Het gebruik van een Automated System (GreenFeed) naar Enterisch methaan en kooldioxide emissies van herkauwers Monitor

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

Herkauwers (gedomesticeerde of wilde) stoten methaan (CH 4) door middel van fermentatie in hun spijsverteringskanaal en van de afbraak van mest tijdens opslag. Deze processen zijn de belangrijkste bronnen van broeikasgassen (BKG) uit dierlijke productiesystemen. Technieken voor het meten van enterische CH 4 variëren van directe metingen (ademhaling kamers, die zeer nauwkeurig zijn, maar met beperkte toepasbaarheid) aan verschillende indirecte methoden (sniffers, lasertechnologie, die praktisch zijn, maar met een variabele nauwkeurigheid). Het zwavelhexafluoride (SF 6) indicatorgas methode wordt vaak gebruikt om enterische CH4 productie te meten door dierlijke wetenschappers en meer recent, de toepassing van een Automated Head-Chamber System (AHCS) (GreenFeed, C-Lock, Inc., Rapid City, SD), die de focus van dit experiment, is gegroeid. AHCS is een geautomatiseerd systeem bewaken CH 4 en kooldioxide (CO2) massastromen vanadem van herkauwers. In een typische AHCS operatie worden kleine hoeveelheden uitspanning voeding verstrekt aan individuele dieren om ze dagelijks te lokken naar AHCS meerdere keren. Als het dier bezoekt AHCS, een ventilator systeem trekt lucht langs de snuit van het dier in een inlaatspruitstuk, en door middel van een lucht collectie pijp, waar continue luchtstroom tarieven worden gemeten. Een sub-monster van lucht uit de pijp gepompt in niet-dispersieve infrarood-sensoren voor continue meting van CH 4 en CO 2 concentraties. Gebied vergelijkingen van AHCS ademhaling kamers of SF 6 hebben aangetoond dat AHCS produceert herhaalbare en nauwkeurige CH 4 emissie-resultaten, op voorwaarde dat de dieren bezoeken aan AHCS zijn voldoende dus emissieramingen representatief zijn voor het ritme van de pens gasproductie overdag. Hier tonen we het gebruik van AHCS CO 2 en CH meet 4 stromen van melkkoeien krijgt een controle dieet of een dieet aangevuld met technische kwaliteit cashewnotenshell vloeistof.

Introduction

Dierlijke productie is een belangrijke bron van broeikasgassen (BKG) in de wereld, het genereren van CH 4 en lachgas, hetzij direct (bijvoorbeeld van enterische en mestbeheer) of indirect (bijvoorbeeld van feed-productie-activiteiten en de omzetting van het bos in de weide of akkerland). Schattingen voor vee bijdrage aan de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen variëren van ongeveer 1 tot 18 7% 2, afhankelijk van de grenzen van de analyse en methoden. In de Verenigde Staten, vee vertegenwoordigde 3,1% van de totale uitstoot van broeikasgassen in 2009 3.

Enteric CH 4 is de grootste bijdrage aan de uitstoot van broeikasgassen van vee. Daarom zijn dierlijke wetenschappers hun onderzoek gericht op het ontdekken mitigatie technologieën voor het verminderen van enterische CH4 productie van herkauwers. In veel gevallen zijn de resultaten van twijfelachtige wetenschappelijke waarde als gevolg van onvoldoende proefopzet or meettechnieken 1. Aldus, de nauwkeurigheid en de precisie van de meettechnieken cruciaal belangrijke onderdelen van BKG vermindering onderzoek. Een grote hoeveelheid literatuur is verschenen over dit onderwerp in de afgelopen jaren 07/04. Er zijn verschillende benaderingen voor het meten vastgesteld enterische CH4 productie bij herkauwers, zoals respiratiecellen (zeer nauwkeurig maar met beperkte toepasbaarheid), tracer gassen (zwavelhexafluoride, SF 6) en kop-kamers. Hoewel de ademhaling kamers worden beschouwd als de "gouden standaard" voor het meten van de pens van broeikasgassen, hun belangrijkste nadeel is dat het aantal dieren op proef meestal beperkt als gevolg van het beperkte aantal kamers beschikbaar op een bepaald onderzoeksfaciliteit. De meest praktische en meest gebruikte technieken voor het meten van enterische CH4 productie zijn de SF 6 tracergas methode en meer recent, een Automated Head-Chamber System (AHCS, GreenFeed) dat ceen beeldscherm CH 4 en CO 2 massale stromen van de adem en oprispingen gas van herkauwers 8. Zowel de SF 6 techniek en AHCS mogelijk maken de emissies worden geanalyseerd op een groot aantal dieren in de vrije grazen voorwaarden of in vrij- en tie-kraam schuren. De SF 6 techniek gebruikt SF6 als tracergas, dat continu wordt afgegeven uit een permeatiebuis ingebracht in de pens van het dier, verzamelen van een monster van uitgeademde gassen, en analyse van het gas SF6: CH 4 ratio. AHCS is een geautomatiseerd, head-kamer soort systeem dat ook is gebaseerd op het gebruik van een indicatorgas (propaan). Vergeleken met de respiratiekamer methode, waar de dieren worden opgesloten in abnormale voeding en gedrag omstandigheden, en met de SF 6 tracer methode, die speciaal analytische vaardigheden en uitrusting (voor gas verzamelen en SF6 analyse) plus uitgebreide dierlijke behandeling vereist, AHCS is niet -intrusive en is minder duurte verwerven en te bedienen. Grote tekortkomingen van AHCS omvatten niet-representatieve steekproef (in toepassingen, zoals begrazing systemen, waarbij de dieren vrijwillig bezoek aan de eenheid) en het gebruik van aas-feed, die tot 5% van de droge stof opname van het dier tijdens een gasmeting kunnen vertegenwoordigen event. Recente vergelijkende experimenten hebben geconcludeerd dat AHCS produceert emissie tarieven vergelijkbaar met die geschat met behulp van de ademhaling kamers of de SF 6 techniek 9,10.

De stand-alone AHCS systeem is opgebouwd rond een robuuste automatische feeder dat is gemakkelijk te vervoeren met de hand of kan een aanhangwagen uitgerust met zonnepanelen (of andere stroombronnen) voor het autonome gebied van bediening en lange afstanden worden gemonteerd. Het systeem omvat een dier Radio-Frequency Identification-systeem (RFID), een lokken systeem, een luchtbehandelingssysteem en meetsysteem, een gas tracer systeem, elektronica en communicatie-systeem, en een data-handling systeem (<strong> Figuur 1). Meer details zijn te vinden in de oorspronkelijke patent documentatie 11.

Het voorbeeld AHCS operatie protocol hieronder beschreven is voor melkgevende koeien gehuisvest in een tie-ligboxenstal. De procedure is van toepassing op andere categorieën runderen (niet-melkgevende koeien, vaarzen, of runderen) gehuisvest in soortgelijke faciliteiten. Het doel van deze proef is om de principes en werking van AHCS tonen voor het meten van CH4 en CO 2 uitstoot van herkauwers.

Protocol

Dieren die betrokken zijn bij het in de representatieve resultaten beschreven experiment werden verzorgd volgens de richtlijnen van de Pennsylvania State University Animal Care en gebruik Comite. De commissie beoordeeld en goedgekeurd het experiment en alle procedures die in het onderzoek worden uitgevoerd. Details, zoals dierlijke en dieetsamenstelling informatie en experimenteel design, is te vinden in de volledige publicatie van dit experiment 12.

Opmerking: Voor een lijst van apparatuur en benodigdheden die nodig zijn om het experiment uit te voeren, zie Materialen Tafel.

1. Experimenteel ontwerp

  1. Verkrijgen goedkeuring Institutional Animal Care en gebruik Comite voor het experiment. Dit is een niet-invasieve procedure dat geen pijn veroorzaakt bij de dieren en is geclassificeerd als USDA categorie C (Slight of kortstondige pijn of angst of geen pijn of angst). Anesthesie is niet noodzakelijk.
  2. Selecteer intact (dwz niet-canule) koeienhet experiment op basis lactatiestadium, leeftijd en melkproductie. Heeft canule koeien met AHCS vanwege mogelijke lekkage van pens gas door de canule niet gebruiken. Inrichting ontworpen om dit probleem te verlichten wordt momenteel getest maar de resultaten worden hier niet gemeld.
  3. Als een crossover (bijv Latijns vierkant, bijvoorbeeld) wordt gebruikt, gebruikt 8-12 koeien, afhankelijk van het aantal behandelingen, in een herhaald ontwerp gebalanceerd restverschijnselen. Wanneer bijvoorbeeld 4 behandelingen worden getest, zal 8 koeien een gerepliceerde 4 × 4 ontwerp proef opleveren, enz. De aanbevolen minimale duur van deze soorten experimenten wordt 21 tot 28 dagen, met de eerste 14 tot 21 dagen voor de aanpassing aan de behandeling en 7 dagen voor gegevensverzameling.
  4. Als een gerandomiseerd blok ontwerp wordt gebruikt, gebruikt 12 tot 15 koeien per behandeling. Zijn voorzien van een 2-weekse covariabele periode voor het verzamelen van gegevens begint. De aanbevolen deze experimenten 8-12 weken, met de eerste 2 weken being aanpassing aan behandeling.
  5. Rusten elk proefdier met een ISO 11784 of 11785-compatibele RFID identificatielabel.

2. Training van de dieren te gebruiken AHCS

  1. Voordat het experiment begint, bewegen AHCS in de inrichting waar de koeien zich bevinden. Plaats de eenheid binnen het gezichtsvermogen van de koeien. Laat het toestel er minstens 2 dagen.
  2. Bereid een aas voer dat de dieren graag. Verschillende voeders verzocht wordt om koeien te lokken, hoewel een mengsel van 70% gemalen mais, 27% droge melasse en 3% sojaolie (als-is gewichtsbasis) is met succes gebruikt in het laboratorium. Vermijd kleverig en stoffige feeds dat het luchtfilter en het voer leveringssysteem van AHCS kunnen verstoppen. Bij voorkeur wordt de voeding gepelleteerd.
  3. Geef een kleine hoeveelheid (een handvol) voer voor alle dieren door het te plaatsen bovenop het voer ze gewend zijn, zodat zij vertrouwd met het aas voer worden.
  4. Heel langzaam AHCS tot ongeveer 1,5 m vrOM het dier.
  5. Plaats ongeveer 1 kg aas voeding in een emmer en laat het dier te ruiken en proeven van de aas feed. Geleidelijk de emmer naar de voerbak van de AHCS eenheid, waardoor het dier te rekken en bereiken richting AHCS voertrog.
  6. Dump een aantal van de aas-feed uit de emmer in de AHCS voerbak en langzaam de AHCS eenheid naar de koe. Als op enig moment van de opleiding, de koe wordt angstig of bang, zet het apparaat weg van haar en probeer het opnieuw op een ander tijdstip of dag.
  7. In de loop van enkele dagen, herhaal de training tot de dieren gewend zijn en enthousiast over de AHCS eenheid, (dat wil zeggen, het aas voer). Als een dier niet kan wennen aan AHCS, te vervangen door een ander dier voor het experiment begint en trainen de nieuwe dier na de bovenstaande procedure.

3. Kalibratie van AHCS

Opmerking: Het concentratiebereik van de CO 2 sensor 0-5%; debereik voor de CH 4 sensor 0-2%. De detectie ondergrenzen zijn 20 ppm voor CH 4 en 50 ppm voor CO 2. Er zijn geen bezorgdheid over de hoge achtergrondniveaus van CH4 en CO 2 omdat de detectielimieten zijn veel groter dan veilige hoge achtergrondniveaus van deze gassen in dierlijke faciliteiten.

  1. Voor maximale nauwkeurigheid Voer deze kalibratieprocedure 5 keer aan het begin en 3 maal aan het eind van elke gasmeting experiment.
  2. Gebruik de volgende gassen (zie Materialen tabel): 0,15% CH 4 en 1% CO 2 (graad gecertificeerd masterclass, nauwkeurigheid ± 2%) voor ijkgas en 100% N2 (99,999% zuiver) voor nul gas.
  3. Vul een monster tas met 2 L van nul gas en een andere tas met 2 L van de overspanning gasmengsel. Zorg ervoor dat u volledig leeggelopen zak gebruiken. Vul de zakken met nieuwe gas op de dag van de kalibratie.
  4. Vervang zakken na 1 jaar van gebruik of minder, indien nodig.
  5. Neem het gasnormen naar de plaats waar de gasmeting experiment plaatsvindt. Als de dieren en metingen vinden plaats in een overdekte ruimte (bijv., Een zuivelfabriek schuur), draai de schuur fans tijdens de gehele kalibratie proces. Dit is noodzakelijk om het effect van methaan concentraties in de achtergrond lucht te minimaliseren.
  6. Draai AHCS ON en laat het warm voor de kalibratie voor ten minste 30 min. Verwijder de stop van de kalibratie buis zich in het voorpaneel. Zorg ervoor dat er geen water in de kalibratie buis. Verwijder water, indien nodig. Het water zal de gasconcentratie sensoren vernietigen.
  7. Sluit de N2 monster zak (zero gas) om de kalibratie buis. Schroef de plastic klep op het monster zak tegen de klok in 1 volledige beurt om doorstroming mogelijk te maken.
  8. Draai de "RUN-CALIBRATE" knop op het instrument bedieningspaneel van AHCS naar "CALIBRATE". Dit zal beginnen met het pompen van de steekproef uit de zak. Zodra de stroom begint, drukt u open houd de "CALIBRATE" knop 10 seconden laat hem dan los.
  9. Wacht tot de monsterzak leeglopen tot ongeveer 10% van zijn capaciteit. Niet volledig de zak leeg is, kan het van de sensor beschadigen. Zodra de tas is ongeveer 10% van zijn capaciteit, draai de "RUN-CALIBRATE" knop terug naar "RUN".
  10. Sluit het monster zak en de stekker uit het kalibratie buis. Wacht 2 minuten en daarna sluit de overspanning gasmengsel zak om de kalibratie buis.
  11. Herhaal stap 3.7.
  12. Zodra de stroom begint, houdt u de "CALIBRATE" knop gedurende 3 seconden en laat hem dan los.
  13. Herhaal stap 3.10.
  14. Sluit het monster zak en de stekker uit het kalibratie buis. Vervang de stop in de kalibratiebuis.
    Opmerking: Nadat de kalibratie is voltooid, "factor" waarden zullen verschijnen in het tabblad gegevens op de webpagina. De variatiecoëfficiënt van de factoren zou minder dan 3% en 1% voor CH4 en CO 2, r wordenespectively. Als niet binnen dit bereik, herhaal de kalibratie.

4. CO 2 Recovery Test

  1. Voer de CO 2 recovery ten minste één keer (3 releases = 1 cilinder van CO 2) voor elke gasmeting experiment. In continue toepassingen, voert u de recovery-test een keer per maand.
  2. Controleer of de CO 2 hersteltest klep OFF (de klep loodrecht staat op het uitlaatmondstuk). Bevestig een nieuwe CO 2 cilinder om de vrijlating systeem en draai de kraan rechtsom tot strak.
  3. Niveau nul en de massale schaal. Plaats de gehele release system op de schaal om ervoor te zorgen dat juist is. Test om te zorgen voor CO 2 stroomt: open de ON / OFF-klep en weer snel sluiten tijdens het luisteren voor CO 2 het mondstuk verlaat. Er zou een "whishing" geluid wanneer de CO 2 stroomt zijn.
  4. Bevestig de CO 2 cilinderhouder tot de voedertrog. Uit now op, laat de dieren krijgen in de buurt / inblazen de feeder. Mensen moeten ook niet te ademen in de feeder.
  5. Weeg de CO 2 cilinder met de release systeem. Nemen deze massa als initiële massa. Noteer de huidige lokale tijd aan het begin van elke CO 2 release.
  6. Plaats de CO 2 cilinder en laat het systeem in de CO 2 cilinder houder (voerbak) en richt het mondstuk in het spruitstuk. Adem niet in de feeder.
  7. Zet de ON / OFF klep om de CO 2 vrij te geven en te nemen starttijd van de release. Terug enkele meters afstand van de feeder en wacht 3 min. Na 3 minuten, zet de AAN / UIT-ventiel en opname eindtijd van release.
  8. Verwijder de CO 2 cilinder plus vrijlating systeem van de feeder. Niet schroef de CO 2 cilinder van de release systeem. Houd de CO 2 cilinder in een bad van warm water (37 tot 43 ° C). Plaats alleen de cilinder in het water, niet het hele systeem vrijkomen.
  9. 2 cilinder is opgewarmd, verwijderen uit het water en gebruik een droog doek om al het water af te vegen van het. Weeg de CO 2 cilinder met afgiftesysteem en noteer dit als laatste massa.
  10. Wacht tenminste 3 minuten voor de volgende release. Tijdens de 3 min wachttijd, geen enkel dier of persoon in de buurt van het apparaat niet toegestaan. Een 90 g CO 2 cilinder zal ongeveer 3 releases dus gebruik van meerdere cilinders als er meer dan 3 releases. Wanneer een cilinder leeg is, wegen de lege cilinder en verder met een nieuwe cilinder, zoals hierboven beschreven.
  11. Herhaal de stappen 4.3 tot 4.9 minstens 3 keer, het markeren van de nieuwe starttijd, stoptijd, de eerste massa en de uiteindelijke massa van elke release.
  12. Na de definitieve versie, wacht tenminste 3 minuten alvorens de dieren toegang tot het apparaat. Wanneer u klaar bent, draai de CO 2 cilinder van de release systeem.

5. gasmeting

Opmerking: Voorafgaand aangasmeting, een recente (binnen een week) kalibratie van AHCS is vereist. Zie stappen 3, kalibratie van AHCS en 4, CO 2 recovery. Zorg ervoor dat RFID-tag van het dier is op zijn plaats.

  1. Power-up AHCS en laat gedurende 30 minuten op te warmen voordat u de metingen.
  2. Positie AHCS zodat de luchtstroom van schuur fans is toegestaan ​​in de voerbak te gaan. Wacht 2 min. Druk op de Feed Delivery knop en houd 3 seconden tot ongeveer 50 g voer te leveren. Visueel bevestigen dat diervoeder is in de voederbak afgeleverd.
  3. Rol AHCS in de voorkant van een koe. Noteer de tijd experiment notebook. Het toestel zal RFID-tag van het dier te lezen.
  4. Lever voer 5 extra keer over een 5 min bemonsteringsperiode, tussenruimte te trachten kop van het dier continu in de voedertrog houden. Als extra voeding nodig is (aan het hoofd van het dier in de voerbak te houden), noteer deze in het experiment notebook.
  5. Niete: Feed / pellets worden gewoonlijk eenmaal per 50 seconden voor een totaal van 6 druppels (300 g / meting event) afzonderlijke meetperioden van 5 min verkrijgen opgeleverd. De AHCS is uitgerust met infrarood sensoren om voortdurend toezicht op de afstand van het hoofd ten opzichte van het dier aan de lucht inlaatspruitstuk. Deze gegevens worden vervolgens gebruikt om periodes waarin de kop van het dier niet in positie en deze meetgegevens worden verwijderd identificeren.
  6. Zodra de 5 min steekproef is verstreken, trekt AHCS weg van het dier en de positie van eenheid, zodat de luchtstroom uit schuur fans is toegestaan ​​in de voerbak te gaan. Wacht 2 min lucht doorspoelen het systeem en achtergrondlucht samenstellingsgegevens verzamelen.
  7. Herhaal de stappen 5.2 tot en met 5.5 voor bijkomende dieren.
  8. Herhaal bemonstering 8 keer tijdens een 24-uurs voeding cyclus, gespreid in de tijd over een periode van 3 dagen. De volgende sampling schema is met succes gebruikt: 0900, 1500, en 2100 uur (sampling dag 1), 0300, 1200, en 1700 uur (sampling dag 2) en 0000 en 0500 uur (sampling dag 3). Deze steekproef schema zal leveren 8 monsters per dier en per bemonsteringsperiode. De bemonstering kunnen variëren afhankelijk van de voeding en melktijden.
    Opmerking: Wanneer bemonstering gas is voltooid, op te halen emissiegegevens van de webpagina.

Representative Results

Figuur 1

Figuur 1: Onderdelen van de Automated Head-Chamber System (AHCS, GreenFeed) voor het meten van CH 4 productie in herkauwers.

Methaanproductie in de pens is een substraat-afhankelijke microbiologische werkwijze 7. Productie van CH4 en CO 2 stijgt nadat het dier is gevoederd en vermindert daarna. Figuur 2 toont de toename van CH4 productie van een melkkoe ad libitum rond 0600 uur (ongepubliceerde data AN Hristov, Pennsylvania State University).

Figuur 2
Figuur 2: Dagelijkse CH 4 emissies van een melkkoe eenmaal daags gevoerd gemeten met behulp van AHCS (fout balken geven SE; data hoffelijkheid van AN Hristov, Pennsylvania State University).

De fout balken op deze figuur vertegenwoordigen variabiliteit in CH 4 emissie tijdens een steekproef gebeurtenis (die meerdere oprisping cycli omvat). Het blijkt dat in sommige gevallen (ongeveer 0400 en 0900 hr), variabiliteit was groter door veranderende concentratie CH 4 in uitgeademde gassen. Het is ook duidelijk dat CH 4 emissie verhoogd na het toevoeren (welke ongeveer 0600 uur is in dit voorbeeld). De gemiddelde dagelijkse CH 4 emissie (bijv., Een gemiddelde van de 13 metingen evenementen) van deze koe was 727 ± 22,9 g / dagen, of 26 g / kg uitgedrukt per kg dieet droge stof inname (DMI).

Om het bereik van CH tonen 4-uitstoot van een groep van lacterende melkkoeien gemeten met AHCS, we de gegevens van een recente crossover studie uitgevoerd aan de Pennsylvania State University dat de technische kwaliteit cashewnoten shell vloeistof gebruikt als een CH 4 beperkende middel (Tabel 1). De proef was met 8 lacterende Holstein melkkoeien en 2 experimentele periodes van 21 dagen elk. Methaan gegevens werden verzameld tijdens de laatste week van elke periode. Methaanemissie gegevens werden in de periode van 1 niet verzameld van één koe en gegevens voor die koe werden ook niet gebruikt in periode 2. Details van het experiment kan worden gevonden in Branco et al. 12. De gemiddelde CO2-uitstoot in deze studie was meer dan 18.000 g / koe per dag, of 634 g / kg DMI. Gemiddelde CH 4 emissie voor deze groep koeien was 523 g / dag of 20 g / kg DMI, die vergelijkbaar is met de gemiddelde CH 4 emissies die voor een dataset van meer dan 370 behandelingsmiddelen (19,1 ± 0,43 g / kg DMI) 7. In het onderzoek beschreven in tabel 1, vergeleken met de controlegroep, technische kwaliteit cashew nut shell vloeistof verzorgen CH4 productie afnemen in de pens van de koe ongeveer 5% (P = 0,08) 12.

e_content "> Tabel 1

Discussion

Het AHCS combineert elementen van een dynamische behuizing techniek kamersysteem en tracer techniek voor massaflux metingen van CH4 en CO 2. In de loop van dagen, verzamelt meerdere monsters van elk dier de gemiddelde totale dagelijkse gas massastromen definiëren. Een dier te identificeren en leveren van de juiste hoeveelheid lokaas, wordt een RFID-lezer opgenomen in AHCS. De RFID-tag wordt gelezen als het dier begint zijn kop in de aanvoer. Zodra een dier wordt geïdentificeerd, AHCS bepaalt of hij in aanmerking komt voor een aas beloning op dat specifieke moment van de dag (beweiding of vrije-ligboxenstal toepassingen). De begin- en eindtijd van het bezoek van elk dier (bepaald op basis van de infrarood-sensoren) wordt automatisch geregistreerd. Het lokaas afgiftesysteem wordt gebruikt om dieren AHCS trekken periodiek gedurende de dag. Typisch wordt de lokken voeding pellets en kunnen gras, alfalfa, boon concentraten, melasse en plantaardige oliën bevatten.Terwijl een dier bezoeken AHCS, een ventilator trekt lucht over het hoofd (met een snelheid van ongeveer 26 l / min), vegen uitgezonden CH 4 en CO 2 in een inlaatspruitstuk. De luchtstroomsnelheid wordt continu gemeten met een hot-film anemometer in het midden van de lucht verzamelleiding. Een continue sub-sample van lucht wordt afgezogen en geleid tot een secundaire monster filter, vervolgens in twee niet-dispergerende infrarood analyzers, een sensor voor CO 2 en een voor CH 4. AHCS bevat ook extra sensoren voor temperatuur, luchtvochtigheid, aas drop, systeem voltage, atmosferische druk, propaan stroomsnelheid, en de positie van het hoofd. Grasland en trailer gemonteerde versies voor begrazing systemen omvatten een kopje anemometer (lokale windsnelheid) en de windvaan (windrichting). Alle sensorgegevens worden opgeslagen op een lokale datalogger en een computer, waarmee AHCS om automatisch en onafhankelijk functioneren. Sensordata worden ook opgeslagen op een interne standaard USB (Universal Serial Bus) memory stick. AHCS dataworden normaal gesproken overgedragen via een internet verbinding, een keer per uur, op een externe server, waar ze permanent worden geregistreerd. Gebruikers met internet connectiviteit kan op afstand inloggen op AHCS en de controle van de eenheid, het lokken schema te wijzigen, en bekijk de historische en real-time data, alsmede beoordeling en monitor AHCS functie.

Overall, experimenten uitgevoerd aan de Pennsylvania State University aangetoond dat de AHCS systeem levert betrouwbare schattingen voor CH 4 en de CO 2 -uitstoot van melkkoeien gehuisvest in tie-kraam schuren. De voordelen van AHCS dan ademhaling kamers is dat het dier niet beperkt en is in zijn natuurlijke omgeving (bijv., Op de weide), of vrij kan bewegen (in een vrije-ligboxenstal). AHCS is ook minder duur om te bouwen dan een traditionele ademhaling kamer. Deze relatief lage kosten belangrijk, met name voor CH 4 matiging onderzoek in ontwikkelingslanden. Ten opzichte van de SF 6 tracer werkwijze AHCS eenvoudiger te bedienen en geen ingewikkelde en dure analytische apparatuur. Misschien wel de meest zichtbare nadeel AHCS, vergeleken met de kamers en SF 6 methoden (met name bij gebruik in weiden of vrije ligboxenstal omgevingen), is dat het dier vrijwillig naar het apparaat en dus gasmeting gebeurtenissen afhankelijk dieren bezoeken . Binnen een dag, deze dierlijke bezoeken al dan niet representatief voor het ritme CH4 productie overdag. Daarom is in toepassingen waar het dier bezoeken AHCS vrijwillig bemonsteringsperiode moet lang genoeg zijn of herhaalde een voldoende aantal malen. De tie-kraam applicatie gebruikt de Pennsylvania State University lost dit probleem op door het beheersen van het aantal en temporele distributie van gas metingen tijdens een 24-uurs voeding cyclus. Voldoende bemonstering van oprisping gas gedurende een toevoercyclus (zoals in het bovenstaande protocol) is belangrijk voor representative schatting van CH 4 productie in de pens van koeien. De hoeveelheid lokaas voer gevoerd aan de dieren tijdens metingen met AHCS moet worden beschouwd in de algemene analyse (dat wil zeggen, worden toegevoegd aan de totale hoeveelheid voeder geconsumeerd door het dier), zodat emissie-intensiteit per eenheid voeder DMI nauwkeurig kan worden geschat. Onder normale voedingsomstandigheden, het aas voeding vertegenwoordigt minder dan 5% van het totale DMI van melkkoeien en het effect op de ruminale fermentatie en CH4 productie klein is. Opgemerkt wordt dat AHCS (en andere vergelijkbare systemen) CH 4 productie niet meten hindgut het dier. Einddarm fermentatie, echter, draagt ​​slechts ongeveer 3% van de totale CH 4 emissies in herkauwers 7.

Op basis van ervaring, zijn er een aantal belangrijke onderdelen meten enterische productie pens gas via AHCS: (1) het dier moet worden gewend aan de lokken voeding (en AHCS) en heeft to als het in orde te benaderen en gebruiken AHCS feeder, (2) het hoofd van het dier moet worden gestoken helemaal in de feeder om betrouwbare broeikasgassen gegevens te verzamelen, (3) de AHCS kalibratie procedure moet strikt worden gevolgd (4) met voldoende tijd om achtergrond CH4 en CO 2 verzamelen tussen bemonstering individuele dieren is met name belangrijk bij tie-of vrije-stall schuren en (5) het is belangrijk dat voldoende gegevens zijn verzameld in een monsternamecyclus ( die een periode van 24 uur), zodat de emissie gegevens gegenereerd door AHCS zijn representatief voor de werkelijke dagelijkse CH 4 of CO 2 -uitstoot door het dier.

Vergelijkende tests met AHCS vs. gevestigde CH4 meettechnieken ondersteunen de bovenstaande conclusies. Bijvoorbeeld, een studie met toenemende melkvaarzen geconcludeerd dat AHCS staat was schatten CH 4 emissies uit dierlijke en emissie schattingen gegenereerd door AHCS vergelijkbaarmet waarden verkregen door respiratiecellen 9. Deze auteurs opgemerkt dat de werking van de AHCS eenheden en replicatie moeten zorgvuldig worden overwogen om voldoende aantallen metingen worden verkregen. Gebaseerd op ervaring, 8 sampling evenementen, gespreid over een periode van 3 dagen tot een 24-uurs voeding cyclus (zie protocol boven) te dekken zijn voldoende om nauwkeurige metingen van de uitstoot van gassen en relatief lage variabiliteit van de gegevens (dwz aanvaardbare precisie) te verkrijgen. In een studie bij lacterende koeien werd geconcludeerd dat CH 4, gemeten door de AHCS waren vergelijkbaar met literatuurwaarden afkomstig van ademhaling kamers en variabiliteit tussen dieren (CV van 11 tot 12%, herhaalbaarheid van 0,64 tot 0,81) was ook binnen de range gerapporteerd voor de ademhaling 10 kamers. In een recentelijk gepubliceerde studie met melkgevende koeien AHCS produceerde een CV kleiner dan de werkwijze SF 6 (14,1-22,4% vs. 16,0 om 111% SF 6) 13 4 productie werd geremd met 30% (p <0,001), concludeerden wij dat AHCS en de werkwijze SF 6 een vergelijkbare CH 4 emissieresultaten : 319-481 g / koe per dag (gemiddelde = 374 g / d; SEM = 15,9; CV = 13%) en 345 om 485 g / koe per dag (gemiddelde = 396 g / d; SEM = 29,8; CV = 23 %) voor AHCS en SF 6, respectievelijk 14.

Tot slot, nauwkeurig, maar praktische technieken voor het meten van CH 4 productie in de pens zijn van cruciaal belang voor het welslagen van het terugdringen van broeikasgasemissies inspanningen. AHCS is een geautomatiseerd gas meetsysteem dat heeft bewezen een betrouwbare en nauwkeurige schattingen van enterische CH 4 en CO 2 -uitstoot van rundvlees en melkvee te leveren.

Disclosures

De auteurs Patrick R. Zimmerman en Scott R. Zimmerman zijn mede-eigenaar van C-Lock, Inc.

(Rapid City, SD), de fabrikant van GreenFeed (AHCS) beschreven in dit 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