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Environment

Modèle de laboratoire pour évaluer les odeurs et les Concentrations de gaz émises par Deep lits Pack fumier

doi: 10.3791/57332 Published: July 19, 2018

Summary

Un protocole a été développé pour mesurer les gaz, les odeurs et la composition nutritionnelle en meute à bractées lab lités du fumier, qui peut être utilisé pour étudier les moyens d’améliorer la qualité de l’air dans des installations de bétail commercial à l’aide de packs de fumier lits profonds.

Abstract

A développé un modèle de pack lités simulé-mise à l’échelle laboratoire afin d’étudier la qualité de l’air et de la composition nutritionnelle des packs de profonds lits utilisés dans les installations de mono pente de bovins. Ce protocole a été utilisé pour évaluer efficacement les nombreux literie différents matériaux, les variables environnementales (température, humidité) et le potentiel traitements d’atténuation qui peuvent améliorer la qualité en mono pente de commerces lits profonds de l’air. Le modèle est dynamique et permet aux chercheurs de recueillir facilement plusieurs mesures chimiques et physiques du Pack lité. Des mesures hebdomadaires, recueillies au cours des six ou sept semaines, laisse suffisamment de temps voir les modifications apportées aux mesures de qualité d’air au fil du temps comme le pack lité mûrit. Les données recueillies depuis les packs lités simulés sont dans la gamme des concentrations précédemment mesurées en mono pente lits profonds de commerces. Des études antérieures ont démontré que les 8-10 unités expérimentales par traitement sont suffisantes pour détecter des différences statistiques parmi les packs lités simulées. Les packs lités sont faciles à entretenir, nécessitant moins de 10 minutes de travail par lités paquets par semaine pour ajouter urine, matières fécales et literie. Prélèvement d’échantillons en utilisant le système de prélèvement de gaz nécessite 20 à 30 minutes par paquet lité, selon les mesures qui sont recueillies. L’utilisation des packs lités à bractées lab permet au chercheur de variables de contrôle tels que la température, l’humidité et source de literie qui sont difficiles ou impossibles à contrôler dans une recherche ou un établissement commercial. Bien que pas une simulation parfaite des conditions de « monde réel », la simulation de lits packs servent un bon modèle pour les chercheurs d’examiner les différences de traitement entre les packs lités. Plusieurs études en laboratoire peuvent être effectués afin d’éliminer les traitements possibles avant de les essayer dans une recherche ou une installation de taille commerciale.

Introduction

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Installations de confinement de bovins de boucherie sont une option de logement populaire dans le Midwest et la partie supérieure des grandes plaines. Installations de confinement sont plus fréquentes dans cette région que les plaines du Sud parce que la région reçoit plus de précipitations annuelles, qui crée plus ruissellement de parcs d’engraissement qui doit être contenue. Bon nombre de producteurs a choisi de construire des granges mono pente pour bovins de boucherie. Les principales raisons citées par les producteurs pour choisir une installation mono pente a été la capacité de l’horaire du travail et du fumier enlèvement et amélioration des performances par rapport pour ouvrir beaucoup de parcs d’engraissement1. La majorité des éleveurs de bovins (72,2 %) à l’aide de granges mono pente maintenir un pack lité pour un tour de bovins ou plus, en utilisant un système de gestion de profond-literie pour la literie et des déchets1. La litière couramment utilisée est la canne de maïs, bien que rapport de producteurs à l’aide de chaume de soja, paille de blé, épis de maïs et de sciure de bois1. En raison de la demande régionale pour la literie de canne de maïs, de nombreux producteurs souhaitaient literie alternatifs qui pourrait être utilisés dans des installations mono pente. Outre l’économie et le confort animal, les producteurs ont contesté comment la litière serait influent sur l’environnement de l’installation, y compris la production de gaz odorants, composition nutritionnelle de la résultante du fumier/literie et la présence d’agents pathogènes.

Peu d’études ont été menées pour mesurer la qualité de l’air résultant de literie différents matériaux utilisés dans des logements du bétail, la plupart se focaliser uniquement sur l’ammoniac. La plupart des précédentes évaluations de la qualité de l’air comprennent la collecte de données à la ferme avec une ou deux unités expérimentales par les traitements actuellement analysés à la fois2,3,4,5. Ayant limité le nombre d’unités expérimentales nécessite l’étude être répété plusieurs fois, ajoutant ainsi des variables supplémentaires tels que les conditions météorologiques, l’âge ou le stade de la production d’animaux, et peut-être des matériaux de literie produites dans différentes saisons de croissance .

Avec aucun modèle connu-mise à l’échelle laboratoire afin d’étudier les facteurs qui influent sur la qualité de l’air et de la composition nutritionnelle de la linge de lit/fumier mélange résultant de boeuf lits profonds mono pente des installations, les chercheurs, tout d’abord tenté d’utiliser des installations de bétail commercial en utilisant un système lits profonds6,7,8. Chambres à flux statique ont été utilisées pour mesurer les concentrations de3 NH sur la surface des installations mono pente profondeur lités bovins au cours d’une période de 18 mois6. Deux stylos dans chacune des deux granges ont été mesurés. Hachés des tiges de maïs ont été la préféré de la litière, mais les tiges de paille et de soya blé ont également été utilisés pour la literie pendant de brèves périodes de ce projet. Literie d’utilisation varie de 1,95-3,37 kg par animal par jour et un stylo densité varie entre 3.22-6,13 m2 par animal. Des études ultérieures mesuré les émissions d’ammoniac et le sulfure d’hydrogène de la grange7et les concentrations de particules à l’extérieur de la grange8. Ces études ont été menées sur une période de 2 ans à l’aide de deux à quatre emplacements de grange. Le défi lié à la collecte de données à la ferme est le manque de contrôle par la recherche sur le système. Producteurs changent l’alimentation du bétail, déplacent les animaux du stylo à plume, utilisent des matériaux de litière provenant de différentes sources et nettoyez et permet de re-lit stylos comme leur production et de la population active, ainsi les nombreuses variables confondantes. Recherche sur la ferme implique aussi des frais de voyage et de grandes quantités de traitements expérimentaux (tels que matériel de literie). L’objectif de ce projet était d’élaborer un modèle de laboratoire qui pourrait servir à étudier les facteurs qui influent sur la qualité de l’air et de la gestion des éléments nutritifs dans les installations de mono pente lits profonds bovins.

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Protocol

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L’étude vise à mener pendant 42 jours avec collecte hebdomadaire. Toutes les procédures d’animaux ont été examinés et approuvés par le Comité de l’emploi et de nous viande Animal Research Centre institutionnel animalier.

1. la construction simulé lits Packs

  1. Commencer avec des conteneurs de cylindre en plastique qui sont 0,42 m de haut avec un diamètre de 0,38 m.
    Remarque : Dans cette étude, un conteneur particulier corbeille commerciale 10 gallons est utilisé (voir Table des matières), mais autres contenants de plastique de taille semblable serait approprié.
  2. Percer six trous de 1 cm également espacement autour de la circonférence du conteneur en plastique dans chaque récipient en plastique environ 5 cm du haut du conteneur en plastique. Retirer des restes de plastique du contenant.
  3. Tarer le conteneur en plastique et noter la masse sur le côté du conteneur en plastique. Peser 320 g de litière sélectionné dans pan de pesée à l’aide d’une balance, puis ajouter literie matériaux vers le conteneur en plastique.
    Remarque : Tout matériel de literie jugé convenable pour utilisation dans des installations d’élevage peut être utilisé9,10,11,12,13,14,15. Pour la modélisation des installations de bétail lités profonde dans la Upper Great Plains, canne de maïs est considéré comme la plus courante matériel de literie1 mais la canne de soja, la paille de blé, et copeaux de bois ont également été utilisés1. Si vous utilisez ce système pour les installations de porcs ou de produits laitiers modèle lités profonds, paille de blé, paille d’orge, paille d’avoine, foin, copeaux de bois, copeaux, sciure, Journal, épis de maïs, chaume de soja, de riz coques, ou sable est peut-être plus adapté16,17 ,,18.
  4. Poids 320 g de frais bovins excréments sur un plastique plaque à l’aide de la balance et ajouter dans le récipient en plastique.
    NOTE : Urine et les selles sont recueillies et maintenus comme décrit précédemment11.
  5. Mesure 320 mL d’urine de bovins frais dans le cylindre gradué 1000 mL. Videz le contenu dans le récipient en plastique. À l’aide d’un agitateur (5,08 cm de circonférence), mélanger le mélange de matière de literie légèrement pendant 30 s.
    Remarque : dans ce cas, une tige d’acier creuse avec un couvercle en plastique sur l’extrémité a été utilisée. Sinon, n’importe quel type de tige pourrait servir.
  6. Nettoyer l’extrémité de la tige d’agitation entre chaque pack lité à l’aide d’une lingette antiseptique disposition pour prévenir la contamination croisée des microbes.
    Remarque : Un seau d’eau savonneuse tiède peut également servir pour nettoyer l’agitateur. Un sac à sandwich en plastique peut également être fixé avec un élastique à l’extrémité de la tige et remplacé après que chaque lits pack pour éviter toute contamination croisée.
  7. Pesez et consignez la messe finale du mélange literie. Placer le récipient en plastique dans la chambre environnementale19 régler à une température ambiante de 18 à 20 ° C avec un point de rosée de 12 ° C.

2. maintenir la simulation lits Packs

  1. Quarante-huit heures avant d’ajouter les excréments et l’urine, sortir congelés excréments et l’urine du congélateur et laisser pour décongeler à température ambiante (20-25 ° c).
  2. Moins d’une heure avant d’ajouter l’urine au pack lité, mesurer le pH de l’urine.
  3. Mettre sur les équipement de protection individuelle approprié (gants, lunettes de sécurité) nécessaires pour le traitement des 6 M NaOH.
  4. Verser 25 mL 6 M d’hydroxyde de sodium (NaOH) dans l’éprouvette graduée. Remuer le mélange, puis tester le pH à l’aide d’une sonde de pH. Répétez jusqu'à ce que l’urine atteint pH 7,4, pH physiologique20.
  5. Une fois que le pH de l’urine est ajusté, replacer le capuchon sur le contenant de l’urine quand pas en service pour empêcher la volatilisation de l’azote dans l’urine.
  6. Pesez et consignez la masse du bloc-lité. Si des litières fraîches doit être ajouté à ce jour, peser 320 g de sélectionné le matériel de literie dans le moule en aluminium à l’aide de la balance et ajoutez litière pour les packs lits respectifs. Si aucune literie ne doit être ajouté à ce jour, passez à étape 2.7.
  7. Environ 320 g de bétail décongelé excréments sur un plastique plaque à l’aide de la balance et ajouter au pack lité.
    Remarque : Le jour 21, utiliser fèces fraîches au lieu de selles décongelées.
  8. Mesure 320 mL d’urine de bétail décongelés dans l’éprouvette graduée 1000 mL. Videz le contenu dans le pack lité.
    Remarque : Le jour 21, utilisez urines fraîches au lieu d’urine décongelé.
  9. À l’aide d’un agitateur, remuez le mélange de pack literie légèrement pendant 30 secondes. Nettoyer le bout en plastique de l’agitateur entre chaque pack lité à prévenir la contamination croisée des microbes. Pesez et consignez la messe finale du mélange literie.
  10. Retourner le récipient en plastique dans la chambre.
  11. Répétez les étapes 2.1-2.10 les lundi, mercredi et vendredi de chaque semaine, avec literie matériaux étant ajoutés (étape 2.6) et échantillons d’air prélevés chaque mercredi.

3. le prélèvement d’échantillons de la Packs litée simulée

NOTE : Échantillons sont prélevés de la packs litée simulée une fois par semaine, avant d’ajouter les fèces, l’urine et des litières fraîches.

  1. Préparation recueillir des échantillons d’air d’espace libre de chaque pack lité simulée.
    1. Tourner sur tous les équipements de prélèvement d’air et laisser pour chauffer selon les instructions du fabricant, environ 1 heure.
      Remarque : Consultez la Table des matières pour l’ammoniac (NH3), le sulfure d’hydrogène (H2S), méthane (CH4), l’oxyde nitreux (N2O) et des analyseurs de gaz de dioxyde de carbone (CO2) utilisés dans cette étude.
    2. Mesurez la distance entre le haut du sac lité simulée vers le haut du conteneur en plastique maintenant le pack lité simulé à l’aide d’une règle.
    3. Calculer le volume de la zone d’espace de tête à l’aide de la formule suivante :
      Equation 1
      r = rayon du récipient en plastique,
      h = distance entre le dessus du bloc-lité vers le haut du conteneur en plastique, et
      Vchambre de flux = volume de la chambre de flux située sur le dessus du conteneur en plastique.
      Remarque : Les chambres de flux utilisés dans cette étude avaient un volume intérieur de 0,007 m3 d’une superficie de 0,064 m21,22.
    4. Enfoncer un pieu métallique environ 5 cm surface du pack lit au centre approximatif du pack. Enfiler un tube inerte 0,64 cm à travers un des trous de 1 cm en haut de chaque conteneur pack lités simulé et sûr sur un pieu de métal 12,5 cm 1,3 cm au-dessus de la surface du pack literie. Placer en acier inoxydable flux statique hémisphérique chambres21,22 avec des jupes en caoutchouc sur le dessus de chaque pack lité simulée (Figure 1).
      Remarque : Les jupes en caoutchouc sont 61 cm carrés en caoutchouc doux et élastique avec 22,9 cm de diamètre trous découpés dans le centre. Le trou s’adapte au-dessus de la chambre de flux et les jupes forment un joint sur le dessus le récipient en plastique lorsqu’il est placé sur le réservoir.
    5. Fixez 0,64 cm tube inerte aux chambres à flux à l’aide de raccords à compression inerte.
      Remarque : Le tube inerte est fixé sur le collecteur d’échantillonnage de gaz qui alimente le matériel d’échantillonnage de l’air. Le système de prélèvement de gaz est contrôlé par un relais 24 volts de la logique Programmable (voir Table des matières) qui signale plusieurs positionnels solénoïdes 3 voies pour ouvrir et fermer une des lignes d’arrivée d’air huit sur le collecteur des gaz d’échantillonnage. Une ligne est ouverte à la fois pour permettre à l’échantillonnage d’air individuel de chaque pack lité.
    6. Commencer le rinçage à l’air ambiant de la pièce à travers la tubulure à raison de 5 L min-1 pendant 30 minutes.
      Remarque : Consultez la Table des matières pour pompe utilisée pour purger l’air à travers les lignes de l’échantillon.
  2. Mesurer la concentration d’ammoniac, dioxyde de carbone, le méthane et le sulfure d’hydrogène dans l’espace de tête des packs lités simulées.
    1. Après que rinçage adéquatement la simulation lits packs, ouvrir le robinet d’arrêt sur la ligne d’échantillonnage pour aspirer l’air ambiant de la salle en lignes échantillon inerte connectés au collecteur de gaz d’échantillonnage.
    2. Activer le relais logique programmable pour commencer tirant l’air dans le matériel d’échantillonnage de l’air. Mensurations Records de l’air ambiant pendant 20 minutes afin de déterminer la concentration des gaz mesurés dans l’air ambiant. Cela servira une concentration atmosphérique de fond. Lorsque vous avez terminé la collecte de concentration dans l’air ambiant, fermer le robinet d’arrêt sur la ligne de l’échantillon.
    3. Activer le relais logique programmable pour commencer l’échantillonnage à vol d’oiseau de l’inerte exemples de ligne attaché à chaque chambre de flux. Records Mensurations de chaque ligne de l’échantillon pendant 20 minutes déterminer les concentrations de gaz mesurées dans l’espace libre de chaque pack lité.
    4. Résultats peuvent être présentés sous forme de la concentration moyenne du gaz (NH3, CO2, N2O, CH4, H2S) dans les échantillons d’air (mg kg-1 ou ppm), ou la densité de flux (taux d’émission) de gaz peut être calculée sur une masse par unité de zone par unité de temps à l’aide de l’équation suivante :
      Equation 2
      J = le flux en µg m-2 min-1,
      A = la surface de la source (m2) à l’intérieur de la chambre,
      Q = le balayage air débit taux m3 min-1, et
      Cair = la concentration de COV laissant la chambre (µg m-3)23.
  3. Mesurer la concentration d’odorants composés organiques volatils dans l’espace de tête des packs lités simulées.
    1. Enfilez des gants jetables en latex ou nitrile.
    2. Après que rinçage adéquatement la simulation lits packs, retirez bouchons de stockage en laiton préconditionnés inox tubes absorbants.
      NOTE : Les tubes absorbants utilisés dans cette étude étaient de 89 mm × 6,4 mm QU'OD rempli de Tenax TA sorbant (voir Table des matières). Capuchons en laiton ont des embouts de polythtrafluorethylene (PTFE).
    3. Attachez la fin a reçu de la tube à adsorption à l’orifice d’entrée de la chambre de flux à l’aide de tuyaux flexibles en caoutchouc et l’autre extrémité du tube absorbant pour une pompe à vide.
      Remarque : La pompe à vide utilisée dans cette étude (voir Table des matières) tiré d’air à travers les tubes absorbants à un débit de 75 mL min-1.
    4. Laisser la pompe expulser l’air dans le tube de sorbant pendant 5 min pour un volume d’échantillon de 0,375 L, puis éteignez la pompe et débrancher le tube à adsorption. Replacer les couvercles de rangement de laiton sur les extrémités des tubes absorbants.
    5. Répétez les étapes 3.3.1 - 3.3.4 pour recueillir un tube à adsorption pour chaque pack lité.
    6. Conserver le sorbants tubes jusqu'à l’analyse par désorption thermique-gaz chromatographe-spectrométrie de masse (TD-GC-MS). Tubes peuvent être conservés à température ambiante (20-25 ° c) pour < 24h. Si vous entreposez > 24h, magasin dans le réfrigérateur.
    7. Immédiatement avant l’analyse de l’échantillon sur le système de TD-GC-MS, retirer les capuchons de stockage laiton des tubes absorbants et remplacez par PTFE casquettes analytique23.
    8. Analyser les tubes absorbants pour les composés organiques volatils24 (acide acétique, butyrique, acide propionique, acide isobutyrique, acide isovalérique, acide valérique, hexanoïque acide, acide heptanoïque, phénol, p-crésol, indole, skatole, disulfure de diméthyle et diméthyl trisulfure) à l’aide de TD-GC-MS23,24,25.
    9. Résultats peuvent être présentés sous forme de concentration de COV dans les échantillons d’air (µg m-3), ou la densité du flux de la VOC (taux d’émission) peut être calculée sur une masse par unité de surface par unité de temps à l’aide de l’équation suivante :
      Equation 2
      J = le flux en µg m-2 min-1,
      A = la surface de la source (m2) à l’intérieur de la chambre,
      Q = le balayage air débit taux m3 min-1, et
      Cair= la concentration de COV laissant la chambre (µg m-3)23.
  4. Recueillir des mesures physiques et chimiques des packs lités simulées.
    Remarque : La température, le pH et la perte d’eau par évaporation sont mesurées chaque fois matériaux supplémentaires ont été ajoutés pour les packs lités simulées. Composition nutritionnelle est déterminée au jour 0 et 42 jours. Espace air libre est déterminé au jour 42 seulement.
    1. Déterminer la température du pack lité en insérant une sonde de température au centre du bloc-lité, environ 7,6 cm sous la surface du pack lité simulé. Laissez la température se stabiliser et d’enregistrer.
    2. Déterminer la perte estimée par évaporation de l’eau
      1. Placer un récipient en plastique sur la balance.
      2. Mesurer et noter la masse de la simulation lits pack avant et après chaque ajout de lit/urine/feces au pack lité simulé.
      3. Calculer la perte d’eau par évaporation estimé en soustrayant la masse de début de la journée en cours de la Messe de fin de la journée précédente. La différence est la masse estimée de l’eau qui s’évapore de la meute litée entre les jours et peut être utilisé pour comparer les différences relatives entre les lit pack, bien qu’il ne reflète pas la perte absolue.
    3. Déterminer le pH du pack lité simulé
      1. Prélever un échantillon représentant 5 à 10 g de chaque pack lité simulé depuis le centre de la meute à une profondeur d’environ 7,6 cm sous la surface du pack lité. Placer l’échantillon dans un tube conique en plastique de 50 mL, bouchon et étiquette.
      2. Calibrer le pH mètre avec pH tampons 4 et 7 selon les instructions du fabricant.
      3. Déterminer la masse de chaque conique.
      4. Diluer chaque échantillon 1:2 de manière massive avec de l’eau distillée, déminéralisée. Secouez la conique pour mélanger le matériau de l’eau et de la literie. Insérer la sonde pH dans la conique, mesurer et enregistrer le pH de l’échantillon.
    4. Les jours 0 et 42 seulement, déterminer teneur en éléments nutritifs du pack lité simulé.
      1. Prélever un échantillon représentatif de 50 g de chaque pack lité simulé depuis le centre de la meute à une profondeur d’environ 7,6 cm sous la surface du pack lité. Placer dans un sac de prélèvement de sol papier.
      2. Transport vers un laboratoire pour l’analyse des éléments nutritifs dans les 24 heures. Conserver au réfrigérateur jusqu'à ce que les échantillons peuvent être transportés à un laboratoire pour l’analyse des éléments nutritifs.
        Remarque : Toute macro ou micro nutriments peuvent être analysés. Nous analysons pour azote total26, phosphore et soufre analyse27 dans un laboratoire commercial.
    5. Sur les 42 jours seulement, déterminer libre espace aérien simulé Pack lité.
      1. Placer le récipient en plastique sur un équilibre et noter la masse. Remplir lentement avec de l’eau jusqu'à ce que la surface de l’eau est même avec la surface du pack lité simulée. Laissez l’eau s’installer jusqu'à ce qu’aucune bulle plus ne viennent le pack lité simulé, puis enregistrer la masse du récipient en plastique
      2. Déterminer le pourcentage d’espace d’air libre selon le calcul suivant :
        Equation 3
  5. Après avoir terminé les données souhaitées tout étapes de collecte (étapes 3.1 - 3.4), ajouter fèces, urine et literie pour les packs lités simulés suivant étapes 2.1 - 2.10.

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Representative Results

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A ce jour, recherche sept études ont été publiées9,10,11,12,13,14,15 à l’aide de cette procédure, sous réserve de modifications et ajustements apportés pour améliorer le modèle et tenir compte des objectifs des expériences spécifiques. Cette procédure a été utilisée pour évaluer l’effet de nombreux matériaux de litière et la température ambiante sur l’odeur et la production de gaz, ainsi que les modifications qui peuvent être ajoutées pour contrôler les émissions d’ammoniac. Propriétés chimiques et physiques des packs lits ont été mesurées dans commercial granges6,28 , ainsi que dans les packs lités simulées (tableau 1). Ces données a été utilisées pour déterminer si le protocole a été un modèle approprié pour compléter les essais à la ferme cher. Données qualité de l’air a été recueillis dans les installations commerciales et simulés lités modules à l’aide de deux méthodes différentes (tableau 2). Le système de prélèvement de gaz décrit dans le présent protocole est nouvelle technologie qui a été testée et comparée aux méthodes précédemment utilisées.

La composition de la matière sèche des packs lités simulés étaient dans les limites de publiées matière sèche dégraissée lités pack matériel récolté des installations commerciales6,28. La première fois le protocole a été utilisé11, 400 g de literie ont été ajoutée pour les packs de lits avec des ajouts ultérieurs de 200 g par semaine de litières fraîches et 400 g/pièce d’urine et les fèces ajoutés trois fois par semaine. Cela a été mis en place pour simuler des granges commerciales dans laquelle plusieurs ballots de literie sont ajoutés au départ et seulement une ou deux balles ajoutés au pack par semaine par la suite. Le ratio de literie : fumier a été estimé à l’aide de données recueillies auprès de profonds lits de commerces sur mono pente1,6. À la fin de la première étude, la teneur en matière sèche des packs lités était semblable à la teneur en matière sèche mesurée en pack lités matériel récolté des installations commerciales6,28. Cependant, l’observation visuelle des packs lités a indiqué qu’il y avait beaucoup de variabilité dans la qualité de la literie de rétention d’eau. Par exemple, packs de lits avec des épis de maïs est apparu très humides, mais avaient une teneur de 27,2 ± 1,5 %16, en matière sèche alors que les packs lits avec literie de la paille de blé est apparu relativement secs, mais avaient un endroit sec en matières de 21,2 ± 1,1 %11. Pour essayer d’augmenter le sec, la teneur en matière des packs lits afin de mieux représenter les granges commerciale6,28, le protocole a été ajustée légèrement avec 320 g chacun de literie, urine et fèces ajoutés lorsque le pack a été démarré, toutes les trois semaines ajouts de 320 g chacun de l’urine et les fèces et un ajout hebdomadaire de 320 g de literie matériaux ajoutés pour les packs. Ce protocole a soulevé la teneur en matière sèche des packs lités, mais a été très largement sur le matériel de literie13 , utilisé dans l’expérience et la température de l' environnement chambres14. Même si c’était variable, la teneur en matière sèche des packs lités simulés étaient dans les limites mesurée dans les étables commerciales donc le deuxième protocole a été utilisé pour toutes les études ultérieures.

La composition nutritionnelle, pack température et pH des packs lités simulés fournissent encore des preuves que les packs lités simulées sont un bon modèle pour représenter le fumier lits packs dans des installations commerciales. N total P total, S total, K total ont constamment a mesuré et dans le secteur de la valeur nutritive des lits profonds mono pente commerces6,28. Compostage partielle se produit dans les packs lités des lits profonds installations mono pente, alors qu’il était important de reproduire la température des installations commerciales dans les packs lités simulés-mise à l’échelle laboratoire. Température des packs de lits dans les établissements commerciaux lits profond lorsque la température de l’air ambiant se situait entre 0 et 20,6 ° c était de 19,2 ± 0,3 ° c 6. La température dans les chambres environnementales a été fixée à 20 ° c pour la plupart des études réalisées à l’aide de ce protocole. Dans ces études, la température des packs lités simulés a toujours été entre 18,3 et 20,1 ° c. L’exception est lorsque la température est un facteur qui a été testé dans une expérience factorielle de trois voies. Deux chambres environnementales ont été fixés à 40 ° c et deux ont été fixés à 10 ° c. Dans cette étude, la température des packs lités simulées était 12-13 ° c dans les chambres froides et 32 à 35 ° c dans les chambres chaudes. Une fois de plus, cela reflète les granges commerciales, où les températures pack étaient 15,4 ± 0.4 ° c lorsque les températures ambiantes étaient 0 ° c ou plus froid et 29,0 ± 0,3 ° c lorsque la température ambiante était supérieure à 20,6 ° c 6. Le pH des packs lits dans des étables commerciales en utilisant la literie de canne de maïs a été mesuré dans une étude6 et variait de 7,5 à 8,0. Simulé packs lits avec literie de maïs fourrage ont eu des valeurs de pH de 7,1 à 7,311,13. Le pH de tous les ensembles de lits simulés a varié de 6,2 à 9.0, qui reflète une variété de matériaux de literie utilisés dans les expériences.

Le système de prélèvement de gaz qui est utilisé dans le présent protocole a été adapté d’une série d’études menées dans les étables, porcine et avicole commerciale dans le cadre de l' étude nationale de surveillance d’émissions Air29. Ce système vide air ambiant dans la chambre de flux, création d’une chambre de flux dynamique qui mesure la concentration des gaz sélectionnés qui sont émises sur une période de 20 minutes. Avant d’utiliser le système de prélèvement de gaz, la concentration d’équilibre-place de NH3 a été déterminée en recueillant des échantillons d’air de chaque pack lité à l’aide de chambres à flux statique avec des pièges acides contenant 2 mol L-1 acide sulfurique6, 22. l’air dans la chambre a été recyclé à travers les pièges acides à raison de 1 L min-1 pendant 20 minutes. Total de sulfures réduits ont été recueillies à l’aide d’un échantillonneur portatif. Les échantillons d’air ont été réintroduites aux chambres de flux statique à l’aide d’une petite pompe à un débit de 1 L min pour pas plus de 4 minutes. Un minimum de quatre échantillons consécutifs ont été tirées de chaque pack lité simulée. Les concentrations de gaz à effet de serre (CO2, N20 et CH4) ont été déterminées par la collecte d’un échantillon de 20 mL d’air de chaque pack lité simulé en utilisant le septum en haut de chaque chambre de flux statique. Plus tard, les échantillons ont été analysés à l’aide d’un chromatographe en phase gazeuse. La méthode précédente de rassembler tous ces échantillons de gaz a été très forte intensité de main d’oeuvre et requis deux ou trois personnes gérer tout le matériel de la collection. Le système de prélèvement de gaz est beaucoup moins forte intensité de main de œuvre. Une personne est capable de mis en place le système de prélèvement de gaz, ouvrir le relais logique programmable et renvoyer environ 160 minutes plus tard, lorsque les échantillons ont fini de collecte de données de gaz de 8 packs lités simulées.

Résultats du protocole d’échantillonnage précédente, beaucoup de travail sont indiqués, ainsi que les résultats de l’échantillonnage de gaz (tableau 2). En raison de la quantité de travail nécessaire pour recueillir les données, pas toutes les données put être prélevés dans des installations commerciales. Concentration d’ammoniac a été capturée en utilisant la méthode de siphon en acide de la surface des packs lits dans des installations commerciales de mono-pente et contre les packs lités simulées. Les concentrations d’ammoniac mesurées dans les packs lités simulés étaient constamment semblables à NH3 concentrations mesurées des packs lits dans les établissements commerciaux de bovins. Les concentrations d’ammoniac en utilisant le nouveau système de prélèvement de gaz semblent être sur le bas de la gamme des concentrations présentes dans les installations du bétail. Qui peut être causée par l’analyseur de NH3 ou il peut être le reflet des traitements dans les expériences qui utilise le nouveau système de prélèvement de gaz. Elle pourrait également refléter un taux plus élevé de flux d’air sur les packs lités simulées par rapport à la circulation d’air dans les étables commerciales, ce qui diluerait la concentration des échantillons d’ammoniac. Une série d’expériences a testé l’utilisation de l’alun comme une modification de surface qui peut être appliquée pour les packs lités d’abaisser le pH de pack, réduisant ainsi la volatilisation de l’azote sous forme de NH3. Le dioxyde de carbone et CH4N2O n’ont pas été mesurés à la surface d’une meute de litée dans les établissements commerciaux. Cependant, la gamme des concentrations de ces gaz mesuré dans les packs lités simulés à l’aide de la méthode précédente de la chromatographie en phase gazeuse et la gamme des concentrations mesurées en utilisant le système de prélèvement de gaz sont très similaires. Les packs lités simulés étaient logés dans une chambre environnementale de 35 ° c par rapport à 20 ° c, qui représente la variabilité des expériences un peu des concentrations plus élevées ont été générées. En comparant TRS en hydrogène sulfuré n’est pas une comparaison directe, puisque TRS comprend plus que le sulfure d’hydrogène. Il n’est donc pas surprenant que les concentrations de TRS dans un pack lités simulées sont légèrement supérieures aux concentrations d’H2S mesurées en utilisant le système de prélèvement de gaz. C’est aussi un reflet des études réalisées à l’aide de deux protocoles d’échantillonnage. Packs de lits qui contenait la litière de cèdre vert générèrent de concentrations très élevées TRS12, tandis que ceux qui contiennent la literie de canne de maïs n’ont pas. Les échantillons prélevés à l’aide du système de prélèvement de gaz ont utilisé la canne de maïs, paille de blé, soja stover et copeaux de pin literie matériaux mais aucune litière de cèdre vert.

Granges commerciale1-2 Simulé lités Packs3-6
Matière sèche % 29.99 ± 3,15 16,0 à 36.6 20,8 – 27,2 22.3-26,1 24,0 – 58,0 20,8 à 24,9
Total N, 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
Phosphore total, g kg-1 14.13 ± 3,99 6.7 – 7,5 6.2 – 9,6 7.1 – 9,6 6,7 à 8,5 6.2 – 9,6
Total S, 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
Lignine, g kg-1 --- --- 26,5 – 139,6 49,9 – 136,9 --- 62,6 – 139,6
Cendres, g kg-1 --- 154 - 214 119,3 – 200,5 98,9 – 223,6 --- 119,3 – 200,5
Rapport c : n --- --- 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
Température, ° c --- 15.4 – 29,0 18.3 – 19,9 18,4 – 20,0 12.0 – 35,0 19,7 – 20,1
1 Euken, 2009. Écart-type tel que rapporté par Euken, le 2009 est montré. P total et total K ont été calculés en convertissant signalés P2O5 et K2O composition, respectivement.
2 Spiehs et al., 2011. Données recueillies auprès de deux stylos dans chacune des deux granges. Hachés des tiges de maïs ont été la préféré de la litière, mais les tiges de paille et de soya blé ont également été utilisés pour la literie pendant de brèves périodes de ce projet. Literie d’utilisation varie de 1,95 – 3,37 kg par animal par jour et un stylo densité varie de 3.22 – 6.13 m2 par animal.
3 Spiehs et al., 2012. Les données recueillies dans un pack lités simulée. Matériaux de literie incluent la canne de maïs, canne de fèves, épis de blé maïs paille, granulés, papier, copeaux de bois et sciure de bois.
4 Spiehs et al., 2014b. Les données recueillies dans un pack lités simulée. Matériel de literie inclus la canne de maïs, copeaux de bois de pin, copeaux de cèdre humide et sèche de cèdre sculpté.
5 Ayadi et al., 2015b. Données recueillies à partir des modules lités simulés à l’aide de la canne de maïs et la canne de fèves matériel de literie. Deux températures ont été utilisés (40 ° c et 10 ° c)
6 Spiehs et coll., 2017. Données recueillies auprès des packs lités simulés à l’aide de mélanges de litière contenant 0, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100 % pin, le restant étant corn stover.

Le tableau 1. Gamme de matière sèche signalé et composition nutritionnelle (base matière sèche) des éléments de literie/fumier de profondes litées mono pente installations commerciales (Euken, 2009 et Spiehs et al., 2011), ainsi que d’études menant à l’aide de la simulation lits packs (Spiehs et coll., 2012, 2014, 2017 et Ayadi et al., 2015).

Méthode de la chambre1 de flux statique Chambre de flux dynamique méthode2
Ammoniac, 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 ---
Sulfure d’hydrogène, ppb --- --- --- --- 0,1 – 18,1
Le dioxyde de carbone, en ppm --- 1232 - 2000 2322 - 6917 918 - 1158 957-2149
Méthane, ppm --- 2.3 – 3.6 7.2 – 87,0 4.4 – 6,7 3.2 – 16,7
L’oxyde nitreux, 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. Données de ces études ont été recueillies à l’aide de pièges à acide pour l’ammoniac, un échantillonneur portatif de sulfures réduites totales et un échantillon de l’espace de tête de chaque pack lité simulé analysé sur un gaz à effet de serre GC pour le dioxyde de carbone, le méthane et l’oxyde nitreux.
2 Cette données représente trois études menant à l’aide de divers matériaux de literie et de modifications de surface pour contrôler les odeurs et les gaz d’émission. Ces études ont mené à l’aide du système de prélèvement de gaz et ne sont pas encore publiées.

Le tableau 2. Gamme d’ont signalé des concentrations d’ammoniac, total réduit de sulfures (TRS), de sulfure d’hydrogène, dioxyde de carbone, méthane et oxyde nitreux de profondes litées mono pente des installations commerciales (Spiehs et al., 2011) et des études menant à l’aide de la simulation packs de lits (Spiehs et al., 2014a, 2016 et Ayadi et al., 2015).

Figure 1
Figure 1. Packs de litée simulés dans des contenants en plastique en acier inoxydable flux chambers et sketches en caoutchouc attachés et prêt pour l’échantillonnage de l’air. Les packs lités simulées sont situés à l’intérieur des chambres environnementales. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

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L’ajout fréquent de l’urine et les selles pour les packs lits est une étape cruciale. Nous avons expérimenté avec l’ajout d’urine et les fèces juste une fois par semaine, mais trouve que le pack lité mis au point une croûte, pris au piège de gaz à l’intérieur du pack, qui n’était pas représentative des installations commerciales. L’utilisation de fèces fraîches au début de l’étude assure que les packs lits est inoculé à des populations bactériennes communes trouvées dans des installations de bétail. Il est également important, lors de l’ajout de l’urine, pour n’oubliez pas d’ajuster le pH à pH physiologique avant d’ajouter les packs lités. À une occasion, une erreur a été commise et urine à pH faible a été ajouté pour les packs lités. Il a tué la population de bactéries méthanogènes. Lorsque vous configurez le système de prélèvement de gaz, tous les raccords doivent être sécurisés pour éviter les fuites qui peuvent compromettre la qualité de la mesure de gaz.

Le protocole a été adapté depuis qu’il a été tout d’abord développé. Adaptation de la chambre de flux statique pour être chambres de flux dynamique permet aux chercheurs calculer les émissions au lieu de juste les concentrations en gaz de l’espace de tête. L’utilisation de nouveaux systèmes d’échantillonnage de gaz dynamique permet également le prélèvement d’échantillons doit être rempli par une personne au lieu de deux ou trois personnes pour gérer toute la collection de données.

Des adaptations est possible d’utiliser les packs lités simulés pour évaluer literie ou amendements odeur utilisés dans les porcs ou les installations laitières. Ajustements devront être faite pour déterminer les ratios de literie appropriée : fumier typiques dans les porcs ou les installations laitières. Documentation publiée doit fournir matière sèche et attentes de composition nutritionnelle de porcs commerciaux ou des installations laitières qui contribuerait à estiment la quantité de litière, matières fécales et l’urine qui devrait être nécessaires pour régler le simulé pack lité Protocole pour représenter une installation de porcs ou de produits laitiers. Le protocole n’a jamais été utilisé pour mesurer une litière inorganiques, tels que le sable, qui est souvent utilisé dans les installations laitières. Bien qu’il n’y a aucune raison de croire qu'il ne mesurerait pas avec succès des émissions de gaz d’un bloc lité contenant des matières inorganiques literie, cela nécessiterait des tests supplémentaires.

Il peut y avoir des gaz qui pourraient être échantillonnées, que nous n’avons pas évalué. Tout instrument de prélèvement de gaz qui peut être raccordé à une conduite de prélèvement de gaz inerte devrait, théoriquement, être capable d’être utilisé avec ce système.

Le modèle peut également être ajusté pour explorer les ratios différents literie : fumier si un chercheur a choisi de le faire. Peut-être un chercheur s’intéresse à déterminer le montant maximal de fumier ou de l’urine qui pourrait être ajoutée à un pack lité avant les odeurs importantes ont été détectées. Ou un chercheur a voulu examiner différentes températures et effets d’humidité sur la qualité de l’air. Le modèle peut également être ajusté afin d’examiner ces facteurs.

Le protocole a été développé pour mesurer la qualité de l’air et une composition nutritionnelle de l’échelle laboratoire rodés packs dans un environnement contrôlé et a été utilisée pour évaluer efficacement beaucoup de literie différents matériaux, les variables environnementales (température, humidité), et des traitements d’atténuation possibles qui peuvent améliorer la qualité de l’air en mono pente lits profonds de commerces. Le modèle est dynamique et permet aux chercheurs de collecter facilement les nombreuses mesures physiques et chimiques de la meute litée, y compris le NH3, CH4, N2O, CO2, H2S, COV, température, pH, composition nutritionnelle, air libre l’espace et peut-être d’autres qui n’ont pas encore été mesurés. Mesures hebdomadaires collectées au cours des six ou sept semaines laisse suffisamment de temps voir les modifications apportées aux mesures de qualité d’air au fil du temps que le pack lité mature. Les données recueillies depuis les packs lités simulés sont dans la gamme des concentrations précédemment mesurées en mono pente lits profonds de commerces. Des études antérieures ont montré que 8-10 unités expérimentales par traitement sont suffisantes pour détecter des différences statistiques entre les packs lités simulé9,10,11,12, 13,14,15. Les packs lités sont faciles à entretenir, nécessitant moins de 10 minutes de travail par paquet lité par semaine pour ajouter urine, matières fécales et literie. Prélèvement d’échantillons en utilisant le système de prélèvement de gaz nécessite 20 à 30 minutes par paquet lité, selon les mesures qui sont recueillies. Dans le passé, autant que 20 packs de lits ont été analysés par une seule personne dans une journée normale de travail 8 heures. L’utilisation des packs lités à bractées lab permet au chercheur de variables de contrôle tels que la température, l’humidité et source de literie qui sont difficiles ou impossibles à contrôler dans une recherche ou un établissement commercial. Plusieurs études en laboratoire peuvent être effectués afin d’éliminer les traitements possibles avant de les essayer dans une recherche ou une installation de taille commerciale.

La principale limite du modèle est qu’il n’est pas une simulation parfaite du « monde réel ». Il est difficile de simuler parfaitement les conditions commerciales tels que continu supplémentaire de l’urine et les fèces qui se produit dans une installation d’élevage. Basé sur la teneur en matière sèche et d’éléments nutritifs composition des packs lités simulées par rapport aux installations commerciales et la main de œuvre disponible dans notre laboratoire, nous avons déterminé trois fois des ajouts hebdomadaires de l’urine et les fèces suffire. Cependant, si une modification pourrait être développée pour ajouter périodiquement les excréments et l’urine fraîche plusieurs fois par jour, qui permettraient de mieux simulent l’environnement commercial.

Un autre reconnu la limitation est l’utilisation de congelé et décongelés excréments et l’urine. Alors que tout est fait pour congeler rapidement l’urine et les fèces pour empêcher la volatilisation de l’azote et toute la croissance bactérienne, urine et les fèces prélevés dans une étude de l’équilibre sont collectées uniquement une fois par jour. Il faut une heure ou plus de temps pour recueillir, peser, réinitialiser les contenants de collecte et partitionner l’urine et les fèces. Il faut plusieurs heures pour une tourie de 20 L d’urine de geler complètement, même après avoir été placé dans un congélateur à-4 ° c. Pendant ce temps, la volatilisation et la croissance bactérienne peuvent se produire. Pour compenser ce délai entre le prélèvement et la congélation, l’urine est acidifié à un pH 4 immédiatement après avoir enlevé le réservoir de l’appareil de collection pour empêcher la croissance bactérienne et la volatilisation de l’azote. L’urine est restauré à pH 7, une fois qu’il est décongelé, mais cela peut être pas exactement la même que l’ajout d’urines fraîches. Toutefois, comme il n’y a eu aucune augmentation observée de volatilisation de3 NH après l’ajout des urines fraîches pour les packs lités comparées à urine congelé, nous pensons que nous avons minimisé cette limitation. Les populations bactériennes sont tuées ou diminuées lorsque les fèces est gelé. Il s’agit d’une limitation reconnue du protocole que nous avons tenté de minimiser en ajoutant des excréments frais le jour 0 et 21 jours.

L’utilisation d’une tige d’acier doux mélange que le fraîchement ajoutés excréments et l’urine avec la litière ne peuvent pas simuler parfaitement le poids du bétail dans un établissement commercial, ce qui entraîne au compactage quelque peu différente et capacité de rétention d’eau. Pour tenir compte de la porosité des dossiers des lits et comme une indication de l’espace aérien libre qui peuvent être présent dans le pack lité, l’eau était versé dans les packs lits à la fin de chaque étude afin de déterminer le pourcentage d’espace libre d’air présent dans chaque pack lité9 < / c 0 >,10,11,12,13,14,15. Espace air libre est resté généralement uniforme d’une étude à l’autre, mais n’a pas été comparé à l’espace aérien libre qui est présent dans un centre commercial.

Le protocole n’a pas été testé avec d’autres types d’espèces ou d’une installation de bétail, tels que les cerceaux de profonds lits porcine ou suédoises installations naisseur lits profonds, granges laitières compost ou autres installations laitières litées ou n’importe quel type d’installation de volaille en utilisant la literie. Tandis qu’il semble que le modèle aurait pourrait être utilisée comme un modèle pour les autres installations à bétail, des ajustements au protocole peuvent être nécessaires pour représenter adéquatement toute installation au-delà d’une installation de lits profonds de bovins de boucherie.

Alors que le modèle n’est pas une simulation parfaite des installations commerciales, il peut offrir un point de départ lors de l’évaluation des facteurs tels que la literie, température, humidité ou des modifications qui peuvent être ajoutées à un pack lit dans un établissement d’élevage. Il permet à un chercheur évaluer les différences de traitement dans un environnement contrôlé et éliminer les options de traitement potentiellement moins efficaces avant de dépenser de l’argent sur les ressources nécessaires pour une opération commerciale de taille à grande échelle.

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Disclosures

Cette recherche a été financée par des fonds votés par le gouvernement fédéral à l’USDA Agricultural Research Service, recherche numéro du projet 3040-41630-001-00D.

La mention de noms commerciaux ou des produits commerciaux dans cet article est uniquement dans le but de fournir des informations spécifiques et n’implique pas de recommandation ou une approbation par l’USDA.

USDA est un fournisseur de l’égalité des chances et l’employeur.

Acknowledgments

L’auteur tient à remercier Alan Kruger, Todd Boman, Shannon Ostdiek, Elaine Berry et Ferouz Ayadi qui ont aidé à la collecte de données en utilisant les packs lités simulées. L’auteur reconnaît également Tami Brown-Brandl et Dale Janssen pour leur aide à maintenir les chambres environnementales.

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

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References

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Modèle de laboratoire pour évaluer les odeurs et les Concentrations de gaz émises par Deep lits Pack fumier
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Spiehs, M. J. Lab-Scale Model to Evaluate Odor and Gas Concentrations Emitted by Deep Bedded Pack Manure. J. Vis. Exp. (137), e57332, doi:10.3791/57332 (2018).More

Spiehs, M. J. Lab-Scale Model to Evaluate Odor and Gas Concentrations Emitted by Deep Bedded Pack Manure. J. Vis. Exp. (137), e57332, doi:10.3791/57332 (2018).

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