Användning av ett automatiserat system (GreenFeed) för att övervaka Enteric metan och koldioxid utsläpp från idisslare

Environment
 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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

Idisslare (tama eller vilda) avger metan (CH4) genom enter jäsning i sin mag-tarmkanalen och från nedbrytning av gödsel under lagring. Dessa processer är de största källorna till utsläpp av växthusgaser (GHG) utsläpp från djurproduktionssystem. Tekniker för att mäta enter CH4 varierar från direkta mätningar (andningskammare, som är mycket exakt, men med begränsad tillämplighet) till olika indirekta metoder (sniffers, laserteknik, som är praktiskt, men med varierande noggrannhet). Den svavelhexafluorid (SF 6) spårgasmetod används ofta för att mäta enter CH4 produktion av djur forskare och mer nyligen, tillämpning av ett automatiserat Head-avdelningen System (AHCS) (GreenFeed, C-Lock, Inc., Rapid City, SD), vilket är i fokus för detta experiment, har ökat. AHCS är ett automatiserat system för att övervaka CH4 och koldioxid (CO 2) mass flöden frånfläkt av idisslare. I en typisk AHCS operation, är små mängder bete foder dispens enskilda djur för att locka dem till AHCS flera gånger dagligen. Som djuret besöker AHCS, drar ett fläktsystem luft förbi djurets nosparti i ett insugningsrör, och genom en luftsamlingsröret, där kontinuerliga luftflöden mäts. Ett delprov av luft pumpas ut ur röret till icke-spridningsinfraröda sensorer för kontinuerlig mätning av CH 4 och CO 2 koncentrationer. Fält jämförelser av AHCS till andningskammare eller SF 6 har visat att AHCS producerar repeterbara och korrekta resultat CH4 utsläpps, förutsatt att djurbesök AHCS är tillräcklig för utsläppsberäkningarna är representativa för dygnsrytm av våmmen gasproduktion. Här visar vi användning av AHCS att mäta CO2 och CH 4 flöden från mjölkkor ges en kontrolldiet eller en diet kompletterad med teknisk kvalitet cashewnötterskal vätska.

Introduction

Animalieproduktionen utgör en betydande källa till utsläpp av växthusgaser (GHG) över hela världen, generera CH4 och lustgas antingen direkt (t.ex. från enterisk fermentering och gödselhantering) eller indirekt (t.ex. från inmatningsproduktionsverksamhet och omvandling av skog till betesmark eller åkermark). Uppskattningar för boskap bidrag till de globala utsläppen av växthusgaser varierar från cirka 1-18 juli% 2, beroende på gränserna för analys och metoder som används. I USA, företrätt boskap 3,1% av de totala utsläppen av växthusgaser år 2009 3.

Enteric CH4 är den största bidragsgivaren till utsläppen från boskap växthusgaser. Därför har djur forskarna fokuserat sin forskning på att upptäcka begränsnings teknik för att minska enter CH4 produktion från idisslare. I många fall är resultaten av tvivelaktigt vetenskapligt värde på grund av otillräcklig experimentell design or mättekniker 1. Således, noggrannhet och precision av mätmetoder finns kritiskt viktiga komponenter av växthusgaser lindring forskning. En stor mängd litteratur har publicerats om detta ämne under de senaste åren 4-7. Det finns flera etablerade metoder för att mäta enter CH4 produktion hos idisslare, inklusive andningskammare (mycket noggranna men med begränsad tillämplighet), spårgaser (svavelhexafluorid, SF 6), och huvudkammare. Även andningskammare anses vara de "gold standard" för att mäta våmmen gaser, är deras största nackdelen att antalet djur på rättegång vanligtvis begränsad på grund av det begränsade antalet kamrar finns på en särskild forskningsenhet. De mest praktiska och mest använda tekniker för att mäta enter CH4 produktion är 6 spårgasmetod SF och mer nyligen, en automatiserad Head-avdelningen System (AHCS, GreenFeed) som cen monitor CH4 och CO 2 massflöden från andan och rapningar gas av idisslare 8. Både SF 6 Teknik och AHCS möjliggöra utsläpp som skall analyseras på ett stort antal djur i fria betesförhållanden eller i fri- och slips-stall lador. SF 6 teknik utnyttjar SF 6 som spårgas, som kontinuerligt frisättes från en genomträngnings rör infört i våmmen hos djuret, insamling av ett prov av den utandade gaserna, och analys av gasen för SF 6: CH 4-förhållande. AHCS är en automatiserad, huvud-kammar typsystem som också grundar sig på användningen av en spårgas (propån). Jämfört med andningskammarmetoden, där djuren hålls instängda under onormala utfodring och beteendeförhållanden och med SF 6 spårgasmetod, som kräver särskild analytisk förmåga och utrustning (för insamling gas och SF 6 analys) plus omfattande hantering djur, är AHCS icke -intrusive och är billigareatt förvärva och driva. Stora brister i AHCS inkluderar representativ provtagning (i tillämpningar, såsom betessystem, där djuren måste frivilligt besöka enheten) och användning av bete foder, vilket kan utgöra upp till 5% av djurets torrsubstansintaget under en mätgas händelse. Nyligen jämförande experiment har dragit slutsatsen att AHCS producerar utsläppsnivåer som är jämförbara med dem som uppskattas med hjälp av andningskammare eller teknik 9,10 SF 6.

Den fristående AHCS systemet är uppbyggt runt en robust automatisk matare som är lätt att transportera för hand eller kan monteras på en släpvagn utrustad med solpaneler (eller andra strömkällor) för autonom fältoperation och långväga resor. Systemet innefattar ett djur Radio-Frequency Identification System (RFID), en bete-system, ett system för luftbehandling och mätning, en gas spårsystemet, elektronik och kommunikationssystem, och datahanteringssystem (<strong> Figur 1). Mer information kan hittas i den ursprungliga patentdokumentation 11.

Exemplet AHCS operation protokoll som beskrivs nedan är lakterande mjölkkor inrymt i ett tie-stall lada. Tillvägagångssättet är tillämpliga på andra kategorier av nötkreatur (icke-ammande mjölkkor, kvigor, eller köttdjur) inrymt i liknande anläggningar. Syftet med detta experiment är att visa de principer och drift av AHCS för mätning av CH4 och CO 2 -utsläpp från idisslare.

Protocol

Djur som deltar i experimentet som beskrivs i representativa resultat omhändertagna enligt riktlinjerna i Pennsylvania State University Djurvård och användning kommittén. Utskottet granskat och godkänt experimentet och alla förfaranden som genomförts i studien. Detaljer, såsom djur och födosammansättning information och experimentell design, finns i det fullständiga offentliggörandet av detta experiment 12.

Obs! För en lista över utrustning och tillbehör som behövs för att genomföra experimentet, se Material tabell.

1. Försöks Design

  1. Skaffa Institutional Animal Care och användning kommittén godkännande för experimentet. Detta är en icke-invasiv procedur som orsakar någon smärta för djuret och klassificeras som USDA kategori C (Lätt eller momentan smärta eller ångest eller ingen smärta eller ångest). Anestesi är inte nödvändigt.
  2. Välj intakta (dvs icke kanyle) korför experimentet baserat på amning stadiet, ålder, och mjölkproduktionen. Använd inte kanylerade kor med AHCS på grund av potentiella läckage av våmmen gas genom kanylen. En anordning för att lindra detta problem testas för närvarande, men resultaten redovisas inte här.
  3. Om en crossover konstruktion (dvs, romersk kvadrat, till exempel) används, använder 8 till 12 kor, beroende på antal behandlingar i en replikerad konstruktion balanserad för kvarstående effekter. Om till exempel, är 4 behandlingar testas, kommer 8 kor ge en konstruktion rättegång replik 4 × 4, osv. Minsta rekommenderade längd för dessa typer av experiment är 21 till 28 dagar, med de första 14 till 21 dagar för anpassning till behandling och 7 dagar för datainsamling.
  4. Om en randomiserad blockutformning användes, använd 12 till 15 kor per behandling. Inkludera en 2-veckors kovariat period innan datainsamlingen börjar. Den rekommenderade dessa experiment är från 8 till 12 veckor, med den första 2 veckor being för anpassning till behandling.
  5. Utrusta varje försöksdjur med ISO 11784 eller 11785-kompatibel RFID identifieringsetikett.

2. Utbildning av djuren att använda AHCS

  1. Innan experimentet börjar flytta AHCS in i anläggningen där korna är belägna. Placera enheten inom synen av korna. Lämna enheten där i minst 2 dagar.
  2. Förbered en bete foder som djuren tycker om. Olika flöden kan försökt locka kor, även om en blandning av 70% mald majs, 27% torra melass, och 3% sojaolja (som det är vikt) har med framgång använts i laboratoriet. Undvik klibbiga och dammiga flöden som kan täppa till luftfiltret och matningssystem för AHCS. Det är föredraget att matningspelleteras.
  3. Ge en liten mängd (en handfull) av foder till alla djur genom att placera den på toppen av det foder som de är vana vid, så för dem att bekanta sig med betet foder.
  4. Mycket långsamt flytta AHCS till ca 1,5 m frabout djuret.
  5. Placera ca 1 kg bete foder i en hink och låta djuret att lukta och smaka på bete foder. Så småningom flytta skopan mot foderhon av AHCS enheten, tvingar djuret att sträcka och nå mot AHCS foderhon.
  6. Dumpa en del av betet foder från skopan till AHCS foderhon och långsamt flytta AHCS enheten mot kon. Om du vid någon punkt av utbildning blir kon orolig eller rädd, flytta enheten bort från henne och försöka igen vid en annan tid eller dag.
  7. Under flera dagar, upprepa utbildningen tills djuren är vana och upphetsad av AHCS enheten (dvs, betet foder). Om ett djur inte kan vänja sig AHCS, ersätta med ett annat djur innan experimentet börjar och utbilda nya djuret efter ovanstående procedur.

3. Kalibrering av AHCS

Obs: Koncentrationsintervallet för CO 2 sensorn är 0 till 5%; denintervallet för CH 4 sensorn är 0 till 2%. Detektions lägre gränser är 20 ppm för CH4 och 50 ppm för CO2. Det finns ingen oro för höga bakgrundsnivåer av CH4 och CO2 eftersom detektionsgränserna är mycket större än säkra höga bakgrundsnivåerna av dessa gaser i djuranläggningar.

  1. För maximal noggrannhet, utföra denna kalibrering 5 gånger i början och 3 gånger i slutet av varje gasmätning experiment.
  2. Använd följande gaser (se Material tabell): 0,15% CH4 och 1% CO2 (klass certifierad master class, ± 2% noggrannhet) för spänngas och 100% N2 (99,999% ren) för noll gas.
  3. Fyll en provpåse med 2 L noll gas, och en annan väska med 2 L av span gasblandning. Var noga med att använda helt tömd påse. Fyll påsarna med ny gas på dagen för kalibreringen.
  4. Ersätt väskor efter ett års användning eller mindre, om det behövs.
  5. Ta gasenstandarder för den plats där gasmätning försöket sker. Om djuren och mätning sker i en sluten anläggning (ie., Ett mejeri lada), vrid lada fans på under hela kalibreringsprocessen. Detta är nödvändigt för att minimera effekten av metankoncentrationer i bakgrunden luften.
  6. Vänd AHCS ON och låt den varma innan kalibreringen i åtminstone 30 minuter. Ta bort proppen från kalibreringsröret ligger innanför frontpanelen. Se till att det inte finns något vatten i kalibreringsröret. Ta vatten om det behövs. Vattnet kommer att förstöra gaskoncentrationen sensorer.
  7. Anslut N2 provsäcken (noll gas) till kalibreringsröret. Skruva plastventilen på provpåse moturs ett helt varv för att tillåta flöde.
  8. Vrid "RUN-Kalibrera" ratten finns på instrument kontrollpanel AHCS till "Kalibrera". Detta kommer att börja pumpa provet ur påsen. När flödes startar, tryckeroch håll "CALIBRATE" -knappen i 10 sekunder sedan släppa den.
  9. Vänta tills provpåse att tömma till ca 10% av sin kapacitet. Inte helt tömma väskan, kan det skada sensorn. När påsen är vid omkring 10% av sin kapacitet, vrid "RUN-Kalibrera" vredet tillbaka till "RUN".
  10. Stäng provtagningssäcken och koppla bort den från kalibreringsröret. Vänta två minuter och sedan, anslut span gasblandningen väska till kalibreringsröret.
  11. Upprepa steg 3.7.
  12. När flödet startar, tryck och håll "CALIBRATE" -knappen i 3 sekunder och sedan släppa den.
  13. Upprepa steg 3.10.
  14. Stäng provtagningssäcken och koppla bort den från kalibreringsröret. Byt ut proppen i kalibreringsröret.
    Obs! När kalibreringen är klar, "faktor" värden visas på fliken uppgifter på webbsidan. Variationskoefficienten av de faktorer bör vara mindre än 3% och ett% för CH 4 och CO 2, respectively. Om inte inom detta område, upprepa kalibreringen.

4. CO2 Recovery Test

  1. Utför CO2 utbytesförsök minst en gång (3 släpper = 1 cylinder av CO2) före varje gasmätning experiment. I kontinuerlig drift, utför utbytesförsök en gång per månad.
  2. Se till att CO 2 utbytesförsök ventilen är AV (ventilen är vinkelrät mot utloppsmunstycket). Sätt på en ny CO2 cylinder till utlösningssystemet och vrid ventilen medsols tills den sitter.
  3. Nivå och nollställa massomfattning. Placera frigöringssystemet hela på skalan för att säkerställa att den är korrekt. Test för att säkerställa CO2 flödar: Öppna ON / OFF ventilen och snabbt stänga den igen medan du lyssnar för CO2 lämnar munstycket. Det bör finnas en "whishing" ljud när CO 2 flödar.
  4. Fäst CO2 cylinderhållaren till foderhon. Från now på, låt inte djuren får nära / andas in mataren. Människor bör inte heller andas in mataren.
  5. Väg CO 2 cylinder med utlösningssystemet. Spela denna massa som initial massa. Anteckna nuvarande lokal tid i början av varje CO 2 release.
  6. Placera CO 2 cylindern och frigör systemet in i CO 2 cylinderhållaren (foderhon) och rikta munstycket in i grenröret. Andas inte in mataren.
  7. Slå på ON / OFF ventilen att släppa CO2 och registrera starttid för övergång. Tillbaka flera meters avstånd från mataren och vänta 3 min. Efter 3 min, stänga av / avstängningsventil och rekord stopptid för övergång ON.
  8. Avlägsna CO2 cylinder plus frisättningssystem från mataren. Skruva inte CO 2 cylinder från utlösningssystemet. Håll CO 2 cylinder i en balja med varmt vatten (37 till 43 ° C). Placera bara cylindern i vatten, inte utsläpp systemet hela.
  9. CO2 cylinder värms upp, ta bort den från vattnet och använda en tork trasa för att torka allt vatten från den. Väg CO 2 cylinder med utlösningssystem och registrera detta som slutliga vikten.
  10. Vänta minst tre minuter innan nästa utgåva. Under 3 min väntetid, inte tillåter något djur eller en person i närheten av enheten. En 90 g CO2 cylinder kommer att ge cirka tre versioner så använder flera cylindrar om det finns mer än 3 utgåvor. När en cylinder är tom, väga den tomma cylindern och fortsätta med en ny cylinder, såsom beskrivits ovan.
  11. Upprepa steg 4,3 via 4,9 minst 3 gånger, markerar ny starttid, stopptid, ursprungliga massa och slutliga vikten av varje release.
  12. Efter den slutliga utgåvan, vänta minst 3 minuter innan man tillåter djur att komma åt enheten. När du är klar, skruva loss CO2 cylinder från utlösningssystemet.

5. gasmätning

Obs: Innangasmätning, en nyligen (inom en vecka) kalibrering av AHCS krävs. Se steg 3, Kalibrering av AHCS och 4, CO2 utbytestest. Se till djurets RFID-brickan är på plats.

  1. Uppstart AHCS och låt verka i 30 minuter för att värma upp innan du gör några mätningar.
  2. Position AHCS så att luftflödet från lada fans tillåts komma in i foderhon. Vänta 2 min. Tryck Feed Delivery knappen intryckt i 3 sekunder för att leverera cirka 50 g foder. Visuellt validera att foder har levererats till foderhon.
  3. Rulla AHCS framför en ko. Anteckna tiden i experimentet anteckningsbok. Enheten kommer att läsa djurets RFID-etiketten.
  4. Leverera foder Ytterligare 5 gånger under en samplingsperiod 5 min, avstånd dem att försöka att hålla djurets huvud kontinuerligt i foderhon. Om extra foder krävs (för att hålla djurets huvud i foderhon), anteckna det i försöket anteckningsboken.
  5. Intee: Foder / pellets brukar levereras en gång var 50 sekund för totalt 6 droppar (300 g / mätning händelse) för att erhålla individuella mätperioder av 5 min. Den AHCS är utrustad med infraröda sensorer för att kontinuerligt övervaka avståndet mellan djurets huvud i förhållande till luftinsugningsröret. Dessa data används sedan för att identifiera perioder då djurets huvud var inte på plats och dessa mätdata kastas.
  6. När samplingsperioden 5 minuter har gått ut, dra AHCS bort från djuret och positionen enheten så att luftflödet från lada fläktar tillåts komma in i foderhon. Vänta 2 min för att spola luft genom systemet och att samla in bakgrundsluftinnehållsinformation.
  7. Upprepa steg 5.2 till 5.5 för ytterligare djur.
  8. Upprepa provtagning 8 gånger under en 24 hr matningscykel, vacklade i tid under en 3-dagars period. Följande provtagningsschema har använts med framgång: 0900, 1500, och 2100 h (provtagning dag 1), 0300, 1200, och 1700 h (provtagning dag 2), och 0000, och 0500 h (provtagning dag 3). Denna provtagningsschema kommer att leverera 8 prover per djur och per provtagningsperioden. Provtagningstiderna kan variera beroende på utfodring och mjölkningstider.
    Obs: När gas provtagning är klar, hämta utsläppsdata från webbsidan.

Representative Results

Figur 1

Figur 1: Komponenter i automatiserade Head-avdelningen System (AHCS, GreenFeed) för mätning av CH4 produktion i idisslare.

Metanproduktion i vommen är ett substrat beroende mikrobiologisk process 7. Produktion av CH 4 och CO 2 ökar efter djuret utfodras och minskar därefter. Figur 2 visar ökningen i CH4 produktion från en mjölkko matas ad libitum på omkring 0600 timmar (opublicerade data från AN Hristov, Pennsylvania State University).

Figur 2
Figur 2: dygns CH 4 utsläpp från en mjölkko matas en gång dagligen mäts med hjälp av AHCS (Felstaplar representerar SE, data courtesy av ammoniumnitrat Hristov, pennansylvania State University).

De felstaplar på denna siffra representerar variabilitet i CH4 utsläpp under en provtagnings händelse (som innehåller flera rapning cykler). Det är uppenbart att i vissa fall (omkring 0400 och 0900 h), variabiliteten var större på grund av förändrade koncentrationen av CH4 i utandade gaser. Det är också klart att CH 4 utsläpp ökade efter utfodring (som var cirka 0600 timmar i detta exempel). Den genomsnittliga dags CH4 utsläpp (dvs.., Ett genomsnitt av mätnings händelserna 13) från denna ko var 727 ± 22,9 g / dag, eller 26 g / kg uttryckt per kg diet torrsubstansintag (DMI).

För att visa utbudet av CH 4 utsläpp från en grupp av ammande mjölkkor mätt med AHCS inkluderar vi data från en nyligen crossover designen studie som genomförts vid Pennsylvania State University som utnyttjade teknisk kvalitet kasjunötskalvätska som CH4 begränsning medel (Tabell 1). Rättegången var med 8 ammande Holstein mjölkkor och 2 experimentella perioder av 21-dagar vardera. Metan uppgifterna samlades in under den sista veckan i varje period. Uppgifter metan utsläpp inte samlas in från en ko i period 1 och data för att kon var inte heller användas i period 2. Uppgifter om försöket kan hittas i Branco et al. 12. Den genomsnittliga CO2 utsläpp i denna studie var över 18000 g / ko per dag, eller 634 g / kg DMI. Genomsnittlig CH4 utsläpp för denna grupp av kor var 523 g / dag eller 20 g / kg DMI, som liknar den genomsnittliga CH rapporterade 4 utsläppen för en datamängd över 370 behandlingsmedel (19,1 ± 0,43 g / kg DMI) 7. I studien presenteras i Tabell 1, jämfört med kontrollen, tenderade av teknisk kvalitet kasjunötskalvätska att minska CH 4 produktion i våmmen av korna med cirka 5% (P = 0,08) 12.

e_content "> Tabell 1

Discussion

Det AHCS Systemet kombinerar element av en dynamisk hölje teknik, kammarsystem och spårteknik för massflödesmätningar av CH4 och CO2. Under dagarna samlar det flera prover från varje djur för att definiera de genomsnittliga totala dagliga gas massflöden. För att identifiera ett djur och leverera korrekt mängd bete, är en RFID-avläsare införlivas AHCS. RFID-taggen läses som djuret börjar att placera sitt huvud i mataren. När ett djur har identifierats, AHCS avgör om den är berättigad till ett bete belöning vid den specifika tiden på dagen (bete eller fri-stall lada tillämpningar). Start- och sluttid för varje djur besök (bestäms utifrån de infraröda sensorerna) automatiskt registreras. Betet avgivningssystem används för att locka djuren till AHCS jämna mellanrum under dagen. Typiskt bete foder pelletiseras och kan innehålla gräs, alfalfa, korn koncentrat melass, och vegetabilisk olja.Medan ett djur besök AHCS, drar en fläkt luft över huvudet (med en hastighet av ca 26 l / min), svepande utsända CH4 och CO 2 i en luftinsugningsröret. Luftflödeshastigheten mätes kontinuerligt med en varmfilm anemometer i mitten av luftsamlingsröret. En kontinuerlig under luftprov extraheras och dirigeras till en sekundär provfilter, sedan i två icke-dispersiv infraröd analysatorer, en sensor för CO2 och en för CH4. AHCS innehåller även ytterligare sensorer för lufttemperatur, luftfuktighet, bete fall, systemspänning, atmosfärstryck, propanflöde, och huvudets position. Betesmark och skylift versioner för betande system inkluderar en kopp vindmätare (lokal vindhastighet) och vindflöjeln (vindriktning). Alla sensordata lagras på en lokal datalogger och en dator, som gör det möjligt AHCS att fungera automatiskt och självständigt. Sensordata lagras också på en intern standard USB (Universal Serial Bus) USB-minne. AHCS uppgifternormalt överföres via en Internetlänk, en gång per timme, till en extern server där de är permanent loggas. Användare med Internet-anslutning kan fjärr logga in AHCS och styra enheten, ändra baiting scheman och granska historiska och realtidsdata samt granska och övervaka AHCS funktion.

Sammantaget experiment utförda vid Pennsylvania State University visade att AHCS systemet levererar tillförlitliga uppskattningar för CH4 och CO 2 -utsläpp från mjölkkor inrymt i tie-stall lador. Fördelarna med AHCS över andningskammare är att djuret inte är begränsad och är i sin naturliga miljö (dvs., På bete), eller kan röra sig fritt (i en fri-stall lada). AHCS är också billigare att bygga än en traditionell andning kammare. Denna relativt låga kostnader är viktigt, särskilt för CH4 begränsning forskning i utvecklingsländerna. Jämfört med SF 6 spårr metod är AHCS enklare att använda och kräver inte komplicerad och dyr analytisk utrustning. Det kanske mest uppenbara nackdelen med AHCS, jämfört med kamrarna och SF 6 metoder (speciellt vid användning i betes eller fritt stall lada miljöer), är att djuret har att frivilligt fram till apparaten och därför gasmätning händelser är beroende av djurbesök . Inom en dag, dessa djur besök kan eller kan inte vara representativ för dygnsrytm av CH4 produktion. Därför, i applikationer där djuret besöker AHCS frivilligt, samplingsperioden bör vara tillräckligt lång eller upprepad ett tillräckligt antal gånger. Tie-stall program som används vid Pennsylvania State University minskar detta problem genom att kontrollera antalet och tidsmässiga fördelningen av gasmätningar under en 24 hr matningscykel. Tillräcklig provtagning av rapningar gas under en matningscykel (som anges i ovanstående protokoll) är viktigt för representative uppskattning av CH4 produktion i våmmen hos nötkreatur. Mängden bete foder som ges till djuren under mätningar med AHCS måste beaktas i den övergripande analysen (dvs, måste läggas till den totala mängden foder som konsumeras av djuret), så utsläppsintensitet per enhet foder DMI kan vara exakt beräknat. Under normala utfodringsförhållanden, utgör betet foder mindre än 5% av den totala DMI av en mjölkkor och dess effekt på vommen jäsning och CH4 produktion är liten. Det noteras att AHCS (och andra liknande system) inte mäter CH 4 produktion i djurets hindgut. Hindgut jäsning, men bidrar endast cirka 3% av de totala CH 4 utsläpp i ett idisslande djur 7.

Baserat på erfarenheter, det finns flera viktiga komponenter för att mäta enter vommen gasproduktion använder AHCS: (1) djuret måste vara vana vid att hetsen foder (och AHCS) och har to liknande den för att närma sig och använda AHCS feeder, (2) djurets huvud måste införas ända in mataren för att samla in tillförlitliga uppgifter utsläppsgaser (3) AHCS kalibreringen måste följas noga (4) har tillräckligt med tid för att samla in bakgrunds CH 4 och CO 2-data mellan provtagning enskilda djur är viktigt, särskilt i Tieto eller fritt stall lador, och (5) är det viktigt att tillräckligt med data samlas i en provtagningscykel ( täcker en 24 timmarsperiod) så utsläppsdata som genereras av AHCS är representativa för den faktiska dygns CH 4 eller CO 2 -utsläpp av djuret.

Jämförande test med AHCS vs. etablerade CH4 mättekniker stöder ovanstående slutsatser. Till exempel, en studie med växande mjölkkvigor slutsatsen att AHCS kunde uppskatta CH 4 utsläpp från boskap och utsläppsberäkningar genereras av AHCS var jämförbaratill värden som erhålls genom respirations kamrarna 9. Dessa författare påpekade att utplaceringen av AHCS enheterna och replikering måste övervägas noga för att säkerställa ett tillräckligt antal mätningar erhålls. Baserat på erfarenheter, 8 provtagningstillfällena, fördelas under en 3-dagars period för att täcka en 24 hr matningscykel (se protokollet ovan) är tillräckliga för att få noggranna mätningar av gasformiga utsläpp och relativt låg variation i data (dvs acceptabel precision). I en studie med ammande mjölkkor, drogs slutsatsen att CH 4 utsläpp som mäts av AHCS liknade litteraturvärden som erhållits från andningskammare och mellan djur variabilitet (CV 11 till 12%, repeterbarhet på 0,64 till 0,81) var också inom intervall rapporterats för andningskammare 10. I en nyligen publicerad studie med lakterande kor, producerade AHCS en mindre CV än SF 6 metoden (14,1-22,4% jämfört med 16,0 till 111% för SF 6) 13 CH4 produktion hämmades med 30% (P <0,001), drog vi slutsatsen att AHCS och SF 6 metoden gav liknande CH 4 utsläppsresultaten : 319 till 481 g / ko per dag (medelvärde = 374 g / d; SEM = 15,9; CV = 13%) och 345 till 485 g / ko per dag (medelvärde = 396 g / d; SEM = 29,8; CV = 23 %) för AHCS och SF 6, respektive 14.

Sammanfattningsvis, exakt, men praktiska tekniker för att mäta CH4 produktion i våmmen är av avgörande betydelse för framgången av växthusgaser begränsningsåtgärder. AHCS är ett automatiserat system gasmätning som har visat sig ge tillförlitliga och korrekta bedömningar av enter CH 4 och CO 2 -utsläpp från nötkött och mjölkkor.

Disclosures

Författarna Patrick R. Zimmerman och Scott R. Zimmerman är delägare i C-Lock, Inc.

(Rapid City, SD), tillverkaren av GreenFeed (AHCS) som beskrivs i denna artikel.

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