Laboratório-escala modelo para avaliar o Odor e as concentrações de gases emitidas pelo profundo com camas Pack estrume

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Summary

Um protocolo foi desenvolvido para medir gases, odores e composição de nutrientes em embalagens de esterco com cama dimensionado para laboratório, que pode ser usado para estudar maneiras de melhorar a qualidade do ar nas instalações de gado comercial usando pacotes de estrume com camas profundas.

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Spiehs, M. J. Lab-Scale Model to Evaluate Odor and Gas Concentrations Emitted by Deep Bedded Pack Manure. J. Vis. Exp. (137), e57332, doi:10.3791/57332 (2018).

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Abstract

Foi desenvolvido um modelo de laboratório-escalada simulado bloco com cama para estudar a qualidade do ar e composição de nutrientes dos packs com camas profundas utilizados em instalações de mono-ladeira do gado. Este protocolo tem sido usado para avaliar eficazmente muitos materiais de cama diferentes variáveis ambientais (temperatura, umidade) e potencial tratamentos de mitigação que podem melhorar a qualidade em instalações comerciais de mono-ladeira com camas profundas do ar. O modelo é dinâmico e permite que os pesquisadores facilmente coletar muitas medições físicas e químicas do bloco com cama. Medições semanais, coletadas ao longo de seis ou sete semanas, permite tempo suficiente para ver mudanças nas medições de qualidade do ar ao longo do tempo à medida que amadurece o pack com cama. Os dados coletados dos pacotes de camas simulados é dentro do intervalo de concentrações anteriormente medidos em instalações comerciais de mono-ladeira com camas profundas. Após estudos têm demonstrado que 8-10 unidades experimentais por tratamento são suficientes para detectar diferenças estatísticas entre os pacotes de camas simulados. Os pacotes de camas são fáceis de manter, exigindo menos de 10 minutos de trabalho por camas pacotes por semana para adicionar urina, fezes e roupa de cama. Coleta de amostra, usando o sistema de amostragem de gás requer 20-30 minutos pelo bloco com cama, consoante as medidas que estão sendo coletados. O uso de pacotes com cama dimensionado para laboratório permite o pesquisador para controle de variáveis como temperatura, umidade e fonte de roupa de cama que são difíceis ou impossíveis de controle em uma investigação ou instalações comerciais. Enquanto não é uma perfeita simulação das condições do "mundo real", o simulado com camas pacotes de servem como um bom modelo para pesquisadores usar para examinar as diferenças de tratamento entre pacotes de camas. Vários estudos de laboratório-escala podem ser conduzidos para eliminar possíveis tratamentos antes de experimentá-las em uma investigação ou instalações de tamanho comercial.

Introduction

Instalações de confinamento de gado de corte são uma opção de habitação popular no Midwest e Upper grandes planícies. Instalações de confinamento são mais comuns nesta região do planícies do Sul, porque a região recebe mais precipitação anual, que cria mais escoamento de confinamento que deve ser contido. Muitos produtores decidiram construir celeiros de mono-ladeira dos bovinos. As principais razões citadas pelos produtores para selecionar uma instalação de mono-inclinação foi a capacidade de remoção de cronograma do trabalho e estrume e melhor desempenho comparado a abrir muito confinamentos1. A maioria dos produtores de gado (72,2%) usando mono-ladeira celeiros manter um bloco com cama para uma volta de gado ou mais, usando um sistema de gestão do fundo-roupa de cama para o fundamento e resíduos1. O material da cama mais comum usado é a palha de milho, apesar de relatório produtores usando palha de soja, palha de trigo, espigas de milho e serragem1. Por causa da demanda regional para o fundamento de caules e folhas de milho, muitos produtores estavam interessados em materiais de cama alternativos que poderiam ser usados em instalações de mono-ladeira. Além de economia e conforto animal, produtores questionaram como o material da cama teria impacto no ambiente da instalação, incluindo a produção de gases odoríferos, composição de nutrientes do estrume/fundamento resultante e a presença de agentes patogénicos.

Alguns estudos têm sido realizados para medir a qualidade do ar resultante de camas diferentes materiais utilizados na carcaça de gado, com maioria focando apenas amônia. A maioria das avaliações anteriores da qualidade do ar incluem a coleta de dados na exploração com uma ou duas unidades experimentais por tratamentos sendo analisados de uma só vez2,3,4,5. Ter limitado o número de unidades experimentais requer o estudo a ser repetido várias vezes, assim adicionando variáveis adicionais, tais como condições climáticas, idade ou fase de produção de animais, e talvez o fundamento materiais produzidos em diferentes estações de crescimento .

Com nenhum modelo conhecido de escala de laboratório para estudar os fatores que afetam a qualidade do ar e composição de nutrientes do estrume/fundamento mistura resultante da carne com camas profundas mono-ladeira instalações, os pesquisadores primeiro tentou utilizar instalações de gado comercial usando um com camas profundas sistema6,7,8. Câmaras de fluxo estático foram usadas para medir concentrações de NH3 na superfície das instalações mono-inclinação profunda camas gado ao longo de um período de 18 meses6. Duas canetas em cada um dos dois celeiros foram medidas. Hastes do milho picadas eram o material preferido do fundamento, mas talos de soja e palha de trigo também foram utilizados para o fundamento durante breves períodos deste projeto. Fundamento do uso variou de 1.95-3,37 kg por animal por dia e caneta densidade variou 3,22-6,13 m2 por animal. Estudos posteriores medido emissões de amônia e sulfeto de hidrogênio do celeiro7e as concentrações de partículas em suspensão do lado de fora do celeiro8. Estes estudos foram conduzidos durante um período de 2 anos usando locais de celeiro de dois a quatro. O desafio com coleta de dados na fazenda é a falta de controle que a pesquisa tem sobre o sistema. Produtores mudam dietas de gado, mover animais da caneta a caneta, use materiais de cama, de diferentes fontes e limpa e re-cama canetas como sua produção e força de trabalho permite, confundindo assim a muitas variáveis. Pesquisa na exploração envolve também as despesas de viagem e grandes quantidades de tratamentos experimentais (como fundamento material). O objetivo deste projeto foi desenvolver um modelo de escala de laboratório que poderia ser usado para estudar os fatores que afetam a qualidade do ar e gestão de nutriente em instalações de mono-ladeira gado com camas profundas.

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Protocol

O estudo foi concebido para ser conduzido durante 42 dias com coleta de dados semanal. Todos os procedimentos de animais foram revistos e aprovados pelo Comitê de uso e nos carne Animal Research Center institucional Cuidado Animal.

1. construir simulada com camas Packs

  1. Começar com recipientes de cilindro de plástico que são 0,42 m de altura com um diâmetro de 0,38 m.
    Nota: Neste estudo, um recipiente especial 10 galões de lixo comercial foi utilizado (ver Tabela de materiais), mas outro recipientes de plástico de tamanho semelhante seria adequado.
  2. Seis furos de 1 cm espaçados em torno da circunferência do recipiente plástico em cada recipiente plástico aproximadamente 5 cm do topo do recipiente plástico. Remova quaisquer vestígios de plástico do recipiente.
  3. Tara do recipiente de plástico e gravar a massa na lateral do recipiente de plástico. Pan de pesar com uma balança, pesar 320 g de material selecionado do fundamento e adicionar fundamento material para o recipiente de plástico.
    Nota: Qualquer fundamento material considerado adequado para uso em instalações de gado pode ser usado9,10,11,12,13,14,15. Para modelagem de instalações de gado com cama profunda em Upper Great Plains, palha de milho é considerada o material mais comum da cama1 mas caules e folhas de soja, palha de trigo e lascas de madeira também foram utilizados1. Se utilizar este sistema para instalações de suína ou laticínios modelo com camas profundas, palha de trigo, palha de cevada, palha de aveia, feno, aparas de madeira, lascas de madeira, serragem, jornal, espigas de milho, palha de feijão de soja, cascas de arroz, ou areia pode ser mais adequado16,17 ,18.
  4. Peso 320 g de gado fresco fezes em um plástico da placa usando equilíbrio e adicionem ao recipiente plástico.
    Nota: Urina e fezes são coletados e mantidos como descrito anteriormente,11.
  5. Medida 320 mL de urina de gado fresco no cilindro graduado de 1000 mL. Conteúdo vazio dentro do recipiente de plástico. Usando uma haste de agita (5,08 cm de circunferência), misture a mistura de fundamento material ligeiramente por 30 s.
    Nota: neste caso, utilizou-se uma haste de aço oca com uma tampa de plástico na extremidade. Alternativamente, pode ser usado qualquer tipo de haste.
  6. Limpe a extremidade da haste de agitação entre cada bloco com cama usando uma compressa com eliminação anti-séptico para evitar a contaminação cruzada dos micróbios.
    Nota: Um balde de água morna e sabão também pode ser usado para limpar a haste de agita. Saco plástico também pode ser fixado com um elástico à extremidade da haste e substituído após cada um com camas pacote para evitar contaminação cruzada.
  7. Pesar e registar a massa final da mistura de roupa de cama. Coloque o recipiente de plástico na câmara ambiental19 conjunto para uma temperatura ambiente de 18-20 ° C com um ponto de orvalho de 12 ° C.

2. manter o simulado com camas Packs

  1. Quarenta e oito horas antes de adicionar a fezes e urina, remover congelados de fezes e urina do congelador e deixar para descongelar à temperatura ambiente (20-25 ˚ c).
  2. Menos de uma hora antes de adicionar urina ao pacote de cama, medir o pH da urina.
  3. Coloque equipamento de protecção adequado (luvas, óculos de segurança) necessários para a manipulação de 6 M de NaOH.
  4. Despeje o cilindro graduado 25 mL de 6 M de hidróxido de sódio (NaOH). Agitar a mistura e, em seguida, testar o pH com uma sonda de pH. Repita até que a urina atinge pH 7,4, pH fisiológico20.
  5. Uma vez que o pH da urina é ajustado, recoloque a tampa no recipiente quando não estiver em uso para evitar a volatilização do nitrogênio da urina urina.
  6. Pesar e registar a massa do pacote de cama. Se cama fresca é a ser adicionado neste dia, pesa 320g de selecionado do fundamento material em panela de alumínio com balança e adicionar material de cama para os respectivos pacotes de camas. Se não há fundamento para ser adicionado neste dia, continuam a passo 2.7.
  7. Peso 320 g de gado descongelados fezes em um plástico da placa usando equilíbrio e adicionem ao pacote com cama.
    Nota: No dia 21, use fezes frescas em vez de fezes descongelados.
  8. Medida 320 mL de urina de gado descongelado no cilindro graduado de 1000 mL. Conteúdo vazio para o pacote de cama.
    Nota: No dia 21, use urina fresca em vez de urina descongelada.
  9. Usando uma haste de agita, agite a mistura de pacote de fundamento ligeiramente por 30 segundos. Limpe a extremidade de plástico da haste de agitação entre cada bloco com cama para evitar a contaminação cruzada dos micróbios. Pesar e registar a massa final da mistura de roupa de cama.
  10. Retorne o recipiente plástico na câmara ambiental.
  11. Repita os passos 2.1-2.10 na segunda, quarta e sexta-feira de cada semana, com o fundamento material sendo adicionado (passo 2.6) e amostras de ar coletadas a cada quarta-feira.

3. colheita de amostras da simulado Packs com cama

Nota: As amostras são coletadas da simulado packs com cama uma vez por semana, antes da adição de fezes, urina e roupa de cama fresca.

  1. Preparando-se para recolher amostras de ar de headspace de cada pacote de cama simulado.
    1. Todos os equipamentos de amostragem de ar e deixe aquecer conforme as instruções do fabricante, aproximadamente 1 hora.
      Nota: Consulte a Tabela de materiais para amônia (NH3), sulfeto de hidrogênio (H2S), metano (CH4), óxido nitroso (N2O) e analisadores de gases de dióxido de carbono (CO2) utilizados neste estudo.
    2. Medir a distância da parte superior da embalagem com cama simulada para o topo do recipiente plástico segurando o pacote cama simulado usando uma régua.
    3. Calcule o volume da área por "headspace" usando a seguinte fórmula:
      Equation 1
      onde r = raio do recipiente plástico,
      h = distância da parte superior do bloco com cama para o topo do recipiente plástico, e
      Câmara de fluxo de V = volume da câmara de fluxo localizada no topo do recipiente de plástico.
      Nota: As câmaras de fluxo usadas neste estudo tem um volume interno de 0,007 m3 , com uma área de superfície de 0,064 m21,22.
    4. Empurre uma estaca de metal aproximadamente 5 cm na superfície do bloco com cama no centro aproximado da embalagem. Segmento de 0,64 cm tubulação inerte através de um dos furos de 1 cm na parte superior de cada recipiente de pacote com cama simulado e seguro em uma estaca de metal 12,5 cm 1,3 cm acima da superfície da embalagem, roupa de cama. Coloque o aço inoxidável hemisférica fluxo estático câmaras21,22 com saias de borracha em cima de cada bloco com cama simulado (Figura 1).
      Nota: Saias de borracha são 61 cm quadrados feitos de borracha macia, elástica, com buracos de 22,9 cm de diâmetro, cortados no centro. O buraco se encaixa sobre a câmara de fluxo e as saias de formam um selo na parte superior do recipiente de plástico, quando colocado no recipiente.
    5. Anexe tubos inertes 0,64 cm para as câmaras de fluxo usando acessórios de compressão inerte.
      Nota: A tubulação inerte está ligada ao tubo de amostragem de gás que alimenta o equipamento de amostragem de ar. O sistema de amostragem de gás é controlado por um relé de lógica programável de 24 volts (ver Tabela de materiais) que sinaliza multi-posições solenoides 3 vias para abrir e fechar uma das linhas de entrada oito ar no colector de amostragem de gás. Uma linha é aberta em um tempo de amostragem de ar individuais de cada pacote de cama.
    6. Começam a descarga de ar ambiente da sala através da tubulação a uma taxa de 5 L min-1 por 30 minutos.
      Nota: Consulte a Tabela de materiais para bomba usada para lavar o ar através das linhas de amostra.
  2. Medir a concentração de amônia, dióxido de carbono, metano e sulfeto de hidrogênio em headspace de pacotes com cama simulados.
    1. Após lavagem adequadamente o simulado com camas pacotes, abra a torneira na linha de amostra de ar ambiente da sala de para linhas de amostra inerte ligadas ao colector de amostragem de gás.
    2. Ative o relé programáveis para começar a puxar o ar dentro do equipamento de amostragem de ar. Registros medições do ar ambiente por 20 minutos determinar a concentração de gases medidos no ar ambiente. Isso será usado como uma concentração de ar residual. Quando terminar de coletar a concentração do ar ambiente, feche a torneira de passagem na linha de amostra.
    3. Ative o relé programáveis para iniciar a amostragem de ar a partir das linhas de amostra inerte anexado a cada câmara de fluxo. Registros medições de cada linha de amostra por 20 minutos determinar as concentrações de gases medidos no headspace de cada pacote de cama.
    4. Os resultados podem ser relatados como a concentração média do gás (NH3, CO2, N2O, CH4, H2S) nas amostras de ar (mg kg-1 ou ppm) ou a densidade de fluxo (taxa de emissão) do gás pode ser calculada sobre uma massa por unidade área por base de tempo de unidade usando a seguinte equação:
      Equation 2
      onde J = o fluxo em µ g m-2 min-1,
      A = área da fonte (m2) no interior da câmara,
      Q = a varredura ar fluxo taxa m3 min-1, e
      Car = a concentração de COV, deixando a câmara (µ g m-3)23.
  3. Medir a concentração de compostos orgânicos voláteis odoríferos, no headspace de pacotes com cama simulados.
    1. Ponha luvas descartáveis de látex ou nitrilo.
    2. Após lavagem adequadamente o simulado com camas pacotes, remova tampas de armazenamento de bronze de adsorvente tubos inox instintiva.
      Nota: Os tubos adsorvente utilizados neste estudo foram 89 mm × 6,4 mm que OD preenchido com Tenax TA adsorvente (ver Tabela de materiais). Caps de bronze têm virolas de polythtrafluorethylene (PTFE).
    3. Anexe marcou final do tubo adsorvente para a porta de entrada na câmara de fluxo, usando o tubo flexível de borracha e a outra extremidade do tubo adsorvente para uma bomba de vácuo.
      Nota: A bomba de vácuo utilizada neste estudo (ver Tabela de materiais) puxou o ar através dos tubos do adsorvente com um caudal de 75 mL min-1.
    4. Permitir que a bomba puxar o ar para dentro do tubo adsorvente por 5 min para um volume de amostra de 0,375 L, em seguida, desligue a bomba e desconecte o tubo adsorvente. Substitua as tampas de armazenamento de bronze nas extremidades dos tubos adsorvente.
    5. Repita as etapas 3.3.1 - 3.3.4 coletar um tubo adsorvente para cada pacote de cama.
    6. Armazenar os tubos adsorvente até análise por dessorção térmica-gás cromatógrafo--espectrometria de massa (TD-GC-MS). Os tubos podem ser armazenados à temperatura ambiente (20-25 ˚ c) para < 24 h. Se armazenar > 24 h, loja na geladeira.
    7. Imediatamente antes da análise de amostra no sistema TD-GC-MS, remova tampas de armazenamento de bronze de tubos adsorvente e substituir com PTFE tampões analítico23.
    8. Analisar o adsorvente tubos para compostos orgânicos voláteis24 (ácido acético, ácido butírico, ácido propiônico, ácido isobutírico, Ácido isovalérico, Ácido valérico, ácido hexanoico, ácido heptanoico, fenol, p-cresol, indol, escatol, dissulfeto dimetil e dimetil trissulfureto e) usando o TD-GC-MS23,24,25.
    9. Os resultados podem ser relatados como concentração de VOC nas amostras de ar (µ g m-3), ou a densidade de fluxo (taxa de emissão) de VOC pode ser calculada sobre uma massa por unidade de área por base de tempo de unidade usando a seguinte equação:
      Equation 2
      onde J = o fluxo em µ g m-2 min-1,
      A = área da fonte (m2) no interior da câmara,
      Q = a varredura ar fluxo taxa m3 min-1, e
      Car= a concentração de COV, deixando a câmara (µ g m-3)23.
  4. Recolha as medições físicas e químicas dos pacotes com cama simulados.
    Nota: Temperatura, pH e a perda de água por evaporação são medidos cada vez materiais adicionais foram adicionados para os pacotes de camas simulados. Composição de nutrientes é determinada no dia 0 e 42 dias. Espaço livre do ar é determinado em 42 dias apenas.
    1. Determine a temperatura do bloco com cama através da inserção de uma sonda de temperatura para o centro do bloco com cama, aproximadamente 7,6 cm abaixo da superfície do bloco com cama simulado. Permitir que a temperatura estabilize e gravar.
    2. Determinar a perda de água por evaporação estimado
      1. Coloque o recipiente de plástico sobre o equilíbrio.
      2. Medir e registrar a massa do bloco com cama simulado antes e após cada adição de fezes/urina/fundamento para o pacote de cama simulado.
      3. Calcule a perda de água por evaporação estimado subtraindo a massa do início do dia atual da missa de encerramento do dia anterior. A diferença é que a massa estimada de água que evaporou do bloco com cama entre os dias e pode ser usada para comparar as diferenças relativas entre cama pacote, embora ele não reflete perda absoluta.
    3. Determinar o pH do simulado pack com cama
      1. Colete uma amostra representativa 5-10 g de cada bloco com cama simulado do centro do pacote a uma profundidade de aproximadamente 7,6 cm abaixo da superfície do bloco com cama. Colocar a amostra em um tubo cônico de plástico-50ml, tampa e rótulo.
      2. Calibre o medidor de pH pH amortecedores 4 e 7 de acordo com as instruções do fabricante.
      3. Determine a massa de cada cônica.
      4. Dilua cada amostra 1:2 em uma base de massa com água destilada, deionizada. Agite o cónico para misturar o material de água e roupa de cama. Inserir a sonda de pH o cónico, medir e registrar o pH da amostra.
    4. Nos dias 0 e apenas 42, determine o teor de nutrientes do simulado com cama pack.
      1. Colete uma amostra representativa de 50g de cada bloco com cama simulado do centro do pacote a uma profundidade de aproximadamente 7,6 cm abaixo da superfície do bloco com cama. Coloque em um saco de amostra de solo de papel.
      2. Transporte para um laboratório para análise de nutrientes dentro de 24 horas. Guarde na geladeira até amostras podem ser transportadas para um laboratório para análise de nutrientes.
        Nota: Qualquer macro ou micro nutrientes podem ser analisados. Analisamos para azoto total26, fósforo e enxofre análise27 em um laboratório comercial.
    5. No dia 42 somente, determine o espaço de ar livre no simulado pack com cama.
      1. Coloque o recipiente de plástico em um equilíbrio e gravar a massa. Lentamente, encha com água até a superfície da água é mesmo com a superfície da embalagem, cama simulada. Permitir que a água repousar até que não mais bolhas estão vindo do simulado pack com cama e, em seguida, gravar a massa do recipiente plástico
      2. Determine a porcentagem de espaço livre de ar usando o seguinte cálculo:
        Equation 3
  5. Depois de concluir todos desejados dados passos de coleção (passos 3.1 - 3.4), adicionar fezes, urina e roupa de cama para os pacotes de camas simulados passos 2.1 - 2.10 a seguir.

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Representative Results

Até à data, pesquisa sete estudos foram publicados9,10,11,12,13,14,15 usando este procedimento, com modificações e ajustamentos melhorar o modelo e reflectem objectivos das experiências específicas. Este procedimento tem sido usado para avaliar o efeito de vários materiais de cama e temperatura ambiente no odor e produção de gás, bem como as alterações que podem ser adicionadas para controlar as emissões de amoníaco. Propriedades químicas e físicas dos pacotes camas foram medidas em celeiros comercial6,28 , bem como nas embalagens com cama simuladas (tabela 1). Esses dados foi usados para determinar se o protocolo foi um modelo adequado para completar ensaios de caro na exploração de investigação. Dados de qualidade do ar foi coletado de instalações comerciais e simulada com cama pacotes usando dois métodos diferentes (tabela 2). O sistema de amostragem de gás descrito neste protocolo é a nova tecnologia que foi testada e comparada com os métodos anteriormente utilizados.

A composição de matéria seca do simulado pacotes camas estavam dentro da faixa de teor de matéria seca publicado de camas pacote material coletado de instalações comerciais6,28. A primeira vez que o protocolo foi usado11, 400g de roupa de cama foram inicialmente adicionado para os pacotes de camas com adições posteriores de 200 g por semana de cama fresca e 400 g de urina e fezes adicionados três vezes por semana. Isto foi criado para simular celeiros comerciais no quais vários fardos de roupas de cama são adicionados inicialmente e apenas um ou dois fardos adicionados ao pacote por semana depois disso. A proporção de resíduos do fundamento: gado foi estimada usando dados coletados de instalações comerciais profunda mono-ladeira camas1,6. No final do primeiro estudo, o teor de matéria seca dos pacotes com cama foi semelhante para o teor de matéria seca, medido em camas pacote material coletado de instalações comerciais6,28. No entanto, observação visual das embalagens com cama indicou que havia um monte de variabilidade na água segurando a capacidade dos materiais de cama. Por exemplo, pacotes de camas com espigas de milho apareceram muito molhados, mas tinham uma matéria seca e conteúda de 27,2 ± 1,5%16, enquanto pacotes de camas com roupa de cama de palha de trigo apareceram relativamente secas, mas tinham um seco importa conteúdo de 21,2 ± 1,1%11. Para tentar aumentar o seco, teor de matéria dos pacotes de camas para melhor representar o celeiros comercial6,28, o protocolo foi ajustado ligeiramente com 320 g de fundamento, urina e fezes adicionados quando o pacote foi iniciado, três semanais adições de 320 g de fezes e urina e uma adição semanal de 320 g de fundamento material adicionado para os pacotes. Este protocolo gerado o teor de matéria seca dos pacotes de camas, mas era altamente dependente o fundamento material utilizado no experimento e a temperatura das câmaras ambientais1413 . Apesar de ser variável, o teor de matéria seca dos pacotes simulados camas estavam dentro da faixa medida em celeiros comerciais assim que o segundo protocolo tem sido usado por todos os estudos posteriores.

A composição de nutrientes, pacote temperatura e pH dos pacotes com cama simulados fornecem mais evidências de que os pacotes de camas simulados são um bom modelo para representar o estrume com camas pacotes em instalações comerciais. N total, P total, total S e K total consistentemente foram dentro da escala do índice nutriente medidos de instalações comerciais de mono-ladeira com camas profundo6,28. Compostagem parcial ocorre nas embalagens das instalações de mono-inclinação profunda com camas, camas, portanto, era importante replicar a temperatura das instalações comerciais nas embalagens com cama simuladas dimensionado para laboratório. Temperatura de pacotes com cama em instalações comerciais com camas profundas quando a temperatura ambiente era entre 0 e 20,6 ˚ c foi 19,2 ± 0,3 ˚ c 6. A temperatura nas câmaras ambientais foi fixada em 20 ˚ c para a maioria dos estudos realizados utilizando este protocolo. Nesses estudos, a temperatura dos pacotes com cama simulados tem sido consistentemente entre 18,3 e 20.1 ˚ c. A exceção a isso era quando a temperatura foi um fator que foi testado em um experimento fatorial de três vias. Duas câmaras ambientais foram fixadas no 40 ˚ c e dois foram fixadas no 10 ˚ c. Nesse estudo, a temperatura dos pacotes com cama simulados foi 12-13 ˚ c nas câmaras frias e 32-35 ˚ c nas câmaras mais quentes. Mais uma vez, isso reflete comerciais celeiros, onde pacote temperaturas eram 15,4 ˚ c ± 0.4 quando temperaturas ambientes foram 0 ˚ c ou mais frio e 29,0 ± 0,3 ˚ c, quando a temperatura ambiente era superior a 20,6 ˚ c 6. O pH dos pacotes de camas em celeiros comerciais pelo uso da cama de palha de milho foi medido em um estudo6 e variou de 7.5-8.0. Pacotes de camas simulados com fundamento de caules e folhas de milho tiveram valores de pH de 7,1-7,311,13. O pH de todos os pacotes de camas simulados tem variou entre 6.2 e 9.0, que reflete uma variedade de materiais de cama usados nos experimentos.

O sistema de amostragem de gás que é usado no presente protocolo foi adaptado de uma série de estudos realizados em comercial de aves, suínos e lácteos celeiros como parte do estudo de monitoramento das emissões ar nacional29. Este sistema libera o ar ambiente através da câmara de fluxo, criando uma câmara de fluxo dinâmico que mede a concentração dos gases selecionados que são emitidos ao longo de um período de 20 minutos. Anterior usando o sistema de amostragem de gases, a concentração de estacionário-lugar de NH3 foi determinada através da recolha de amostras de ar de cada bloco com cama usando câmaras de fluxo estático com ácido armadilhas contendo 2 mol L-1 ácido sulfúrico6, 22. o ar dentro da câmara foi reciclado através das armadilhas ácidas a uma taxa de 1 L min-1 por 20 minutos. Totais reduzidos sulfetos foram coletados usando um amostrador portátil. Amostras de ar foram recirculadas através de câmaras de fluxo estático usando uma pequena bomba com um caudal de L 1 min para não mais que 4 minutos. Um mínimo de quatro amostras consecutivas foram retirados de cada pacote de cama simulado. As concentrações de gases de efeito estufa (CH4, CO2e N20) foram determinadas através da recolha de uma amostra de 20 mL de ar de cada pacote de cama simulado usando os septos na parte superior de cada câmara de fluxo estático. As amostras foram analisadas mais tarde usando um cromatógrafo a gás. O método anterior de coletar todas estas amostras de gás foi muito trabalho intensivo e necessárias duas ou três pessoas gerenciar todos os equipamentos de coleta. Utilização do sistema de amostragem de gás é muito menos intensivos de mão de obra. Uma pessoa é capaz de configurar o sistema de amostragem de gás, iniciar o relé programáveis e retornar aproximadamente 160 minutos mais tarde, quando as amostras terminar de coletar dados de gás de 8 pacotes de camas simulados.

Resultados do protocolo de amostragem anterior, trabalho intensivo são mostrados, bem como os resultados do sistema de amostragem de gás (tabela 2). Por causa da quantidade de trabalho necessário para coletar os dados, nem todos os dados foi capaz de ser recolhidos em instalações comerciais. Concentração de amônia foi coletada usando o método ácido-armadilha da superfície dos blocos com cama em instalações comerciais mono-declive e em comparação com os pacotes de camas simulados. Concentrações de amônia medidas nas embalagens com cama simuladas foram consistentemente semelhantes às concentrações de NH3 medidas a partir de pacotes de camas em instalações de gado comercial. Concentrações de amônia, usando o novo sistema de amostragem de gás parecem estar na extremidade baixa das concentrações presentes nas instalações de gado. Isso pode ser causado pelo analyzer NH3 ou pode ser um reflexo dos tratamentos nos experimentos que utilizaram o sistema de amostragem de gás novo. Ele também pode refletir uma maior taxa de fluxo de ar sobre os pacotes de camas simulados em comparação com o fluxo de ar nos celeiros comerciais, que diluiria a concentração das amostras de amônia. Uma série de experimentos testou o uso de alúmen como uma alteração de superfície que pode ser aplicado para os pacotes de camas a diminuir o pH de pacote, reduzindo assim a volatilização de nitrogênio como NH3. N2O, CH4e dióxido de carbono não foram medidos na superfície de um bloco com cama em instalações comerciais. No entanto, a gama de concentrações de gases medidos em pacotes de camas simuladas usando o método de cromatografia em fase anterior e a gama de concentrações medido utilizando o sistema de amostragem de gás são muito semelhantes. Um pouco altas concentrações foram produzidas quando os pacotes de camas simulados foram alojados em uma câmara de 35 ˚ c ambiental em comparação com 20 câmara ˚ c, o que explica a variabilidade entre experiências. Comparando a TRS com sulfeto de hidrogênio não é uma comparação direta, desde que TRS inclui mais do que apenas sulfeto de hidrogênio. Portanto, não é surpreendente que concentrações de TRS simulados pacotes com cama são ligeiramente superiores a concentrações de H2S medidas utilizando o sistema de amostragem de gás. Este é também um reflexo dos estudos realizados utilizando os dois protocolos de amostragem. Pacotes de camas que continha o fundamento do cedro verde gerado muito altas concentrações TRS12, enquanto aqueles que contêm fundamento de caules e folhas de milho não. As amostras coletadas utilizando o sistema de amostragem de gás utilizaram palha de milho, palha do trigo, caules e folhas de soja e chip de pinho fundamento materiais mas sem fundamento de cedro verde.

Celeiros comercial1-2 Simulado com cama Packs3-6
Matéria seca % 29.99 ± 3,15 16,0 – 36,6 20,8 – 27,2 22.3 – 26,1 24,0 – 58,0 20,8 – 24,9
N total, g kg-1 60.97 ± 13.77 21.2-23.6 19.4 – 28,2 17,8 – 22,3 15.6 – 18,6 17,8 – 23,8
P total, g kg-1 14.13 ± 3,99 6.7 – 7,5 6.2 – 9.6 7.1 – 9.6 6.7 – 8,5 6.2 – 9.6
Total S, g kg-1 7,88 ± 1,48 5.6-6.7 3.6 – 6,5 4.5 – 5.3 --- 3.6 – 6,5
Total K, g kg-1 32.74 ± 8.39 15.5 – 21.1 16.3 – 23,1 --- 18.8 – 25,6 16.3 – 25,2
Lignina, g kg-1 --- --- 26.5 – 139.6 49,9 – 136,9 --- 62,6 – 139.6
Cinzas, g kg-1 --- 154 - 214 119,3 – 200,5 98,9-223.6 --- 119,3 – 200,5
Relação C:N --- --- 17.4 – 28,2 20.2 – 29,7 --- 20.6 – 27,5
pH --- 7.5-8 6.2 – 7.2 6.8 – 7,6 8.5-9.0 7.4 – 7,7
Temperatura, ˚ c --- 15.4 – 29.0 18.3 – 19,9 18.4 – 20,0 12.0 – 35.0 19,7 20.1 –
1 Euken, 2009. Desvio padrão conforme relatado por Euken, 2009 é mostrado. P total e total K foram calculados pela conversão relatado P2O5 e K2O composição, respectivamente.
2 Spiehs et al. 2011. Os dados coletados de duas canetas em cada um dos dois celeiros. Hastes do milho picadas eram o material preferido do fundamento, mas talos de soja e palha de trigo também foram utilizados para o fundamento durante breves períodos deste projeto. Fundamento do uso variou de 1.95-3,37 kg por animal por dia e caneta densidade variou 3,22 – 6.13 m2 por animal.
3 Spiehs et al. 2012. Os dados coletados de pacotes com cama simulados. Materiais de cama incluídos palha de milho, palha de feijão, espigas de milho peletizadas, palha de trigo, papel, lascas de madeira e serragem.
4 Spiehs et al. 2014b. Os dados coletados de pacotes com cama simulados. Fundamento material incluído palha de milho, lascas de madeira de pinho, lascas de cedro molhado e seco cedro fichas.
5 Ayadi et al, 2015b. Os dados coletados de pacotes de camas simuladas usando palha de milho e palha de feijão do fundamento material. Duas temperaturas foram usados (40 e 10˚C)
6 Spiehs et al. 2017. Os dados coletados de pacotes com cama simulados utilizando misturas de fundamento material contendo 0, 10, 20, 30, 40, 60, 80, pinho 100% com os restantes são caules e folhas de milho.

Tabela 1. Gama de relatados de matéria seca e composição de nutrientes (base de matéria seca) de material de roupa de cama/estrume de profundas camas mono-ladeira instalações comerciais (Euken, 2009 e Spiehs et al., 2011) e de estudos conduzindo usando o simulado com camas pacotes (Spiehs et Al, 2012, 2014, 2017 e Ayadi et al, 2015).

Estática do fluxo câmara método1 Câmara de fluxo dinâmico método2
Amônia, ppm 95.8 – 641.1 350.8 – 516.7 381 - 1584 386.3 – 502.3 89,4-166.7
TRS, ppb --- 8.2 – 165.9 --- 5.3 – 11,4 ---
Sulfeto de hidrogênio, ppb --- --- --- --- 0,1 – 18,1
Dióxido de carbono, ppm --- 1232 - 2000 2322 - 6917 918 - 1158 957-2149
Metano, ppm --- 2.3 – 3.6 7.2 – 87.0 4.4 – 6,7 3.2 – 16,7
Óxido nitroso, ppm --- 0,67 – 0.72 0,31 – 0,77 0.21-0.23 0,44 – 0,58
1 Spiehs et al., 2011, 2014a, 2015a, 2016a. Os dados destes estudos foram coletados usando ácidas armadilhas para uma amostra do headspace de cada pacote de cama simulado analisado em um gás de estufa GC para dióxido de carbono, metano e óxido nitroso, um Hand-Held sampler de totais reduzidos sulfetos e amônia.
2 Este dados representa três estudos de regência usando diferentes materiais de cama e alterações de superfície para controlar a emissão de odor e gás. Estes estudos estavam realizando usando o sistema de amostragem de gases e ainda não publicados.

Tabela 2. Relatado de gama de concentrações de amônia, total reduzido sulfetos (TRS), sulfeto de hidrogênio, dióxido de carbono, metano e óxido nitroso de profundas camas mono-ladeira instalações comerciais (Spiehs et al., 2011) e de estudos conduzindo usando o simulado com camas packs (Spiehs et al, 2014a, 2016 e Ayadi et al, 2015).

Figure 1
Figura 1. Pacotes de camas simulados em recipientes de plástico com aço inoxidável flux chambers e esquetes de borracha ligados e pronto para amostragem de ar. Os pacotes de camas simulados estão localizados dentro das câmaras ambientais. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

A adição frequente de urina e fezes para os pacotes de camas é um passo crítico. Experimentamos com adição de urina e fezes, só uma vez semanal, mas achei que o pacote de cama desenvolveu uma crosta, que preso gases dentro da embalagem e não era representativa de instalações comerciais. O uso de fezes frescas no início do estudo assegura que os pacotes de camas é inoculado com populações bacterianas comuns, encontradas em instalações de gado. Também é importante, ao adicionar a urina, lembre-se de ajustar o pH a pH fisiológico antes da adição para os pacotes de camas. Em uma ocasião, foi feito um erro e baixo pH da urina foi adicionado para os pacotes de camas. Isto matou a população de bactérias metanogénicas. Ao configurar o sistema de amostragem de gás, todos os acessórios precisam ser seguro para evitar vazamentos que podem comprometer a qualidade das medições gás.

O protocolo foi adaptado, desde que o primeiro foi desenvolvido. Adaptando-se a câmara de fluxo estático para ser câmaras de fluxo dinâmico permite que os pesquisadores calcular as emissões em vez de apenas as concentrações de gases de headspace. O uso de novos sistemas de amostragem de gás dinâmica também permite que a amostragem seja concluída por uma pessoa em vez de precisar de duas ou três pessoas para gerenciar toda a coleção de dados.

Adaptações poderiam ser feitas para usar os pacotes de camas simulados para avaliar materiais de cama ou alterações de odor, utilizadas em instalações leiteiras ou suína. Ajustes que precisam ser feitas para determinar os rácios de fundamento adequado: estrume típicos em suínos ou instalações leiteiras. Literatura publicada deve fornecer matéria seca e as expectativas de composição de nutrientes da suína comercial ou instalações leiteiras que ajudariam a estimam a quantidade de roupa de cama, fezes e urina que precisaria ser necessário ajustar o pack com cama simulado protocolo para representar uma instalação suína ou laticínios. O protocolo nunca tem sido usado para medir um material inorgânico do fundamento, tais como a areia, que é frequentemente utilizada em instalações de lácteos. Enquanto não há nenhuma razão para acreditar que não mediria com êxito as emissões de gases de um bloco com cama contendo material inorgânico do fundamento, isso exigiria testes adicionais.

Pode haver gases adicionais que poderiam ser amostradas que não avaliamos. Qualquer instrumento de recolha de amostras de gás que pode ser conectado a uma linha de amostragem de gás inerte deve, teoricamente, ser capaz de ser usado com este sistema.

O modelo também pode ser ajustado para explorar relações diferentes da cama: estrume se um pesquisador escolheu para fazê-lo. Talvez um investigador estava interessado em determinar a quantidade máxima de estrume ou de urina que pode ser adicionada a um pacote com cama antes de odores significativos foram detectados. Ou um pesquisador queria examinar diferente temperatura e umidade efeitos na qualidade do ar. O modelo também poderia ser ajustado para examinar estes fatores.

O protocolo foi desenvolvido para medir a qualidade do ar e composição de nutrientes da escala de laboratório com camas pacotes em um ambiente controlado e tem sido usada para avaliar eficazmente muitos materiais diferentes da cama, variáveis ambientais (temperatura, humidade), e tratamentos potencial de mitigação que podem melhorar a qualidade do ar em instalações comerciais de mono-ladeira com camas profundas. O modelo é dinâmico e permite que os pesquisadores facilmente coletar muitas medições físicas e químicas do bloco com cama, incluindo NH3, CH4, N2O, CO2, H2S, VOC, temperatura, pH, composição de nutrientes, ar livre espaço e potencialmente outros que ainda não foram medidos. Medições semanais coletadas ao longo de seis ou sete semanas permite tempo suficiente para ver mudanças nas medições de qualidade do ar ao longo do tempo como o pack com cama maduro. Os dados coletados dos pacotes de camas simulados é dentro do intervalo de concentrações anteriormente medidos em instalações comerciais de mono-ladeira com camas profundas. Após estudos têm demonstrado que são suficientes para detectar diferenças estatísticas entre os pacotes com cama simulado9,10,11,12, 8-10 unidades experimentais por tratamento 13,14,15. Os pacotes de camas são fáceis de manter, exigindo menos de 10 minutos de trabalho por cama maço por semana para adicionar urina, fezes e roupa de cama. Coleta de amostra, usando o sistema de amostragem de gás requer 20-30 minutos pelo bloco com cama, consoante as medidas que estão sendo coletados. No passado, mais de 20 pacotes de camas foram analisados por uma pessoa em um dia de trabalho de 8 horas normal. O uso de pacotes com cama dimensionado para laboratório permite o pesquisador para controle de variáveis como temperatura, umidade e fonte de roupa de cama que são difíceis ou impossíveis de controle em uma investigação ou instalações comerciais. Vários estudos de laboratório-escala podem ser conduzidos para eliminar possíveis tratamentos antes de experimentá-las em uma investigação ou instalações de tamanho comercial.

A principal limitação do modelo é que não é uma simulação perfeita das condições do "mundo real". É difícil perfeitamente simular condições comerciais tais como contínua adicional de urina e fezes, que ocorre em uma instalação de gado. Baseado no teor de matéria seca e nutrientes-composição dos pacotes com cama simulados em comparação com instalações comerciais e a mão de obra disponível em nosso laboratório, nós determinamos três vezes semanais adições de urina e fezes pode ser suficiente. No entanto, se poderia ser desenvolvida uma modificação para adicionar periodicamente fezes e urina várias vezes ao dia, que seria melhor simulam o ambiente comercial.

Outro reconhecido limitação é a utilização de congelados e descongelados fezes e urina. Enquanto todos os esforços para congelar rapidamente a urina e fezes para evitar a volatilização de nitrogênio e qualquer crescimento bacteriano, urina e fezes coletadas em um estudo de equilíbrio só são recolhidos uma vez ao dia. Demora uma hora ou mais tempo para coletar, pesar, redefinir os recipientes de coleta e particionar a urina e fezes. Ela também requer várias horas para um garrafão de 20 L de urina para congelar completamente, mesmo depois de ser colocado em um congelador-4 ˚ c. Durante este tempo, podem ocorrer a volatilização e crescimento bacteriano. Para compensar este atraso de tempo entre a coleta e o congelamento, a urina é acidificada pH 4 imediatamente depois de retirar o recipiente do aparelho para evitar o crescimento bacteriano e volatilização de nitrogênio coleção. A urina é restaurada para pH 7, uma vez que é descongelado, mas isto pode não ser exatamente o mesmo como a adição de urina fresca. No entanto, como houve sem aumentos observados na volatilização de NH3 após a adição da urina fresca para os pacotes de camas em comparação com urina congelada, acreditamos que podemos ter minimizado essa limitação. Populações bacterianas são mortas ou diminuídas quando fezes está congelada. Esta é uma limitação reconhecida do protocolo que tentamos minimizar adicionando fezes frescas no dia 0 e o dia 21.

O uso de uma haste de aço suave mistura que o recém adicionados fezes e urina com o material da cama não perfeitamente simulem o peso do gado em instalações comerciais, resultando numa compactação um pouco diferente e a capacidade de retenção de água. Para considerar a porosidade das costas com cama e como uma indicação do espaço aéreo livre que possam estar presente no pacote de cama, água foi derramada os pacotes com cama no final de cada estudo para determinar a porcentagem de espaço livre de ar presente em cada bloco com cama9 < /c 0 >,10,11,12,13,14,15. Espaço livre de ar ficou geralmente uniforme de um estudo para outro, mas não tem sido comparado com o espaço de ar livre que está presente em um centro comercial.

O protocolo não foi testado com outros animais espécies ou instalação de tipos, como aros de suínos com camas profundas ou suecas instalações de parto com camas profundas, celeiros da leiteria adubo ou outras instalações leiteiras com cama ou qualquer tipo de instalação de aves de capoeira, pelo uso da cama. Enquanto parece que o modelo teria potencial para ser usado como um modelo para outras instalações de gado, ajustes para o protocolo podem ser necessários representar adequadamente qualquer instalação além de uma instalação com camas profundas de gado de corte.

Enquanto o modelo não é uma simulação perfeita de instalações comerciais, pode oferecer um ponto de partida ao avaliar fatores como cama, temperatura, umidade ou alterações que podem ser adicionadas a um pack com cama em uma instalação de gado. Permite que um pesquisador avaliar as diferenças de tratamento em um ambiente controlado e eliminar as opções de tratamento potencialmente menos eficazes antes de gastar dinheiro sobre os recursos necessários para uma operação comercial-tamanho.

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Disclosures

Esta pesquisa foi financiada por fundos Federal adequados para o serviço de pesquisa agrícola do USDA, número do projeto de pesquisa 3040-41630-001-00D.

Menção de nomes comerciais ou produtos comerciais neste artigo é exclusivamente com o propósito de fornecer informações específicas e não implica em recomendação ou endosso pelo USDA.

USDA é um provedor de igualdade de oportunidades e o empregador.

Acknowledgments

O autor deseja reconhecer Alan Kruger, Todd Boman, Shannon Ostdiek, Elaine Berry e Ferouz Ayadi que ajudou com a coleta de dados, usando os pacotes de camas simulados. O autor também reconhece Tami Brown-Brandl e Dale Janssen por sua assistência mantendo as câmaras ambientais.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
10 gallon plastic cylinder containers Rubbermaid Model 2610 Other similar-sized plastic containers are suitable
Mass balance Any Capable of measuring 0.1 gram
Electric drill with 1 cm bit Any
Methane analyzer Thermo Fisher Scientific Model 55i Methane/Non-methane Analyzer
Hydrogen sulfide analyzer Thermo Fisher Scientific Model 450i
Ammonia analyzer Thermo Fisher Scientific Model 17i
Carbon dioxide analyzer California Analytical Model 1412
Nitrous oxide analyzer California Analytical Model 1412
Programmable Logic Relay TECO Model SG2-020VR-D
Stainless steel flux chambers Any Constructed using the parts list and directions cited at Woodbury et al., 2006
Rubber skits Any Constructed from flexible rubber material. Cut into squares (61 cm x 61 cm) with 22.9 cm diameter hole in center. 
pH meter Spectrum Technologies IQ150
thermometer Spectrum Technologies IQ150
Ruler or tape measure Any Capable of measuring in cm
Sorbent tubes Markes International Tenax TA
Pocket pumps SKC Inc. Series 210
Inert sampling line Teflon 0.64 cm diameter
Pump Thomas 107 series Used to flush air through sample lines

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References

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