Accuracy and precision of the techniques used to measure methane emissions from ruminant animals are critically important for the success of greenhouse gas mitigation efforts. This manuscript describes the principles and operation of an automated system to monitor methane and carbon dioxide mass fluxes from the breath of ruminant animals.
Drøvtyggere dyr (husdyr eller vilde) udsender metan (CH 4) gennem tarmgæring i deres fordøjelseskanalen og fra nedbrydning af husdyrgødning under opbevaring. Disse processer er de vigtigste kilder til drivhusgasser (GHG) emissioner fra dyr produktionssystemer. Teknikker til måling af enterisk CH 4 varierer fra direkte målinger (åndedræt kamre, som er meget præcis, men med begrænset anvendelighed) til forskellige indirekte metoder (sniffere, laserteknologi, som er praktisk, men med variabel nøjagtighed). Den svovlhexafluorid (SF6) sporgasmetode er almindeligt anvendt til at måle enterisk CH4 produktion af dyre- forskere og mere for nylig, anvendelse af en Rapid City Automated Head-kammersystem (AHCS) (grovfoder, C-Lock, Inc.,, SD), som er i fokus i dette eksperiment, er vokset. AHCS er et automatiseret system til overvågning af CH 4 og kuldioxid (CO2) masse fluxe frapust af drøvtyggere. I en typisk AHCS drift bliver små mængder af lokkemad foder udleveres til de enkelte dyr at lokke dem til AHCS flere gange dagligt. Da dyret besøger AHCS, en fan-system trækker luft forbi dyrets snude ind i en indsugningsmanifold, og gennem en luft samling rør, hvor kontinuerlig luftmængde måles. En delprøve af luft pumpes ud af røret til ikke-dispersive infrarøde sensorer til kontinuerlig måling af CH 4 og CO 2 koncentrationer. Field sammenligninger af AHCS til respiration kamre eller SF 6 har vist, at AHCS producerer repeterbare og præcise CH4 emission resultater, forudsat at animalske besøg AHCS er tilstrækkelige, så emissioner estimater bygger på den døgnrytme vommen gasproduktion af. Her vil vi demonstrere brugen af AHCS at måle CO 2 og CH 4 fluxe fra malkekøer givet en kontrol kost eller en kost suppleret med teknisk kvalitet cashewnødder møtrikshell væske.
Animalsk produktion udgør en væsentlig kilde til drivhusgasser (GHG) emissioner i hele verden, genererer CH 4 og lattergas, enten direkte (fx fra fordøjelsessystem og gødningshåndtering) eller indirekte (f.eks fra foder-produktionsaktiviteter og konvertering af skov til græsarealer eller dyrkede arealer). Skøn for husdyr bidrag til den globale drivhusgasemissioner varierer fra omkring 1-18 juli% 2, afhængigt af grænserne for analysen og anvendte metoder. I USA, husdyr udgjorde 3,1% af de samlede drivhusgasemissioner i 2009 3.
Enteriske CH 4 er den største bidragyder til drivhusgasemissioner fra husdyr. Derfor har dyr forskerne fokuseret deres forskning på opdage afbødende teknologier til reduktion af enterisk CH 4 produktion fra drøvtyggere. I mange tilfælde er resultaterne af tvivlsom videnskabelig værdi på grund af utilstrækkelig eksperimentelle design or måleteknikker 1. Således nøjagtighed og præcision af måleteknik kritisk vigtige komponenter af drivhusgasser afbødning forskning. En stor mængde litteratur er blevet offentliggjort om dette emne i de seneste år 4-7. Der er flere etablerede metoder til måling af enterisk CH 4 produktion i drøvtyggere, herunder åndedræt kamre (meget nøjagtige, men med begrænset anvendelighed), tracer gasser (svovlhexafluorid SF 6) og hoved-kamre. Selv om respiration kamre er betragtet som "gold standard" til måling af drivhusgasser vom, deres største ulempe er, at antallet af dyr på forsøg normalt er begrænset på grund af det begrænsede antal kamre til rådighed på en bestemt forskningsanlæg. Den mest praktiske og udbredte teknikker til måling enterisk CH 4 produktion er SF 6 sporgas metode og for nylig, en automatiseret Head-kammer system (AHCS, grovfoder), at Cen monitor CH 4 og CO 2 masse fluxe fra ånde og opstød gas af drøvtyggere 8. Både SF 6 teknik og AHCS muliggøre emission, der skal analyseres på et stort antal dyr i frie græssende forhold eller i fri- og tie-stall staldene. SF 6 Teknikken udnytter SF 6 som sporgas, som kontinuerligt frigives fra en gennemtrængning rør indsat i vommen af dyret, indsamling af en prøve af den udåndede gasser, og analyse af gas til SF 6: CH 4-forholdet. AHCS er en automatiseret, head-kammer system af typen, der også er baseret på anvendelsen af en sporgas (propan). I forhold til den åndedræt kammer metode, hvor dyr er begrænset under unormale fodring og adfærd betingelser, og med SF 6 tracer-metoden, som kræver særlige analytiske evner og udstyr (for gas indsamling og SF 6 analyse) plus omfattende håndtering af dyr, AHCS er ikke -intrusive og er billigereat erhverve og drive. Store mangler i AHCS omfatter urepræsentative prøvetagning (i applikationer, såsom græssende systemer, hvor dyrene skal frivilligt besøge enheden) og anvendelse af agn foder, som kunne udgøre op til 5% af dyrets tørstof indtag i løbet af en gas måling begivenhed. De seneste sammenlignende forsøg har konkluderet, at AHCS producerer emissionsrater svarende til dem, estimeres ved hjælp åndedræt kamre eller SF 6 teknik 9,10.
Den enkeltstående AHCS systemet er bygget op omkring en solid automatisk arkføder, der er let at transportere i hånden eller kan monteres på en trailer udstyret med solpaneler (eller andre strømkilder) til autonom felt drift og lange afstande. Systemet omfatter et dyr radiofrekvensidentifikation-system (RFID), en baiting-system, en luft håndtering og målesystem, en gas sporstof-system, elektronik og kommunikationssystem, og et datahåndtering-system (<strong> Figur 1). Flere detaljer kan findes i det oprindelige patent dokumentation 11.
Eksemplet AHCS operation protokollen beskrevet nedenfor er lakterende malkekøer til huse i en tie-stall laden. Proceduren gælder for andre kategorier af kvæg (ikke-lakterende malkekøer, kvier eller kødkvæg) opstaldet i lignende faciliteter. Formålet med dette forsøg er at demonstrere de principper og drift af AHCS til måling af CH 4 og CO 2 -udledningen fra drøvtyggere.
Det AHCS system kombinerer elementer af en dynamisk kabinet teknik, kammer-system, og sporstof teknik til masseflux målinger af CH 4 og CO 2. I løbet af dage, det indsamler flere prøver fra hvert dyr for at definere den samlede gennemsnitlige daglige gasmassen flusmidler. For at identificere et dyr og levere den korrekte mængde lokkemad, er en RFID-læser indarbejdes i AHCS. RFID-tag læses som dyret begynder at placere sit hoved ind i arkføderen. Når et dyr er identificeret, AHCS afgør, om det er berettiget til at modtage en agn belønning på dette specifikke tidspunkt på dagen (græsning eller gratis-stall laden applikationer). Start- og sluttidspunkt for hvert dyr besøg (bestemt på grundlag af de infrarøde sensorer) registreres automatisk. Lokkemaden afgivelsessystem anvendes til at tiltrække dyr til AHCS regelmæssigt i løbet af dagen. Typisk er lokkemad foder pelleteres og kan indeholde græs, lucerne, korn koncentrater melasse og vegetabilsk olie.Mens et dyr besøg AHCS, en fan trækker luft over hovedet (ved hastighed på omkring 26 l / min), svungne udsendes CH4 og CO 2 i en luft indsugningsmanifold. Luftstrømshastigheden måles kontinuerligt med en hot-film anemometer i midten af luften opsamlingsrør. En kontinuerlig delprøve af luft udvindes og dirigeres i en sekundær prøve filter, derefter i to ikke-dispersivt infrarød analysatorer, en sensor til CO 2 og én for CH4. AHCS indeholder også ekstra sensorer til lufttemperatur, luftfugtighed, agn drop, systemet spænding, atmosfærisk tryk, propan flow, og hoved stilling. Græs- og trailer monteret versioner til græssende systemer omfatter en kop vindmåler (lokal vindhastighed) og vind vinge (vindretning). Alle sensordata bliver gemt på en lokal datalogger og en computer, så AHCS kan fungere automatisk og uafhængigt. Sensordata gemmes også på en intern USB-standard (Universal Serial Bus) memory stick. AHCS datanormalt overføres via en Internet link, en gang i timen, til en ekstern server, hvor de er permanent logget. Brugere med internetforbindelse kan fjernstyre logge ind AHCS og styre enheden, ændre baiting tidsplaner, og se historiske og real-time data samt kontrollere og overvåge AHCS funktion.
Samlet set eksperimenter udført på Pennsylvania State University viste, at AHCS system leverer pålidelige estimater for CH 4 og CO 2 -udledningen fra malkekøer til huse i tie-stall staldene. Fordelene ved AHCS end respiration kamre er, at dyret ikke er begrænset og er i sit naturlige miljø (dvs.., På græs), eller kan bevæge sig frit (i en frit løsdriftsstald). AHCS er også billigere at bygge end en traditionel respirationskammeret. Dette relativt lave omkostninger er vigtig, især for CH4 afbødning forskning i udviklingslandene. Sammenlignet med SF 6 sporR fremgangsmåde, AHCS er enklere at betjene og kræver ikke kompliceret og dyr analyseudstyr. Måske den mest synlige ulempe AHCS sammenlignet med kamre og SF 6 metoder (især når der anvendes i græsning eller frit-stall laden miljøer), er, at dyret har frivilligt at nærme enheden og dermed måling gas begivenheder er afhængige af dyr besøg . Inden for en dag, disse animalske besøg måske eller måske ikke er repræsentative for den døgnrytme af CH 4 produktion. Derfor, i applikationer, hvor dyret besøg AHCS frivilligt, prøvetagningsperioden skal være lang nok eller gentages et tilstrækkeligt antal gange. Tie-stall program, der bruges på Pennsylvania State University lindrer problemet ved at kontrollere antallet og tidsmæssige fordeling af gas målinger i løbet af en 24 timers fodring cyklus. Tilstrækkelig prøvetagning af opstød gas under en fodring cyklus (som angivet i ovenstående protokol) er vigtigt for representative estimering af CH 4-produktion i vommen hos kvæg. Mængden af agn de foderstoffer, som dyrene under målinger ved hjælp AHCS skal betragtes i den samlede analyse (dvs., skal lægges til den samlede mængde foder forbruges af dyr), så emissionsintensitet pr foder DMI kan være præcist estimeret. Under normale fodring, agn foderet udgør mindre end 5% af den samlede DMI for en malkekøer og dens virkning på vom gæring og CH 4 produktion er lille. Det bemærkes, at AHCS (og andre lignende systemer) ikke måler CH 4-produktion i dyrets colon. Stortarmen gæring, bidrager dog kun omkring 3% af de samlede CH 4 emissioner i dyr en drøvtygger 7.
Baseret på erfaringer, er der flere vigtige komponenter i måling enterisk vommen gasproduktionen hjælp AHCS: (1) dyret skal være vant til den lokkemad foder (og AHCS) og har to lide det med henblik på at nærme sig og bruge AHCS feeder, (2) dyrets hoved skal indsættes helt ind feeder for at indsamle pålidelige data drivhusgasser, (3) AHCS kalibrering proceduren skal følges nøje , er (4), der har tilstrækkelig tid til at indsamle baggrund CH 4 og CO 2-data mellem prøveudtagning enkelte dyr vigtigt, især i tie- eller frit-stall staldene, og (5), er det vigtigt, at der er indsamlet nok data i en sampling cyklus ( dækker en 24 timers periode), så emissionsdata genereret af AHCS er repræsentative for den faktiske daglige CH 4 eller CO 2 udledningen med dyret.
Sammenlignende test med AHCS vs. etablerede CH4 måleteknik understøtter ovennævnte konklusioner. For eksempel viser en undersøgelse med stigende kvier konkluderede, at AHCS var i stand til at estimere CH 4 emissionerne fra skøn husdyr og emissioner genereret af AHCS var sammenligneligetil værdier opnået ved respiration kamre 9. Disse forfattere påpegede, at indsættelsen af AHCS enhederne og replikation skal overvejes nøje for at sikre et tilstrækkeligt antal målinger opnås. Baseret på erfaringer, 8 sampling begivenheder, fordeles over en 3-dages periode at dække et 24 timers fodring cyklus (se protokol ovenfor) er tilstrækkelige til at opnå nøjagtige målinger af forurenende luftarter og relativt lav variabilitet i dataene (dvs. acceptabel præcision). I en undersøgelse med diegivende malkekøer, blev det konkluderet, CH4 målte emissioner af AHCS svarede til litteraturværdier afledt af åndedræt kamre og mellem variabilitet dyr (CV 11 til 12%; gentagelsesnøjagtighed på 0,64 til 0,81) var også inden for interval rapporteret for respiration kamre 10. I et nyligt publiceret studie med lakterende køer, AHCS produceret en mindre CV end SF 6 metoden (14,1-22,4% mod 16,0 til 111% for SF 6) 13 </sup>. I et 12-ugers forsøg udført på Pennsylvania State University med 48 lakterende malkekøer, hvor vommen CH 4 produktion blev hæmmet med 30% (p <0,001), konkluderede vi, at AHCS og SF 6 metoden producerede lignende emissionsresultater CH 4 : 319-481 g / ko pr dag (middelværdi = 374 g / d; SEM = 15,9; CV = 13%) og 345 til 485 g / ko pr dag (middelværdi = 396 g / d; SEM = 29,8; CV = 23 %) for AHCS og SF 6 henholdsvis 14.
Afslutningsvis nøjagtige, men praktiske teknikker til måling af CH 4 produktion i vommen er afgørende vigtigt for succes drivhusgasser afbødende indsats. AHCS er et automatiseret gasmålesystem der har vist sig at levere pålidelige og præcise estimater af enterisk CH 4 og CO 2 -udledning fra kvæg, oksekød og mælkeprodukter.
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to thank the staff of the Department of Animal Science’s Dairy Center for their conscientious care of the experimental cows used to generate data for this study.
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 |