Bruk av et automatisert system (GreenFeed) til Monitor Ente metan og utslipp av karbondioksid fra drøvtyggere

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

Drøvtyggere (tamme eller vill) avgir metan (CH4) gjennom enteriske fermentering i deres fordøyelseskanalen og fra nedbrytning av gjødsel under lagring. Disse prosessene er de viktigste kildene til utslipp av klimagasser (GHG) utslipp fra dyreproduksjonssystemer. Teknikker for måling ente CH 4 variere fra direkte målinger (respirasjon kamre, som er svært nøyaktig, men med begrenset anvendelighet) til ulike indirekte metoder (sniffere, laser-teknologi, som er praktisk, men med varierende nøyaktighet). Den svovelheksafluorid (SF 6) sporgass metoden er ofte brukt til å måle ente CH 4 produksjon av animalske forskere og mer nylig, anvendelse av en automatisert Hode Chamber System (AHCS) (GreenFeed, C-Lock, Inc., Rapid City, SD), som er fokus for dette eksperimentet har vært økende. AHCS er et automatisert system for å overvåke CH 4 og karbondioksid (CO 2) masse flukser frapust av drøvtyggende dyr. I en typisk AHCS operasjon, er små mengder baiting fôr utlevert til individuelle dyr for å lokke dem til AHCS flere ganger daglig. Som dyret besøker AHCS, trekker et viftesystem luft forbi dyrets snute inn et inntak manifold, og gjennom en luft samling rør der kontinuerlige luftmengde måles. En underprøve av luft blir pumpet ut av røret til ikke-dispersiv infrarøde sensorer for kontinuerlig måling av CO og CH 4 2 konsentrasjoner. Felt sammenligninger av AHCS av respirasjon kamre eller SF 6 har vist at AHCS gir reproduserbare og nøyaktige CH 4 utslipps resultater, forutsatt at dyrebesøk AHCS er tilstrekkelig slik at utslipps anslag er representative for døgnrytme rumen gassproduksjon. Her viser vi bruken av AHCS å måle CO 2 og CH 4 flukser fra melkekyr gitt en kontroll diett eller en diett supplert med teknisk-grade cashew muttershell væske.

Introduction

Husdyrproduksjon representerer en betydelig kilde til utslipp av klimagasser (GHG) utslippene på verdensbasis, genererer CH 4 og lystgass enten direkte (for eksempel fra enteric gjæring og husdyrgjødsel management) eller indirekte (for eksempel fra feed-produksjonsvirksomheten og konvertering av skog til beite eller dyrket mark). Estimater for husdyr bidrag til den globale klimagassutslipp varierer fra ca 1 til 18 juli% 2, avhengig av grensene for analyse og metoder som brukes. I USA, representert husdyr 3,1% av de totale klimagassutslippene i 2009 tre.

Ente CH 4 er den største bidragsyteren til klimagassutslipp fra husdyr. Derfor har dyre forskere fokusert sin forskning på å finne avbøtende teknologier for å redusere mage CH 4 produksjon fra drøvtyggere. I mange tilfeller er resultatene av tvilsom vitenskapelig verdi på grunn av utilstrekkelig eksperimentell design or måleteknikk 1. Dermed nøyaktighet og presisjon av måleteknikker er kritisk viktige komponenter i GHG klimatiltak forskning. Har blitt publisert en stor mengde litteratur om dette emnet de siste årene 4-7. Det er flere etablerte metoder for måling av ente CH 4 produksjonen hos drøvtyggere, inkludert respirator kamre (svært nøyaktige, men med begrenset anvendelighet), sporgasser (svovelheksafluorid, SF 6), og hodet-kamre. Selv respirasjon kamrene er regnet som "gullstandard" for å måle vomma gasser, er deres store ulempen at antall dyr på rettssaken er vanligvis begrenset på grunn av begrenset antall kamre tilgjengelig på et bestemt forskningsanlegg. Den mest praktiske og brukte teknikker for måling ente CH 4 produksjon er SF 6 sporgassmetode og mer nylig, en automatisert Hode Chamber System (AHCS, GreenFeed) som cen monitor CH 4 og CO 2 masse flukser fra pusten og oppstøt gass fra drøvtyggere 8. Både SF 6 teknikk og AHCS aktiver utslipp som skal analyseres på et stort antall dyr i frie beiteforhold eller i fritt og tie-stall fjøs. SF6-teknikken benytter SF 6 som en sporgass, som kontinuerlig frigjøres fra en gjennomtrengnings rør inn i vommen på dyr, innsamling av en prøve av utåndet gass, og analyse av gassen for SF 6: CH4-forhold. AHCS er en automatisert, hode-kammertypen system som også er basert på bruk av en sporgass (propan). Sammenlignet med åndedrett kammermetode, der dyr er begrenset i henhold unormale fôring og atferd forhold, og med SF 6 tracer metoden, som krever spesielle analytiske ferdigheter og utstyr (for gass innsamling og SF 6 analyse) pluss omfattende dyrehåndtering, er AHCS ikke -intrusive og er rimeligereå anskaffe og drifte. Store mangler av AHCS inkluderer representative prøvetaking (i programmer, for eksempel beitesystemer, hvor dyrene har til å frivillig besøke enhet) og bruk av åte fôr, noe som kan utgjøre inntil 5% av dyrets tørrstoffinntak under en gassmåling hendelse. Nyere komparative eksperimenter har konkludert med at AHCS produserer utslipps prisene sammenlignes med de estimert ved hjelp åndedrett kamre eller SF 6 teknikken 9,10.

Den frittstående AHCS systemet er bygget opp rundt en robust automatisk mater som er lett transportable hånd eller kan monteres på en trailer utstyrt med solcellepaneler (eller andre strømkilder) for autonome felt drift og lang avstand reise. Systemet omfatter en dyreradiofrekvensidentifiseringssystem (RFID), en egne system, et luftbehandlingssystem, og måling av en gass tracer system, elektronikk og kommunikasjonssystem, og et data håndteringssystem (<strong> Figur 1). Flere detaljer finner du i den opprinnelige patent dokumentasjon 11.

Eksempelet AHCS drift protokollen beskrevet nedenfor er for ammende melkekyr plassert i et tie-stall låve. Prosedyren gjelder for andre kategorier av storfe (ikke-ammende melkekyr, kviger eller kjøttfe) plassert i tilsvarende anlegg. Formålet med dette forsøket er å vise de prinsipper og driften av AHCS for måling av CH4 og CO2-utslipp fra drøvtyggende dyr.

Protocol

Dyr som er involvert i forsøket beskrevet i representative resultater var ivaretatt i henhold til retningslinjene fra Pennsylvania State University Animal Care og bruk komité. Utvalget gjennomgått og godkjent eksperimentet og alle prosedyrer utført i studien. Detaljer, for eksempel dyr og kosthold sammensetning informasjon og eksperimentell design, finner du i full offentliggjøring av dette eksperimentet 12.

Merk: For en liste over utstyr og forsyninger som trengs for å gjennomføre forsøket, se Materialer Table.

1. Experimental Design

  1. Skaff Institutional Animal Care og bruk komité godkjenning for forsøket. Dette er en ikke-invasiv prosedyre som forårsaker ingen smerter for dyret og er klassifisert som USDA Kategori C (Liten eller kortvarig smerte eller ubehag eller ingen smerter eller ubehag). Anestesi er ikke nødvendig.
  2. Velg intakte (dvs. ikke-kannulert) kyrfor forsøket på grunnlag av laktasjonen, alder og melkeproduksjon. Ikke bruk kannulert kyr med AHCS grunn av potensiell lekkasje av vomma gass gjennom kanylen. En enhet konstruert for å avhjelpe dette problemet blir for tiden testet, men resultatene er ikke rapportert her.
  3. Hvis en crossover design (dvs. latinske kvadrat, for eksempel) er utnyttet, kan du bruke 8 til 12 kyr, avhengig av antall behandlinger, i en kopiert designen balansert for gjenværende effekter. Hvis du for eksempel er 4 behandlinger testet, vil 8 kyr gi en replikert 4 × 4 utforming rettssaken, etc. Minste anbefalte varigheten av disse typer eksperimenter er 21 til 28 dager, med de første 14 til 21 dager for tilpasning til behandling og 7 dager for datainnsamling.
  4. Hvis en randomisert blokk utforming blir anvendt ved å bruke 12 til 15 kyr pr behandling. Inkluderer en to-ukers kovariat periode før datainnsamlingen begynner. Den anbefalte varigheten av disse forsøkene er fra 8 til 12 uker, med den første 2 ukene being for tilpasning til behandling.
  5. Utstyre hvert forsøksdyr med en ISO 11784 eller 11785-kompatibel RFID identifikasjon tag.

2. Opplæring av dyr å bruke AHCS

  1. Før forsøket begynner, flytte AHCS inn i anlegget der kyrne er plassert. Plasser enheten innenfor synet av kyr. La enheten der i minst 2 dager.
  2. Forbered et agn feed som dyrene liker. Ulike fôr kan være forsøkt å lokke kyr, selv om en blanding av 70% bakken mais, 27% tørre melasse, og 3% soyaolje (as-er vektbasis) har blitt brukt i laboratoriet. Unngå klissete og støvete feeds som kan tette luftfilteret og matingssystem for AHCS. Det er foretrukket at tilførselen pelletert.
  3. Gi en liten mengde (en håndfull) i fôr til alle dyrene ved å plassere den på toppen av fôret de er vant til, for å få dem til å bli kjent med agn feed.
  4. Veldig sakte flytte AHCS til ca 1,5 m from dyret.
  5. Plassere ca. 1 kg agn feed i en bøtte, og at dyret kan lukt og smak agnet foret. Gradvis flytte bøtta mot fôring trau av AHCS enhet, tvinger dyret til å strekke og nå mot AHCS fôring trau.
  6. Dumpe noen av agnet feed fra bøtte inn i AHCS fôring trau og beveg AHCS enhet mot kua. Hvis du på noe punkt i trening, blir engstelig eller redd kua, flytte enheten vekk fra henne og prøve igjen på et annet tidspunkt eller dag.
  7. I løpet av flere dager, gjenta trening før dyrene er vant og opphisset av AHCS enhet, (dvs. agnet feed). Hvis et dyr ikke kan bli vant til AHCS, erstatte med et annet dyr før forsøket begynner og trene den nye dyr å følge prosedyren over.

3. Kalibrering av AHCS

Merk: Konsentrasjonsområdet av CO 2 sensoren er 0 til 5%; denOmrådet for CH 4-sensoren er 0 til 2%. Påvisning nedre grense er 20 ppm for CH 4 og 50 ppm for CO 2. Det er ingen bekymringer om høye bakgrunnsnivåer av CH 4 og CO 2 fordi deteksjonsgrensene er langt større enn trygge høye bakgrunnsnivåer av disse gassene i dyrefasiliteter.

  1. For maksimal nøyaktighet, utføre denne kalibreringen 5 ganger i begynnelsen og 3 ganger på slutten av hver gassmåling eksperiment.
  2. Bruk følgende gasser (se Materialer Table): 0,15% CH 4 og 1% CO 2 (klasse sertifisert master class, ± 2% nøyaktighet) for kalibreringsgass og 100% N 2 (99,999% ren) for null gass.
  3. Fyll en prøvepose med to L på null gass, og en annen pose med 2 liter span gassblanding. Pass på å bruke fullt deflated bag. Fylle posene med ny gass på dagen for kalibrering.
  4. Skift poser etter 1 års bruk eller mindre, hvis det er nødvendig.
  5. Ta gassenstandardene til det sted hvor gassmålings forsøket finner sted. Hvis dyrene og måling foregår i et lukket anlegg (ie., Et meieri låve), slå låven fans PÅ under hele kalibreringsprosessen. Dette er nødvendig for å minimere effekten av metankonsentrasjonen i bakgrunnen luften.
  6. Slå AHCS PÅ og la det varme før kalibreringen i minst 30 min. Fjern proppen fra kalibreringsrør plassert på innsiden av frontpanelet. Pass på at det ikke er vann i kalibrerings tube. Fjerne vann, om nødvendig. Vannet vil ødelegge gasskonsentrasjonen sensorer.
  7. Koble N2 prøvepose (null gass) til kalibreringsrøret. Skru av plastventil på prøveposen mot urviseren en hel omdreining for å tillate strømning.
  8. Drei "RUN kalibrere" knott befinner seg på instrument kontrollpanelet AHCS til «KALIBRERE". Dette vil starte å pumpe prøven ut av posen. Når strømnings starter, trykkerog hold "CALIBRATE" knappen i 10 sek før du slipper den.
  9. Vent for prøven posen for å slippe ut luften til omtrent 10% av sin kapasitet. Ikke helt tømme sekken, kan det skade sensoren. Når posen er på ca 10% av sin kapasitet, slår "RUN kalibrere" bryteren tilbake til "RUN".
  10. Lukk prøvepose og koble den fra kalibreringsrør. Vent 2 min og deretter kobler du span gassblandingen bag til kalibreringsrør.
  11. Gjenta trinn 3.7.
  12. Når flyten starter, trykk og hold "CALIBRATE" knappen i 3 sekunder, og slipp den.
  13. Gjenta trinn 3.10.
  14. Lukk prøvepose og koble den fra kalibreringsrør. Sett på stopperen inn i kalibreringsrøret.
    Merk: Etter kalibreringen er fullført, "faktor" verdier vil vises i kategorien data på nettsiden. Variasjonskoeffisienten av de faktorer som bør være mindre enn 3% og 1% for CH4 og CO2, respectively. Hvis ikke innenfor dette området, gjenta kalibreringen.

4. CO 2 Recovery Test

  1. Utfør CO to gjenvinningstest minst én gang (3 = frigjør en sylinder av CO 2) før hver gassmåling eksperiment. I kontinuerlige programmer, utføre gjenoppretting test en gang per måned.
  2. Kontroller at CO 2 utvinning testventil er AV (ventilen er vinkelrett på utløpsmunnstykket). Fest en ny CO 2 sylinder til utgivelsen systemet og skru ventilen med klokken til stramt.
  3. Nivå og null masse skala. Plasser hele utgivelsen systemet på skalaen for å sikre at det er nøyaktig. Test for å sikre CO 2 strømmer: åpne / PÅ ventil og raskt lukke den igjen mens du lytter for CO 2 kommer ut av munnstykket. Det bør være en "whishing" lyd når CO 2 strømmer.
  4. Fest CO 2 sylinderholderen til fôring trau. Fra now på, ikke la dyr komme nær / puste inn i materen. Folk bør heller ikke puste inn i materen.
  5. Veie CO 2 sylinder med utgivelsen system. Spill denne massen som første masse. Spill gjeldende lokal tid i starten av hver CO 2 utslipp.
  6. Plasser CO to sylinder og frigjøre systemet i CO to sylinderholderen (krybbe) og direkte til munnstykket inn i manifolden. Ikke pust inn i materen.
  7. Slå på PÅ / AV-ventil for å slippe CO 2 og registrere start tidspunktet for utgivelsen. Tilbake flere meters avstand fra materen og vent 3 min. Etter 3 min, slå av / PÅ ventil og rekord stopp tidspunktet for utgivelsen.
  8. Ta av CO 2 sylinder pluss frigjøringssystem fra materen. Ikke skru av CO 2 sylinder fra utgivelsen system. Hold CO 2 sylinder i en balje med varmt vann (37 til 43 ° C). Plasser bare sylinderen i vann, ikke hele utløsningssystemet.
  9. 2 sylinderen varmes opp, ta den ut av vannet og bruke en tørkeklut til å tørke alt vannet fra den. Veie CO 2 sylinder med utløsningssystem og registrere dette som endelig masse.
  10. Vent minst tre minutter før neste utgivelse. Under 3 min ventetid, ikke la noen dyr eller person i nærheten av enheten. En 90 g CO 2 sylinderen vil gi om lag tre utgivelser så bruk flere sylindere hvis det er mer enn 3 utgivelser. Når en sylinder er tom, veie tom sylinder, og videre med en ny sylinder, som beskrevet ovenfor.
  11. Gjenta trinn 4.3 gjennom 4.9 minst 3 ganger, som markerer ny starttid, stopptid, innledende masse, og endelig masse av hver utgivelse.
  12. Etter den siste utgivelsen, vent i minst tre minutter før slik at dyrene får tilgang til enheten. Når du er ferdig, skru av CO 2 sylinder fra utgivelsen system.

5. gassmåling

Merk: Førgassmåling, en siste (i en uke) kalibrering av AHCS er nødvendig. Se trinn 3, Kalibrering av AHCS og 4, CO 2 gjenoppretting test. Sørg for dyrets RFID tag er på plass.

  1. Strøm opp AHCS og la virke i 30 min for å varme opp før du gjør noen målinger.
  2. Posisjon AHCS slik at luftstrømmen fra låven fans får lov til å gå inn i krybbe. Vent 2 min. Trykk på matings knappen og hold i 3 sekunder for å levere ca 50 g av fôr. Validere visuelt at fôr har blitt levert inn fortrauet.
  3. Rull AHCS foran en ku. Spill tiden i forsøket notebook. Enheten vil lese dyrets RFID-brikke.
  4. Levere mate 5 flere ganger over en 5 min samplingsperiode, avstand dem for å forsøke å holde dyrets hode kontinuerlig i tilførselsrennen. Dersom ekstra fôr er nødvendig (for å holde dyrets hode inn i fôring trough), gjøre oppmerksom på det i forsøket notebook.
  5. Ikkee: Strøm / pellets leveres vanligvis en gang hvert 50 sekund for totalt 6 dråper (300 g / måling arrangement) for å oppnå enkelte måleperioder av 5 min. Den AHCS er utstyrt med infrarøde sensorer for kontinuerlig å overvåke avstanden av dyrets hode i forhold til luftinntaksmanifolden. Disse dataene kan deretter brukes til å identifisere perioder når dyrets hode ikke var på plass, og disse måledata blir kassert.
  6. Når 5 min prøveperioden er utløpt, trekker AHCS vekk fra dyret og posisjon enheten slik at luftstrømmen fra låven fans får lov til å gå inn i krybbe. Vent i 2 minutter for å spyle luft gjennom systemet og for å samle bakgrunns luft sammensetningsdata.
  7. Gjenta trinn 5.2 til 5.5 for flere dyr.
  8. Gjenta sampling 8 ganger i løpet av en 24 timers fremføringssyklus, forskjøvet i tid over en tre-dagers periode. Den følgende prøvetagningsplan har blitt brukt: 0900, 1500, og 2100 t (sampling dag 1), 0300, 1200, og 1700 hr (sampling dag 2), og 0000 og 0500 timers (sampling dag 3). Dette prøvetakingsplan vil levere 8 prøver per dyr og per sampling periode. Prøvetakingstider kan variere avhengig av fôring og melking ganger.
    Merk: Når gass prøvetaking er fullført, hente utslippsdata fra nettsiden.

Representative Results

Figur 1

Figur 1: Komponenter i Automated head-Chamber System (AHCS, GreenFeed) for måling av CH 4 produksjon i drøvtyggende dyr.

Metanproduksjon i vommen er et substrat-avhengig mikrobiologisk prosess 7. Fremstilling av CH 4 og CO 2 øker etter at dyret er matet og avtar deretter. Figur 2 viser økningen i CH 4 produksjon fra en melkeku foret ad libitum på rundt 0600 timer (upubliserte data fra AN Hristov, Pennsylvania State University).

Figur 2
Figur 2: Døgnvariasjoner CH 4 utslippene fra en melkeku matet en gang daglig målt ved hjelp AHCS (feilfelt representerer SE; data courtesy of AN Hristov, Pennsylvania State University).

Feil barene på dette tallet representerer variasjon i CH 4 utslipp under en prøvetaking hendelse (som inkluderer flere oppstøt sykluser). Det er klart at i noen tilfeller (rundt 0400 og 0900 timer), variasjonen var større på grunn av endring av konsentrasjonen av CH 4 i utåndet gass. Det er også klart at CH 4-utslippene økte etter foring (som var rundt 0600 timer i dette eksempelet). Den gjennomsnittlige daglige CH 4 utslipp (ie., Et gjennomsnitt av de 13 måle hendelser) fra denne kua var 727 ± 22,9 g / dager, eller 26 g / kg når uttrykt per kg av kosthold tørrstoff (DMI).

For å demonstrere spekter av CH 4 utslippene fra en gruppe av ammende melkekyr målt ved hjelp AHCS, inkluderer vi data fra en nylig crossover utforming studie utført ved Pennsylvania State University at utnyttet teknisk-grade cashew nut shell væske som en CH 4 mitigation middel (tabell 1). Rettssaken var med 8 ammende Holstein melkekyr og 2 eksperimentelle perioder på 21-dager hver. Metan data ble samlet inn i løpet av den siste uken i hver periode. Metan utslippsdata ble ikke samlet inn fra en ku i perioden 1. og data for at kua ble heller ikke benyttet i perioden 2. Nærmere om forsøket kan bli funnet i Branco et al. 12. Gjennomsnittlig CO 2 -utslipp i denne studien var over 18 000 g / ku per dag, eller 634 g / kg DMI. Gjennomsnittlig CH 4-utslippet for denne gruppen av kyr var 523 g / dag, eller 20 g / kg DMI, som er lik den gjennomsnittlige CH 4-utslipp rapportert for et datasett av over 370 behandlingsmidlene (19,1 ± 0,43 g / kg DMI) 7. I studien vist i tabell 1, sammenlignet med kontrollen, hadde en tendens til teknisk grad av cashew-nøtteskallvæske for å redusere CH 4 produksjon i rumen av kyr med ca 5% (P = 0,08) 12.

e_content "> Tabell 1

Discussion

Den AHCS systemet kombinerer elementer av et dynamisk kabinett teknikk, kammersystem, og tracer teknikk for massefluks målinger av CH 4 og CO 2. I løpet av noen dager, samler det flere prøver fra hvert dyr for å definere den gjennomsnittlige totale daglige gassmasse flukser. Å identifisere et dyr, og levere riktig mengde agn, er en RFID-leser innlemmet i AHCS. RFID-koden leses som dyret begynner å plassere hodet inn i materen. Når et dyr blir identifisert, AHCS avgjør om det er berettiget til å motta et agn belønning på det bestemte tidspunkt på dagen (beite eller gratis-stall låve programmer). Starten og slutten tidspunktet for hvert dyr besøk (fastsatt basert på infrarøde sensorer) blir automatisk registrert. Agnet leveringssystem blir brukt for å tiltrekke dyr til AHCS jevne mellomrom i løpet av dagen. Vanligvis er egnemate pelletisert og kan inneholde gress, alfalfa, korn konsentrater, melasse, og vegetabilsk olje.Mens et dyr besøk AHCS, trekker en vifte luft over hodet (med hastighet på ca 26 L / min), feiing slippes CH 4 og CO 2 inn et luftinntak manifold. Den luftstrømningshastigheten ble målt kontinuerlig med en hot-film anemometer i midten av luftsamlerørledning. En kontinuerlig sub-prøve av luft blir trukket ut og rutes til en sekundær sample filter, deretter i to Non-spredt infrarød analysatorer, en sensor for CO 2 og en for CH 4. AHCS inkluderer også flere sensorer for lufttemperatur, luftfuktighet, agn slipp, systemspenning, atmosfærisk trykk, propan strømningshastighet, og hodeposisjonen. Beite og trailer montert versjoner for beite systemer inkluderer en kopp vindmåleren (lokal vindhastighet) og vindfløy (vindretning). Alle sensor data blir lagret på en lokal datalogger og en datamaskin, slik at AHCS å fungere automatisk og uavhengig. Sensordata blir også lagret på en intern standard USB (Universal Serial Bus) minnepinne. AHCS datanormalt overføres via en internettadresse, en gang per time, til en ekstern server hvor de er permanent logget. Brukere med Internett-tilkobling kan fjern logge inn AHCS og styre enheten, endre baiting tidsplaner, og vurdere historiske og sanntidsdata samt gjennomgang og overvåke AHCS funksjon.

Overall, eksperimenter utført ved Pennsylvania State University viste at AHCS systemet leverer pålitelige estimater for CH 4 og CO 2 -utslipp fra melkekyr plassert i tie-stall fjøs. Fordelene med AHCS enn åndedrett kamre er at dyret ikke er begrenset og er i sitt naturlige miljø (ie., På beite), eller kan fritt bevege seg (i et fritt-stall låve). AHCS er også billigere å bygge enn en tradisjonell respirasjon kammer. Denne relativt lav pris er viktig, spesielt for CH 4 klimatiltak forskning i utviklingsland. Sammenlignet med SF 6 sporr-metoden, er AHCS enklere å betjene og ikke krever komplisert og kostbart analyseutstyr. Kanskje den mest åpenbare ulempe med AHCS, sammenlignet med kamrene og SF 6 metoder (spesielt når den brukes i beite eller fri-stall låven miljøer), er at dyret har til frivillig å nærme seg enheten og dermed gassmålingsarrangementer er avhengig av dyre besøk . I løpet av en dag, er disse dyr besøk kan eller kan ikke være representativ for døgnrytmen av CH 4 produksjon. Derfor, i anvendelser hvor dyret besøkene AHCS frivillig, samplingsperioden bør være lang nok, eller gjentas et tilstrekkelig antall ganger. Tie-stall program som brukes ved Pennsylvania State University lindrer dette problemet ved å kontrollere antall og tidsmessige fordelingen av gassmålinger i løpet av en 24-timers fôring syklus. Tilstrekkelig prøvetaking av oppstøt gass i løpet av en fremføringssyklus (som angitt i det ovennevnte protokoll) er viktig for representative estimering av CH 4 produksjonen i rumen hos storfe. Mengden av agn mate mates til dyrene under målinger ved hjelp av AHCS må tas i betraktning i den samlede analyse (dvs. må legges til den totale mengden av konsumert av dyret), slik at emisjonsintensitet per enhet av mate DMI kan være nøyaktig Antatt. Under normale beiteforhold, representerer agnet mate mindre enn 5% av den totale DMI av en melkekyr og dens effekt på det ruminale gjæring og CH 4-produksjonen er liten. Det skal bemerkes at AHCS (og andre lignende systemer) ikke måler CH 4 produksjonen i dyrets hindgut. Hindgut gjæring, bidrar imidlertid bare rundt 3% av de totale CH 4 utslippene i en drøvtygger 7.

Basert på erfaring, er det flere viktige komponenter for å måle ente vomma gassproduksjon ved hjelp AHCS: (1) dyret må være vant til baiting fôr (og AHCS) og har to som det i orden å nærme seg og bruke AHCS mater, (2) dyrets hode må være satt helt inn i materen for å samle inn pålitelige gassutslippsdata, (3) den AHCS kalibreringen må følges strengt (4) som har tilstrekkelig tid til å samle bakgrunns CH 4 og CO 2 data mellom prøvetaking enkelte dyr er viktig, spesielt i slips eller gratis-stall fjøs, og (5) er det viktig at nok data er samlet i en sampling syklus ( dekker en 24-timers periode) så utslippsdata generert av AHCS er representative for den faktiske dagaktive CH 4 eller CO 2 -utslippene med dyret.

Komparative tester med AHCS kontra etablerte CH 4 måleteknikker støtte de ovennevnte konklusjoner. For eksempel, en studie med voksende melke kviger konkluderte med at AHCS var i stand til å estimere CH 4 utslipp fra husdyr og utslippsestimater generert av AHCS var sammenligntil verdier oppnådd ved respirasjon kamre 9. Disse forfatterne påpekte at utsetting av AHCS enheter og replikering må vurderes nøye for å sikre tilstrekkelig antall målinger oppnås. Basert på erfaring og 8 samplings hendelser, forskjøvet over en 3-dagers perioden for å dekke et 24 timers fremføringssyklus (se protokollen ovenfor) er tilstrekkelig til å oppnå nøyaktige målinger av gassutslipp og relativt lav variabilitet i dataene (dvs. akseptabel presisjon). I en studie med melkeproduserende kyr, ble det konkludert at CH 4 utslipp målt ved AHCS var tilsvarende litteraturverdier utledet fra respirator kammer og mellom dyr variabilitet (CV på 11 til 12%, repeterbarhet på 0,64 til 0,81) ble også innenfor spredningen for åndedrett kamre 10. I en nylig publisert studie med ammende kyr, produsert AHCS en mindre CV enn SF 6-metoden (14,1 til å 22,4% vs. 16,0 til 111% for SF 6) 13 4 produksjon ble hemmet med 30% (p <0,001), konkluderte vi med at AHCS og SF 6 metoden produsert lignende CH 4 utslippsresultater : 319-481 g / ku per dag (gjennomsnitt = 374 g / d; SEM = 15,9; CV = 13%) og 345-485 g / ku per dag (gjennomsnitt = 396 g / d; SEM = 29,8; CV = 23 %) for AHCS og SF 6, henholdsvis 14.

I konklusjonen, nøyaktig, men praktiske teknikker for måling av CH 4 produksjonen i vomma er kritisk viktig for suksessen til klimagassreduserende tiltak. AHCS er en automatisert gassmålesystem som har vist seg å gi pålitelige og nøyaktige beregninger av ente CH 4 og CO 2 -utslipp fra biff og melkeku.

Disclosures

Forfatterne Patrick R. Zimmerman og Scott R. Zimmerman er medeiere av C-Lock, Inc.

(Rapid City, SD), produsenten av GreenFeed (AHCS) beskrevet i denne artikkelen.

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