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.
Drøvtyggere (tamme eller vill) avgir metan (CH4) gjennom enteriske fermentering i deres fordøyelseskanalen og fra nedbrytning av gjødsel under lagring. Disse prosessene er de viktigste kildene til utslipp av klimagasser (GHG) utslipp fra dyreproduksjonssystemer. Teknikker for måling ente CH 4 variere fra direkte målinger (respirasjon kamre, som er svært nøyaktig, men med begrenset anvendelighet) til ulike indirekte metoder (sniffere, laser-teknologi, som er praktisk, men med varierende nøyaktighet). Den svovelheksafluorid (SF 6) sporgass metoden er ofte brukt til å måle ente CH 4 produksjon av animalske forskere og mer nylig, anvendelse av en automatisert Hode Chamber System (AHCS) (GreenFeed, C-Lock, Inc., Rapid City, SD), som er fokus for dette eksperimentet har vært økende. AHCS er et automatisert system for å overvåke CH 4 og karbondioksid (CO 2) masse flukser frapust av drøvtyggende dyr. I en typisk AHCS operasjon, er små mengder baiting fôr utlevert til individuelle dyr for å lokke dem til AHCS flere ganger daglig. Som dyret besøker AHCS, trekker et viftesystem luft forbi dyrets snute inn et inntak manifold, og gjennom en luft samling rør der kontinuerlige luftmengde måles. En underprøve av luft blir pumpet ut av røret til ikke-dispersiv infrarøde sensorer for kontinuerlig måling av CO og CH 4 2 konsentrasjoner. Felt sammenligninger av AHCS av respirasjon kamre eller SF 6 har vist at AHCS gir reproduserbare og nøyaktige CH 4 utslipps resultater, forutsatt at dyrebesøk AHCS er tilstrekkelig slik at utslipps anslag er representative for døgnrytme rumen gassproduksjon. Her viser vi bruken av AHCS å måle CO 2 og CH 4 flukser fra melkekyr gitt en kontroll diett eller en diett supplert med teknisk-grade cashew muttershell væske.
Husdyrproduksjon representerer en betydelig kilde til utslipp av klimagasser (GHG) utslippene på verdensbasis, genererer CH 4 og lystgass enten direkte (for eksempel fra enteric gjæring og husdyrgjødsel management) eller indirekte (for eksempel fra feed-produksjonsvirksomheten og konvertering av skog til beite eller dyrket mark). Estimater for husdyr bidrag til den globale klimagassutslipp varierer fra ca 1 til 18 juli% 2, avhengig av grensene for analyse og metoder som brukes. I USA, representert husdyr 3,1% av de totale klimagassutslippene i 2009 tre.
Ente CH 4 er den største bidragsyteren til klimagassutslipp fra husdyr. Derfor har dyre forskere fokusert sin forskning på å finne avbøtende teknologier for å redusere mage CH 4 produksjon fra drøvtyggere. I mange tilfeller er resultatene av tvilsom vitenskapelig verdi på grunn av utilstrekkelig eksperimentell design or måleteknikk 1. Dermed nøyaktighet og presisjon av måleteknikker er kritisk viktige komponenter i GHG klimatiltak forskning. Har blitt publisert en stor mengde litteratur om dette emnet de siste årene 4-7. Det er flere etablerte metoder for måling av ente CH 4 produksjonen hos drøvtyggere, inkludert respirator kamre (svært nøyaktige, men med begrenset anvendelighet), sporgasser (svovelheksafluorid, SF 6), og hodet-kamre. Selv respirasjon kamrene er regnet som "gullstandard" for å måle vomma gasser, er deres store ulempen at antall dyr på rettssaken er vanligvis begrenset på grunn av begrenset antall kamre tilgjengelig på et bestemt forskningsanlegg. Den mest praktiske og brukte teknikker for måling ente CH 4 produksjon er SF 6 sporgassmetode og mer nylig, en automatisert Hode Chamber System (AHCS, GreenFeed) som cen monitor CH 4 og CO 2 masse flukser fra pusten og oppstøt gass fra drøvtyggere 8. Både SF 6 teknikk og AHCS aktiver utslipp som skal analyseres på et stort antall dyr i frie beiteforhold eller i fritt og tie-stall fjøs. SF6-teknikken benytter SF 6 som en sporgass, som kontinuerlig frigjøres fra en gjennomtrengnings rør inn i vommen på dyr, innsamling av en prøve av utåndet gass, og analyse av gassen for SF 6: CH4-forhold. AHCS er en automatisert, hode-kammertypen system som også er basert på bruk av en sporgass (propan). Sammenlignet med åndedrett kammermetode, der dyr er begrenset i henhold unormale fôring og atferd forhold, og med SF 6 tracer metoden, som krever spesielle analytiske ferdigheter og utstyr (for gass innsamling og SF 6 analyse) pluss omfattende dyrehåndtering, er AHCS ikke -intrusive og er rimeligereå anskaffe og drifte. Store mangler av AHCS inkluderer representative prøvetaking (i programmer, for eksempel beitesystemer, hvor dyrene har til å frivillig besøke enhet) og bruk av åte fôr, noe som kan utgjøre inntil 5% av dyrets tørrstoffinntak under en gassmåling hendelse. Nyere komparative eksperimenter har konkludert med at AHCS produserer utslipps prisene sammenlignes med de estimert ved hjelp åndedrett kamre eller SF 6 teknikken 9,10.
Den frittstående AHCS systemet er bygget opp rundt en robust automatisk mater som er lett transportable hånd eller kan monteres på en trailer utstyrt med solcellepaneler (eller andre strømkilder) for autonome felt drift og lang avstand reise. Systemet omfatter en dyreradiofrekvensidentifiseringssystem (RFID), en egne system, et luftbehandlingssystem, og måling av en gass tracer system, elektronikk og kommunikasjonssystem, og et data håndteringssystem (<strong> Figur 1). Flere detaljer finner du i den opprinnelige patent dokumentasjon 11.
Eksempelet AHCS drift protokollen beskrevet nedenfor er for ammende melkekyr plassert i et tie-stall låve. Prosedyren gjelder for andre kategorier av storfe (ikke-ammende melkekyr, kviger eller kjøttfe) plassert i tilsvarende anlegg. Formålet med dette forsøket er å vise de prinsipper og driften av AHCS for måling av CH4 og CO2-utslipp fra drøvtyggende dyr.
Den AHCS systemet kombinerer elementer av et dynamisk kabinett teknikk, kammersystem, og tracer teknikk for massefluks målinger av CH 4 og CO 2. I løpet av noen dager, samler det flere prøver fra hvert dyr for å definere den gjennomsnittlige totale daglige gassmasse flukser. Å identifisere et dyr, og levere riktig mengde agn, er en RFID-leser innlemmet i AHCS. RFID-koden leses som dyret begynner å plassere hodet inn i materen. Når et dyr blir identifisert, AHCS avgjør om det er berettiget til å motta et agn belønning på det bestemte tidspunkt på dagen (beite eller gratis-stall låve programmer). Starten og slutten tidspunktet for hvert dyr besøk (fastsatt basert på infrarøde sensorer) blir automatisk registrert. Agnet leveringssystem blir brukt for å tiltrekke dyr til AHCS jevne mellomrom i løpet av dagen. Vanligvis er egnemate pelletisert og kan inneholde gress, alfalfa, korn konsentrater, melasse, og vegetabilsk olje.Mens et dyr besøk AHCS, trekker en vifte luft over hodet (med hastighet på ca 26 L / min), feiing slippes CH 4 og CO 2 inn et luftinntak manifold. Den luftstrømningshastigheten ble målt kontinuerlig med en hot-film anemometer i midten av luftsamlerørledning. En kontinuerlig sub-prøve av luft blir trukket ut og rutes til en sekundær sample filter, deretter i to Non-spredt infrarød analysatorer, en sensor for CO 2 og en for CH 4. AHCS inkluderer også flere sensorer for lufttemperatur, luftfuktighet, agn slipp, systemspenning, atmosfærisk trykk, propan strømningshastighet, og hodeposisjonen. Beite og trailer montert versjoner for beite systemer inkluderer en kopp vindmåleren (lokal vindhastighet) og vindfløy (vindretning). Alle sensor data blir lagret på en lokal datalogger og en datamaskin, slik at AHCS å fungere automatisk og uavhengig. Sensordata blir også lagret på en intern standard USB (Universal Serial Bus) minnepinne. AHCS datanormalt overføres via en internettadresse, en gang per time, til en ekstern server hvor de er permanent logget. Brukere med Internett-tilkobling kan fjern logge inn AHCS og styre enheten, endre baiting tidsplaner, og vurdere historiske og sanntidsdata samt gjennomgang og overvåke AHCS funksjon.
Overall, eksperimenter utført ved Pennsylvania State University viste at AHCS systemet leverer pålitelige estimater for CH 4 og CO 2 -utslipp fra melkekyr plassert i tie-stall fjøs. Fordelene med AHCS enn åndedrett kamre er at dyret ikke er begrenset og er i sitt naturlige miljø (ie., På beite), eller kan fritt bevege seg (i et fritt-stall låve). AHCS er også billigere å bygge enn en tradisjonell respirasjon kammer. Denne relativt lav pris er viktig, spesielt for CH 4 klimatiltak forskning i utviklingsland. Sammenlignet med SF 6 sporr-metoden, er AHCS enklere å betjene og ikke krever komplisert og kostbart analyseutstyr. Kanskje den mest åpenbare ulempe med AHCS, sammenlignet med kamrene og SF 6 metoder (spesielt når den brukes i beite eller fri-stall låven miljøer), er at dyret har til frivillig å nærme seg enheten og dermed gassmålingsarrangementer er avhengig av dyre besøk . I løpet av en dag, er disse dyr besøk kan eller kan ikke være representativ for døgnrytmen av CH 4 produksjon. Derfor, i anvendelser hvor dyret besøkene AHCS frivillig, samplingsperioden bør være lang nok, eller gjentas et tilstrekkelig antall ganger. Tie-stall program som brukes ved Pennsylvania State University lindrer dette problemet ved å kontrollere antall og tidsmessige fordelingen av gassmålinger i løpet av en 24-timers fôring syklus. Tilstrekkelig prøvetaking av oppstøt gass i løpet av en fremføringssyklus (som angitt i det ovennevnte protokoll) er viktig for representative estimering av CH 4 produksjonen i rumen hos storfe. Mengden av agn mate mates til dyrene under målinger ved hjelp av AHCS må tas i betraktning i den samlede analyse (dvs. må legges til den totale mengden av konsumert av dyret), slik at emisjonsintensitet per enhet av mate DMI kan være nøyaktig Antatt. Under normale beiteforhold, representerer agnet mate mindre enn 5% av den totale DMI av en melkekyr og dens effekt på det ruminale gjæring og CH 4-produksjonen er liten. Det skal bemerkes at AHCS (og andre lignende systemer) ikke måler CH 4 produksjonen i dyrets hindgut. Hindgut gjæring, bidrar imidlertid bare rundt 3% av de totale CH 4 utslippene i en drøvtygger 7.
Basert på erfaring, er det flere viktige komponenter for å måle ente vomma gassproduksjon ved hjelp AHCS: (1) dyret må være vant til baiting fôr (og AHCS) og har to som det i orden å nærme seg og bruke AHCS mater, (2) dyrets hode må være satt helt inn i materen for å samle inn pålitelige gassutslippsdata, (3) den AHCS kalibreringen må følges strengt (4) som har tilstrekkelig tid til å samle bakgrunns CH 4 og CO 2 data mellom prøvetaking enkelte dyr er viktig, spesielt i slips eller gratis-stall fjøs, og (5) er det viktig at nok data er samlet i en sampling syklus ( dekker en 24-timers periode) så utslippsdata generert av AHCS er representative for den faktiske dagaktive CH 4 eller CO 2 -utslippene med dyret.
Komparative tester med AHCS kontra etablerte CH 4 måleteknikker støtte de ovennevnte konklusjoner. For eksempel, en studie med voksende melke kviger konkluderte med at AHCS var i stand til å estimere CH 4 utslipp fra husdyr og utslippsestimater generert av AHCS var sammenligntil verdier oppnådd ved respirasjon kamre 9. Disse forfatterne påpekte at utsetting av AHCS enheter og replikering må vurderes nøye for å sikre tilstrekkelig antall målinger oppnås. Basert på erfaring og 8 samplings hendelser, forskjøvet over en 3-dagers perioden for å dekke et 24 timers fremføringssyklus (se protokollen ovenfor) er tilstrekkelig til å oppnå nøyaktige målinger av gassutslipp og relativt lav variabilitet i dataene (dvs. akseptabel presisjon). I en studie med melkeproduserende kyr, ble det konkludert at CH 4 utslipp målt ved AHCS var tilsvarende litteraturverdier utledet fra respirator kammer og mellom dyr variabilitet (CV på 11 til 12%, repeterbarhet på 0,64 til 0,81) ble også innenfor spredningen for åndedrett kamre 10. I en nylig publisert studie med ammende kyr, produsert AHCS en mindre CV enn SF 6-metoden (14,1 til å 22,4% vs. 16,0 til 111% for SF 6) 13 </sup>. I en 12-ukers eksperiment utført ved Pennsylvania State University med 48 ammende melkekyr, hvor vomma CH 4 produksjon ble hemmet med 30% (p <0,001), konkluderte vi med at AHCS og SF 6 metoden produsert lignende CH 4 utslippsresultater : 319-481 g / ku per dag (gjennomsnitt = 374 g / d; SEM = 15,9; CV = 13%) og 345-485 g / ku per dag (gjennomsnitt = 396 g / d; SEM = 29,8; CV = 23 %) for AHCS og SF 6, henholdsvis 14.
I konklusjonen, nøyaktig, men praktiske teknikker for måling av CH 4 produksjonen i vomma er kritisk viktig for suksessen til klimagassreduserende tiltak. AHCS er en automatisert gassmålesystem som har vist seg å gi pålitelige og nøyaktige beregninger av ente CH 4 og CO 2 -utslipp fra biff og melkeku.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |