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臭気と深いから放出されるガスの濃度を評価する実験室スケール モデル層状パック肥料

doi: 10.3791/57332 Published: July 19, 2018

Summary

ガス、臭気、およびラボ スケール層状肥料パックは、深層層状肥料パックを使用して商業牛施設における空気質を改善する方法を研究するために培養液の組成を測定するためのプロトコルが開発しました。

Abstract

空気の質や牛モノ斜面設備で使用される深い層状パックの栄養成分を研究する実験室規模の模擬層状パック モデルを開発しました。このプロトコルは、多くの異なる寝具材料、環境変数 (温度、湿度) との可能性を評価するために使用されています商業深い層状モノラル斜面施設空気緩和治療を改善できます。モデルは動的であり、簡単に層状のパックから多くの化学および物理的な測定を収集するために研究者をことができます。6 ~ 7 週間にわたって収集された毎週の測定値では、層状のパックが成熟するにつれて時間をかけて大気測定の変化を見るのに十分な時間をことができます。シミュレートされた層状パックから収集されたデータは濃度の範囲内で以前商業深い層状モノラル斜面施設測定します。過去の研究は、8-10 実験単位の治療が十分にシミュレートされた層状パック間の統計的な差異を検出することを実証しています。層状のパックは、尿、糞便、寝具を追加する週層状パックあたり労働 10 分未満を必要とする、維持すること容易。ガスのサンプリング システムを使用してサンプル コレクションには、収集される測定によって、層状のパックあたり 20-30 分が必要です。ラボ スケール層状パックは、研究者は研究や商業施設のコントロールが困難または不可能にある温度、湿度、寝具ソースなど制御変数を使用します。シミュレートされる「実世界」の条件のない完璧なシミュレーション層状中パックは使用して層状パック間での治療の違いを調べる研究者のための良いモデルとして機能します。いくつかの実験室規模の研究は、研究や商業規模の設備でそれらをしようとする前に可能な治療を排除するために実施できます。

Introduction

肉用牛閉じ込め設備は、中西部とアッパーの大平原で人気が高い住宅オプションです。監禁施設地域が含まれている必要がありますより多くの肥育場流出を作成より多くの年間降水量を受け取るため南部の平野よりもこの地域に共通しています。多くの生産者は肉用牛モノ斜面納屋をビルドすることを選んだ。モノラル斜面施設を選択するための生産者によって引用した主な理由は、スケジュールの労働と肥料の除去と多く飼育場1を開くと比較してパフォーマンスが向上する能力でした。モノラル斜面納屋を使用して牛生産者 (72.2%) の大半は、寝具の深い寝具管理システムを使用して 1 ターン以上牛の層状パックを維持し、無駄に1。使用される最も一般的な寝具材料はトウモロコシの茎葉、大豆無精ひげ、麦わら、トウモロコシの穂軸、おがくず1を使用して生産者レポート。トウモロコシ stover 寝具の地域需要のため多くの生産者はモノラル斜面設備で使用できる代替寝具材料に興味があった。経済学および動物の快適さに加え生産者寝具素材が悪臭ガスの生産の結果として得られる肥料と寝具、栄養成分や病原体の存在をはじめとして、施設の環境にどのような影響を与えるか疑問を呈した。

アンモニアにだけほとんど着目して、家畜の住宅で使用されている別の寝具材料から生じる空気の質を測定するほとんどの研究を します。前の空気の質の評価のほとんどにファームのデータ コレクションがあります治療あたり 1 つまたは 2 つの実験装置を分析して一度に2,3,4,5。実験単位数制限する必要があります、複数回繰り返される気象条件、年齢、動物の生産の段階など追加の変数を追加、別の成長の季節で生産おそらく寝具材料.

商業牛を使用、利用しようと混合物最初牛肉深層層状モノラル斜面設備、研究者から結果知られている実験室スケール モデルはない空気品質と肥料と寝具の栄養組成に影響を与える要因を検討し、深層層状システム6,7,8。静的フラックス室は、18 ヶ月の期間6でモノラル斜面深部層状牛設備の表面に NH3濃度の測定に使用されました。2 つの納屋のそれぞれで 2 つのペンを測定しました。みじん切りのトウモロコシの茎最寄りの寝具素材が小麦のわらおよびダイズの茎もこのプロジェクトの短い期間中に寝具の使用されました。寝具の使用動物動物あたり 3.22 6.13 m2からであった日とペンの密度あたり 1.95 3.37 kg からであった。その後の研究では、納屋7、および粒子状物質濃度の納屋8外からアンモニアと硫化水素の排出量を測定しました。これらの研究は、2 〜 4 納屋場所を使用して 2 年間で実施されました。ファームのデータ収集の課題研究は、システム制御の欠乏であります。生産牛の食事療法を変更、ペンペンから動物を移動、寝具材料を使用して、さまざまなソースから、きれいし、生産、労働力として再ベッド ペンができますが、多くの変数をこのように交します。ファームの研究は、旅費や実験的治療 (寝具の材料) などの大量にも含まれます。このプロジェクトの目的は、空気質と牛深層層状モノラル斜面施設で栄養管理に影響を与える要因を検討し使用できる実験室スケール モデルを開発することでした。

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Protocol

研究は、毎週のデータ収集を 42 日間にわたって実施する設計されています。動物のすべてのプロシージャは、見直しされ、米国食肉動物研究センター機関動物ケアおよび使用委員会によって承認されました。

1. シミュレーションの構築パックを層状

  1. 0.42 m と高 0.38 m 径のプラスチック シリンダー容器から始まります。
    注: 本研究では 1 つの特定の 10 ガロン商業こみコンテナーだった使用される (参照表の材料)、しかし他の同様のサイズのプラスチック容器が適しているでしょう。
  2. 1 cm の穴をドリル 6 等間隔にプラスチック容器のまわりを各プラスチック容器約 5 cm にプラスチック容器の上部。任意のプラスチックの残党をコンテナーから削除します。
  3. プラスチック容器の風袋、プラスチック容器の側に質量を記録します。バランスを使用して重量を量る鍋に選択した寝具素材の 320 g の重量を量る、寝具のプラスチック製の容器に材料を追加します。
    注: 畜産施設で使用することができます任意の寝具材料が適したもの9,1011,12,13,14,15を使用します。モデリング深い層状牛設備上の大平原では、最も一般的な寝具材料1しかし、ダイズ茎葉、小麦のわら、トウモロコシの茎葉があるし、木材チップも使用される1をされています。トウモロコシの穂軸、大豆の無精ひげ、米殻、深層層状モデル豚や乳製品設備、小麦わら、わら大麦、エンバクわら、干し草、木の削りくず、木材チップ、おがくず、新聞にこのシステムを使用している場合や砂がありますより適切な16,17 ,18
  4. 新鮮な牛の糞便プラスチックのプレートのバランスを使用して、プラスチックのコンテナーに追加の 320 g の重量を量る。
    注: が尿と糞便が収集し、前述11として整備します。
  5. 320 mL の 1000 mL メスシリンダーで新鮮な牛の尿を測定します。プラスチック製の容器に空の内容。わずか 30 の寝具材料の混合物を混合攪拌棒 (5.08 cm 円周) を使用して s います。
    注: この場合、中空スチール製の棒の端にプラスチック製のカバーを使用されました。また、ロッドの任意の型を使用できます。
  6. 微生物のクロス汚染を防ぐために防腐剤処理ワイプを使用して各層状パック間攪拌ロッドの端をきれいに。
    注: 暖かく滑らかな水のバケツは、攪拌棒をきれいにも使用できます。プラスチックのサンドイッチ バッグ ロッドの端を輪ゴムで固定し、交差汚染を防ぐためにパックを層状それぞれ後を交換できます。
  7. 重さし、寝具の混合物の最終的な質量を記録します。12 ° C の露点と 18-20 ° C の周囲温度に設定環境室19にプラスチック容器を置きます

2. 維持、シミュレートされた層状パック

  1. 糞便、尿を追加する前に 48 時間冷凍庫から冷凍便と尿を削除し、室温 (20-25 ° C) で解凍することができます。
  2. 尿を層状のパックに追加する前に 1 時間未満の場合は、尿の pH を測定します。
  3. 6 M NaOH を処理するために必要な適切な個人用保護具 (手袋、安全メガネ) に置きます。
  4. 6 M 水酸化ナトリウム (NaOH) の 25 mL をメスシリンダーに注ぐ。混合物を攪拌し、pH のプローブを使用して pH をテストします。尿 pH 7.4 では、生理学的 pH20に到達するまでを繰り返します。
  5. 一度、尿の pH を調整すると、尿からの窒素の揮散を防ぐために使用しないときに尿容器にキャップを取り付けます。
  6. 重さし、層状のパックの質量を記録します。新鮮な寝具をこの日に追加する場合は、重さ 320 g バランスを使用してアルミ鍋に素材を寝具を選択し、寝具材料をそれぞれ層状パックに追加します。この日追加する寝具が無い場合手順 2.7 に進みます。
  7. 解凍牛プラスチックの糞便のバランスを使用してプレートし、層状のパックに追加の 320 g の重量を量る。
    注: 21 日目に、解凍された糞便の代わりに新鮮な糞便を使用します。
  8. 320 mL の 1000 mL メスシリンダーで解凍牛尿を測定します。層状のパックの上に空の内容。
    注: 21 日目に、解凍された尿の代わりに新鮮な尿を使用します。
  9. わずか 30 秒の寝具パック混合物をかき混ぜる攪拌棒を使用します。微生物のクロス汚染を防ぐためにパックごと層状の間攪拌ロッドのプラスチックの端をきれいに。重さし、寝具の混合物の最終的な質量を記録します。
  10. 環境制御チャンバーでプラスチックのコンテナーを返します。
  11. 月曜日、水曜日、および毎週金曜日の寝具素材追加 (ステップ 2.6) と毎週水曜日に収集された空気サンプルで、2.1 2.10 手順を繰り返します。

3. 模擬層状パックから試料を採取

注: サンプル収集されますシミュレートされた層状パックから週に 1 度、糞便、尿、新鮮な寝具を追加する前に。

  1. 各模擬層状パックのヘッドから空気のサンプルを収集するために準備します。
    1. すべての空気サンプリング装置をオンにし、製造元の指示に従って約 1 時間ウォーム アップすることができます。
      注: は、アンモニア (NH3)、硫化水素 (H2S)、メタン (CH4)、亜酸化窒素 (N2O) と本研究で使用されている二酸化炭素 (CO2) ガス分析装置の材料表を参照してください。
    2. シミュレートされた層状パックの上から定規を使用してシミュレートされた層状パックを保持しているプラスチック容器の上部までの距離を測定します。
    3. 次の数式を使用してヘッド スペース領域の量を計算します。
      Equation 1
      r = プラスチック容器の半径
      h = 層状のパックの上からプラスチックの容器の上部までの距離と
      Vフラックス商工会議所= プラスチックのコンテナーの上に位置するフラックス室のボリューム。
      注: この研究で使用されるフラックス室 0.064 m21,22の表面積を持つ 0.007 m3の内部容積があった。
    4. パックのおおよその中心で層状のパックの表面に金属の株式約 5 cm を押し込みます。0.64 cm 12.5 cm 金属出資 1.3 cm 寝具パックの表面上のセキュリティで保護された各模擬層状パック容器の上部に 1 cm の穴の 1 つを通して不活性チューブを通します。ステンレス半球静的フラックス室21,22各模擬層状パック (図 1) の上にゴムのスカートを配置します。
      注: ゴム製スカートは、61 cm 正方形、センター カットの 22.9 cm 直径の穴を柔らかく、弾性ゴム製です。フラックス室の上穴にフィットし、スカートは、コンテナーに配置する場合は、プラスチック容器の上部にあるシールを形成します。
    5. 不活性圧縮継手を用いたフラックス溜まりに 0.64 cm 不活性チューブを接続します。
      注: 不活性チューブ ガスマニホールド サンプリング空気サンプリング装置にフィードに接続されます。ガスのサンプリング システムは 24 ボルトのプログラマブル ロジック リレーによって制御サンプリング ガスマニホールドに八つの空気入口行のいずれかに開閉する多位置の 3 ウェイ ソレノイド信号 (材料の表を参照してください)。時各層状パックから個々 の空気サンプリングを可能に 1 つの行を開設します。
    6. 5 L 分-1の割合で 30 分間のチューブを介して部屋から周囲の空気をフラッシュを開始します。
      注: サンプル ラインを通して空気をフラッシュするために使用するポンプの素材表を参照してください。
  2. アンモニア、炭酸ガス、メタン、シミュレートされた層状パックのヘッド スペース中の硫化水素の濃度を測定します。
    1. パックを層状にシミュレートされる適切にフラッシュ、部屋から不活性サンプル ライン サンプリング ガスマニホールドに接続に周囲の空気を引くためのサンプル ラインにコックを開きます。
    2. 空気サンプリング装置に空気を引っ張って開始するプログラマブル ・ ロジック リレーをアクティブ化します。測定ガス大気中の濃度を決定するため 20 分間大気から測定を記録します。これは、バック グラウンド大気濃度として使用されます。大気濃度を収集したら、横断抽出ラインの活栓を閉じる。
    3. 各フラックス チャンバーに接続されている不活性サンプル行からの空気のサンプリングを開始するプログラマブル ・ ロジック リレーをアクティブ化します。それぞれのヘッド スペース測定したガスの濃度を決定する 20 分間の各サンプル ラインから測定を記録には、パックが固められています。
    4. ガス (NH3CO2N2O、CH4H2S) (mg kg-1または ppm)、大気試料の平均濃度として結果を報告することができます。 または単位質量のガスの磁束密度 (量) を計算できます。次の方程式を使用して単位時間当たりの面積:
      Equation 2
      場所J = μ m-2-1のフラックス
      Aチャンバー内のソース (m2) の領域を =
      Q = スイープ空気流では、m3-1が速度と
      C空気室 (μ m-3)23を残して VOC 濃度を =。
  3. シミュレートされた層状パックのヘッド スペースに悪臭の揮発性有機化合物の濃度を測定します。
    1. ラテックス、ニトリルの使い捨て可能な手袋に置きます。
    2. パックを層状にシミュレートされる適切にフラッシュ後、は、ステンレス鋼が前処理吸着管から真鍮ストレージ キャップを取り外します。
      注: この研究で使用される吸着剤のチューブだった 89 × 6.4 mm OD テナックス TA 吸着剤 (参照表の材料) でいっぱいです。真鍮キャップ polythtrafluorethylene (PTFE) のフェルールがあります。
    3. 柔軟なゴム製のチューブを使用してフラックス室の入口ポートに吸着管末の得点と真空ポンプに吸着剤のチューブのもう一方の端に取り付けます。
      注: これに使用される真空ポンプ研究 75 mL 分-1の流量で吸着チューブを通して空気を引っ張って (材料の表を参照してください)。
    4. 0.375 L の試料量の 5 分の吸着管に空気を引くし、ポンプをオフおよび吸着剤のチューブを切断するポンプを許可します。吸着剤のチューブの両端に真鍮ストレージ キャップを取り付けます。
    5. 3.3.1 - 3.3.4 層状パックごとに 1 つの吸着管を収集するための手順を繰り返します。
    6. 熱脱離ガス クロマト グラフ-質量分析法 (TD-GC-MS) によって解析まで吸着管を格納します。チューブは室温 (20-25 ° C) で保存されるかもしれない < 24 h。格納する場合 > 24 h、冷蔵庫内のストア。
    7. TD GC/MS システム サンプル分析の直前に吸着チューブから真鍮ストレージ キャップを削除し、PTFE 分析キャップ23に置き換えます。
    8. 揮発性有機化合物24 (酢酸, 酪酸、プロピオン酸、イソ酪酸、イソ吉草酸、吉草酸、オクチル酸、ヘプタン酸、フェノール、p-クレゾール、インドール、スカトール、硫化ジメチルおよびジメチル用吸着管を分析します。トリスルフィド) TD GC/MS23,24,25を使用しています。
    9. 大気試料 (μ m-3) 中、VOC 濃度として結果を報告できます。 または次の式を使用して単位時間、単位面積当たりの質量の VOC の磁束密度 (量) を計算できます。
      Equation 2
      場所J = μ m-2-1のフラックス
      A チャンバー内のソース (m2) の領域を =
      Q = スイープ空気流では、m3-1が速度と
      C空気室 (μ m-3)23を残して VOC 濃度を =。
  4. シミュレートされた層状パックの物理・化学的測定値を収集します。
    注: 温度, pH, および蒸発水損失は、付加的な材料は、シミュレートされた層状パックに追加された各時間が測定されます。栄養成分は、0 日目、42 日目に決定されます。空気空き日 42 のみ決定されます。
    1. 層状のパックの温度を確認するには、層状パック、シミュレートされた層状パックの表面下約 7.6 cm のセンターに温度プローブを挿入します。安定し、記録する温度を許可します。
    2. 推定蒸発水損失を決定します。
      1. バランスにプラスチックのコンテナーを配置します。
      2. 測定、糞便と尿/寝具をシミュレートされた層状パック各添加の前後にシミュレートされた層状パックの質量を記録します。
      3. 前日の終了質量から当日の初めの質量を差し引いて推定蒸発水損失を計算します。違いは、日の間層状パックから蒸発、層状のパックの相対的な違いを比較する使用できますが、絶対的な損失が反映していない水の推定質量です。
    3. シミュレートされた層状パックの pH を決定します。
      1. 中心から約 7.6 cm 層状のパックの表面の下の深さでパックの各のシミュレートされた層状パックから代表 5-10 g のサンプルを収集します。プラスチック製 50 mL のコニカル チューブ、キャップ、ラベルのサンプルを置きます。
      2. バッファー ph 4 と 7 の製造元の指示に従って pH メーターを調整します。
      3. 各円錐形の質量を決定します。
      4. 蒸留水、脱イオン水で質量の単位で、各サンプル 1:2 を希釈します。水、寝具の材料を混ぜて円錐を振る。円錐形 pH プローブを挿入、測定、およびサンプルの pH を記録します。
    4. 日 0、42 のみでシミュレートされた層状パックの栄養の内容を確認します。
      1. 中心から約 7.6 cm 層状のパックの表面の下の深さでパックの各のシミュレートされた層状パックから 50 g の代表的なサンプルを収集します。土壌サンプル紙袋に配置します。
      2. 24 時間以内、栄養分析のための研究室に輸送します。栄養分析のための実験室にサンプルを運ぶことができるまで冷蔵庫で保存します。
        注: マクロまたはマイクロ栄養素を分析できます。我々 は全窒素26, リンおよび硫黄分析27商業研究所での分析します。
    5. 日 42 のみでシミュレートされた層状パックで無料の空気スペースを確認します。
      1. バランスの上のプラスチックのコンテナーを配置し、質量を記録します。水の表面は、シミュレートされた層状パックの表面もまで、ゆっくりと水で埋めます。水がないより多くの泡は、シミュレートされた層状パックから来ているまでに解決するようにし、プラスチック製の容器の質量を記録
      2. 次の計算を使用して無料の空気領域の割合を確認します。
        Equation 3
  5. 必要なすべてのデータを作成した後は、コレクションの手順 (手順 3.1 - 3.4) は糞便、尿、寝具を次の手順 2.1 - 2.10 シミュレートされた層状パックに追加します。

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Representative Results

日には、7 つの研究を研究されている公開9,は、10,11,12,13,14,15の変更この手順を使用して、調整は、モデルを改善し、特定の実験の目的を反映しました。この手順は、臭気ガスの生産と改正のアンモニア排出量を制御する追加することができます多くの寝具材料および環境温度の効果の評価に使用されています。シミュレートされた層状パック (表 1) のと同様、商業納屋6,28層状パックの化学的および物理的特性を測定しました。このデータは、プロトコルが高価なファームの研究試験を補完する適切なモデルであったかどうかを決定するため使用されました。空気質データは商業施設から収集されており、層状のパックが 2 つの異なる方法 (表 2) を使用してをシミュレートします。このプロトコルで記述されているガスのサンプリング システムは、テストされており、以前使用していた方法と比較して新しい技術です。

シミュレートされた層状パックの乾燥物組成は商業施設6,28から集めた層状パック資料公開された乾物含量の範囲内であった。初めてプロトコル使用11寝具の 400 g が最初に追加しました新鮮な寝具は、週 200 g と 400 g の尿や便は週 3 回を追加後の追加層状パック。これは寝具のどの複数の俵が最初に追加され、1 つまたは 2 つだけ俵 1 週間以後パックに追加で商業の納屋をシミュレートする設定。寝具: 家畜廃棄物の比率は、商業の層状モノラル斜面施設深い1,6から収集したデータを用いて推定しました。最初の研究の終わりに、層状のパックの乾物含量は商業施設6,28から収集した層状パック材料単位乾物含量に似ていた。ただし、層状のパックの目視は寝具材料の保水の変動の多くがあったことを示した。たとえば、トウモロコシの穂軸を持つ層状パック非常にウェットが登場、麦わら寝具層状パック登場比較的乾燥が 21.2 ± 1.111のコンテンツは問題でドライをしていた乾物 27.2 ± 1.516, コンテンツを持っていた。3 毎週追加パックが開始されたときの糞便、尿、寝具各 320 g と少し調整された商業納屋6,28, プロトコルを表現するため層状のパックの中身、ドライを増加しようとするには、尿や便、各 320 g の追加および寝具の材料パックに追加の 320 g の 1 つ毎週追加。このプロトコルは、層状のパックの乾物含量を発生しますが、実験と人工気候室14の温度で使用される寝具材料13に強く依存していた。にもかかわらず、変数、シミュレートされた層状パックの乾物含量は 2 番目のプロトコルは、すべての後の研究に使用されていますので、商業の納屋で測定範囲内であった。

栄養成分、パックの温度、およびシミュレートされた層状パックの pH シミュレートされた層状パックが肥料を表すためのよいモデルであることの証拠は、商業施設のパックを層状に詳しい。合計 N、合計 P、合計 S、合計 K 一貫して栄養素含有量の範囲内で測定した深部層状モノラル斜面の商業施設6,28から。実験室スケールのシミュレートされた層状パックにおける商業施設の温度をレプリケートすることが重要だったので、モノラル斜面設備、深層層状の層状のパックで部分的な堆肥を施すことが発生します。層状パック深層層状商業施設の周囲空気温度が 0 と 20.6 ° C 間の温度であった 19.2 ± 0.3 ° C 6。環境チャンバー内の温度は、このプロトコルを使用して実施された研究のほとんどは 20 ° C に設定されました。これらの研究でシミュレートされた層状パックの温度は 18.3 と 20.1 ° C の間一貫してされています。これに例外は温度 3 ウェイ一部実施要因実験でテストされた要因となったときです。2 環境室が 40 ° C に設定されていた、2 つは 10 ° C に設定されていた。その研究でシミュレートされた層状パックの温度は冷たい部屋で 12-13 ° C と暖かい部屋で 32-35 ° C だった。もう一度、これは周囲温度が 0 の ° C またはより冷たいと 29.0 ± 0.3 ° C 気温は 20.6 ° C 6より大きいときときどこパック気温 15.4 ± 0.4 ° C にいた商業の納屋を反映されます。トウモロコシ stover ベッドを使用して商業の納屋で層状のパックの pH は 1 つの研究6で測定され、7.5 8.0 からであった。トウモロコシ stover 寝具とシミュレートされた層状パック持っている pH 値 7.1 7.311,13。すべてのシミュレートされた層状パックの pH は 〜 6.2 9.0 では、様々 な実験で使用される寝具材料を反映します。

このプロトコルで使用されるガスのサンプリング システムは、29全国の空気排出量モニタリング調査の一環として調査、養鶏、豚、酪農場納屋のシリーズから適応されました。このシステムは、20 分の期間にわたって放出される選択したガスの濃度を測定する渤チャンバーの作成、フラックス チャンバーを介して部屋の空気をフラッシュします。ガスのサンプリング システムを使用すると、以前 NH3定常代わり濃度を静的フラックス チャンバーを用いた酸トラップ 2 mol L-1硫酸6,を含む各層状パックから空気のサンプルを収集することにより測定しました。22. チャンバー内の空気が 20 分の 1 L 分-1の割合で酸トラップを介して繰り返されました。合計削減硫化物は、手持ちのサンプラーを使用して収集されました。空気サンプルは 1 L 分の流量で 4 分以上の小型ポンプを使用して静的なフラックスの部屋を循環しました。4 つの連続するサンプルの最小値は、各模擬層状パックから描かれていました。各静的フラックス チャンバー上部隔壁を使用してシミュレートされた層状パックごとから空気の 1 つの 20 mL サンプルを集めることによって (N20、CO2CH4) 温室効果ガスの濃度を求めた.ガス クロマト グラフを使用して行なった後。収集これらのガスのサンプルは非常にすべての以前の方法は労働集約的なコレクションのすべての機器を管理する 2 つまたは 3 つの人々 に必要な。ガスのサンプリング システムの使用は、はるかに少ない労働集約的です。一人はガスのサンプリング システムのセットアップ、プログラマブル ・ ロジック リレーを開始し、サンプル 8 模擬層状パックからガスのデータを収集が完了したときに約 160 分後を返すことができます。

ガスのサンプリング システム (表 2) からの結果だけでなく、以前、労働集約的なサンプリング プロトコルからの結果が表示されます。データを収集するために必要な労働の量のためすべてのデータは、商業施設から収集することができた。アンモニア濃度はモノラル斜面の商業施設で層状のパックの表面から酸トラップ メソッドを使用して収集された、シミュレートされた層状パックと比較します。シミュレートされた層状パック アンモニア濃度一貫して商業牛施設における層状パックから NH3濃度に類似していた。新しいガスのサンプリング システムを用いたアンモニア濃度は、ローエンド牛設備で現在の濃度のように見えます。それは NH3アナライザーによって引き起こされるかもしれないまたは新しいガスのサンプリング システムを使用した実験で治療の反射があります。それはもアンモニア サンプルの濃度を希釈と商業の納屋に空気の流れと比較してシミュレートされた層状パック以上空気の流れの率が高いを反映可能性があります。1 つの一連の実験は、NH3としての窒素の揮散を減らす、パックの pH を下げるため層状のパックに適用することができます表面の改正として、ミョウバンの使用をテストしました。二酸化炭素、CH4N2O は、商業施設における層状パックの表面で測定されているないです。これらのガスの濃度の範囲は以前のガス ・ クロマトグラフィー法を用いた模擬層状パックで測定し、ガスのサンプリング システムを使用して測定濃度の範囲が非常に似ています。やや高い濃度は、シミュレートされた層状パックは 20 ° C のチャンバーがあり、実験間の可変性を占めるに比べて 35 ° C 環境チャンバーに収容されたときに作り出されました。硫化水素と trs フォン ジャックを比較する trs フォン ジャックに単なる硫化水素が含まれているために、直接比較ではありません。したがって、シミュレートされた層状パックから trs フォン ジャック濃度はガスのサンプリング システムを使用して測定した H2S 濃度よりわずかに高い意外はないです。これはまた 2 つのサンプリングのプロトコルを使用して調査の反射です。トウモロコシ stover 寝具を含むものはしませんでしたが、緑杉寝具を含む層状のパックは非常に高濃度・12を trs フォン ジャックを生成されます。ガスのサンプリング システムを使用して収集されたサンプルは、トウモロコシの茎葉、小麦わら、ダイズ茎葉、寝具の材料がない緑杉松チップを使用しています。

商業納屋1 2 層状パック3-6をシミュレート
乾物、% 29.99 ± 3.15 16.0-36.6 20.8-27.2 22.3-26.1 24.0-58.0 20.8-24.9
全 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
合計 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
合計 S、g kg-1 7.88 ± 1.48 5.6 から 6.7 3.6-6.5 4.5-5.3 --- 3.6-6.5
合計 K、g kg-1 32.74 ± 8.39 15.5-21.1 16.3-23.1 --- 18.8-25.6 16.3-25.2
リグニン、g kg-1 --- --- 26.5-有する 139.6 49.9-136.9 --- 62.6-有する 139.6
灰、g kg-1 --- 154-214 119.3-200.5 98.9-223.6 --- 119.3-200.5
露見比 --- --- 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
温度、° C --- 15.4-29.0 18.3-19.9 18.4-20.0 12.0-35.0 19.7-20.1
1Euken、2009。標準偏差 Euken、によって報告された 2009 が表示されます。合計 P と合計 K 報告 P2O5と K2O 組成をそれぞれ変換することによって求めた。
2Spiehs et al. 2011データは、2 つの納屋のそれぞれで 2 つのペンから収集されます。みじん切りのトウモロコシの茎最寄りの寝具素材が小麦のわらおよびダイズの茎もこのプロジェクトの短い期間中に寝具の使用されました。寝具の使用動物動物あたり 3.22-6.13 m 2 からであった日とペンの密度あたり 1.95-3.37 kg からであった。
3Spiehs et al., 2012.シミュレートされた層状パックからデータが収集されます。寝具には、トウモロコシの茎葉、豆の茎、小麦わら、小球形にされたトウモロコシの穂軸、紙、木材チップ、おがくずが含まれています。
4Spiehs et al., 2014b。シミュレートされた層状パックからデータが収集されます。寝具の材料には、トウモロコシの茎葉、パイン木材チップ、ぬれた杉チップ、乾燥杉のチップが含まれています。
5Ayadi et al., 2015b。トウモロコシの茎葉と豆ストーバー寝具材料を使用してシミュレートされた層状パックからデータが収集されます。2 つの温度が (40˚C と 10˚C) を使用
6Spiehs et al., 2017。データ収集から 0、10、20、30、40、60、80 を含む寝具材料の混合物を使用してシミュレートされた層状パック、残りが 100% パイン トウモロコシ stover。

表 1。報告された乾物・寝具/肥料材料商業深い層状モノラル斜面施設 (Euken、2009、Spiehs et al. 2011) からは、シミュレーションを使用して行う研究の培養液組成 (乾物ベース) 層状パック (Spiehs etal., 2012, 2014, 2017 と Ayadi et al., 2015)。

静的フラックス商工会議所法1 渤商工会議所法2
アンモニア、ppm 95.8-641.1 350.8-516.7 381-1584 386.3-502.3 89.4-166.7
Trs フォン ジャック、ppb --- 8.2-から 165.9 --- 5.3-11.4 ---
硫化水素、ppb --- --- --- --- 0.1-18.1
炭酸ガス、ppm --- 1232-2000 2322-6917 918-1158 957-2149
メタン、ppm --- 2.3-3.6 7.2-87.0 4.4-6.7 3.2-16.7
亜酸化窒素、ppm --- 0.67-0.72 0.31 – 0.77 -0.21 0.23 0.44-0.58
1Spiehs et al. 2011、2014a、2015a、2016a。これらの研究からのデータは、アンモニア、合計の削減硫化物の手持ち型サンプラーと温室効果ガスの二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素の GC を分析し、各模擬層状パックのヘッド スペースから 1 つのサンプルの酸トラップを使用して収集されました。
2このデータを表す 3 つの研究においやガスの排出を制御するさまざまな寝具材料および表面の修正を使用して実施します。これらの研究は、ガスのサンプリング システムを使用して行っていたし、はまだ公開されていません。

表 2。各種報告のアンモニアガス濃度、合計削減 (TRS) の硫化物、硫化水素、二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素商業深い層状モノラル斜面施設 (Spiehs et al., 2011) からは、シミュレーションを使用して導電性の研究パック (Spiehs et al., 2014a、2016 と Ayadi et al., 2015) を固められています。

Figure 1
図 1。ステンレス鋼とプラスチック容器でシミュレートされた層状パック フラックス チャンバーと接続されているゴムの寸劇と空気サンプリングのための準備します。シミュレートされた層状パックは環境の部屋の中にあります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

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Discussion

尿と糞便層状パックに頻繁に追加は、重要なステップです。尿や便、週 1 回だけ追加する実験を行ったが、層状のパック開発地殻、パックの中のガスをトラップし、商業施設の代表ではなかったことを発見します。研究の初めに新鮮な糞便の使用は、層状のパックが牛施設で見つかった一般的な細菌の人口と再接種されることを保証します。また、尿中に、層状のパックを追加する前に生理学的 pH に pH を調整することを追加する場合にも、重要です。1 つの機会に誤りがあったし、低 pH 尿が層状のパックに追加されました。これは、メタン生成細菌の人口を殺した。ガスのサンプリング システムを設定する場合すべての継ぎ手はガス測定の質を危険にさらす可能性がありますリークを防ぐためにセキュリティで保護する必要があります。

最初に開発されたために、プロトコルが適応されています。渤チャンバーに静的なフラックス チャンバーを適応研究者だけヘッド ガス濃度ではなく排出量を計算することができます。新しい動的ガスサンプリング システムの使用は、すべてのデータのコレクションを管理する 2 〜 3 人を必要とするのではなく一人で完了するサンプリングもできます。

適応は、シミュレートされた層状パックを使用して寝具材料または豚または酪農施設で使用される臭気改正を評価するでした。調整は、豚や酪農施設の典型的な寝具: 肥料の適切な比率を決定するために行われる必要があります。公表された資料は、乾物を提供べきであるおよび商業豚または助ける酪農施設から栄養成分期待がシミュレートされた層状パックを調整に必要とされる必要があります尿、糞便、寝具の量を推定豚や乳製品の設備を表すプロトコル。プロトコルは決して酪農施設に使われる砂などの無機の寝具材料の測定に使用されています。無機寝具材料を含む層状のパックからのガス排出が正常に測定しないと信じる理由はありませんが、これは追加のテストを必要があります。

我々 は評価されないことをサンプリングすることができる追加のガスがあります。理論的には、不活性ガスのサンプリング ラインに接続することができます任意のガスのサンプリング楽器は、このシステムで使用できなければなりません。

モデルは、そうことを選んだ研究者別寝具: 肥料比を探索するも調整できます。おそらく研究者は、肥料や重要な悪臭が検出される前に、層状のパックに追加できる尿の最大の量を決定するのに興味があった。または研究者は温度および湿度空気質に及ぼす影響を検討したいです。モデルは、これらの要因を検討するも調整できます。

プロトコルは空気の質を測定するために開発された、実験室スケールから栄養成分制御された環境でパックを層状し多くの異なる寝具材料、環境変数 (温度、湿度) を評価するために使用されています深層層状モノラル斜面の商業施設における空気質を改善できる緩和治療の可能性。モデルは動的であり研究者 NH3CH4N2O、CO2H2S、VOC を含む層状のパックから多くの化学および物理的な測定を簡単に収集することができます温度、pH、培養液組成の自由な空気スペース、および可能性がありますまだ測定されていないその他。6 ~ 7 週間にわたって収集された毎週の測定値では、時間をかけて成熟した層状のパックとしての大気測定の変化を見るのに十分な時間をことができます。シミュレートされた層状パックから収集されたデータは濃度の範囲内で以前商業深い層状モノラル斜面施設測定します。過去の研究 8-10 実験単位の治療が十分にシミュレートされた層状パック9,1011,12、間に有意差を検出することが実証します。 13,14,15。層状のパックは、尿、糞便、寝具を追加する週層状パックあたり労働 10 分未満を必要とする、維持すること容易。ガスのサンプリング システムを使用してサンプル コレクションには、収集される測定によって、層状のパックあたり 20-30 分が必要です。過去、できるだけ多く 20 層状パックを通常の 8 時間勤務で一人で分析されています。ラボ スケール層状パックは、研究者は研究や商業施設のコントロールが困難または不可能にある温度、湿度、寝具ソースなど制御変数を使用します。いくつかの実験室規模の研究は、研究や商業規模の設備でそれらをしようとする前に可能な治療を排除するために実施できます。

モデルの主な制限は、それは「現実世界」の条件の完璧なシミュレーションではないです。完全にように商業的条件をシミュレートすることは困難だ継続的な尿や畜産施設で発生する便の追加。乾物含量と栄養塩に基づく商業施設や研究室の労働と比較してシミュレートされた層状パックの組成、尿と十分な糞便の三度毎週追加を決定しました。ただし、定期的に新鮮な尿と糞便を追加する変更を開発できるほうが毎日、複数の回は商業環境をシミュレートします。

別の認識制限は冷凍と解凍の大便と小便の使用。尿と糞便揮散窒素の任意の細菌の増殖を防ぐためにすぐに凍結する努力は行われますが、1 日 1 回、尿や糞便のバランス研究から収集がのみ収集されます。収集の重量を量る、コレクション コンテナーをリセットし、尿と糞便を分割します、1 時間以上かかります。また、-4 ° C の冷凍庫に配置されている後でさえも、完全に凍結するために尿 20 L カーボイのいくつかの時間が必要です。この時間の間の揮発と細菌の増殖が発生します。このコレクションと凍結、尿間遅延を補うためには細菌の増殖と窒素の揮散を防ぐためにコレクション装置からコンテナーを削除した直後に ph 4 酸性化します。尿は、一度それが溶けましたが、うがまさに新鮮な尿を追加すると同じ pH 7 に復元されます。ただし、NH3揮発冷凍の尿と比較して層状パックへの新鮮な尿を追加、次の観察された増加がずっとない、我々 は我々 はこの制限を最小化している信じる。細菌の人口は殺されるまたは減少した糞便を凍結するとき。これは、0 日目と 21 日に新鮮な糞便を追加することによって最小限に抑えることを試みたプロトコルの認識制限です。

穏やかなミックス追加新鮮な糞便や寝具の素材と尿は可能性があります完全に多少異なる締固めと保水能力の結果、商業施設における乳牛の体重をシミュレートする鋼鉄棒を使用します。各研究各層状パック9 に無料の空気領域の割合を決定するための終わりに層状のパックに層状の背中と層状のパックに存在する空き空気の指標として気孔率のために、湯をそそいだ ,1011,12,13,14,15。空き空気、別の 1 つの研究から一般的に均一が、ない商業施設にある空き空気と比較されています。

プロトコルは、家畜種または施設など他の種類豚深層層状フープまたはスウェーデンの深い層状の分娩施設、酪農堆肥納屋または他の酪農層状施設ベッドを使用して養鶏施設の任意の型でテストされていませんが。モデルが他の農畜産施設のモデルとして使用される可能性があるようだが、プロトコルを調整牛深層層状施設を超えて任意の施設を適切に表現する必要があります。

モデルは、商業施設の完璧なシミュレーションではない、寝具、温度、湿度、畜産施設における層状パックに追加することができますの改正などの要因を評価するとき、出発点を提供することができます。制御された環境での治療の違いを評価し、本格的な商業サイズの操作に必要なリソースにお金を使う前に可能性のあるより効果的な治療法の選択肢を排除する研究者をことができます。

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Disclosures

この研究は、米国農務省の農業研究サービス、研究プロジェクト番号 3040-41630-001-00D に連邦政府によって充当資金によって賄われていた。

商号またはこの資料の商用製品の言及は固有の情報を提供する目的は、勧告または米国農務省が推薦とは限りません。

米国農務省は、機会均等のプロバイダーと雇用者です。

Acknowledgments

著者はアラン ・ クルーガー、トッド boman 著、シャノン Ostdiek、Elaine ベリー、シミュレートされた層状パックを使用してデータ収集を支援 Ferouz Ayadi を認めることを願っています。著者も環境室を維持する援助のタミ ブラウン ブランドルとデール ヤンセンを認識します。

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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臭気と深いから放出されるガスの濃度を評価する実験室スケール モデル層状パック肥料
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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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