L'utilisation d'un système (fourrage vert) automatisé pour surveiller entérique méthane et de dioxyde de carbone Les émissions provenant de ruminants Animaux

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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).

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Abstract

Les ruminants (domestiques ou sauvages) émettent du méthane (CH 4) par la fermentation entérique dans leur tube digestif et de la décomposition du fumier pendant le stockage. Ces processus sont les principales sources de gaz à effet de serre (GES) émissions provenant des systèmes de production animale. Les techniques de mesure de CH 4 entérique varient de mesures directes (chambres de respiration, qui sont très précis, mais avec une portée limitée) à diverses méthodes indirectes (renifleurs, technologie laser, qui sont pratiques, mais avec une précision variable). L'hexafluorure de soufre (SF 6) Méthode de gaz traceur est communément utilisé pour mesurer entérique production de CH 4 par les scientifiques sur les animaux et, plus récemment, l'application d'un système automatisé Head Chambre (CSSA) (fourrage vert, C-Lock, Inc., Rapid City, SD), qui est l'objet de cette expérience, n'a cessé de croître. CSSA est un système automatisé pour contrôler le CH 4 et le dioxyde de carbone (CO 2) flux de masse de lasouffle des ruminants. Dans une opération typique CSSA, de petites quantités de appâtage aliments sont distribués aux animaux individuels pour les attirer au CSSA plusieurs fois par jour. Comme l'animal visite CSSA, un système de ventilateur aspire l'air passé le museau de l'animal dans un collecteur d'admission, et à travers un tuyau de collecte d'air où les taux de flux d'air continu sont mesurés. Un sous-échantillon de l'air est pompé sur le tuyau dans de capteurs infra-rouge non dispersif pour la mesure continue de CH 4 et concentrations de CO 2. Comparaisons sur le terrain du CSSA à chambres de respiration ou SF 6 ont démontré que CSSA produit des résultats CH 4 émissions reproductibles et précis, à condition que les visites d'animaux à CSSA sont suffisantes pour les estimations des émissions sont représentatifs du rythme diurne de la production de gaz du rumen. Ici, nous démontrons l'utilisation de CSSA pour mesurer le CO 2 et CH 4 flux de vaches laitières donnés un régime de contrôle ou un régime supplémenté en qualité technique de noix de cajouliquide coquille.

Introduction

La production animale représente une source importante de gaz à effet de serre (GES) dans le monde entier, générant CH 4 et l'oxyde nitreux, soit directement (par exemple, à partir de la fermentation entérique et gestion du fumier) ou indirectement (par exemple, des activités feed-production et la conversion de la forêt en pâturages ou terres cultivées). Les estimations pour la contribution de l'élevage à l'émission globale de GES varient d'environ 1 au 18 juillet 2%, selon les limites de l'analyse et des méthodes utilisées. Aux États-Unis, l'élevage représente 3,1% des émissions totales de GES en 2009 3.

Entérique CH 4 est le plus grand contributeur aux émissions de GES provenant du bétail. Par conséquent, de zootechniciens ont concentré leur recherche sur la découverte de technologies d'atténuation pour réduire production de CH 4 entérique des ruminants. Dans de nombreux cas, les résultats sont de valeur scientifique douteuse en raison de l'insuffisance de conception expérimentale oles techniques de mesure de R1. Ainsi, l'exactitude et la précision des techniques de mesure sont critique des composantes importantes de la recherche de l'atténuation des GES. Une abondante littérature a été publié sur ce sujet au cours des dernières années 4-7. Il existe plusieurs approches établies pour mesurer entérique production de CH 4 chez les ruminants, y compris les chambres de respiration (très précis, mais avec une applicabilité limitée), gaz traceurs (d'hexafluorure de soufre; SF 6), et de la tête chambres. Bien que les chambres de respiration sont considérés comme la «norme d'or» pour mesurer les émissions de gaz du rumen, leur inconvénient majeur est que le nombre d'animaux à l'essai est généralement limité du fait du nombre limité de chambres disponibles dans un établissement de recherche particulier. Les techniques les plus pratiques et largement utilisé pour mesurer la production de CH 4 entérique sont la méthode du gaz traceur SF 6 et, plus récemment, un système de Head-Chambre automatisé (CSSA, fourrage vert) qui cun moniteur de CH 4 et CO 2 flux de masse de la respiration et l'éructation de gaz de ruminants 8. Tant la technique SF 6 et CSSA permettre émissions à analyser sur un grand nombre d'animaux dans des conditions de pâturage libre ou dans des granges free- et à stabulation entravée. La technique SF 6 utilise du SF 6 comme gaz traceur, qui est libéré en continu à partir d'un tube de perméation insérée dans le rumen de l'animal, prélèvement d'un échantillon des gaz expirés et l'analyse du gaz de SF 6: CH rapport 4. CSSA est un système de type tête-chambre automatisé qui est également basée sur l'utilisation d'un gaz traceur (propane). Par rapport à la méthode de la chambre de respiration, où les animaux sont confinés dans des conditions d'alimentation et d'un comportement anormal, et avec la méthode SF 6 du traceur, ce qui nécessite des compétences analytiques et l'équipement (pour la collecte des gaz et SF 6 analyse) plus large manipulation des animaux, CSSA est non -intrusive et est moins coûteuxà acquérir et à utiliser. Des lacunes importantes de CSSA comprennent l'échantillonnage non représentatif (dans des applications telles que les systèmes de pâturage, où les animaux doivent se rendre volontairement l'unité) et l'utilisation d'aliments de l'appât, ce qui pourrait représenter jusqu'à 5% de la consommation de matière sèche de l'animal lors d'une mesure de gaz événement. Expériences comparatives récentes ont conclu que CSSA produit des taux comparables à ceux estimés en utilisant des chambres de respiration ou la technique 9,10 SF 6 émissions.

Le système de CSSA autonome est construit autour d'un chargeur automatique robuste qui est facilement transportable à la main ou peut être monté sur une remorque équipée de panneaux solaires (ou d'autres sources d'énergie) pour le fonctionnement du champ autonome et à long Voyage distance. Le système comprend un système animale Radio-Frequency Identification (RFID), un système d'amorçage, un système de traitement de l'air et de la mesure, un système de gaz traceur, l'électronique et le système de communication, et un système de traitement de données (<strong> Figure 1). Plus de détails peuvent être trouvés dans la documentation de brevet original 11.

L'exemple CSSA protocole d'opération décrite ci-dessous est pour les vaches laitières en lactation logées dans une étable à stabulation entravée. La procédure est applicable à d'autres catégories de bovins (vaches non allaitantes laitières, les génisses, ou les bovins de boucherie) logés dans des installations similaires. L'objectif de cette expérience est de démontrer les principes et le fonctionnement de CSSA pour la mesure de CH 4 et émissions de CO 2 provenant d'animaux ruminants.

Protocol

Animaux impliqués dans l'expérience décrite dans les résultats représentatifs ont été pris en charge selon les directives du Comité Université soin et l'utilisation des animaux d'État de Pennsylvanie. Le comité a examiné et approuvé l'expérience et toutes les procédures menées dans l'étude. Des détails tels que l'information et des produits animaux composition du régime et la conception expérimentale, peuvent être trouvés dans la publication complète de cette expérience 12.

Note: Pour une liste des équipements et fournitures nécessaires pour mener l'expérience, voir le tableau des matériaux.

1. Conception expérimentale

  1. Obtenir l'approbation du Comité des soins et de l'utilisation des animaux pour l'expérience institutionnelle. Ceci est une procédure non invasive qui ne provoque aucune douleur à l'animal et est classé comme USDA Catégorie C (douleur légère ou momentanée ou de détresse ou pas de douleur ou de détresse). L'anesthésie est pas nécessaire.
  2. Sélectionnez intactes (ie, non une canule) vachespour l'expérience sur la base du stade de lactation, l'âge, et la production de lait. Ne pas utiliser vaches canulées avec CSSA en raison de fuites potentielles de gaz du rumen à travers la canule. Un dispositif destiné à atténuer ce problème est actuellement à l'essai, mais les résultats ne sont pas signalées ici.
  3. Si un plan croisé (c.-à-carré latin, par exemple) est utilisé, utiliser 8 à 12 vaches, selon le nombre de traitements, dans une conception équilibrée répliqué pour les effets résiduels. Si, par exemple, 4 traitements sont testés, 8 vaches donneront un essai répété 4 × 4 de conception, etc. La durée minimale recommandée de ces types d'expériences est de 21 à 28 jours, avec les 14 à 21 premiers jours d'adaptation au traitement et 7 jours pour la collecte de données.
  4. Si un plan en blocs aléatoires est utilisé, utiliser 12 à 15 vaches par traitement. Inclure une période de 2 semaines avant le début de covariable collecte de données. La durée recommandée de ces expériences est de 8 à 12 semaines, avec le premier 2 semaines being pour l'adaptation au traitement.
  5. Équiper chaque animal expérimental avec un ISO 11784 ou à l'étiquette d'identification RFID 11785 compatible.

2. Formation des animaux à utiliser CSSA

  1. Avant le début de l'expérience, déplacer CSSA dans l'établissement où se trouvent les vaches. Placer l'appareil à portée de vue des vaches. Laissez l'appareil pendant au moins 2 jours.
  2. Préparer un flux d'appâts que les animaux aiment. Différents aliments peuvent être jugés pour inciter les vaches, mais un mélange de 70% de maïs moulu, 27% de mélasse secs et de l'huile de soja 3% (comme-est la base du poids) a été utilisé avec succès en laboratoire. Évitez les aliments collants et poussiéreux qui peuvent obstruer le filtre à air et le système de livraison d'alimentation du CSSA. Il est préférable que la charge est pastillé.
  3. Donnez une petite quantité (une poignée) de l'alimentation à tous les animaux en le plaçant sur le dessus de l'alimentation, ils sont utilisés pour, dans l'ordre pour eux de se familiariser avec l'alimentation d'appât.
  4. Très déplacer lentement CSSA à environ 1,5 m from l'animal.
  5. Placez environ 1 kg d'aliments d'appât dans un seau et laisser l'animal à odeur et le goût de l'aliment appât. Progressivement le seau vers la mangeoire de l'unité CSSA, obligeant l'animal à étirer et atteindre vers la Mangeoire CSSA.
  6. Dump partie de l'alimentation de l'appât du seau dans la Mangeoire CSSA et se déplacer lentement vers l'unité CSSA la vache. Si à tout moment de la formation, la vache devient appréhension ou effrayé, éloignez l'appareil d'elle et essayer de nouveau à une autre heure ou le jour.
  7. Au cours de plusieurs jours, répéter la formation jusqu'à ce que les animaux sont habitués et excités par l'unité CSSA, savoir, l'alimentation d'appât). Si un animal ne peut pas se faire à CSSA, le remplacer par un autre animal avant le début de l'expérience et de former le nouvel animal en suivant la procédure ci-dessus.

3. Calibrage des CSSA

Remarque: L'intervalle de concentration du capteur de CO 2 est de 0 à 5%; lagamme pour le capteur 4 est CH 0 à 2%. Limites de détection sont inférieures à 20 ppm pour le CH 4 et 50 ppm pour le CO 2. Il n'y a pas de préoccupations au sujet des niveaux de fond élevés de CH 4 et CO 2 parce que les limites de détection sont beaucoup plus grande que les niveaux de sécurité de ces gaz dans les animaleries de fond élevés.

  1. Pour une précision maximale, exécuter la procédure d'étalonnage 5 fois au début et à 3 fois à la fin de chaque expérience de mesure de gaz.
  2. Utilisez les gaz suivants (voir le tableau des matériaux): 0,15% de CH 4 et 1% de CO 2 (classe de maître de qualité certifiée, ± 2% de précision) pour les gaz d'étalonnage et de 100% de N 2 (99,999% pur) pour le gaz zéro.
  3. Remplissez un sac de l'échantillon avec 2 L de gaz de zéro, et un autre sac avec 2 L de mélange de gaz d'étalonnage. Veillez à utiliser le sac entièrement dégonflé. Remplir les sacs avec le nouveau gaz à la date de calibrage.
  4. Remplacer les sacs après 1 an d'utilisation ou moins, si nécessaire.
  5. Prenez le gaznormes à l'endroit où l'expérience de mesure de gaz a lieu. Si les animaux et la mesure ont lieu dans une installation fermée (ie., Une étable laitière), tourner les fans de grange pendant le processus de calibrage. Cela est nécessaire pour minimiser l'effet des concentrations de méthane dans l'air de fond.
  6. Tournez CSSA et laissez-le au chaud avant l'étalonnage pendant au moins 30 min. Retirez le bouchon du tube d'étalonnage situé à l'intérieur du panneau avant. Assurez-vous qu'il n'y a pas d'eau dans le tube d'étalonnage. Enlever l'eau, si nécessaire. L'eau va détruire les capteurs de concentration de gaz.
  7. Connectez le sac N 2 de l'échantillon (de gaz zéro) pour le tube d'étalonnage. Dévissez la soupape en plastique sur le sac de l'échantillon dans le sens antihoraire 1 tour complet pour permettre l'écoulement.
  8. Tournez le bouton "RUN-CALIBRATE" situé sur le panneau de contrôle de l'instrument de CSSA à «Calibrer». Cela va commencer à pomper l'échantillon hors du sac. Une fois les flux commence, appuyez suret maintenez le bouton "CALIBRATE" pendant 10 secondes puis relâchez.
  9. Attendez que le sac de prélèvement pour dégonfler à environ 10% de sa capacité. Ne pas vider complètement le sac, il peut endommager le capteur. Une fois le sac est à environ 10% de sa capacité, tournez le bouton "RUN-CALIBRATE" sur "RUN".
  10. Fermez le sac de l'échantillon et le déconnecter du tube d'étalonnage. Attendre 2 min, puis, connectez le sac de mélange de gaz d'étalonnage au tube d'étalonnage.
  11. Répétez l'étape 3.7.
  12. Une fois le flux commence, appuyez et maintenez le bouton "CALIBRATE" pendant 3 sec, puis le relâcher.
  13. Répétez l'étape 3.10.
  14. Fermez le sac de l'échantillon et le déconnecter du tube d'étalonnage. Remplacer le bouchon dans le tube d'étalonnage.
    Remarque: Après le calibrage est terminé, «facteur» valeurs apparaissent dans l'onglet de données sur la page web. Le coefficient de variation des facteurs doit être inférieure à 3% et 1% de CH 4 et CO 2, respectively. Si pas dans cette plage, répéter le calibrage.

4. CO 2 test de récupération

  1. Effectuer le test de récupération de CO 2 au moins une fois (3 versions = 1 cylindre de CO 2) avant chaque expérience de mesure de gaz. Dans les applications en continu, effectuer le test de récupération une fois par mois.
  2. Assurez-vous que la vanne d'essai de récupération de CO 2 est désactivé (la vanne est perpendiculaire à la buse de sortie). Fixez une nouvelle CO 2 cylindres au système de libération et de tourner le robinet dans le sens horaire jusqu'à la butée.
  3. Niveau zéro et l'échelle de masse. Placez le système de libération entière sur l'échelle pour assurer qu'il est exact. Test pour assurer CO 2 circule: ouvrir la vanne ON / OFF et fermer rapidement à nouveau tout en écoutant pour le CO 2 sortant de la buse. Il devrait y avoir un "whishing" sonore lorsque le CO 2 circule.
  4. Fixer le support de cylindre de CO 2 à l'auge d'alimentation. À partir de Now sur, ne laissez pas les animaux obtiennent près / de respirer dans le chargeur. Les gens devraient également pas respirer dans le chargeur.
  5. Peser le CO 2 cylindres avec le système de libération. Enregistrez cette masse que la masse initiale. Notez l'heure locale actuelle au début de chaque dégagement de CO 2.
  6. Placer la bouteille de CO 2 et de libérer système dans le support de cylindre CO 2 (alimentation des creux) et de diriger la buse dans le collecteur. Ne pas respirer dans le chargeur.
  7. Ouvrir le robinet ON / OFF pour libérer le CO 2 et enregistrer l'heure de début de la libération. Retour à plusieurs pieds du chargeur et attendre 3 minutes. Après 3 min, éteignez le / OFF vanne et arrêt de temps record ON de la libération.
  8. Retirer le cylindre de presse, plus système de CO 2 à partir du chargeur. Ne pas dévisser le cylindre de CO 2 à partir du système de libération. Tenez le cylindre de CO 2 dans un bain d'eau chaude (37 à 43 ° C). Placez seulement le cylindre dans l'eau, et non pas l'ensemble du système de libération.
  9. de CO 2 est réchauffé, le retirer de l'eau et utilisez un chiffon de séchage pour enlever toute l'eau de celui-ci. Peser le CO 2 cylindres avec système de libération et enregistrer cette masse comme définitive.
  10. Attendez au moins 3 minutes avant la prochaine version. Pendant le temps d'attente de 3 min, ne permettent pas de tout animal ou toute personne proche de l'unité. A 90 g de CO 2 cylindres fournira environ 3 versions afin d'utiliser plusieurs cylindres si il ya plus de 3 sorties. Quand un cylindre est vide, peser le cylindre vide et continuer avec un nouveau cylindre, comme décrit ci-dessus.
  11. Répétez les étapes 4.3 à 4.9 au moins 3 fois, marquant la nouvelle heure de début, heure de fin, la masse initiale et la masse finale de chaque version.
  12. Après la libération définitive, attendre au moins 3 minutes avant de laisser les animaux d'accéder à l'unité. Lorsque vous avez terminé, dévisser le cylindre de CO 2 à partir du système de libération.

5. Mesure de gaz

Remarque: Avantmesure de gaz, une récente (moins d'une semaine) de calibrage CSSA est nécessaire. Voir les étapes 3, étalonnage des CSSA et 4, CO 2 tests de récupération. Assurez-vous que l'étiquette RFID de l'animal est en place.

  1. Power up CSSA et laisser agir pendant 30 minutes pour se réchauffer avant de prendre des mesures.
  2. Position CSSA sorte que le flux d'air des ventilateurs de la grange est autorisé à entrer dans la mangeoire. Attendre 2 min. Appuyez sur le bouton RSS de livraison et maintenez pendant 3 sec pour fournir environ 50 g d'aliment. Visuellement valider que les aliments a été livré dans la mangeoire.
  3. Rouler CSSA en face d'une vache. Noter le temps de cahier d'expériences. L'unité va lire l'étiquette RFID de l'animal.
  4. Livrer les aliments 5 fois supplémentaires sur une période d'échantillonnage de 5 min, en les espaçant de tenter de garder la tête de l'animal en permanence dans l'auge. Si l'alimentation supplémentaire est nécessaire (pour garder la tête de l'animal dans l'auge), prendre note de celui-ci dans le cahier d'expériences.
  5. Pase: alimentation / pellets sont généralement livrés une fois tous les 50 sec pour un total de 6 gouttes (300 g / événement de mesure) pour obtenir des périodes de mesure individuels de 5 min. Le CSSA est équipé de capteurs infrarouges pour surveiller en permanence la distance de l'animal de la tête par rapport au collecteur d'admission d'air. Ces données sont ensuite utilisées pour identifier les périodes où la tête de l'animal était pas en position et ces données de mesure sont écartés.
  6. Une fois la période d'échantillonnage de 5 min a expiré, tirez CSSA loin de l'unité animale et la position de telle sorte que le flux d'air des ventilateurs de la grange est autorisé à entrer dans la mangeoire. Attendre 2 min pour vider l'air à travers le système et de recueillir des données sur la composition de l'air de fond.
  7. Répétez les étapes 5.2 à 5.5 pour les animaux supplémentaires.
  8. Répétez l'échantillonnage 8 fois au cours d'un cycle d'alimentation de 24 heures, échelonnée dans le temps sur une période de 3 jours. Le programme d'échantillonnage suivante a été utilisée avec succès: 0900, 1500, 2100 h (jour d'échantillonnage 1), 0300, 1200, et 1700 h (jour de prélèvement 2), et 0000, et 0500 heures (jour de prélèvement 3). Ce programme d'échantillonnage livrera 8 échantillons par animal et par période d'échantillonnage. Les instants d'échantillonnage peuvent varier selon le temps d'alimentation et de traite.
    Remarque: Lors de l'échantillonnage de gaz est terminée, récupérer les données d'émission à partir de la page Web.

Representative Results

Figure 1

Figure 1: Éléments du système de Head-Chambre automatisé (CSSA, fourrage vert) pour mesurer la production de CH 4 chez les ruminants.

La production de méthane dans le rumen est un procédé microbiologique substrat dépendant 7. La production de CH 4 et CO 2 augmente après que l'animal est nourri et diminue par la suite. La figure 2 montre l'augmentation de la production de CH 4 à partir d'un ad libitum vache laitière alimentée à environ 0600 heures (données non publiées par AN Hristov, Pennsylvania State University).

Figure 2
Figure 2: CH diurne 4 émissions d'une vache laitière nourris une fois par jour mesurée en utilisant CSSA (barres d'erreur représentent SE; courtoisie des données d'un Hristov, Pennsylvania State University).

Les barres d'erreur sur ce chiffre représentent la variabilité des émissions de CH 4 lors d'un événement d'échantillonnage (qui comprend plusieurs cycles de éructation). Il est évident que dans certains cas (environ 0400 et 0900 h), la variabilité était plus grande en raison de l'évolution de la concentration en CH 4 gaz expirés. Il est clair également que les émissions de CH 4 ont augmenté après l'alimentation (qui était d'environ 0600 heures dans cet exemple). La moyenne quotidienne CH 4 émissions (ie., Une moyenne de 13 événements de mesure) de cette vache était de 727 ± 22,9 g / jour, soit 26 g / kg lorsqu'il est exprimé par kg de matière sèche alimentaire admission (DMI).

Pour démontrer l'éventail des émissions de CH 4 à partir d'un groupe de vaches laitières en lactation mesurées en utilisant CSSA, nous incluons les données provenant d'un essai de conception croisée récente menée à l'Université d'État de Pennsylvanie qui a utilisé de qualité technique de noix de cajou liquide de coquille comme un CH 4 agent de l'atténuation (tableau 1). Le procès a été avec 8 lactation des vaches laitières Holstein et 2 périodes expérimentales de 21 jours chacune. Les données de méthane ont été recueillies au cours de la dernière semaine de chaque période. Les données des émissions de méthane ont pas été collectées d'une vache dans la période 1 et les données pour cette vache ont également été pas utilisés dans la période 2. Détails de l'expérience peuvent être trouvés dans Branco et al. 12. La moyenne des émissions de CO 2 dans cette étude était plus de 18.000 g / vache et par jour, ou 634 g / kg DMI. Moyenne émissions de CH 4 pour ce groupe de vaches était de 523 g / jour ou 20 g / kg DMI, qui est similaire à l'CH moyenne 4 émissions déclarées pour un ensemble de données de plus de 370 moyens de traitement (19,1 ± 0,43 g / kg DMI) 7. Dans l'étude présentée dans le tableau 1, par rapport à la commande, de qualité technique liquide de noix de cajou a tendance à diminuer production de CH 4 dans le rumen des vaches d'environ 5% (P = 0,08) 12.

e_content "> Tableau 1

Discussion

Le système combine des éléments de CSSA une technique dynamique de l'enceinte, le système de chambre, et la technique de traceur pour la mesure du flux de masse de CH 4 et CO 2. Au cours des jours, il recueille des échantillons multiples de chaque animal pour déterminer la moyenne totale flux massiques de gaz par jour. Pour identifier un animal et de fournir le montant exact de l'appât, un lecteur RFID est incorporé dans CSSA. L'étiquette RFID est lue comme l'animal commence à placer sa tête dans le chargeur. Une fois que l'animal est identifié, CSSA détermine si elle est admissible à recevoir une récompense d'appât à ce moment précis de la journée (applications stabulation libre pâturage ou grange). L'heure de début et de fin de la visite de chaque animal (déterminé sur la base des capteurs infrarouges) est automatiquement enregistrée. Le système de distribution d'appât est utilisé pour attirer les animaux à CSSA périodiquement tout au long de la journée. Typiquement, la charge d'amorçage est granulé et peut contenir de l'herbe, luzerne, les concentrés de céréales, la mélasse et l'huile végétale.Alors qu'un visites animales CSSA, un ventilateur aspire l'air au-dessus de sa tête (à un taux d'environ 26 L / min), le balayage émis CH 4 et CO 2 dans un collecteur d'admission d'air. La vitesse d'écoulement de l'air est mesurée en continu avec un anémomètre à film chaud au milieu de la conduite de collecte d'air. Un sous-échantillon d'air continu est extrait et conduit dans un filtre d'échantillon secondaire, puis dans deux analyseurs non dispersif infrarouge, un capteur pour le CO 2 et l'autre pour le CH 4. CSSA comprend également des capteurs supplémentaires pour la température de l'air, l'humidité de l'air, la chute de l'appât, la tension du système, la pression atmosphérique, débit de propane, et la position de tête. Pâturage et remorque versions montées pour les systèmes de pâturage comprennent un anémomètre à coupelles (la vitesse du vent local) et girouette (direction du vent). Toutes les données de capteur sont enregistrées sur un enregistreur de données local et un ordinateur, ce qui permet CSSA pour fonctionner automatiquement et de manière indépendante. Les données des capteurs sont également stockés sur une clé USB standard interne (Universal Serial Bus) de bâton de mémoire. Données CSSAsont normalement transférées par l'intermédiaire d'une liaison Internet, une fois par heure, à un serveur externe où ils sont enregistrés de façon permanente. Les utilisateurs disposant de la connectivité Internet peuvent se connecter à distance CSSA et contrôler l'appareil, modifier les horaires d'appâtage, et examiner les données historiques et en temps réel ainsi que l'examen et surveiller la fonction CSSA.

Dans l'ensemble, les expériences menées à l'Université d'État de Pennsylvanie ont démontré que le système CSSA fournit des estimations fiables pour le CH 4 et émissions de CO 2 vaches laitières logées dans étables à stabulation entravée. Les avantages de la CSSA plus de chambres de respiration est que l'animal ne se limite pas et est dans son environnement naturel (ie., Sur les pâturages), ou peut se déplacer librement (dans une étable à stabulation libre). CSSA est également moins cher à construire que d'une chambre de respiration traditionnelle. Ce coût relativement faible est important, en particulier pour le CH 4 recherche sur l'atténuation dans les pays en développement. En comparaison avec le SF 6 traceProcédé de r, CSSA est plus simple à utiliser et ne nécessite pas de matériel d'analyse compliqué et coûteux. Peut-être l'inconvénient le plus apparent du CSSA, comparativement avec les chambres et les SF 6 méthodes (en particulier lorsqu'ils sont utilisés dans des environnements de pâturage ou à stabulation libre grange), est que l'animal doit aborder volontairement l'unité et donc les événements de mesure de gaz dépendent de visites d'animaux . En une journée, ces visites d'animaux peuvent être ou ne pas être représentatif du rythme diurne de production de CH 4. Par conséquent, dans les applications où les visites d'animaux CSSA volontairement, la période d'échantillonnage devraient être assez longue ou répétée un nombre suffisant de fois. L'application stabulation utilisé à l'Université d'État de Pennsylvanie atténue ce problème en contrôlant le nombre et la répartition temporelle des mesures de gaz pendant un cycle d'alimentation de 24 heures. Échantillonnage suffisante de gaz d'éructation pendant un cycle d'alimentation (comme indiqué dans le protocole ci-dessus) est important pour representative estimation de production de CH 4 dans le rumen des bovins. La quantité de nourriture appât donnés aux animaux lors de mesures en utilisant CSSA doit être considéré dans l'analyse globale savoir, doit être ajouté à la quantité totale d'aliments consommés par l'animal), de sorte que l'intensité des émissions par unité de fourrage DMI peut être précisément estimée. Dans des conditions normales d'alimentation, l'alimentation de l'appât représente moins de 5% du total DMI d'un vaches laitières et son effet sur ​​la fermentation ruminale et production de CH 4 est petite. Il est à noter que CSSA (et d'autres systèmes similaires) ne mesure pas la production de CH 4 dans le gros intestin de l'animal. Intestin postérieur fermentation, cependant, ne contribue que pour environ 3% des émissions totales de CH 4 dans un ruminant 7.

Basé sur l'expérience, il ya plusieurs éléments importants de la mesure de la production de gaz du rumen entérique utilisant CSSA: (1) l'animal doit être accoutumés à la nourriture de l'appâtage (et CSSA) et a to comme lui afin de se rapprocher et utiliser le chargeur CSSA, (2) la tête de l'animal doit être inséré tout le chemin dans le chargeur afin de recueillir des données fiables sur les émissions de gaz, (3) la procédure d'étalonnage CSSA doit être strictement suivies , (4) ayant suffisamment de temps pour recueillir des données de fond CH 4 et CO 2 entre l'échantillonnage des animaux individuels est important, en particulier dans les granges TIE ou en stabulation libre, et (5) il est important que suffisamment de données sont recueillies dans un cycle d'échantillonnage ( couvrant une période de 24 heures) afin que les données d'émissions générées par CSSA sont représentatifs de la CH diurne réelle 4 ou émissions de CO 2 par l'animal.

Des tests comparatifs avec CSSA vs techniques CH 4 de mesure établis appuient les conclusions ci-dessus. Par exemple, une étude avec des génisses laitières croissance a conclu que CSSA était capable d'estimer émissions de CH 4 estimations du bétail et d'émission générés par CSSA étaient comparablesà des valeurs obtenues par des chambres de respiration 9. Ces auteurs ont fait remarquer que le déploiement des unités CSSA et de réplication doivent être examinés avec soin pour assurer un nombre suffisant de mesures sont obtenues. Basé sur l'expérience, 8 événements d'échantillonnage, échelonnées sur une période de 3 jours pour couvrir un cycle d'alimentation de 24 heures (voir le protocole ci-dessus) sont suffisantes pour obtenir des mesures précises des émissions gazeuses et relativement faible variabilité dans les données (par exemple, une précision acceptable). Dans une étude avec des vaches laitières en lactation, on a conclu que CH 4 émissions mesurées par le CSSA étaient similaires aux valeurs de la littérature dérivés de chambres respiratoires et entre la variabilité des animaux (CV de 11 à 12%; répétabilité de 0,64 à 0,81) est également à l'intérieur de la fourchette rapportée pour 10 chambres de respiration. Dans une étude récemment publiée, avec des vaches en lactation, CSSA a produit un CV plus petit que la méthode SF 6 (14,1 à 22,4% vs 16,0 à 111% pour SF 6) 13 production de CH 4 a été inhibée de 30% (P <0,001), nous avons conclu que CSSA et la méthode SF 6 ont produit des résultats similaires d'émissions de CH 4 : 319 à 481 g / vache et par jour (moyenne = 374 g / d; SEM = 15,9; CV = 13%) et de 345 à 485 g / vache et par jour (moyenne = 396 g / d; SEM = 29,8; CV = 23 %) pour CSSA et SF 6, respectivement 14.

En conclusion, précis, mais les techniques pratiques pour mesurer la production de CH 4 dans le rumen sont d'une importance cruciale pour le succès des efforts d'atténuation des GES. CSSA est un système de mesure de gaz automatique qui a été prouvé à fournir des estimations fiables et précises de CH 4 entérique et émissions de CO 2 de boeuf et de bovins laitiers.

Disclosures

Les auteurs Patrick R. Zimmerman et Scott R. Zimmerman sont co-propriétaires de C-Lock, Inc.

(Rapid City, SD), le fabricant de fourrage vert (CSSA) décrit dans cet article.

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

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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).
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  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).
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