استخدام النظام الآلي (GreenFeed) لرصد المعوية الميثان وثاني أكسيد الكربون الانبعاثات الناتجة عن الحيوانات المجترة

Environment
 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Hristov, A. N., Oh, J., Giallongo, F., Frederick, T., Weeks, H., Zimmerman, P. R., Harper, M. T., Hristova, R. A., Zimmerman, R. S., Branco, A. F. The Use of an Automated System (GreenFeed) to Monitor Enteric Methane and Carbon Dioxide Emissions from Ruminant Animals. J. Vis. Exp. (103), e52904, doi:10.3791/52904 (2015).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

الحيوانات المجترة (المستأنسة أو البرية) ينبعث غاز الميثان (CH 4) عن طريق التخمر المعوي في الجهاز الهضمي والتحلل من السماد أثناء التخزين. هذه العمليات هي المصادر الرئيسية لغازات الاحتباس الحراري (الدفيئة) من نظم الإنتاج الحيواني. تقنيات لقياس المعوية CH 4 تختلف من القياسات المباشرة (غرف التنفس، والتي هي دقيقة للغاية، ولكن مع تطبيق محدودة) إلى أساليب مختلفة غير المباشرة (المتشممون، تكنولوجيا الليزر، التي هي عملية، ولكن مع دقة متغير). وسادس فلوريد الكبريت يستخدم (SF 6) طريقة الغاز التتبع عادة لقياس المعوية CH 4 إنتاج علماء الحيوان ومؤخرا، وتطبيق نظام آلي الرأس غرفة (AHCS) (GreenFeed، C للقفل، وشركة، رابيد سيتي، SD)، والذي هو محور هذه التجربة، آخذة في التزايد. AHCS هو نظام آلي لمراقبة CH 4 وثاني أكسيد الكربون (CO 2) تدفقات جماعية منالتنفس من الحيوانات المجترة. في عملية AHCS نموذجية، يتم الاستغناء عن كميات صغيرة من الاصطياد الأعلاف للحيوانات الفردية لاستدراجهم إلى AHCS عدة مرات يوميا. كما يزور الحيوان AHCS، نظام المروحة تسحب الهواء الماضي كمامة الحيوان إلى مشعب السحب، ومن خلال أنابيب جمع الهواء حيث يتم قياس معدلات تدفق الهواء المستمر. يتم ضخ عينة فرعية من الهواء من الأنابيب في أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء غير المشتتة للقياس المستمر لCH 4 و CO 2 تركيزات. وقد أظهرت المقارنات مجال AHCS لغرف التنفس أو SF 6 AHCS أن يؤدي إلى نتائج CH 4 الانبعاثات للتكرار ودقيقة، شريطة أن الزيارات الحيوان إلى AHCS كافية حتى تقديرات الانبعاثات هي ممثلة للإيقاع نهاري من إنتاج الغاز الكرش. هنا، علينا أن نظهر استخدام AHCS لقياس CO 2 و CH 4 تدفقات من الأبقار نظرا لمراقبة النظام الغذائي أو اتباع نظام غذائي تستكمل مع تقنية المستوى جوز الكاجوقذيفة السائل.

Introduction

ويمثل الإنتاج الحيواني مصدرا هاما من مصادر غازات الاحتباس الحراري (الدفيئة) في جميع أنحاء العالم، وتوليد CH 4 وأكسيد النيتروز إما مباشرة (على سبيل المثال، من التخمر المعوي وإدارة السماد) أو غير مباشر (على سبيل المثال، من أنشطة التغذية الإنتاج وتحويل الغابات إلى مراع أو الأراضي الزراعية). تقديرات للمساهمة الثروة الحيوانية في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري العالمي تختلف من حوالي 01-18 يوليو 2٪، وهذا يتوقف على حدود التحليل والأساليب المستخدمة. في الولايات المتحدة، وتمثل الثروة الحيوانية 3.1٪ من إجمالي انبعاثات غازات الدفيئة في 2009 3.

المعوي CH 4 هو أكبر مساهم في انبعاثات غازات الدفيئة من الماشية. ولذلك، علماء الحيوان تركز أبحاثهم على اكتشاف تكنولوجيات التخفيف للحد من المعوية CH 4 الإنتاج من الحيوانات المجترة. في كثير من الحالات، نتائج ذات قيمة علمية مشكوك فيها بسبب عدم كفاية التجريبية تصميم ستقنيات القياس ص 1. وهكذا، فإن دقة وتقنيات القياس خطيرة عناصر هامة في البحوث تخفيف انبعاثات غازات الدفيئة. وقد نشرت مجموعة كبيرة من المؤلفات حول هذا الموضوع في السنوات الأخيرة 4-7. هناك أساليب عدة التي أنشئت لقياس المعوية CH 4 الإنتاج في الحيوانات المجترة، بما في ذلك غرف التنفس (دقيقة للغاية ولكن مع تطبيق محدودة)، والغازات التتبع (سادس فلوريد الكبريت، SF 6)، والرأس غرف. على الرغم من غرف التنفس تعتبر "المعيار الذهبي" لقياس انبعاثات غازات الكرش، العيب الرئيسي منها هو أن عدد الحيوانات في محاكمة عادة محدودا نظرا لعدد محدود من الغرف المتاحة في منشأة بحثية معينة. أكثر التقنيات العملية واستخداما لقياس المعوي إنتاج CH 4 هي طريقة SF الغاز 6 التتبع ومؤخرا، نظام الرأس غرفة الآلي (AHCS، GreenFeed) أن جوCH رصد 4 و CO 2 تدفقات جماعية من التنفس وتجشؤ الغاز المجترات 8. كل من تقنية SF 6 و AHCS تمكين الانبعاثات ليتم تحليلها على عدد كبير من الحيوانات في ظروف الرعي الحرة أو في الحظائر احلرية وربطة عنق المماطلة. تقنية SF 6 تستخدم SF 6 كغاز التتبع، والتي يتم تحريرها بشكل مستمر من أنبوب تخلل إدراجها في الكرش من الحيوانات، وجمع عينة من غازات الزفير، وتحليل الغاز لSF 6: CH 4 النسبة. AHCS هو الآلي، وجها لغرفة نظام النوع الذي يستند أيضا على استخدام الغاز التتبع (البروبان). مقارنة مع أسلوب غرفة التنفس، حيث تقتصر الحيوانات تحت التغذية والسلوك ظروف غير طبيعية، ومع أسلوب التتبع SF الأمر الذي يتطلب المهارات التحليلية الخاصة والمعدات (لجمع الغاز وSF 6 تحليل)، بالإضافة إلى التعامل مع الحيوان واسعة النطاق، AHCS هو غير -intrusive وأقل تكلفةللحصول على وتشغيلها. وتشمل أوجه القصور الرئيسية لAHCS أخذ العينات غير تمثيلية (في التطبيقات، مثل نظم الرعي، حيث تتمتع هذه الحيوانات لزيارة طوعا وحدة) واستخدام الأعلاف الطعم، والتي يمكن أن تمثل ما يصل الى 5٪ من كمية المادة الجافة الحيوان خلال قياس الغاز الحدث. وخلصت التجارب المقارنة الأخيرة التي AHCS تنتج معدلات انبعاث مماثلة لتلك المقدرة باستخدام غرف التنفس أو تقنية 9،10 SF 6.

يتم إنشاء نظام AHCS مستقل حول وحدة التغذية التلقائية قوية يمكن نقله بسهولة باليد أو يمكن تركيبه على مقطورة مجهزة الألواح الشمسية (أو مصادر أخرى للطاقة) لعملية ميدانية مستقلة والسفر لمسافات طويلة. ويشمل النظام نظام الحيوانية تحديد الترددات الراديوية (RFID)، وهو نظام الاصطياد، ونظام مناولة الهواء والقياس، نظام التتبع الغاز والإلكترونيات ونظام الاتصالات، ونظام معالجة البيانات (<قوي الشكل> 1). مزيد من التفاصيل يمكن العثور عليها في وثائق البراءة الأصلية 11.

على سبيل المثال AHCS بروتوكول العملية المبينة أدناه هي لأبقار الألبان يضم في الحظيرة التعادل المماطلة. الإجراء ينطبق على الفئات الأخرى من الماشية (الأبقار غير المرضعات الألبان، العجول، أو الأبقار) الموجودة في مرافق مماثلة. والهدف من هذه التجربة هو للتدليل على مبادئ وتشغيل AHCS لقياس CH 4 و CO 2 انبعاثات من الحيوانات المجترة.

Protocol

ويهتم الحيوانات المشاركين في التجربة وصفها في نتائج تمثيلية للوفقا للمبادئ التوجيهية للجنة جامعة رعاية الحيوان واستخدام ولاية بنسلفانيا. استعرضت اللجنة وافقت على التجربة وجميع الإجراءات التي نفذت في الدراسة. تفاصيل مثل معلومات الحيوانات وتكوين النظام الغذائي والتصميم التجريبي، ويمكن العثور عليها في نشر الكامل لهذه التجربة 12.

ملاحظة: للحصول على قائمة من المعدات واللوازم الضرورية لإجراء التجربة، انظر المواد الجدول.

1. التصميم التجريبي

  1. الحصول على موافقة لجنة رعاية واستخدام الحيوان المؤسسي للتجربة. هذا هو إجراء غير الغازية التي تسبب أي ألم للحيوان وتصنف وزارة الزراعة الأميركية الفئة C (ألم طفيف أو لحظة أو الضيق أو أي ألم أو الضيق). التخدير ليس ضروريا.
  2. حدد سليمة (أي غير مقنى) الأبقارللتجربة على أساس مرحلة الرضاعة، والعمر، وإنتاج الحليب. لا تستخدم الأبقار مقنى مع AHCS بسبب تسرب محتمل للغاز الكرش من خلال قنية. ويجري حاليا اختبار جهاز تهدف إلى التخفيف من حدة هذه المشكلة ولكن لم ترد النتائج هنا.
  3. إذا كان تصميم كروس (أي ساحة اللاتينية، على سبيل المثال) ويستخدم، استخدم 8-12 الأبقار، اعتمادا على عدد من العلاجات، في تصميم تكرارها متوازن للآثار المتبقية. إذا، على سبيل المثال، يتم اختبار 4 العلاجات، و8 الأبقار تسفر عن تصميم محاكمة تكرارها 4 × الخ. الحد الأدنى من المدة الموصى بها من هذه الأنواع من التجارب هو 21 إلى 28 يوما، مع أول 14 إلى 21 يوما للتكيف مع العلاج و 7 أيام لجمع البيانات.
  4. إذا تم استخدام تصميم كتلة عشوائية، استخدم 12-15 الأبقار في العلاج. تشمل فترة متغيرا 2 أسابيع قبل بدء جمع البيانات. مدة الموصى بها من هذه التجارب هو 8-12 أسابيع، مع أول 2 أسابيع الرفاهيهز للتكيف مع العلاج.
  5. تجهيز كل حيوان تجريبي مع ISO 11784 أو 11785 المتوافقة مع بطاقة تعريف RFID.

2. التدريب من الحيوانات إلى استخدام AHCS

  1. قبل أن تبدأ التجربة، نقل AHCS في المنشأة التي تقع الأبقار. وضع وحدة في غضون البصر من الأبقار. ترك وحدة هناك لمدة 2 أيام على الأقل.
  2. إعداد الأعلاف الطعم الذي تحب الحيوانات. يجوز محاكمة الأعلاف المختلفة لجذب الأبقار، على الرغم من أن خليط من 70٪ الذرة الأرض، دبس السكر الجافة 27٪، وزيت فول الصويا 3٪ (كما هو-أساس الوزن) وقد استخدم بنجاح في المختبر. تجنب الأعلاف لزجة والمتربة التي قد تسد فلتر الهواء ونظام تقديم تغذية AHCS. ويفضل أن يتم تغذية مكعبات.
  3. إعطاء كمية صغيرة (حفنة) من العلف لجميع الحيوانات عن طريق وضعها على رأس تغذية يتم استخدامها ل، من أجل دفعهم لتصبح مألوفة مع آر الطعم.
  4. ببطء شديد نقل AHCS إلى حوالي 1.5 متر الابام الحيوان.
  5. ضع حوالي 1 كجم من العلف الطعم في دلو والسماح للحيوان لرائحة وطعم تغذية الطعم. تدريجيا نقل دلو نحو مذود للوحدة AHCS، مما اضطر الحيوان لتمتد وتصل إلى نحو تغذية الحوض الصغير AHCS.
  6. تفريغ بعض تغذية الطعم من دلو في تغذية الحوض الصغير AHCS والتحرك ببطء وحدة AHCS نحو البقر. إذا في أي لحظة من التدريب، يصبح بقرة تخوف أو خائفة، حرك الوحدة بعيدا عنها وحاول مرة أخرى في وقت أو يوم آخر.
  7. على مدار عدة أيام، كرر التدريب حتى اعتادوا الحيوانات ومتحمس من قبل وحدة AHCS، (أي آر الطعم). إذا كان الحيوان لا يمكن أن تعتاد على AHCS، مع استبدال حيوان آخر قبل أن تبدأ التجربة وتدريب الحيوان الجديد التالي الإجراء أعلاه.

3. معايرة AHCS

ملاحظة: مجموعة تركيز من أجهزة الاستشعار CO 2 هو 0-5٪. المجموعة لاستشعار CH 4 هو 0-2٪. حدود الكشف الدنيا هي 20 جزء في المليون لCH 4 و 50 صفحة في الدقيقة للCO 2. لا توجد مخاوف بشأن مستويات خلفية عالية من CH 4 و CO 2 لأن حدود الكشف هي أكبر بكثير من مستويات الخلفية عالية آمنة من هذه الغازات في مرافق الحيوانية.

  1. لأقصى قدر من الدقة، تنفيذ هذا الإجراء المعايرة 5 مرات في بداية و3 مرات في نهاية كل تجربة قياس الغاز.
  2. استخدام الغازات التالية (انظر الجدول مواد): 0.15٪ CH 4 و 1٪ CO 2 (الصف شهادة درجة الماجستير، ± دقة 2٪) للغاز span و 100٪ N 2 (99.999٪ نقية) للغاز الصفر.
  3. ملء كيس عينة مع 2 لتر من الغاز الصفر، وكيس آخر مع 2 L من خليط الغاز العمر. تأكد من استخدام حقيبة مفرغة بالكامل. شغل الحقائب مع جديد للغاز في يوم المعايرة.
  4. استبدال أكياس 1 سنة بعد الاستخدام أو أقل، إذا لزم الأمر.
  5. خذ الغازالمعايير إلى المكان الذي يأخذ التجربة قياس الغاز المكان. إذا كانت الحيوانات وقياس تجري في منشأة مغلقة (أي.، حظيرة الألبان)، وتحويل المشجعين الحظيرة ON أثناء عملية المعايرة بأكملها. وهذا أمر ضروري للحد من تأثير تركيزات غاز الميثان في الهواء الخلفية.
  6. تحويل AHCS ON والسماح لها دافئ قبل معايرة لمدة 30 دقيقة على الأقل. إزالة سدادة من الأنبوب معايرة تقع داخل اللوحة الأمامية. تأكد من عدم وجود المياه في أنبوب المعايرة. إزالة المياه، إذا لزم الأمر. فإن الماء تدمير أجهزة استشعار تركيز غاز.
  7. ربط كيس عينة N 2 (غاز صفر) إلى أنبوب المعايرة. فك صمام البلاستيك على تحويل كامل كيس عينة عكس اتجاه عقارب الساعة 1 للسماح بتدفق.
  8. تحويل "RUN معايرة" مقبض الباب الموجود على لوحة التحكم صك AHCS إلى "معايرة". هذا وسوف تبدأ ضخ العينة للخروج من الحقيبة. وبمجرد أن يبدأ تدفق، الصحافةوالاستمرار على زر "معايرة" لمدة 10 ثانية ثم الإفراج عنها.
  9. انتظر حقيبة عينة لامتصاص التضخم إلى حوالي 10٪ من طاقتها. لا تفرغ تماما الحقيبة، فإنه قد يؤدي إلى تلف أجهزة الاستشعار. مرة واحدة في كيس في حوالي 10٪ من طاقتها، وتحويل "RUN معايرة" مقبض الباب الخلفي ل"RUN".
  10. إغلاق كيس عينة وافصله عن أنبوب المعايرة. الانتظار 2 دقيقة ثم، قم بتوصيل فترة كيس خليط الغاز إلى أنبوب المعايرة.
  11. كرر الخطوة 3.7.
  12. بمجرد أن يبدأ تدفق، اضغط على زر "معايرة" لمدة 3 ثانية ومن ثم الإفراج عنها.
  13. كرر الخطوة 3.10.
  14. إغلاق كيس عينة وافصله عن أنبوب المعايرة. استبدال سدادة في أنبوب المعايرة.
    ملاحظة: بعد اكتمال المعايرة، ستظهر القيم "عامل" في علامة التبويب بيانات على صفحة ويب. يجب أن يكون معامل الاختلاف لعوامل أقل من 3٪ و 1٪ للCH 4 و CO صespectively. إن لم يكن ضمن هذا النطاق، وتكرار المعايرة.

4. CO 2 الاسترداد اختبار

  1. أداء الانتعاش اختبار CO 2 مرة واحدة على الأقل (3 النشرات = 1 اسطوانة من CO 2) قبل كل تجربة قياس الغاز. في تطبيقات مستمرة، إجراء اختبار الانتعاش مرة واحدة في الشهر.
  2. تأكد من أن اختبار الانتعاش صمام CO 2 هو OFF (صمام هو عمودي على فوهة مخرج). إرفاق الجديدة CO 2 اسطوانة لنظام الإفراج وتحويل اتجاه عقارب الساعة حتى صمام ضيق.
  3. مستوى وصفر نطاق واسع. وضع نظام الإفراج كامل على مقياس لضمان دقته. اختبار لضمان CO 2 يتدفق: فتح صمام ON / OFF وبسرعة إغلاقه مرة أخرى أثناء الاستماع لCO 2 تخرج من الفوهة. يجب أن تكون هناك "whishing" الصوت عندما يتدفق من CO 2.
  4. إرفاق حامل اسطوانة CO 2 إلى القاع التغذية. من نآه على، لا تدع الحيوانات الاقتراب / تتنفس في وحدة التغذية. يجب على الناس أيضا لا تتنفس في وحدة التغذية.
  5. وزن الاسطوانة CO 2 مع نظام الإفراج. تسجيل هذه الكتلة كما الكتلة الأولية. تسجيل التوقيت المحلي الحالي في بداية كل إصدار CO 2.
  6. وضع اسطوانة CO 2 والافراج عن النظام في حامل اسطوانة CO 2 (تغذية الحوض الصغير) وتوجيه فوهة في مشعب. لا تتنفس في وحدة التغذية.
  7. بدوره على ON صمام / OFF لاطلاق سراح CO 2 وتسجيل وقت البدء للإفراج عنهم. إلى عدة أقدام بعيدا عن التغذية وانتظر 3 دقائق. بعد 3 دقائق، إيقاف / OFF صمام وإيقاف وقت قياسي ON للإفراج عنهم.
  8. إزالة الاسطوانة بالإضافة إلى إطلاق نظام CO 2 من وحدة التغذية. لا فك الاسطوانة CO 2 من نظام الإفراج. عقد اسطوانة CO 2 في حوض من الماء الدافئ (37-43 درجة مئوية). مكان إلا الاسطوانة في الماء، وليس نظام الإفراج كله.
  9. 2 حتى إزالته من الماء واستخدام قطعة قماش التجفيف للقضاء كل الماء منه. وزن الاسطوانة CO 2 مع نظام الإفراج وتسجيل هذه الكتلة النهائية كما.
  10. الانتظار لمدة 3 دقائق على الأقل قبل الافراج المقبل. خلال وقت الانتظار 3 دقائق، لا تسمح أي حيوان أو شخص بالقرب من الوحدة. وهناك 90 غ CO 2 اسطوانة توفير حوالي 3 النشرات وذلك باستخدام اسطوانات متعددة إذا كان هناك أكثر من 3 الإصدارات. عندما اسطوانة فارغة، وزن اسطوانة فارغة وتواصل مع اسطوانة جديدة، كما هو موضح أعلاه.
  11. كرر الخطوات من خلال 4.3 4.9 3 مرات على الأقل، وهى المرة بداية جديدة، ووقف الزمن، الكتلة الأولية، والكتلة النهائية من كل إصدار.
  12. بعد الإفراج النهائي، وانتظر 3 دقائق على الأقل قبل السماح الحيوانات للوصول إلى الوحدة. عند الانتهاء، فك الاسطوانة CO 2 من نظام الإفراج.

5. قياس الغاز

ملاحظة: قبلمطلوب قياس الغاز، وهو الأخير (خلال أسبوع) معايرة AHCS. نرى الخطوات 3، معايرة AHCS و 4، CO اختبار 2 الانتعاش. تأكد من علامة وتتفاعل الحيوان في مكان.

  1. السلطة حتى AHCS واتركيه لمدة 30 دقيقة في عملية الاحماء قبل اتخاذ أي القياسات.
  2. موقف AHCS بحيث يسمح أن تدفق الهواء من المشجعين حظيرة للدخول في مذود. الانتظار 2 دقيقة. اضغط على زر تغذية التسليم وعقد لمدة 3 ثوان لتسليم ما يقرب من 50 غرام من الأعلاف. التحقق من صحة البصر التي تم تسليمها تغذي حوض تغذية.
  3. لفة AHCS أمام بقرة. تسجيل الوقت في دفتر التجربة. فإن وحدة قراءة بطاقة RFID الحيوان.
  4. تقديم العلف 5 مرات إضافية خلال فترة عينة 5 دقائق، تباعد منهم في محاولة للحفاظ على رأس الحيوان بشكل مستمر في مذود. إذا كان مطلوبا تغذية إضافية (للحفاظ على رأس الحيوان في مذود)، وجعل علما أنه في دفتر التجربة.
  5. ليسالبريد: عادة ما يتم تسليم تغذية / الكريات مرة واحدة كل 50 ثانية ليصبح المجموع 6 قطرات (300 غرام / الحدث القياس) للحصول على فترات القياس الفردية لمدة 5 دقائق. وقد تم تجهيز AHCS مع أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء للرصد المستمر للمسافة رئيس قريب من الحيوان إلى مشعب السحب الهواء. وتستخدم هذه البيانات في وقت لاحق لتحديد الفترات التي كان رأس الحيوان ليس في موقف ويتم تجاهل هذه البيانات القياس.
  6. مرة واحدة بعد انتهاء فترة أخذ العينات 5 دقائق، وسحب AHCS بعيدا عن وحدة الحيوان والموقف حتى يتاح تدفق الهواء من المشجعين حظيرة للدخول في مذود. الانتظار 2 دقيقة لتدفق الهواء من خلال نظام لجمع البيانات وتكوين الهواء الخلفية.
  7. كرر الخطوات من 5.2 خلال 5.5 للحيوانات إضافية.
  8. كرر أخذ العينات 8 مرات خلال دورة التغذية 24 ساعة، متداخلة في الوقت المناسب لمدة 3 أيام. تم الجدول الزمني أخذ العينات التالية المستخدمة بنجاح: 0900، 1500، و 2100 ساعة (يوم أخذ العينات 1)، 0300، 1200، و 1700 ساعة (يوم أخذ العينات 2)، و0000، و0500 ساعة (يوم أخذ العينات 3). وهذا الجدول الزمني أخذ العينات تسليم 8 عينات لكل حيوان ولكل فترة أخذ العينات. قد تختلف أوقات لأخذ العينات اعتمادا على التغذية والحلب مرات.
    ملاحظة: عند اكتمال أخذ العينات الغاز واسترجاع بيانات الانبعاثات من صفحة الويب.

Representative Results

الشكل 1

الشكل 1: مكونات النظام الرأس غرفة الآلي (AHCS، GreenFeed) لقياس CH 4 الإنتاج في الحيوانات المجترة.

إنتاج غاز الميثان في الكرش هو عملية الميكروبيولوجية التي تعتمد على ركيزة 7. إنتاج CH 4 و CO 2 الزيادات بعد يتم تغذية الحيوان وينخفض ​​بعد ذلك. ويوضح الشكل (2) وزيادة في CH 4 الانتاج من بالمال وبالشهرة أيضا الإعلان بقرة حلوب تغذية حوالي 0600 ساعة (بيانات غير منشورة من قبل AN هريستوف، جامعة ولاية بنسلفانيا).

الرقم 2
الشكل 2: CH نهاري 4 الانبعاثات الناتجة عن بقرة حلوب تغذية مرة واحدة يوميا قياسها باستخدام AHCS (أشرطة الخطأ تمثل SE؛ مجاملة بيانات AN هريستوف، القلمnsylvania جامعة ولاية).

أشرطة خطأ على هذا الرقم يمثل التغير في CH 4 الانبعاثات خلال حدثا أخذ العينات (والذي يتضمن دورات تجشؤ متعددة). ومن الواضح أنه في بعض الحالات (حوالي 0400 و0900 ساعة)، وكان التباين أكبر بسبب تغير تركيز CH 4 في غازات الزفير. ومن الواضح أيضا أن زيادة CH 4 الانبعاثات بعد الرضاعة (والذي كان حول 0600 ساعة في هذا المثال). (أي، في المتوسط ​​الأحداث قياس 13) وكان من هذه البقرة متوسط ​​CH يومي 4 الانبعاثات 727 ± 22.9 جم / يوم، أو 26 جم / كجم عند التعبير لكل كيلوغرام من تناول المادة الجافة حمية (DMI).

للتدليل على مجموعة من CH 4 الانبعاثات من مجموعة من الأبقار المرضعات قياسها باستخدام AHCS، ندرج بيانات من المحاكمة تصميم كروس حديثة أجريت في جامعة ولاية بنسلفانيا التي تستخدم التقنية الصف جوز الكاجو قذيفة السائل بمثابة CH 4 وكيل التخفيف (الجدول 1). وكانت المحاكمة مع 8 المرضعات هولشتاين بقرة حلوب و 2 فترات تجريبية من كل 21 يوما. تم جمع البيانات الميثان خلال الأسبوع الأخير من كل فترة. كانت بيانات انبعاثات الميثان لم تجمع من بقرة واحدة في الفترة من 1 وكان أيضا لا تستخدم البيانات لهذا بقرة في فترة 2. تفاصيل التجربة يمكن العثور عليها في برانكو وآخرون. 12. كان متوسط ​​انبعاثات CO 2 في هذه الدراسة أكثر من 18،000 ز / البقرة يوميا، أو 634 جم / كجم DMI. كان متوسط ​​CH 4 الانبعاثات لهذه المجموعة من الأبقار 523 جم / يوم أو 20 غ / كغ مؤسسة دبي للإعلام، والذي يشبه إلى متوسط ​​CH ذكرت 4 الانبعاثات لمجموعة بيانات من أكثر من 370 وسيلة علاج (19.1 ± 0.43 جم / كجم DMI) 7. في الدراسة التي قدمت في الجدول رقم 1، مقارنة مع السيطرة، تميل التقني الصف جوز الكاجو قذيفة سائل لتقليل CH 4 الإنتاج في الكرش من الأبقار بنحو 5٪ (P = 0.08) 12.

e_content "> الجدول 1

Discussion

نظام AHCS يجمع بين عناصر تقنية ديناميكية الضميمة، ونظام الغرفة، وتقنية التتبع لقياس التدفق الجماعي للCH 4 و CO 2. على مدار الأيام، فإنه يجمع عينات متعددة من كل حيوان لتحديد متوسط ​​إجمالي تدفقات كتلة الغاز يوميا. لتحديد حيوان وتسليم المبلغ الصحيح من الطعم، يتم دمج قارئ RFID في AHCS. قراءة علامة RFID حيث يبدأ الحيوان إلى وضع رأسه في وحدة التغذية. حالما يتم التعرف حيوان، AHCS يحدد ما اذا كان يحق له الحصول على مكافأة الطعم في ذلك الوقت محدد من اليوم (الرعي أو تطبيقات خالية من المماطلة الحظيرة). يتم تسجيل وقت البدء والانتهاء من زيارة كل حيوان (تحديدها استنادا إلى أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء) تلقائيا. يستخدم نظام تقديم الطعم لجذب الحيوانات إلى AHCS بشكل دوري طوال اليوم. عادة، يتم pelletized تغذية الاصطياد وربما تحتوي على العشب، والبرسيم، مركزات الحبوب، دبس السكر، والزيت النباتي.في حين أن الحيوان مرة AHCS، مروحة تسحب الهواء فوق رأسه (بمعدل حوالي 26 لتر / دقيقة)، أعمال التجريف المنبعثة CH 4 و CO 2 إلى مشعب السحب الهواء. يتم قياس سرعة تدفق الهواء بشكل مستمر مع شدة الريح الفيلم الساخن في منتصف أنبوب جمع الهواء. يتم استخراج A مستمرة عينة فرعية من الهواء وتوجيهها إلى تصفية عينة الثانوية، ثم إلى قسمين تحليل غير المتشتتة الأشعة تحت الحمراء، وأجهزة الاستشعار واحد لCO 2 واحد لCH 4. يشمل AHCS أيضا أجهزة استشعار إضافية لدرجة حرارة الهواء والرطوبة الجوية، وانخفاض الطعم، نظام الجهد، والضغط الجوي، ومعدل تدفق غاز البروبان، وموقف رئيس. وتشمل المراعي ومقطورة الإصدارات التي شنت لنظم الرعي على مقياس شدة الريح كوب (سرعة الرياح المحلية) ودوارة الرياح (اتجاه الرياح). يتم تخزين كافة بيانات الاستشعار على مسجل البيانات المحلية وجهاز كمبيوتر، مما AHCS لتعمل تلقائيا وبشكل مستقل. يتم تخزين بيانات الاستشعار أيضا على USB قياسي داخلي (الناقل التسلسلي العالمي) عصا الذاكرة. البيانات AHCSيتم نقلها عادة عبر وصلة الإنترنت، مرة كل ساعة، إلى خادم خارجي حيث يتم تسجيل بشكل دائم. يمكن للمستخدمين الاتصال بشبكة الإنترنت مع تسجيل عن بعد في AHCS والسيطرة على حدة، وتعديل جداول الاصطياد، ومراجعة البيانات التاريخية في الوقت الحقيقي، وكذلك مراجعة وظيفة مراقب AHCS.

عموما، والتجارب التي أجريت في جامعة ولاية بنسلفانيا أثبتت أن نظام AHCS يسلم تقديرات موثوقة لCH 4 و CO 2 انبعاثات من الأبقار الموجودة في الحظائر التعادل المماطلة. مزايا AHCS على غرف التنفس هي أن الحيوان لا يقتصر وهو في بيئتها الطبيعية (أي، على المراعي)، أو يمكن أن تتحرك بحرية (في حظيرة خالية من كشك). AHCS هو أيضا أقل تكلفة لبناء من دائرة التنفس التقليدية. هذه التكلفة المنخفضة نسبيا مهمة، ولا سيما بالنسبة للCH 4 البحوث التخفيف في البلدان النامية. مقارنة مع التتبع SF 6طريقة ص، AHCS أبسط لتشغيل ولا تتطلب معدات تحليلية معقدة ومكلفة. ولعل العيب أكثر وضوحا من AHCS، مقارنة مع الدوائر وأساليب SF 6 (وخاصة عند استخدامها في بيئات الرعي أو خالية من المماطلة الحظيرة)، غير أن هذا الحيوان أن نقترب طوعا وحدة، وبالتالي أحداث قياس الغاز تعتمد على الزيارات الحيوان . خلال يوم واحد، قد أو قد لا تكون هذه الزيارات الحيوان ممثل إيقاع نهاري من CH 4 الإنتاج. لذلك، في التطبيقات حيث الزيارات الحيوان AHCS طوعا، ينبغي أن تكون فترة أخذ العينات لفترة كافية أو تكرار عدد كاف من المرات. تطبيق التعادل كشك المستخدمة في جامعة ولاية بنسلفانيا يخفف هذه المشكلة عن طريق التحكم في عدد وتوزيع الزمني للقياسات الغاز خلال دورة التغذية 24 ساعة. أخذ العينات كافية من الغاز تجشؤ خلال دورة التغذية (كما هو مبين في البروتوكول أعلاه) مهمة لrepresentatiلقد تقدير CH 4 الإنتاج في الكرش من الماشية. كمية من العلف الطعم لتغذية الحيوانات خلال القياسات باستخدام AHCS لابد من مراعاتها في التحليل الكلي (أي يجب أن تضاف إلى المبلغ الإجمالي للتغذية التي يستهلكها الحيوان)، لذلك كثافة الانبعاثات لكل وحدة من العلف DMI يمكن أن يكون بدقة المقدرة. في ظل ظروف التغذية الطبيعية، وتغذية الطعم تمثل أقل من 5٪ من DMI الكلي للأبقار الألبان وتأثيرها على التخمر الكرش وCH 4 إنتاج صغير. وتجدر الإشارة إلى أن AHCS (وغيرها من النظم المشابهة) لا يقيس CH 4 الإنتاج في المعى المؤخر الحيوان. التخمير المعى المؤخر، ومع ذلك، يساهم بحوالي 3٪ فقط من إجمالي انبعاثات CH 4 في الحيوانات المجترة 7.

بناء على الخبرة، وهناك العديد من المكونات الهامة لقياس المعوي إنتاج الغاز الكرش باستخدام AHCS: (1) لديه حيوان لتكون معتادا على تغذية الاصطياد (وAHCS) وله رس مثل ذلك من أجل الاقتراب واستخدام وحدة التغذية AHCS، (2) رأس الحيوان لابد من إدراجها على طول الطريق إلى وحدة التغذية من أجل جمع بيانات انبعاثات غازات موثوق بها، (3) إجراء المعايرة AHCS لابد من اتباعها بدقة (4) وجود الوقت الكافي لجمع CH الخلفية 4 و CO 2 البيانات بين أخذ عينات الحيوانات الفردية أمر مهم، خاصة في الحظائر tie- أو خالية من المماطلة، و (5) من المهم أن بيانات كافية يتم جمع في دورة أخذ العينات ( تغطي فترة 24 ساعة) حتى بيانات الانبعاثات الناتجة عن AHCS هي ممثلة للCH نهاري الفعلي 4 أو CO 2 الانبعاثات بنسبة الحيوان.

اختبارات المقارنة مع AHCS مقابل تقنيات CH 4 قياس أنشأت تدعم الاستنتاجات الواردة أعلاه. على سبيل المثال، خلصت دراسة مع تزايد العجول الألبان التي AHCS كان قادرا على تقدير CH 4 الانبعاثات من تقديرات الثروة الحيوانية والانبعاثات الناتجة عن AHCS كانت قابلة للمقارنةإلى القيم التي تم الحصول عليها عن طريق غرف التنفس 9. وأشار هؤلاء المؤلفين إلى أن نشر وحدات AHCS ويجب أن تدرس بعناية تكرار لضمان أعداد كافية من يتم الحصول على القياسات. على أساس الخبرة، 8 أحداث أخذ العينات، ومتداخلة لمدة 3 أيام لتغطية دورة التغذية 24 ساعة (انظر بروتوكول أعلاه) كافية للحصول على قياسات دقيقة للانبعاثات الغازية وتغير منخفضة نسبيا في البيانات (أي دقة مقبولة). في دراسة مع الأبقار المرضعات الألبان، وخلص إلى أن CH 4 انبعاثات يقاس AHCS كانت مشابهة لقيم الأدب المستمدة من غرف التنفس وبين تقلب الحيوان (CV من 11 إلى 12٪، التكرار من 0،64-0،81) كان أيضا ضمن مجموعة أبلغ عن غرف التنفس 10. في دراسة نشرت مؤخرا مع الأبقار المرضعات، أنتجت AHCS السيرة الذاتية أصغر من طريقة SF 6 (14،1-22،4٪ مقابل 16،0 حتي 111٪ لSF 6) 13 4 إنتاج ومستعمل بنسبة 30٪ (P <0.001)، استنتجنا أن AHCS وطريقة SF 6 أسفرت عن نتائج مماثلة الانبعاثات CH 4 : 319-481 غرام / البقرة يوميا (يعني = 374 ز / د، SEM = 15.9؛ CV = 13٪) و345-485 غرام / البقرة يوميا (يعني = 396 ز / د، SEM = 29.8؛ CV = 23 ٪) لAHCS وSF 6 على التوالي 14.

في الختام، ودقيقة، ولكن التقنيات العملية لقياس CH 4 الإنتاج في الكرش هي ذات أهمية حاسمة لنجاح جهود التخفيف من غازات الدفيئة. AHCS هو نظام قياس الغاز الآلية التي ثبت لتقديم تقديرات موثوقة ودقيقة لCH المعوي 4 و CO 2 انبعاثات من لحوم البقر ومنتجات الألبان الماشية.

Disclosures

المؤلفين باتريك R. زيمرمان وسكوت R. زيمرمان وأصحاب المشارك C للقفل، وشركة

(رابيد سيتي، SD)، الشركة المصنعة للGreenFeed (AHCS) الموضحة في هذه المقالة.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
AHCS 1 C-Lock, Inc.
Zero, 100 N2 1 Air Liquide 4 m3 sized tanks filled with  13,790 kPa
Span, 0.15% CH4 and 1% CO2 1 Air Liquide 4 m3 sized tanks filled with 13,790 kPa
Gas sampling bag 2 SKC, Inc. FlexFoil® PLUS Breath-gas analysis bags
Gas regulator 2 Scott Gasses
CO2 cylinder 6 JT 90 g CO2 tanks
Mass scale 1 A&D EJ6100 >4 kg, with 0.1 g resolution
Propane cylinder 485 ml 1 Coleman
ISO 11784/11785 button ear tag 40 Allflex USA One tag per animal
Alleyway (for free-stalls, tie-stalls) 2 Behlen Country One alleyway per unit
30 m AC extension cord 1 HDX
A container with warm water (37-43 °C) 1 N/A
Stopwatch (sec) 1 N/A

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hristov, A. N., et al. Mitigation of greenhouse gas emissions in livestock production – A review of technical options for non-CO2 emissions. Gerber, P. J., Henderson, B., Makkar, P. S. FAO Animal Production and Health Paper No. 177. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Rome, Italy. (2013).
  2. Steinfeld, H., et al. Livestock’s long shadow – Environmental issues and options. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Rome, Italy. (2006).
  3. Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990-2009. US Environmental Protection Agency. Washington, DC. (2011).
  4. Makkar, H. P. S., Vercoe, P. Quantification of methane emission from ruminants, FAO/IAEA Publication. Springer Science and Business Media, Inc. New York, NY. 138 (2007).
  5. Williams, S. R. O., et al. Background matters with the SF6 tracer method for estimating enteric methane emissions from dairy cows: A critical evaluation of the SF6 procedure. Anim. Feed Sci. Technol. 170, (3-4), 265-276 (2011).
  6. Storm, I. M. L. D., Hellwing, A. L. F., Nielsen, N. I., Madsen, J. Methods for measuring and estimating methane emission from ruminants. Animals. 2, 160-183 (2012).
  7. Hristov, A. N., et al. Mitigation of methane and nitrous oxide emissions from animal operations: I. A review of enteric methane mitigation options. J. Anim. Sci. 91, (9), 5045-5069 (2013).
  8. Zimmerman, P., Zimmerman, S., Utsumi, S., Beede, D. Development of a user-friendly online system to quantitatively measure metabolic gas fluxes from ruminants. J. Dairy Sci. 94, Suppl 1. 760 (2011).
  9. Hammond, K. J., et al. Methane emissions from growing dairy heifers estimated using an automated head chamber (GreenFeed) compared to respiration chambers or SF6 techniques. Adv. Anim. Biosci. 4, (Pt 2), 391 (2013).
  10. Huhtanen, P., Krizsan, S., Cabezas Garcia, E. H., Hetta, M., Gidlund, H. Repeatability and between cow variability of enteric CH4 and total CO2 emissions. Adv. Anim. Biosci. 4, (Pt 2), 588 (2013).
  11. Method and system for monitoring and reducing ruminant methane production. US patent. Zimmerman, P. 2009/0288606A1 (2011).
  12. Branco, A. F., et al. Effect of technical cashew nut shell liquid on rumen methane production and lactation performance of dairy cows. J. Dairy Sci. 98, 4030-4040 (2015).
  13. Dorich, C. D., et al. Short communication: Use of a portable automated opencircuit gas quantification system and the sulfur hexafluoride tracer technique for measuring enteric methane emissions in Holstein cows fed ad libitum or restricted. J. Dairy Sci. 98, 2676-2681 (2015).
  14. Hristov, A. N., et al. An inhibitor persistently decreased enteric methane emission from dairy cows with no negative effect on milk production. Proc Nat Acad Sci USA. (2015).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics