazione. Una grande quantità di letteratura è stato pubblicato su questo argomento negli ultimi anni 4-7. Ci sono diversi approcci consolidati per la misurazione enterico CH 4 produzione nei ruminanti, comprese le Camere di respirazione (alta precisione ma con limitata applicabilità), gas traccianti (esafluoruro di zolfo, SF 6), e testa-camere. Anche se le camere di respirazione sono considerati il "gold standard" per la misurazione delle emissioni di gas rumine, il loro principale svantaggio è che il numero di animali in prova è di solito limitata a causa del numero limitato di camere disponibili in un particolare struttura di ricerca. Le tecniche più pratici e ampiamente utilizzati per la misurazione enterico CH 4 produzione sono il metodo del gas tracciante SF 6 e, più recentemente, un Head-Camera automatico di sistema (AHCS, GreenFeed) che cun monitor di CH 4 e CO 2 dei flussi di massa dal gas respiro e eruttazione di ruminanti 8. Sia la tecnica SF 6 e AHCS consentono emissioni da analizzare su un gran numero di animali in condizioni di pascolo libero o in fienili di libero e tie-stallo. La tecnica SF 6 utilizza SF 6 come gas tracciante, che viene continuamente rilasciato da un tubo di permeazione inserito nel rumine dell'animale, la raccolta di un campione dei gas espirati, e analisi del gas SF 6: CH 4 rapporto. AHCS è un sistema di tipo automatizzato, head-camera che si basa anche l'utilizzo di un gas tracciante (propano). Rispetto al metodo della camera di respirazione, in cui gli animali sono confinati in condizioni di alimentazione e comportamento anomalo, e con il metodo di SF 6 tracciante, che richiede capacità analitiche e apparecchiature speciali (per la raccolta del gas e SF 6 Analisi) più vasta trattamento degli animali, AHCS è non -intrusive ed è meno costosoacquisire e gestire. Gravi carenze di AHCS includono campionamento rappresentativi (in applicazioni, come i sistemi di pascolo, dove gli animali hanno a visitare volontariamente l'unità) e l'uso di mangimi esca, che potrebbe rappresentare fino al 5% di assunzione di sostanza secca dell'animale durante una misurazione del gas evento. Esperimenti comparativi recenti hanno concluso che AHCS produce tassi di emissione paragonabili a quelli stimati utilizzando camere di respirazione o la SF 6 tecnica 9,10.
Il sistema AHCS stand-alone è costruito intorno a un alimentatore automatico robusto che è facilmente trasportabili a mano o può essere montato su un rimorchio dotato di pannelli solari (o altre fonti di energia) per il funzionamento di campo autonomo e viaggi a lunga distanza. Il sistema comprende un sistema animale a radiofrequenza (RFID), un sistema di adescamento, un sistema di trattamento dell'aria e misura, un sistema di gas tracciante, elettronica e sistema di comunicazione, e un sistema di gestione dei dati (<strong> Figura 1). Maggiori dettagli possono essere trovati nella documentazione brevettuale originale 11.
L'esempio AHCS protocollo operazione descritta di seguito è per bovine in lattazione alloggiati in un fienile tie-stallo. La procedura si applica ad altre categorie di bovini (mucche non in lattazione latte, giovenche, o bovini da carne) alloggiati in strutture simili. L'obiettivo di questo esperimento è quello di dimostrare i principi e il funzionamento del AHCS per la misura di CH 4 e le emissioni di CO2 provenienti da ruminanti.
Protocol
Gli animali coinvolti nella sperimentazione descritta nei risultati rappresentativi sono stati curati secondo le linee guida dell'Università cura degli animali e del Comitato uso Pennsylvania State. La commissione ha esaminato e approvato l'esperimento e di tutte le procedure eseguite nello studio. Dettagli, come animale e composizione della dieta informazioni e il modello sperimentale, si trovano nel pieno pubblicazione di questo esperimento 12.
Nota: Per un elenco di attrezzature e forniture necessari per condurre l'esperimento, vedi Materiali Tavolo.
1. Disegno sperimentale
- Ottenere l'approvazione istituzionale cura e l'uso degli animali Comitato per l'esperimento. Questa è una procedura non invasiva che non provoca dolore per l'animale ed è classificato come USDA categoria C (dolore Lieve o momentaneo o disagio o nessun dolore o disagio). Anestesia non è necessaria.
- Selezionare intatte (cioè, non cannulate) vaccheper l'esperimento sulla base di stadio di lattazione, l'età, e la produzione di latte. Non usare le mucche cannulate con AHCS a causa della potenziale perdita di gas ruminale attraverso la cannula. Un dispositivo progettato per alleviare questo problema è attualmente testato ma i risultati non sono riportati qui.
- Se un disegno crossover (cioè, quadrato latino, per esempio) è utilizzata, utilizzare 8 a 12 mucche, a seconda del numero di trattamenti, in un disegno replicato equilibrato per effetti residui. Se, per esempio, 4 trattamenti vengono testati, 8 mucche produrranno un processo replicato 4 × 4 disegno, ecc. Il minimo durata raccomandata di questi tipi di esperimenti è di 21 a 28 giorni, con i primi 14 a 21 giorni per l'adattamento al trattamento e 7 giorni per la raccolta dati.
- Se un disegno a blocchi randomizzati viene utilizzata, utilizzare da 12 a 15 vacche per il trattamento. Includere un periodo covariata 2 settimane prima di iniziare la raccolta dei dati. La durata raccomandata di questi esperimenti è da 8 a 12 settimane, con la prima 2 settimane being per l'adattamento al trattamento.
- Dotare ogni animale sperimentale con ISO 11784 o tag di identificazione RFID 11785-compatibile.
2. La formazione degli Animali usare AHCS
- Prima dell'inizio dell'esperimento, spostare AHCS nella struttura dove si trovano le mucche. Collocare l'unità a portata di vista delle mucche. Lasciare l'unità per almeno 2 giorni.
- Preparare un feed esca che gli animali amano. Diversi i feed possono essere provati per invogliare mucche, anche se una miscela di 70% mais macinato, il 27% di melassa a secco e olio di 3% di soia (come-è in peso) è stato utilizzato con successo in laboratorio. Evitare feed appiccicoso e polverosi che possono ostruire il filtro dell'aria e il sistema di distribuzione con alimentazione di AHCS. Si preferisce che il mangime pellettato.
- Dare una piccola quantità (una manciata) di avanzamento a tutti gli animali ponendolo sopra l'alimentazione sono utilizzati per, per consentire loro di acquisire familiarità con il feed esca.
- Molto lentamente passare AHCS a circa 1,5 m from l'animale.
- Mettere circa 1 kg di mangime esca in un secchio e permettere all'animale di odore e il gusto l'alimentazione esca. Gradualmente spostare il secchio verso la mangiatoia dell'unità AHCS, costringendo l'animale ad allungarsi e raggiungere verso la mangiatoia AHCS.
- Dump alcuni dei feed esca dal secchio nella mangiatoia AHCS e lentamente spostare l'unità AHCS verso la mucca. Se in qualsiasi momento della formazione, la mucca diventa apprensione o paura, spostare l'unità lontano da lei e riprovare in un altro momento o il giorno.
- Nel corso di diversi giorni, ripetere la formazione finché gli animali sono abituati e eccitati dall'unità AHCS, (cioè, l'alimentazione esca). Se un animale non può abituarsi a AHCS, sostituirlo con un altro animale prima che inizi l'esperimento e formare il nuovo animale seguendo la procedura sopra.
3. Calibrazione di AHCS
Nota: L'intervallo di concentrazione del sensore CO 2 è 0 a 5%; ilintervallo per il sensore CH 4 è 0 al 2%. I limiti di rilevamento inferiore sono 20 ppm per CH 4 e 50 ppm per CO 2. Non ci sono preoccupazioni per i livelli elevati di CH 4 e CO 2 di fondo, perché i limiti di rilevazione sono di gran lunga maggiori di sicuro livelli di questi gas in strutture animali ad alto sfondo.
- Per la massima accuratezza, eseguire questa procedura di calibrazione 5 volte all'inizio e 3 volte alla fine di ciascun esperimento misura del gas.
- Utilizzare i seguenti gas (vedi Materiali Tavolo): 0,15% di CH 4 e l'1% di CO 2 (grado certificazione master class, ± 2% di precisione) per gas di calibrazione e il 100% di N 2 (99,999% puro) per il gas di zero.
- Riempire un sacchetto di campionamento con 2 litri di gas di azzeramento e un altro sacchetto con 2 litri di miscela di gas di calibrazione. Assicurarsi di utilizzare il sacchetto completamente sgonfio. Riempire i sacchetti con nuovo gas al momento della calibrazione.
- Sostituire i sacchetti dopo 1 anno di uso o meno, se necessario.
- Prendere il gasnorme per il luogo in cui l'esperimento di misurazione del gas avviene. Se gli animali e la misurazione si svolgono in una struttura chiusa (es., Un granaio latteria), girare le ventole fienile durante l'intero processo di calibrazione. Ciò è necessario per minimizzare l'effetto delle concentrazioni di metano in aria sfondo.
- Girare AHCS ON e lasciarlo caldo prima della taratura per almeno 30 minuti. Rimuovere il tappo dal tubo di calibrazione si trova all'interno del pannello anteriore. Assicurarsi che non vi sia acqua nel tubo di calibrazione. Eliminare l'acqua, se necessario. L'acqua distruggerà i sensori concentrazione di gas.
- Collegare la sacca N 2 campione (gas zero) al tubo di calibrazione. Svitare la valvola di plastica sul sacchetto di campionamento in senso antiorario di 1 giro completo per consentire il flusso.
- Ruotare la manopola "RUN-CALIBRATE" che si trova sul pannello di controllo strumento di AHCS a "Calibra". Ciò inizierà a pompare il campione dal sacchetto. Una volta avviata di flusso, premeree tenere premuto il pulsante "Calibra" per 10 sec quindi rilasciarlo.
- Attendere il sacchetto di campionamento di sgonfiare a circa il 10% della sua capacità. Non svuotare completamente il sacco, si può danneggiare il sensore. Una volta che la borsa è intorno al 10% della sua capacità, ruotare la manopola "RUN-CALIBRATE" torna a "RUN".
- Chiudere il sacchetto di campionamento e scollegarlo dal tubo di calibrazione. Aspettare 2 minuti e poi, collegare il sacchetto di miscela di gas di calibrazione per il tubo di calibrazione.
- Ripetere il punto 3.7.
- Una volta che il flusso si avvia, tenere premuto il tasto "Calibra" per 3 secondi e poi rilasciarlo.
- Ripetere il punto 3.10.
- Chiudere il sacchetto di campionamento e scollegarlo dal tubo di calibrazione. Sostituire il tappo nel tubo di calibrazione.
Nota: Dopo la calibrazione è completata, i valori "fattore" compariranno nella scheda dei dati sulla pagina web. Il coefficiente di variazione dei fattori deve essere inferiore al 3% e 1% per CH 4 e CO 2, respectively. Se non all'interno di questa gamma, ripetere la calibrazione.
4. CO 2 Recupero di prova
- Eseguire la CO 2 test di recupero almeno una volta (3 release = 1 cilindro di CO 2) prima di ciascun esperimento di misurazione del gas. In applicazioni continue, eseguire la prova di recupero una volta al mese.
- Assicurarsi che la valvola di controllo di recupero CO 2 è OFF (la valvola è perpendicolare al boccaglio di uscita). Collegare un nuovo cilindro di CO 2 per il sistema di sblocco e ruotare la valvola in senso orario fino stretto.
- Livello e azzerare la scala di massa. Posizionare l'intero sistema di sblocco sulla scala per assicurarsi che sia corretto. Test per garantire di CO 2 è scorrevole: aprire la valvola ON / OFF e chiudere rapidamente di nuovo durante l'ascolto di CO 2 in uscita l'ugello. Ci dovrebbe essere un suono "whishing" quando la CO 2 è scorrevole.
- Fissare il supporto della pompa CO 2 per la mangiatoia. Dal nOW su, non lasciare gli animali si avvicinano / respirare nell'alimentatore. Le persone non dovrebbero respirare nell'alimentatore.
- Pesare il cilindro CO 2 con il sistema di sgancio. Registra questa massa come massa iniziale. Annotare l'ora locale corrente all'inizio di ogni rilascio di CO 2.
- Posizionare il cilindro di CO 2 e il sistema di rilascio nel supporto del cilindro di CO 2 (mangiatoia) e dirigere l'ugello nel collettore. Non respirare nell'alimentatore.
- Accendere la valvola ON / OFF per rilasciare CO 2 e registrare il tempo di rilascio inizio. Torna parecchi piedi di distanza dall'alimentatore e attendere 3 minuti. Dopo 3 minuti, spegnere la valvola di arresto e tempo di record ON / OFF di rilascio.
- Rimuovere il cilindro più release del sistema di CO 2 dall'alimentatore. Non svitare il cilindro di CO 2 dal sistema di sgancio. Tenere il cilindro CO 2 in una vasca di acqua calda (37 a 43 ° C). Posizionare solo il cilindro in acqua, non il sistema di sblocco intero.
- Attendere almeno 3 minuti prima della prossima release. Durante il tempo di attesa 3 min, non consentono qualsiasi animale o persona vicino all'unità. Un cilindro 90 g CO 2 fornirà circa 3 uscite in modo da utilizzare più cilindri se ci sono più di 3 uscite. Quando un cilindro è vuoto, pesare la bombola vuota e continuare con un nuovo cilindro, come descritto sopra.
- Ripetere i passaggi 4.3 tramite 4.9 almeno 3 volte, segnando il nuovo orario di inizio, fermare il tempo, massa iniziale, e la massa finale di ogni rilascio.
- Dopo l'uscita finale, attendere almeno 3 minuti prima di consentire l'accesso degli animali l'unità. Al termine, svitare il cilindro di CO 2 dal sistema di sgancio.
Misura 5. Gas
Nota: Prima diè richiesta la misurazione del gas, un recente (entro una settimana) la taratura di AHCS. Vedere i punti 3, Calibrazione di AHCS e 4, di CO 2 test di recupero. Assicurarsi tag RFID dell'animale è a posto.
- Accendere AHCS e lasciare agire per 30 minuti per riscaldarsi prima di effettuare qualsiasi misurazione.
- Posizione in modo che il flusso d'aria AHCS dai fans fienile è permesso di entrare nella mangiatoia. Aspetta 2 min. Premere il pulsante di avanzamento di consegna e tenere premuto per 3 secondi per consegnare circa 50 g di mangime. Visivamente convalidare che i mangimi è stato consegnato nella mangiatoia.
- Stendere AHCS di fronte a una mucca. Registrare il tempo in taccuino esperimento. L'unità leggerà tag RFID dell'animale.
- Fornire alimentazione 5 volte addizionali per un periodo di campionamento 5 min, distanziandoli di tentare di mantenere continuamente la testa dell'animale nella mangiatoia. Se è necessaria alimentazione supplementare (per mantenere la testa dell'animale in mangiatoia), prendere nota nel quaderno esperimento.
- None: Feed / pellet viene solitamente consegnati una volta ogni 50 secondi per un totale di 6 gocce (300 g evento / misura) avere periodi di misurazione individuali di 5 min. Il AHCS è dotata di sensori infrarossi di controllare continuamente la distanza dell'animale testa rispetto al collettore di aspirazione dell'aria. Questi dati sono successivamente utilizzati per identificare i periodi in cui la testa dell'animale non era in posizione e questi dati di misurazione vengono scartati.
- Una volta che il periodo di campionamento 5 minuti è scaduto, tirare AHCS dall'unità animali e posizione in modo che il flusso d'aria dai fans fienile è permesso di entrare nella mangiatoia. Attendere 2 minuti per svuotare l'aria attraverso il sistema e per raccogliere i dati relativi alla composizione di fondo dell'aria.
- Ripetere i passaggi da 5.2 a 5.5 per gli animali supplementari.
- Ripetere campionamento 8 volte durante un ciclo di alimentazione 24 ore, sfalsati nel tempo per un periodo di 3 giorni. Il seguente programma di campionamento è stato utilizzato con successo: 0900, 1500, e 2100 ore (campionamento giorno 1), 0300, 1200, e 1700 hr (campionamento giorno 2), 0000, e 0500 hr (giorno campionamento 3). Questo programma di campionamento fornirà 8 campioni per animale e per periodo di campionamento. I tempi di campionamento possono variare a seconda di alimentazione e mungitura volte.
Nota: Quando campionamento del gas è completa, recuperare i dati sulle emissioni dalla pagina web.
Representative Results
Figura 1: Componenti del Head-Camera automatico di sistema (AHCS, GreenFeed) per la misurazione CH 4 produzione nei ruminanti.
Produzione di metano nel rumine è un procedimento microbiologico substrato-dipendente 7. Produzione di CH 4 e CO 2 aumenta dopo che l'animale viene alimentato e diminuisce in seguito. La figura 2 mostra l'aumento della produzione di CH 4 da una ad libitum mucca da latte alimentato a circa 0600 ore (dati non pubblicati da AN Hristov, Pennsylvania State University).
Figura 2: CH diurno 4 emissioni da una mucca da latte alimentato una volta al giorno misurato utilizzando AHCS (le barre di errore rappresentano SE, dati per gentile concessione di AN Hristov, Pennansylvania State University).
Le barre di errore in questa cifra rappresentano variabilità CH 4 emissione durante un evento di campionamento (che comprende più cicli eruttazione). È evidente che in alcuni casi (circa 0400 e 0900 ore), la variabilità era più grande a causa del cambio concentrazione di CH 4 in gas espirati. È anche chiaro che emissioni di CH 4 aumentati dopo l'alimentazione (che era di circa 0600 ore in questo esempio). La media giornaliera di CH 4 emissione (cioè., Una media degli eventi di misura 13) da questo mucca era 727 ± 22,9 g / giorni, o 26 g / kg quando espressi per kg di assunzione di sostanza secca dieta (DMI).
Per dimostrare la gamma di emissioni di CH 4 da un gruppo di vacche da latte in lattazione valutate con AHCS, includiamo i dati di uno studio di disegno crossover recente condotto presso l'Pennsylvania State University che utilizzava tecnico-grade anacardi guscio liquido come CH 4 agente di mitigazione (Tabella 1). Il processo è stato di 8 allattamento Holstein vacche da latte e 2 periodi sperimentali di 21 giorni ciascuno. Dati di metano sono stati raccolti durante l'ultima settimana di ogni periodo. I dati sulle emissioni di metano non sono stati raccolti da una mucca nel periodo 1 e dati per quella mucca non sono stati utilizzati anche in periodo 2. Dettagli di questo esperimento si possono trovare in Branco et al. 12. L'emissione media di CO 2 in questo studio è stato di oltre 18.000 g / vacca al giorno, o 634 g / kg DMI. Media CH 4 Emissione per questo gruppo di vacche era 523 g / giorno o 20 g / kg DMI, che è simile al CH medio 4 emissioni riportati per un set di dati di oltre 370 mezzi di trattamento (19,1 ± 0,43 g / kg DMI) 7. Nello studio presentato nella Tabella 1, rispetto al controllo, tecnico-grade shell anacardio liquido tende a diminuire CH 4 produzione nel rumine delle vacche di circa il 5% (p = 0,08) 12.
e_content ">
Discussion
Il sistema AHCS combina elementi di una tecnica dinamica enclosure, sistema a camera, e la tecnica tracciante per misure di flusso di massa di CH 4 e CO 2. Nel corso dei giorni, raccoglie campioni multipli di ciascun animale per definire i flussi di massa totale medio giornaliero di gas. Per identificare un animale e fornire la corretta quantità di esche, un lettore RFID è incorporato AHCS. Il tag RFID viene letto come l'animale comincia a mettere la testa verso l'alimentatore. Una volta che un animale è identificato, AHCS determina se è idoneo a ricevere una ricompensa esca in quel momento specifico della giornata (pascolo o applicazioni senza stallo fienile). L'ora di inizio e di fine della visita di ogni animale (determinato sulla base dei sensori a raggi infrarossi) viene registrato automaticamente. Il sistema di erogazione esca è utilizzato per attrarre animali a AHCS periodicamente durante la giornata. In genere, l'alimentazione pasturazione è pellettizzato e possono contenere erba, erba medica, grano concentrati, melassa, e olio vegetale.Mentre un animale visite AHCS, un ventilatore tira aria sopra la testa (a velocità di circa 26 l / min), spazzando emesso CH 4 e CO 2 in un collettore di aspirazione dell'aria. La velocità del flusso d'aria viene misurato continuamente con un anemometro a film caldo nel mezzo del tubo di raccolta dell'aria. Un sottocampione continuo di aria viene estratta e instradato in un filtro campione secondario, poi in due analizzatori non dispersivo a raggi infrarossi, un sensore per il CO 2 e uno per CH 4. AHCS include anche ulteriori sensori per la temperatura dell'aria, l'umidità dell'aria, esca goccia, tensione di sistema, la pressione atmosferica, la portata di propano, e la posizione della testa. Versioni montate pascolo e rimorchi per i sistemi di pascolo, dispone di un anemometro (velocità del vento locale) e banderuola (direzione del vento). Tutti i dati del sensore sono memorizzati su un registratore di dati locali e un computer, consentendo AHCS per il funzionamento automatico e indipendente. Dati del sensore sono memorizzati su un USB standard interno (Universal Serial Bus) memory stick. Dati AHCSsono normalmente trasferiti attraverso un collegamento internet, una volta all'ora, su un server esterno in cui vengono registrati in modo permanente. Gli utenti con connettività internet possono accedere in remoto AHCS e controllare l'unità, modificare gli orari di adescamento, e rivedere i dati storici e in tempo reale, nonché di verificare e monitorare la funzione AHCS.
Nel complesso, gli esperimenti condotti presso l'Pennsylvania State University hanno dimostrato che il sistema AHCS fornisce stime affidabili per CH 4 e emissioni di CO2 delle vacche da latte alloggiate in granai tie-stallo. I vantaggi di AHCS oltre camere respirazione è che l'animale non è limitato ed è nel suo ambiente naturale (es., Al pascolo), oppure può muoversi liberamente (in una stalla senza stallo). AHCS è anche meno costoso da costruire che una camera di respirazione tradizionale. Questo costo relativamente basso è importante, in particolare per CH 4 ricerca mitigazione nei paesi in via di sviluppo. Rispetto alla traccia SF 6Metodo r, AHCS è semplice da utilizzare e non richiede attrezzature analitiche complicato e costoso. Forse il più evidente svantaggio di AHCS, rispetto alle camere e ai metodi di SF 6 (in particolare se usati in ambienti di pascolo o privo di stallo fienile), è che l'animale deve affrontare volontariamente l'unità e quindi gli eventi di misura del gas dipendono visite animali . Nel giro di un giorno, queste visite di animali possono o non possono essere rappresentativi del ritmo diurno di CH 4 produzione. Pertanto, nelle applicazioni in cui le visite animali AHCS volontariamente, il periodo di campionamento dovrebbero essere sufficientemente lungo o ripetuto un numero di volte sufficiente. L'applicazione tie-box utilizzato alla Pennsylvania State University allevia questo problema controllando il numero e la distribuzione temporale delle misurazioni di gas durante un ciclo di alimentazione 24 hr. Campionamento di gas sufficiente eructation durante un ciclo di alimentazione (come indicato nel protocollo di cui sopra) è importante per representative stima CH 4 Produzione nel rumine di bestiame. La quantità di mangime esche somministrati agli animali durante le misurazioni utilizzando AHCS deve essere considerato nell'analisi generale (cioè, deve essere aggiunto al totale degli alimenti consumati dall'animale), quindi intensità di emissione per unità di alimentazione DMI può essere accuratamente stimato. In condizioni normali di alimentazione, l'alimentazione esca rappresenta meno del 5% del totale DMI di un mucche da latte e il suo effetto sulla fermentazione ruminale e CH 4 produzione è piccola. Si nota che AHCS (e altri sistemi simili) non misura CH 4 produzione hindgut dell'animale. Fermentazione hindgut, però, contribuisce solo circa il 3% del totale delle emissioni di CH 4 in un ruminante 7.
Sulla base dell'esperienza, ci sono diversi componenti importanti per misurare la produzione di gas rumine enterico usando AHCS: (1) l'animale deve essere abituato al feed adescamento (e AHCS) e dispone di to simile per accedere e utilizzare l'alimentatore AHCS, (2) la testa dell'animale deve essere inserito fino nell'alimentatore per raccogliere dati sulle emissioni di gas affidabili, (3) la procedura di calibrazione AHCS occorre seguire strettamente , (4) avere il tempo sufficiente per raccogliere i dati di fondo di CH 4 e CO 2 tra il campionamento singoli animali è importante, in particolare nelle stalle tie o privi di stallo, e (5) è importante che i dati sufficienti sono raccolti in un ciclo di campionamento ( che copre un periodo di 24 ore) in modo da dati di emissione generati da AHCS sono rappresentativi della reale diurno CH 4 o emissioni di CO2 da parte dell'animale.
Test comparativi con AHCS vs tecniche di CH 4 di misurazione stabiliti sostengono le conclusioni di cui sopra. Ad esempio, uno studio con crescenti giovenche da latte ha concluso che AHCS era in grado di stimare le emissioni di CH 4 dalle stime del bestiame e delle emissioni generate da AHCS erano comparabiliai valori ottenuti dalle camere 9 respirazione. Questi autori hanno sottolineato che la distribuzione delle unità AHCS e la replica devono essere considerati con attenzione al fine di garantire un numero sufficiente di si ottengono misurazioni. Sulla base dell'esperienza, 8 eventi di campionamento, scaglionati nel corso di un periodo di 3 giorni per coprire un ciclo di alimentazione 24 ore (vedi protocollo di cui sopra) sono sufficienti per ottenere misure accurate delle emissioni gassose e relativamente bassa variabilità dei dati (ad esempio, la precisione accettabile). In uno studio con mucche lattazione, si è concluso che CH 4 emissioni misurate dal AHCS erano simili a valori di letteratura derivati dalle camere respirazione e variabilità tra animali (CV del 11 al 12%; ripetibilità di 0,64 a 0,81) era anche all'interno gamma segnalato per camere respirazione 10. In uno studio di recente pubblicazione con vacche in lattazione, AHCS prodotto un curriculum più piccolo del metodo di SF 6 (14,1-22,4% rispetto 16,0-111% per SF 6) 13 CH 4 produzione è stata inibita del 30% (p <0,001), abbiamo concluso che AHCS e il metodo di SF 6 prodotti simili CH 4 risultati di emissione : 319-481 g / vacca al giorno (media = 374 g / d; SEM = 15,9; CV = 13%) e 345-485 g / vacca al giorno (media = 396 g / d; SEM = 29.8; CV = 23 %) per AHCS e SF 6, rispettivamente, 14.
In conclusione, precisa, ma le tecniche pratiche per misurare la produzione di CH 4 nel rumine sono di fondamentale importanza per il successo di gas serra sforzi di mitigazione. AHCS è un sistema di misurazione dei gas automatico che ha dimostrato di fornire stime affidabili e accurate di CH 4 enterico e emissioni di CO 2 da carne e da latte bestiame.
Disclosures
Gli autori Patrick R. Zimmerman e Scott R. Zimmerman sono co-proprietari di C-Lock, Inc.
(Rapid City, SD), il produttore di GreenFeed (AHCS) ha descritto in questo articolo.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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., et al. Mitigation of greenhouse gas emissions in livestock production – A review of technical options for non-CO2 emissions. Gerber, P. J., Henderson, B., Makkar, P. S. , FAO Animal Production and Health Paper No. 177. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Rome, Italy. (2013).
- Steinfeld, H., et al. Livestock’s long shadow – Environmental issues and options. , Food and Agriculture Organization of the United Nations. Rome, Italy. (2006).
- Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990-2009. , US Environmental Protection Agency. Washington, DC. (2011).
- Makkar, H. P. S., Vercoe, P. Quantification of methane emission from ruminants, FAO/IAEA Publication. , Springer Science and Business Media, Inc. New York, NY. 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, Suppl 1. 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).
- Method and system for monitoring and reducing ruminant methane production. US patent. Zimmerman, P. , 2009/0288606A1 (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).
