Summary
Un protocolo ha sido desarrollado para medir gases, olores y composición nutricional en los paquetes de abono con escala de laboratorio, que puede utilizarse para estudiar formas de mejorar la calidad del aire en instalaciones de ganado comercial usando paquetes de estiércol de cama profunda.
Abstract
Se desarrolló un modelo simulado camas paquete de escala de laboratorio para estudiar la calidad del aire y composición nutricional de los paquetes de camas profunda utilizada en las instalaciones de mono-cuesta de ganado. Este protocolo ha sido utilizado para evaluar eficazmente muchos materiales de ropa de cama de diferentes variables ambientales (temperatura, humedad) y potencial tratamiento de mitigación que puede mejorar calidad del aire en instalaciones de mono-pendiente de camas profundas comerciales. El modelo es dinámico y permite a los investigadores recoger fácilmente muchas mediciones químicas y físicas de la unidad camas. Las mediciones semanales, recogidas en el transcurso de seis a siete semanas, permite tiempo suficiente para ver cambios en las mediciones de calidad de aire en el tiempo a medida que madura el paquete de camas. Los datos recogidos de los paquetes de camas simulados dentro de la gama de concentraciones previamente mide en instalaciones comerciales de camas profundas mono-pendiente. Estudios anteriores han demostrado que 8-10 unidades experimentales por tratamiento son suficientes para detectar diferencias estadísticas entre los paquetes de camas simulados. Los paquetes de camas son fáciles de mantener, que requieren menos de 10 minutos de mano de obra por camas paquetes por semana agregar orina, heces y cama. Toma de muestras utilizando el sistema de muestreo de gas requiere de 20-30 minutos por paquete camas, dependiendo de las medidas que se están recopilando. El uso de paquetes dobles de escala de laboratorio permite al investigador y control de variables como temperatura, humedad y fuente de ropa de cama que son difíciles o imposibles de controlar en una investigación o centro comercial. Mientras que no una simulación perfecta de condiciones "reales", el simulado camas paquetes sirven como un buen modelo para los investigadores estudiar las diferencias de tratamiento entre los paquetes de camas. Varios estudios de laboratorio pueden realizarse para eliminar posibles tratamientos antes de tratar en una investigación o centro comercial de tamaño.
Introduction
Instalaciones de confinamiento de bovinos para carne son una opción de vivienda popular en el medio oeste y superior Great Plains. Instalaciones de confinamiento son más comunes en esta región que las planicies del sur porque la región recibe más precipitación anual, que crea más escurrimiento de feedlot que debe contener. Muchos productores optaron por construir graneros mono pendiente para bovinos de carne. Las principales razones citadas por los productores para la selección de una instalación mono pendiente era la capacidad de eliminación de horario laboral y el abono y un rendimiento mejorado en comparación con abierta muchos corrales de engorda1. La mayoría de productores de ganado bovino (72,2%) con graneros de mono-cuesta mantener un paquete de camas para una vuelta de ganado o más, usando un sistema de gestión de la ropa de cama profunda para el lecho y residuos1. El material de cama más común usado es el rastrojo del maíz, aunque informe de productores con rastrojo de soja, paja de trigo, mazorcas de maíz y polvo1. Debido a la demanda regional para cama de rastrojo de maíz, muchos productores estaban interesados en materiales de lecho alternativo que podrían ser utilizados en instalaciones mono-pendiente. Además de economía y el confort animal, productores cuestionaron cómo el material del lecho impactaría el medio ambiente de la instalación, incluyendo la producción de gases olorosos, composición en nutrientes del estiércol/lecho resultante y la presencia de patógenos.
Pocos estudios se han realizado para medir la calidad del aire resultante de la ropa de cama de diferentes materiales utilizados en los alojamientos del ganado, con mayoría enfocando sólo amoníaco. La mayoría de las anteriores evaluaciones de la calidad del aire incluyen la recolección de datos en la granja con una o dos unidades experimentales por tratamiento se analizaron a la vez2,3,4,5. Tener limitado el número de unidades experimentales requiere el estudio se repita varias veces, añadiendo variables adicionales tales como condiciones climáticas, la edad o etapa de la producción de los animales, y tal vez lecho materiales producidos en diferentes temporadas de crecimiento .
Con ningún modelo de escala laboratorio conocido para estudiar factores que afectan la calidad del aire y composición en nutrientes del estiércol/lecho mezcla resultante de carne camas profunda mono-cuesta las instalaciones, los investigadores primero intentó utilizar instalaciones de ganado comercial utilizando un sistema de camas profundas6,7,8. Cámaras de flujo estático se utilizaron para medir las concentraciones de3 de NH en la superficie de instalaciones de ganado camas profunda pendiente de mono sobre un período de 18 meses6. Se midieron dos plumas en cada uno de los dos graneros. Tallos de maíz picaditos eran el material recomendado: ropa de cama, pero también se utilizaron tallos de soja y paja de trigo para el lecho durante breves períodos de este proyecto. Ropa de cama uso varió de 1.95-3,37 kg por animal por día y pluma de densidad varió de 3.22-6.13 m2 por animal. Estudios posteriores miden las emisiones de amoníaco y sulfuro de hidrógeno desde el galpon7y las concentraciones de partículas fuera del granero8. Estos estudios se llevaron a cabo durante un período de 2 años usando dos a cuatro lugares de granero. El desafío con la recopilación de datos en la granja es la falta de control que tiene la investigación sobre el sistema. Productores cambian las dietas de ganado, trasladar animales de pluma, usan de materiales de ropa de cama de diferentes fuentes y limpiarán y volver a la cama de plumas como su producción y mano de obra permite, confundiendo así muchas variables. Investigación en finca también implica gastos de viaje y grandes cantidades de tratamientos experimentales (como material del lecho). El objetivo de este proyecto fue desarrollar un modelo a escala de laboratorio que podría utilizarse para estudiar factores que afectan la calidad del aire y manejo de nutrientes en las instalaciones de mono-cuesta camas profundas de ganado.
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Protocol
El estudio está diseñado para llevarse a cabo durante 42 días con colección de datos semanal. Todos los procedimientos animales fueron revisados y aprobados por la Comisión de uso y de nosotros carne Animal investigación centro institucional Animal Care.
1. construcción de simulado camas paquetes
- Comenzar con contenedores de plástico cilindro 0,42 m de altura con un diámetro de 0,38 m.
Nota: En este estudio, fue de una particular 10 galones comerciales basurero utilizado (véase Tabla de materiales), pero otros envases de plástico de tamaño similar sería conveniente. - Seis orificios de 1 cm igualmente espacian alrededor de la circunferencia del envase plástico en cada envase de plástico aproximadamente 5 cm la parte superior del envase plástico. Quitar cualquier remanente plástico del envase.
- Tarar el recipiente de plástico y registre la masa del lado el envase de plástico. Peso 320 g de material de las camas en bandeja de pesaje con una balanza y añadir ropa de cama de material para el envase de plástico.
Nota: Cualquier material de lecho consideró conveniente para uso en instalaciones ganaderas se pueden utilizar9,10,11,12,13,14,15. Para el modelado de servicios ganados con cama profunda en las grandes llanuras superior, rastrojo de maíz es considerado el más común lecho material1 pero rastrojo de soja, paja y virutas de madera también han sido usados1. Si utiliza este sistema al modelo cama profunda cerdos o productos lácteos instalaciones, paja del trigo, paja de cebada, paja de la avena, heno, virutas de madera, virutas de madera, aserrín, periódico, mazorcas de maíz, rastrojo de soja, arroz cáscaras o arena puede ser más conveniente16,17 ,18. - Peso 320 g de ganado fresco heces sobre un plástico mediante el equilibrio de la placa y agregar al contenedor de plástico.
Nota: Orina y heces son recogidas y mantenidas como se describió anteriormente11. - Medida 320 mL de orina de ganado fresco en el cilindro graduado de 1000 mL. Vacíe el contenido en el recipiente de plástico. Con una varilla (5,08 cm de circunferencia), mezcle la mezcla de material de lecho ligeramente para 30 s.
Nota: en este caso, se utilizó una varilla de acero hueco con una tapa de plástico en el extremo. Alternativamente, podría utilizarse cualquier tipo de barra. - Limpie el extremo de la varilla entre cada paquete camas utilizando un paño antiséptico disposición a evitar la contaminación de microbios.
Nota: Un cubo de agua jabonosa tibia puede utilizarse también para limpiar la varilla. Una bolsa de plástico sándwich también puede asegurada con una banda elástica para el extremo de la varilla y reemplazada después de cada uno con camas paquete para evitar la contaminación cruzada. - Pesar y registrar la masa final de la mezcla de ropa de cama. Coloque el envase de plástico en el medio ambiente de la cámara19 a una temperatura ambiente de 18-20 ° C con un punto de rocío de 12 ° C.
2. mantener el simulado camas paquetes
- Cuarenta y ocho horas antes de añadir las heces y la orina, retirar congeladas heces y orina del congelador y dejar para descongelar a temperatura ambiente (20-25 ° c).
- Menos de una hora antes de añadir orina a paquete de camas, medir el pH de la orina.
- Colóquese equipo de protección personal (guantes, gafas de seguridad) necesarias para el manejo de 6 M NaOH.
- Verter 25 mL 6 M de hidróxido de sodio (NaOH) en el cilindro graduado. Revolver la mezcla, luego prueba el pH con una sonda de pH. Repita hasta que la orina llega a pH 7,4, el pH fisiológico20.
- Una vez ajustado el pH de la orina, reemplace la tapa sobre el envase de la orina cuando no esté en uso para prevenir la volatilización de nitrógeno de la orina.
- Pesar y registrar la masa del paquete de camas. Si fresca ropa de cama debe ser agregado en este día, peso 320 g de seleccionado material del lecho en cacerola de aluminio con balanza y añadir material de lecho a los respectivos paquetes de camas. Si no hay ropa de cama debe ser agregado en este día, seguir paso 2.7.
- Peso 320 g de ganado descongelada las heces en un plástico mediante el equilibrio de la placa y añadir al paquete de camas.
Nota: El día 21, utilizar estiercol en lugar de heces descongeladas. - Medida 320 mL de orina de bovinos descongelados en probeta graduada de 1000 mL. Vacíe el contenido en el paquete de camas.
Nota: El día 21, usar orina fresca en lugar de orina descongelada. - Con una varilla, revolver la mezcla de pack de ropa de cama ligeramente durante 30 segundos. Limpie el extremo de plástico de la varilla entre cada paquete camas para evitar la contaminación de microbios. Pesar y registrar la masa final de la mezcla de ropa de cama.
- Devolver el envase de plástico en el compartimiento ambiental.
- Repita los pasos 2.1-2.10 en el lunes, el miércoles y el viernes de cada semana, con lecho de material que se agrega (paso 2.6) y muestras de aire recolectadas cada miércoles.
3. recogida de muestras de los paquetes de camas simulados
Nota: Las muestras se recogen de los paquetes de camas simulados una vez semanalmente, antes de añadir las heces, la orina y la ropa de cama fresca.
- Preparando para recoger muestras del aire de espacios vacíos de cada paquete camas simulado.
- Encender todo el equipo de muestreo aire y deje que se caliente según las indicaciones del fabricante, aproximadamente 1 hora.
Nota: Ver Tabla de materiales para el amoníaco (NH3), sulfuro de hidrógeno (H2S), metano (CH4), óxido nitroso (N2O) y analizadores de gases de dióxido de carbono (CO2) utilizados en este estudio. - Mida la distancia desde la parte superior del paquete camas simulado en la parte superior del envase plástico sosteniendo el paquete camas simulado utilizando una regla.
- Calcular el volumen de la zona de espacio libre mediante la siguiente fórmula:
donde r = radio del recipiente plástico,
h = distancia desde la parte superior del paquete de camas a la parte superior del envase de plástico, y
Vcámara de flujo = volumen de la cámara de flujo situada en la parte superior del envase de plástico.
Nota: Las cámaras de flujo utilizadas en este estudio tenían un volumen interno de 0,007 m3 con una superficie de 0,064 m21,22. - Empuje una estaca de metal aproximadamente de 5 cm en la superficie del paquete de camas en el centro de la manada. Enrosque la tubería inerte 0,64 cm a través de uno de los orificios de 1 cm en la parte superior de cada envase paquete camas simulado y seguro en una estaca de metal de 12,5 cm 1,3 cm por encima de la superficie del paquete de ropa de cama. Colocar acero inoxidable flujo estático hemisférica cámaras21,22 con faldas de goma encima de cada paquete camas simulada (figura 1).
Nota: Faldas de goma son 61 cm cuadrados hechas de goma suave y elástico con agujeros de 22,9 cm de diámetro en el centro. El agujero se coloca sobre la cámara de flujo y las faldas forman un sello en la parte superior del envase de plástico cuando se coloca en el recipiente. - Fije el tubo inerte 0,64 cm a las cámaras de flujo mediante accesorios de compresión inerte.
Nota: La tubería inerte esté conectada al colector de muestras de gas que alimenta al equipo de muestreo de aire. El sistema de muestreo del gas es controlado por un relé de lógica programable de 24 voltios (véase Tabla de materiales) señal multi posicionales solenoides 3 vías para apertura y cierre de líneas de entrada de aire de ocho en el colector de muestras de gas. Una línea se abre a la vez para permitir el muestreo de aire individual de cada paquete de camas. - Comenzar a limpiar el aire ambiente de la habitación a través de la tubería a una velocidad de 5 L min-1 durante 30 minutos.
Nota: Ver Tabla de materiales para la bomba usada para purgar el aire a través de las líneas de muestra.
- Encender todo el equipo de muestreo aire y deje que se caliente según las indicaciones del fabricante, aproximadamente 1 hora.
- Medir la concentración de amoníaco, dióxido de carbono, metano y sulfuro de hidrógeno en espacios vacíos de los paquetes de camas simulados.
- Después de limpiar adecuadamente el simulado camas paquetes, abra la llave de paso en línea de la muestra para atraer aire ambiente de la sala a inerte muestra líneas conectadas al colector de muestreo de gas.
- Activar el relé programable de la lógica para comenzar a tirar el aire dentro del equipo de muestreo de aire. Grabamos mediciones de aire ambiente durante 20 minutos determinar la concentración de gases medidos en el aire ambiente. Esto se utilizará como una concentración del aire de fondo. Cuando haya terminado de recolectar el aire ambiente, cerrar la llave de paso en la línea de muestra.
- Activar el relé lógico programable para comenzar el aire de las líneas muestra inerte conectado a cada cámara de flujo de muestreo. Medidas de registro de cada línea de la muestra durante 20 minutos determinar las concentraciones de los gases medidos en los espacios vacíos de cada paquete de camas.
- Resultados pueden ser registrados como la concentración promedio del gas (NH3, CO2, N2O, CH4, H2S) en las muestras de aire (mg kg-1 o ppm), o se puede calcular la densidad de flujo (tasa de emisión) del gas en una masa por unidad área por base de tiempo de unidad utilizando la siguiente ecuación:
donde J = el flujo en μg m-2 min-1,
A = área de la fuente (m2) dentro de la cámara,
Q = el barrido aire flujo tasa m3 min-1, y
Caire = la concentración de compuestos orgánicos volátiles dejando la cámara (μg m-3)23.
- Medir la concentración de los compuestos orgánicos volátiles en el espacio de los paquetes de camas simulados.
- Colóquese guantes desechables de látex o de nitrilo.
- Después de limpiar adecuadamente el simulado camas paquetes, retire latón almacenamiento tapas de acero inoxidable previo tubos absorbentes.
Nota: Los tubos sorbentes utilizados en este estudio fueron 89 x 6,4 mm que OD lleno de Tenax TA absorbente (véase Tabla de materiales). Casquillos de latón tienen virolas de polythtrafluorethylene (PTFE). - Conecte el extremo anotado del tubo absorbente para el puerto de entrada de la cámara de flujo con tubo de goma flexible y el otro extremo del tubo adsorbente para una bomba de vacío.
Nota: La bomba de vacío usada en este estudio (véase Tabla de materiales) tira aire por los tubos absorbentes con un caudal de 75 mL min-1. - Permita que la bomba que tire aire en el tubo absorbente durante 5 minutos para un volumen de muestra de 0,375 L, entonces la bomba y desconecte el tubo absorbente. Vuelva a colocar las tapas de almacenamiento de información de latón en los extremos de los tubos absorbentes.
- Repita los pasos 3.3.1 - 3.3.4 para recoger un tubo absorbente para cada paquete de camas.
- Almacenar tubos absorbentes hasta su análisis por desorción térmica-gas cromatografía-espectrometría de masa (TD-GC-MS). Los tubos se pueden almacenar a temperatura ambiente (20-25 ° c) por < 24 h. Si almacena > 24 h, tienda en el refrigerador.
- Inmediatamente antes del análisis de la muestra en el sistema TD-GC-MS, quitar tapones de latón almacenamiento de tubos absorbentes y reemplazar con PTFE tapas analítica23.
- Analizar tubos de solvente para compuestos orgánicos volátiles24 (ácido acético, ácido butírico, ácido propiónico, ácido isobutírico, ácido isovalérica, ácido valeriánico, ácido hexanoico, ácido heptanoico, fenol, p-cresol, indol, skatole, Dimetilo disulfuro y dimetil Trisulfuro) con TD-GC-MS23,24,25.
- Resultados pueden ser registrados como concentración de COV en las muestras de aire (μg m-3), o se puede calcular la densidad de flujo (tasa de emisión) de la VOC en una masa por unidad de área por base de tiempo de unidad utilizando la siguiente ecuación:
donde J = el flujo en μg m-2 min-1,
A = área de la fuente (m2) dentro de la cámara,
Q = el barrido aire flujo tasa m3 min-1, y
Caire= la concentración de compuestos orgánicos volátiles dejando la cámara (μg m-3)23.
- Recoger las mediciones físicas y químicas de los paquetes de camas simulados.
Nota: Temperatura, pH y pérdida de agua por evaporación se miden cada vez materiales adicionales fueron agregados a los paquetes de camas simulados. Composición de nutrientes se determina en el día 0 y día 42. Espacio de aire libre se determina sólo en el día 42.- Determinar la temperatura de las camas mediante la inserción de una sonda de temperatura en el centro de la manada camas, aproximadamente 7,6 cm debajo de la superficie del paquete simulado de camas. Permita que la temperatura se estabilice y anote.
- Determinar la pérdida de agua por evaporación estimada
- Coloque el envase de plástico en el equilibrio.
- Mida y registre la masa del paquete camas simulado antes y después de cada adición de heces/orina/ropa de cama al paquete simulado de camas.
- Calcular la pérdida de agua por evaporación estimada restando masa de comienzo del día actual de masa final de la jornada anterior. La diferencia es la masa estimada de agua que se evaporó de la unidad camas entre los días y puede utilizarse para comparar las diferencias relativas entre paquete de camas, aunque no refleja pérdida absoluta.
- Determinar pH del paquete camas simulado
- Recoger una muestra representativa de 5-10 g de cada paquete camas simulado desde el centro de la manada a una profundidad de aproximadamente 7,6 cm debajo de la superficie del paquete de camas. Coloca la muestra en un tubo cónico de plástico 50 mL, tapa y etiqueta.
- Calibrar el pH-metro con pH buffer 4 y 7 según las instrucciones del fabricante.
- Determinar la masa de cada cónica.
- Diluir cada muestra 1:2 en una base de masa con agua destilada y desionizada. Agite el cónico para mezclar el material de agua y ropa de cama. Inserte la sonda de pH en el cónico, medir y registrar el pH de la muestra.
- En los días 0 y 42 solamente, determinar contenido de nutrientes del paquete camas simulado.
- Recoger una muestra representativa de 50 g de cada paquete camas simulado desde el centro de la manada a una profundidad de aproximadamente 7,6 cm debajo de la superficie del paquete de camas. Colocar en una bolsa de muestra de suelo de papel.
- Transporte a un laboratorio para análisis de nutrientes dentro de las 24 horas. Almacenar en el refrigerador hasta que las muestras pueden ser transportadas a un laboratorio para análisis de nutrientes.
Nota: Pueden analizarse cualquier macro o micro nutrientes. Analizamos para nitrógeno total26, fósforo y azufre análisis27 en un laboratorio comercial.
- En el día 42 solamente, determinar espacio de aire libre en paquete camas simulado.
- Coloque el envase de plástico en una balanza y registrar la masa. Llene lentamente con agua hasta la superficie del agua es incluso con la superficie del paquete camas simulado. Permita que el agua resolver hasta que no más burbujas vienen el paquete camas simulado, a continuación, registrar la masa del envase plástico
- Determinar el porcentaje de espacio de aire libre con el siguiente cálculo:
- Después de completar los datos deseados todos pasos (pasos 3.1 - 3.4), de la colección Añadir las heces, la orina y la ropa de cama a los paquetes de camas simulados siguiendo pasos 2.1 - 2.10.
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Representative Results
Hasta la fecha, siete investigaciones estudios han sido publicaron9,10,11,12,13,14,15 usando este procedimiento, con las modificaciones y hacer ajustes mejorar el modelo y reflejar los objetivos de los experimentos específicos. Este procedimiento se ha utilizado para evaluar el efecto de numerosos materiales de ropa de cama y la temperatura ambiente en olor y producción de gas, así como las enmiendas que se pueden agregar para el control de las emisiones de amoníaco. Propiedades químicas y físicas de los paquetes de camas se han medido en comercial graneros6,28 , así como en los paquetes de camas simulados (tabla 1). Esta información se utilizó para determinar si el protocolo era un modelo adecuado para complementar la costosa investigación en la granja. Datos de calidad del aire ha sido recogido de instalaciones comerciales y simulado con paquetes usando dos métodos diferentes (tabla 2). El sistema de muestreo de gas descrito en el presente Protocolo es la nueva tecnología que ha sido probada y Comparado con métodos previamente utilizados.
La composición de la materia seca de los paquetes de camas simulados fueron dentro de la gama del contenido de materia seca publicados de pack con material de instalaciones comerciales6,28. Primera vez el protocolo fue utilizado11, 400 g de lecho inicialmente se agregaron a los paquetes de camas con adiciones posteriores de 200 g por semana de ropa de cama fresca y 400 g de la orina y las heces agregadas tres veces semanalmente. Se creó para simular comerciales graneros en que varias pacas de ropa de cama se agregan inicialmente y sólo una o dos balas añadidos al paquete por semana después de eso. La proporción de residuos de ganadería: ropa de cama se estimó utilizando datos recopilados de instalaciones mono-pendiente de camas profundas comerciales1,6. Al final del primer estudio, el contenido de materia seca de los paquetes de camas era similar al contenido de materia seca medido en pack con material de instalaciones comerciales6,28. Sin embargo, una observación visual de los paquetes de camas indicó que había una gran cantidad de variabilidad en la capacidad de los materiales de la ropa de cama de retención de agua. Por ejemplo, los paquetes de camas con mazorcas de maíz aparecieron muy húmedos, pero tenían una materia seca contenida de 27,2 ± 1.5%16, mientras que los paquetes de camas con ropa de cama de paja de trigo aparecieron relativamente secos, pero tenían un seco importa contenido de 21.2 ± 1,1%11. Para intentar aumentar la seca materia contenido de los paquetes de camas para mejor representar comercial graneros6,28, el protocolo se ajustó ligeramente con 320 g de ropa de cama, orina y heces añadidas cuando se inició el paquete, tres a la semana adiciones de 320 g de la orina y las heces y una suma semanal de 320 g de material agregado a los paquetes de ropa de cama. Este protocolo planteado el contenido de materia seca de los paquetes de camas, pero era altamente dependiente sobre el material de lecho13 utilizado en el experimento y la temperatura de las cámaras ambiental14. Aunque es variable, el contenido de materia seca de los paquetes de camas simulados fueron dentro de la gama que mide en comerciales graneros por lo que el segundo protocolo se ha utilizado para todos los estudios posteriores.
La composición en nutrientes, temperatura del paquete y pH de los paquetes de camas simulados proporcionan más evidencia de que los paquetes de camas simulados son un buen modelo para representar el estiércol camas paquetes en instalaciones comerciales. N total, P total, S total y total K han consistentemente ha dentro de la gama de lo nutrientes que contienen medido de instalaciones comerciales de camas profundas mono cuesta6,28. Abono parcial ocurre en los paquetes de camas de camas profundas instalaciones mono-cuesta, así que era importante replicar la temperatura de instalaciones comerciales en los paquetes de camas simulados de escala de laboratorio. La temperatura de los paquetes de camas en camas profundas instalaciones comerciales cuando temperatura del aire entre 0 y 20,6 ° c fue 19,2 ± 0.3 ° c 6. La temperatura en las cámaras de medio ambiente se fijó en 20 ° c para la mayoría de los estudios realizados utilizando este protocolo. En estos estudios, la temperatura de los paquetes de camas simulados ha sido consistentemente entre 18,3 y 20,1 ° c. La excepción a esto fue cuando la temperatura fue un factor que fue probado en un experimento factorial de tres vías. Se establecieron dos compartimientos ambientales a 40 ° c y dos fueron fijados en 10 ° c. En ese estudio, la temperatura de los paquetes de camas simulados fue 12-13 ° c en las cámaras de frío y 32 a 35 ° c en las cámaras más calientes. Esto refleja una vez más, comerciales graneros, donde las temperaturas pack fueron 15,4 ± 0.4 ° c cuando las temperaturas ambiente 0 ° c o más frío y 29.0 ± 0.3 ° c cuando la temperatura ambiente fue mayor de 20,6 ° c 6. El pH de los paquetes de camas en comerciales graneros cama de rastrojo de maíz fue medido en un estudio6 y varió de 7.5-8.0. Simulado los paquetes de camas con cama de rastrojo de maíz tuvieron valores de pH de 7.1-7.311,13. El pH de todos los paquetes de camas simulados ha sido de 6.2 9.0, que refleja una variedad de materiales de la ropa de cama utilizada en los experimentos.
El sistema de muestreo de gas que se utiliza en el presente Protocolo fue adaptado de una serie de estudios realizados en comerciales avícolas, porcinos y lácteos graneros como parte del estudio de monitoreo de emisiones aire nacional29. Este sistema elimina el aire de la sala a través de la cámara de flujo, creando una cámara de flujo dinámico que mide la concentración de los gases seleccionados que son emitidos durante un período de 20 minutos. Antes de utilizar el sistema de muestreo de gas, la concentración estable-lugar de NH3 se determinó por la recogida de muestras de aire de cada pack dobles con cámaras de flujo estático de trampas ácidas contiene 2 mol L-1 ácido sulfúrico6, 22. el aire dentro de la cámara fue reciclado a través de las trampas ácidas a una velocidad de 1 L min-1 durante 20 minutos. Total sulfuros reducidos fueron recogidos usando un muestreador portátil. Las muestras de aire se recirculan a través de las cámaras de flujo estático mediante una pequeña bomba con un caudal de 1 L min durante no más de 4 minutos. Un mínimo de cuatro muestras consecutivas se extrajeron de cada paquete camas simulado. Se determinaron las concentraciones de gases de efecto invernadero (N20, CO2y CH4) por la recogida de una muestra de 20 mL de aire de cada paquete camas simulado utilizando los tabiques en la parte superior de cada cámara de flujo estático. Las muestras posteriormente fueron analizadas utilizando un cromatógrafo de gases. El método anterior de recoger todas estas muestras de gas era muy intensivo de mano de obra y requiere dos o tres personas administrar todo el equipo de colección. El sistema de muestreo del gas es mucho menos intensivo de mano de obra. Una persona es capaz de configurar el sistema de muestreo de gas, iniciar el relé lógico programable y regresar aproximadamente 160 minutos más tarde cuando hayan terminado de las muestras recogida de datos de gas de 8 paquetes de camas simulados.
Se muestran resultados del Protocolo de muestreo anterior, que requieren mucho trabajo, así como los resultados del muestreo gas (tabla 2). Debido a la cantidad de mano de obra necesaria para recolectar los datos, no todos los datos pudo recogerse en instalaciones comerciales. Concentración de amoníaco se recolectó utilizando el método de la trampa de ácido de la superficie de los paquetes de camas en instalaciones comerciales de mono-pendiente y en comparación con los paquetes de camas simulados. Las concentraciones de amoníaco en los paquetes de camas simulados fueron consistentemente similares a NH3 concentraciones medidas de los paquetes de camas en las instalaciones de ganado comercial. Las concentraciones de amoníaco usando el nuevo sistema de muestreo de gas parecen ser en el extremo inferior de las concentraciones presentes en las instalaciones del ganado. Que puedan ser causados por el analizador de NH3 o puede ser un reflejo de los tratamientos en los experimentos que utilizan el nuevo sistema de muestreo de gas. También podría reflejar una mayor tasa de flujo de aire sobre los paquetes de camas simulados en comparación con el flujo de aire en los establos comerciales, que diluiría la concentración de las muestras de amoníaco. Una serie de experimentos probaron el uso de alumbre como una modificación superficial que puede aplicarse a los paquetes de camas para bajar el pH del pack, lo cual reduce la volatilización de nitrógeno como NH3. Dióxido de carbono, CH4y N2O no se han medido en la superficie de un paquete de camas en instalaciones comerciales. Sin embargo, el rango de concentraciones de estos gases se mide en paquetes camas simulados utilizando el método de cromatografía de gases previa y el rango de concentraciones que se miden utilizando el sistema de muestreo de gas son muy similares. Concentraciones algo superiores fueron producidas cuando los paquetes de camas simulados fueron alojados en una cámara ambiental de 35 ° c en comparación con 20 cámara de ° c, que representa la variabilidad entre experimentos. TRS en comparación con el sulfuro de hidrógeno no es una comparación directa, TRS incluye más que el sulfuro de hidrógeno. Por lo tanto, no es sorprendente que las concentraciones de TRS de paquetes simulados de camas son ligeramente superiores a las concentraciones de H2S medidas usando el sistema de muestreo de gas. Esto también es un reflejo de los estudios realizados con los dos protocolos de muestreo. Con paquetes que contenían la ropa de cama de cedro verde generan muy alta TRS concentraciones12, mientras que los que contienen cama de rastrojo de maíz no. Las muestras recogidas mediante el sistema de muestreo de gas han utilizado rastrojo de maíz, paja de trigo, rastrojo de soja y viruta de pino camas materiales pero no ropa de cama de cedro verde.
| Comercial graneros1-2 | Simulación de paquetes con3-6 | |||||
| Materia seca % | 29.99 ± 3,15 | 16.0-36.6 | 20.8-27.2 | 22.3-26.1 | 24.0 – 58.0 | 20.8 – 24.9 |
| N total, g kg-1 | 60.97 ± 13.77 | 21.2-23.6 | 19.4 – 28,2 | 17.8 – 22.3 | 15.6 – 18,6 | 17.8-23,8 |
| Total P, g kg-1 | 14.13 ± 3.99 | 6.7-7.5 | 6.2 – 9.6 | 7.1 – 9.6 | 6.7 – 8,5 | 6.2 – 9.6 |
| S total, g kg-1 | 7.88 ± 1,48 | 5.6-6.7 | 3.6 – 6,5 | 4.5 – 5.3 | --- | 3.6 – 6,5 |
| Total K, g kg-1 | 32.74 ± 8.39 | 15.5 – 21.1 | 16.3 – 23.1 | --- | 18.8-25,6 | 16.3 – 25.2 |
| Lignina, g kg-1 | --- | --- | 26.5-139.6 | 49,9 – 136.9 | --- | 62.6 – 139.6 |
| Ceniza, g kg-1 | --- | 154 - 214 | 119.3 – 200.5 | 98.9-223.6 | --- | 119.3 – 200.5 |
| C relación | --- | --- | 17.4-28.2 | 20.2 – 29.7 | --- | 20.6 – 27.5 |
| pH | --- | 7.5-8 | 6.2-7.2 | 6.8 – 7,6 | 8.5 – 9.0 | 7.4-7.7 |
| Temperatura, ° c | --- | 15.4 – 29,0 | 18.3 – 19.9 | 18.4 – 20.0 | 12.0-35.0 | 19.7 – 20.1 |
| 1 Euken, 2009. Desviación estándar según lo informado por Euken, 2009 se muestra. P total y total K se calcularon mediante la conversión de divulgado P2O5 y K2O composición, respectivamente. | ||||||
| 2 Spiehs et al., 2011. Los datos recogidos de dos plumas en cada uno de los dos graneros. Tallos de maíz picaditos eran el material recomendado: ropa de cama, pero también se utilizaron tallos de soja y paja de trigo para el lecho durante breves períodos de este proyecto. Ropa de cama uso varió de 1.95 – 3.37 kg por animal por día y pluma de densidad varió de 3.22 – 6.13 m2 por animal. | ||||||
| 3 Spiehs et al., 2012. Los datos recogidos de paquetes dobles simulados. Materiales del lecho incluye rastrojo de maíz, rastrojo de haba, mazorcas de maíz concentrados, paja de trigo, papel, astillas de madera y aserrín. | ||||||
| 4 Spiehs et al., 2014b. Los datos recogidos de paquetes dobles simulados. Material del lecho incluye rastrojo de maíz, virutas de madera de pino, cedro húmedo chips y virutas de cedro seco. | ||||||
| 5 Ayadi et al., 2015b. Los datos recogidos de paquetes dobles simulados con rastrojo de maíz y rastrojo de frijol material del lecho. Dos temperaturas fueron utilizados (40 ° c y 10 ° c) | ||||||
| 6 Spiehs et al., 2017. Los datos recogidos de paquetes dobles simulados utilizando mezclas de material de lecho que contiene 0, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100% pino siendo la restante maíz stover. | ||||||
Tabla 1. Gama de divulgado materia seca y composición en nutrientes (base materia seca) de material de lecho/estiércol de profunda camas cuesta mono instalaciones comerciales (Euken, 2009 y Spiehs et al., 2011) y de estudios llevando a cabo usando la simulación camas paquetes (Spiehs et otros., 2012, 2014, 2017 y Ayadi et al., 2015).
| Estática de flujo del método de cámara1 | Cámara de flujo dinámico método2 | |||||
| Amoníaco, ppm | 95.8 – 641.1 | 350.8-516.7 | 381 - 1584 | 386.3-502.3 | 89.4-166.7 | |
| TRS, ppb | --- | 8.2 – 165.9 | --- | 5.3 – 11.4 | --- | |
| Sulfuro de hidrógeno, ppb | --- | --- | --- | --- | 0.1 – 18.1 | |
| Dióxido de carbono, ppm | --- | 1232 - 2000 | 2322 - 6917 | 918 - 1158 | 957-2149 | |
| Metano, ppm | --- | 2.3 – 3.6 | 7.2 – 87.0 | 4.4 – 6.7 | 3.2 – 16,7 | |
| El óxido nitroso, ppm | --- | 0.67-0.72 | 0.31 – 0,77; | 0.21 – 0.23 | 0.44-0.58 | |
| 1 Spiehs et al., 2011, 2014a, 2015a, 2016a. Se recogieron datos de estos estudios con trampas de ácido con amoniaco, un sampler portátil de sulfuros reducidos total, y una muestra de los espacios vacíos de cada paquete camas simulada analizada en un gas de efecto invernadero GC para dióxido de carbono, metano y óxido nitroso. | ||||||
| 2 Esta información representa tres estudios llevando a cabo utilizando diferentes materiales de la ropa de cama y modificaciones superficiales para el control de emisión de olores y gas. Estos estudios estaban llevando a cabo mediante el sistema de muestreo de gas y todavía no está publicados. | ||||||
Tabla 2. Gama de reportó concentraciones de amoníaco, total reduce sulfuros (TRS), sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono, metano y óxido nitroso de instalaciones mono cuesta camas profundas comerciales (Spiehs et al., 2011) y de estudios llevando a cabo usando la simulación packs dobles (Spiehs et al., 2014a, 2016 y Ayadi et al., 2015).
Figura 1. Simulado los paquetes de camas en recipientes de plástico con acero inoxidable flujo cámaras y parodias de goma atados y listo para muestreo de aire. Los paquetes de camas simulados están ubicados dentro de los compartimientos ambientales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
La adición frecuente de orina y heces a los paquetes de camas es un paso crítico. Experimentamos con la adición de la orina y las heces sólo una vez por semana, pero descubrió que el paquete con una corteza, que atrapados gases en el interior del paquete y no era representante de instalaciones comerciales. El uso de estiercol al principio del estudio asegura que los paquetes de camas se inocula con poblaciones bacterianas comunes encontradas instalaciones de ganado. También es importante, al agregar la orina, para recordar a ajustar el pH a pH fisiológico antes de añadir a los paquetes de camas. En una ocasión, se comete un error y orina de pH bajo se añadió a los paquetes de camas. Este mató a la población de bacterias metanogénicas. Al configurar el sistema de muestreo de gas, todas las conexiones deben ser seguro para evitar fugas que pueden comprometer la calidad de las mediciones de gas.
El protocolo ha sido adaptado desde que primero fue desarrollado. Adaptación de la cámara de flujo estático para ser cámaras de flujo dinámico permite a los investigadores a calcular las emisiones en lugar de sólo las concentraciones de gases headspace. El uso de nuevos sistemas de muestreo de gas dinámico permite también la toma de muestras debe ser completado por una persona en vez de necesitar dos o tres personas para gestionar toda la colección de datos.
Adaptaciones podrían hacerse con los paquetes de camas simulados para evaluar materiales de ropa de cama o enmiendas de olor utilizadas en cerdos o instalaciones lecheras. Ajustes necesario para determinar proporciones adecuada ropa de cama: estiércol típicos en cerdos o instalaciones lecheras. Literatura publicada debe proporcionar materia seca y las expectativas de la composición en nutrientes de cerdos comerciales o instalaciones lecheras que ayude a estiman la cantidad de ropa de cama, heces y orina que sería necesario que se necesitarán para ajustar el paquete camas simulado Protocolo para representar una instalación porcina o productos lácteos. El protocolo nunca se ha utilizado para medir un material de cama inorgánicos, como arena, que a menudo se utiliza en instalaciones de lácteas. Aunque no existe ninguna razón para creer que no mediría con éxito las emisiones de gases de un pack de camas con material inorgánico de la cama, esto va a requerir pruebas adicionales.
Puede haber gases adicionales que podrían tomar la muestra que no hemos evaluado. Cualquier instrumento de muestreo de gas que puede estar conectado a una línea de muestreo de gas inerte, en teoría, debe poder ser utilizado con este sistema.
El modelo también podría ajustarse para explorar relaciones diferentes de ropa de cama: estiércol si un investigador eligió hacerlo. Tal vez un investigador estaba interesado en determinar la cantidad máxima de estiércol y orina que podría añadirse a un paquete de camas antes de que se detectaron olores significativos. O un investigador quería examinar diversas temperatura y efectos de la humedad sobre la calidad del aire. El modelo también podría ajustarse para examinar estos factores.
El protocolo fue desarrollado para medir la calidad del aire y composición en nutrientes de escala de laboratorio con paquetes en un entorno controlado y se ha utilizado para evaluar eficazmente muchos materiales de cama diferentes, las variables ambientales (temperatura, humedad), y los tratamientos potenciales de mitigación que pueden mejorar calidad del aire en instalaciones de mono-pendiente de camas profundas comerciales. El modelo es dinámico y permite a los investigadores recoger fácilmente muchas mediciones químicas y físicas de la unidad camas, incluyendo NH3, CH4, N2O, CO2, H2S, VOC, temperatura, pH, composición de nutrientes, aire libre espacio y otros que aún no se han medido. Las mediciones semanales recogidas a lo largo de seis a siete semanas permite tiempo suficiente para ver cambios en las mediciones de calidad de aire en el tiempo como el paquete de camas maduro. Los datos recogidos de los paquetes de camas simulados dentro de la gama de concentraciones previamente mide en instalaciones comerciales de camas profundas mono-pendiente. Estudios anteriores han demostrado que 8-10 unidades experimentales por tratamiento son suficientes para detectar diferencias estadísticas entre los paquetes camas simulado9,10,11,12, 13,14,15. Los paquetes de camas son fáciles de mantener, que requieren menos de 10 minutos de trabajo con paquete por semana agregar orina, heces y cama. Toma de muestras utilizando el sistema de muestreo de gas requiere de 20-30 minutos por paquete camas, dependiendo de las medidas que se están recopilando. En el pasado, tanto como 20 paquetes dobles han sido analizados por una persona en una jornada normal de 8 horas. El uso de paquetes dobles de escala de laboratorio permite al investigador y control de variables como temperatura, humedad y fuente de ropa de cama que son difíciles o imposibles de controlar en una investigación o centro comercial. Varios estudios de laboratorio pueden realizarse para eliminar posibles tratamientos antes de tratar en una investigación o centro comercial de tamaño.
La principal limitación del modelo es que no es una simulación perfecta de condiciones "reales". Es difícil simular perfectamente condiciones comerciales como continua adicional de la orina y las heces que se produce en una instalación ganadera. Basado en el contenido de materia seca y nutrientes composición de los paquetes de camas simulados frente a instalaciones comerciales y la mano de obra disponible en nuestro laboratorio, hemos determinado tres veces semanales adiciones de la orina y las heces ser suficiente. Sin embargo, si una modificación podría ser desarrollada para agregar periódicamente las heces y la orina fresca varias veces al día, que mejor simulan el entorno comercial.
Otra reconocida limitación es el uso de congelado y descongeladas de las heces y la orina. Cada esfuerzo es hecho para congelar rápidamente la orina y las heces para evitar la volatilización de nitrógeno y cualquier crecimiento bacteriano, orina y las heces de un estudio de balance se sólo recogen una vez al día. Tarda una hora o más para recoger, pesar, restablecer los contenedores y partición de la orina y las heces. También requiere varias horas para una Damajuana de 20 L de orina se congele completamente, incluso después de ser colocada en un congelador de-4 ° c. Durante este tiempo, puede producirse volatilización y crecimiento bacteriano. Para compensar esta demora de tiempo entre recolección y congelación, la orina se acidifica a pH 4 inmediatamente después de retirar el recipiente del aparato de colección para prevenir el crecimiento bacteriano y la volatilización de nitrógeno. La orina se restaura a pH 7, una vez se descongele, pero esto puede no ser exactamente lo mismo que agregar orina fresca. Sin embargo, como no ha habido ningún aumento observado en la volatilización de3 NH tras la adición de orina fresca a los paquetes de camas comparados con orina congelada, creemos que hemos minimizado esta limitación. Las poblaciones bacterianas son asesinadas o disminuidas cuando las heces se congela. Esto es una limitación reconocida del protocolo que hemos tratado de minimizar mediante la adición de heces frescas en el día 0 y día 21.
El uso de una varilla de acero a mezcla suave que las heces recién añadidas y orina con el material de la ropa de cama no perfectamente pueden simular el peso de los bovinos en un establecimiento comercial, lo que resulta en algo diferente compactación y capacidad de retención de agua. Para tener en cuenta la porosidad de los respaldos de camas y como una indicación del espacio de aire libre que pueden estar presente en el paquete de camas, el agua fue vertida en los paquetes dobles al final de cada estudio para determinar un porcentaje de espacio de aire libre presente en cada paquete camas9 < /c 0 >,10,11,12,13,14,15. Espacio de aire libre quedado generalmente uniforme de un estudio a otro, pero no ha sido comparada con el espacio de aire libre que está presente en un centro comercial.
El Protocolo no ha sido probado con otros tipos de especies o instalaciones de ganado, como aros de cama profunda de cerdos suecas camas profunda partos instalaciones, establos lecheros de compostaje u otras instalaciones con lácteos o cualquier tipo de instalaciones de aves de corral con ropa de cama. Si bien parece que el modelo tendría potencial para ser utilizados como modelo para otras instalaciones ganaderas, ajustes en el protocolo pueden ser necesarios para representar adecuadamente las instalaciones más allá de un centro de camas profundas de ganado de carne.
Mientras que el modelo no es una simulación perfecta de instalaciones comerciales, puede ofrecer un punto de partida al evaluar factores tales como la ropa de cama, temperatura, humedad o enmiendas que se pueden agregar a un paquete de camas en un centro de ganadería. Permite a un investigador evaluar las diferencias de tratamiento en un entorno controlado y eliminar opciones de tratamiento potencialmente menos eficaces antes de gastar dinero en los recursos necesarios para una operación a gran escala de tamaño comercial.
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Disclosures
Esta investigación fue financiada por fondos federales asignados al servicio de investigación agrícola de USDA, proyecto de investigación número 3040-41630-001-00D.
Mención de nombres comerciales o productos comerciales en este artículo es únicamente con el propósito de proporcionar información específica y no implica recomendación o aval por el USDA.
USDA es un proveedor de igualdad de oportunidades y el empleador.
Acknowledgments
El autor desea reconocer a Alan Kruger, Todd Boman, Shannon Ostdiek, Elaine Berry y Ferouz Ayadi que ayudaron con la recolección de datos utilizando los paquetes de camas simulados. El autor también reconoce Tami Brown-Brandl y Dale Janssen para su ayuda mantener los compartimientos ambientales.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 10 gallon plastic cylinder containers | Rubbermaid | Model 2610 | Other similar-sized plastic containers are suitable |
| Mass balance | Any | Capable of measuring 0.1 gram | |
| Electric drill with 1 cm bit | Any | ||
| Methane analyzer | Thermo Fisher Scientific | Model 55i Methane/Non-methane Analyzer | |
| Hydrogen sulfide analyzer | Thermo Fisher Scientific | Model 450i | |
| Ammonia analyzer | Thermo Fisher Scientific | Model 17i | |
| Carbon dioxide analyzer | California Analytical | Model 1412 | |
| Nitrous oxide analyzer | California Analytical | Model 1412 | |
| Programmable Logic Relay | TECO | Model SG2-020VR-D | |
| Stainless steel flux chambers | Any | Constructed using the parts list and directions cited at Woodbury et al., 2006 | |
| Rubber skits | Any | Constructed from flexible rubber material. Cut into squares (61 cm x 61 cm) with 22.9 cm diameter hole in center. | |
| pH meter | Spectrum Technologies | IQ150 | |
| thermometer | Spectrum Technologies | IQ150 | |
| Ruler or tape measure | Any | Capable of measuring in cm | |
| Sorbent tubes | Markes International | Tenax TA | |
| Pocket pumps | SKC Inc. | Series 210 | |
| Inert sampling line | Teflon | 0.64 cm diameter | |
| Pump | Thomas | 107 series | Used to flush air through sample lines |
References
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