Modello di scala di laboratorio per valutare odore e le concentrazioni di Gas emesse dal profondo Bedded Pack letame

Riepilogo

Un protocollo è stato sviluppato per misurare gas, odori e composizione nutriente in confezioni di concime letti in scala di laboratorio, che può essere utilizzato per studiare i modi per migliorare la qualità dell'aria nelle strutture commerciali bestiame utilizzando letame profondo-bedded Pack.

Abstract

Un modello in scala di laboratorio simulato bedded pack è stato sviluppato per studiare la qualità dell'aria e la composizione nutrizionale di profondo-bedded Pack utilizzati in impianti mono-pendio di bestiame. Questo protocollo è stato usato per valutare efficacemente molti materiali da lettiera diverse variabili ambientali (temperatura, umidità) e potenziale trattamenti di mitigazione che possono migliorare la qualità dell'aria nelle strutture commerciali del mono-pendio di profondo-letti. Il modello è dinamico e permette ai ricercatori di raccogliere facilmente molte misurazioni chimiche e fisiche dal pack a due letti. Misure settimanale, raccolte nel corso di sei o sette settimane, consente di tempo sufficiente per vedere i cambiamenti nelle misure di qualità di aria nel tempo come il pack bedded matura. I dati raccolti dai Pack bedded simulato sono all'interno della gamma di concentrazioni precedentemente misurati in strutture commerciali del mono-pendio di profondo-letti. Studi precedenti hanno dimostrato che 8-10 unità sperimentale al trattamento sono sufficienti per individuare le differenze statistiche fra i Pack bedded simulati. Le confezioni a due letti sono facili da mantenere, che richiede meno di 10 minuti di lavoro per letti pacchetti per settimana per aggiungere delle urine, feci e biancheria da letto. Raccolta dei campioni utilizzando il sistema di campionamento del gas richiede 20-30 minuti per confezione a due letti, a seconda delle misure che vengono raccolti. L'uso di confezioni a due letti in scala laboratorio consente al ricercatore di controllo variabili quali temperatura, umidità e fonte di biancheria da letto che sono difficili o impossibili da controllare in una ricerca o la funzione commerciale. Mentre non una perfetta simulazione delle condizioni "reali", il simulato bedded Pack servire come un buon modello per i ricercatori a utilizzare per esaminare le differenze di trattamento tra confezioni a due letti. Diversi studi su scala di laboratorio possono essere condotta per eliminare possibili trattamenti prima di provare in una ricerca o la struttura delle imprese di dimensioni medie.

Introduzione

Strutture di confinamento di bovini da carne sono un'opzione di alloggio popolare nel Midwest e Upper Great Plains. Strutture di confinamento sono più comuni in questa regione di pianure meridionali perché la regione riceve più precipitazione annuale, che crea più deflusso di foraggio che deve essere contenuto. Molti produttori ha scelto di costruire fienili mono-pendio per bovini da carne. Principali motivi citati dai produttori per la selezione di una struttura mono-pendio era la capacità di pianificazione del lavoro e letame rimozione e prestazioni migliorate rispetto per aprire sacco feedlot¹. Una maggioranza dei produttori di bestiame (72,2%) utilizzando mono-pendio fienili mantenere un pack a due letti per un turno di bestiame o più, utilizzando un sistema di gestione di profondo-biancheria da letto per biancheria da letto e¹di rifiuti. Il più comune materiale di biancheria da letto usato è paglia di mais, anche se report produttori utilizzando stoppie di soia, paglia del frumento, pannocchie di mais e segatura¹. A causa della domanda regionale per biancheria da letto di paglia di mais, molti produttori sono stati interessati a materiali alternativi biancheria da letto che potrebbero essere utilizzati in mono-pendio strutture. Oltre a economia e comfort degli animali, i produttori interrogato come il materiale di biancheria da letto avrebbe un impatto dell'ambiente della struttura, tra cui la produzione di gas odorosi, composizione nutrizionale della risultante letame/biancheria da letto e la presenza di agenti patogeni.

Pochi studi sono stati condotti per misurare la qualità dell'aria derivanti dalla biancheria da letto di diversi materiali utilizzati nella custodia di bestiame, con la maggior parte concentrandosi solo su ammoniaca. La maggior parte delle precedenti valutazioni della qualità dell'aria includono la raccolta dei dati in azienda con uno o due unità sperimentale per trattamenti analizzati contemporaneamente^2,3,4,5. Avendo limitato il numero di unità sperimentali richiede lo studio deve essere ripetuto più volte, aggiungendo così ulteriori variabili quali condizioni meteorologiche, età o fase della produzione di animali, e forse biancheria da letto materiali prodotte in diverse stagioni di crescita .

Con nessun modello in scala di laboratorio noto per studiare i fattori che influenzano la qualità dell'aria e composizione nutrizionale di biancheria da letto/concime miscela derivanti da strutture mono-pendio profondo-bedded manzo, i ricercatori in primo luogo ha tentato di utilizzare strutture commerciali bestiame utilizzando un sistema profondo-letti^6,7,8. Alloggiamenti di flusso statico erano usati per misurare le concentrazioni di NH₃ sulla superficie delle strutture mono-pendio profonda bedded bestiame nel corso di un periodo di 18 mesi⁶. Due penne in ciascuna delle due fienili sono stati misurati. Stocchi di mais tritati erano il materiale preferito biancheria da letto, ma steli di paglia e soia di frumento sono stati utilizzati anche per biancheria da letto durante brevi periodi di questo progetto. Biancheria da letto uso variato da 1,95-3,37 kg a giorno e penna densità ha variata da 3,22-6.13 m² per animale per animale. Studi successivi hanno misurato le emissioni di ammoniaca e acido solfidrico dal fienile⁷e le concentrazioni di particolato fuori il fienile⁸. Questi studi sono stati condotti su un periodo di 2 anni utilizzando da due a quattro posizioni di granaio. La sfida con la raccolta dei dati in azienda è la mancanza di controllo che la ricerca ha sopra il sistema. Produttori cambiare la dieta del bestiame, spostare gli animali da penna a penna, utilizzare materiali da lettiera da diverse fonti e pulita e ri-letto penne come loro produzione e forza lavoro permette, così molte variabili di confusione. Azienda agricola ricerca coinvolge anche le spese di viaggio e grandi quantità di trattamenti sperimentali (ad esempio materiale da lettiera). L'obiettivo di questo progetto era di sviluppare un modello di scala di laboratorio che possa essere utilizzato per studiare i fattori che influenzano la qualità dell'aria e gestione degli elementi nutritivi in strutture di bestiame profondo-bedded mono-pendenza.

Protocollo

Lo studio è progettato per essere condotto oltre 42 giorni con raccolta dati settimanali. Tutte le procedure di animali erano esaminate e approvate dal comitato di uso e noi carne animale ricerca centro istituzionale Animal Care.

1. costruzione simulata Bedded Pack

1. Iniziare con i contenitori di cilindro di plastica che sono 0,42 m di altezza con un diametro di 0,38 m.
   Nota: In questo studio, un contenitore particolare trash commerciale di 10-gallon è stato usato (veda Tabella materiali), ma altri contenitori di plastica di dimensioni simili sarebbe adatto.
2. Sei 1 cm fori equidistanti intorno alla circonferenza del contenitore plastico in ogni contenitore di plastica circa 5 cm parte superiore del contenitore plastico. Rimuovere eventuali residui di plastica dal contenitore.
3. Tara del contenitore in plastica e registrare la massa sul lato del contenitore in plastica. Pesare 320 g di materiale di assestamento selezionato in padella pesare usando una bilancia e aggiungere biancheria da letto di materiale per il contenitore di plastica.
   Nota: Qualsiasi materiale di assestamento ritenuti idonei per uso in strutture di allevamento può essere usato^{9,10,11,12,13,14,15}. Per la modellazione di strutture profonde bestiame a due letti in Upper Great Plains, residui del mais sono considerato il più comune materiale di biancheria da letto¹ ma stover soia, paglia di grano, e trucioli di legno sono anche stati usati¹. Se usando questo sistema a strutture suina o prodotti lattiero-caseari modello profondo-bedded, paglia di grano, orzo paglia, paglia di avena, fieno, trucioli di legno, trucioli di legno, segatura, giornale, pannocchie di mais, paglia di soia, riso scafi, o sabbia può essere più adatto^{16,17 ,18}.
4. Pesano 320g di bestiame fresco feci su una plastica piastra usando equilibrio e aggiungere al contenitore di plastica.
   Nota: Urina e le feci sono raccolti e mantenute come descritto in precedenza¹¹.
5. Misura 320 mL di urina fresca bestiame nel cilindro graduato 1000 mL. Vuoto contenuto nel contenitore di plastica. Con una bacchetta (5,08 cm di circonferenza), mescolare la miscela di materiale di biancheria da letto leggermente per 30 s.
   Nota: In questo caso, è stato utilizzato un cavo tondino d'acciaio con una copertura di plastica sull'estremità. In alternativa, potrebbe essere utilizzato qualsiasi tipo di asta.
6. Pulire l'estremità della bacchetta tra ogni confezione letti usando un batuffolo imbevuto di antisettico disposizione per evitare la contaminazione incrociata dei microbi.
   Nota: Un secchio di acqua saponata calda utilizzabile anche per pulire la bacchetta. Un sacchetto di sandwich di plastica può essere fissato con un elastico alla fine dell'asta e sostituito dopo ciascuna con letti pack per evitare la contaminazione incrociata.
7. Pesare e registrare la massa finale della miscela di biancheria da letto. Posizionare il contenitore in plastica a camera ambientale¹⁹ impostato su una temperatura ambiente di 18-20 ° C con un punto di rugiada di 12 ° C.

2. mantenere il simulato Bedded Pack

1. Quarantotto ore prima di aggiungere le feci e urina, togliere congelate feci e urina dal freezer e far per scongelare a temperatura ambiente (20-25 ˚ c).
2. Meno di un'ora prima dell'aggiunta dell'urina bedded Pack, misurare il pH delle urine.
3. Mettere su appropriati dispositivi di protezione individuale (guanti, occhiali di sicurezza) necessari per la gestione di 6 M NaOH.
4. Versare 25 mL di 6 M di idrossido di sodio (NaOH) nel cilindro graduato. Mescolare il composto, quindi verificare il pH usando una sonda di pH. Ripetere fino a quando raggiunge l'urina pH 7.4, pH fisiologico²⁰.
5. Dopo aver regolato il pH delle urine, richiudere il contenitore di urina quando non in uso per evitare la volatilizzazione dell'azoto dall'urina.
6. Pesare e registrare la massa della confezione a due letti. Se fresca biancheria da letto deve essere aggiunto in questo giorno, pesano 320 g di selezionato materiale da lettiera nella vaschetta di alluminio con equilibrio e aggiungere materiale di assestamento ai rispettivi letti Pack. Se alcuna biancheria da letto deve essere aggiunto in questo giorno, continuare a punto 2.7.
7. Pesano 320g di bestiame scongelato feci su una plastica piastra usando equilibrio e aggiungere al pack a due letti.
   Nota: Il giorno 21, utilizzare feci fresche invece feci scongelate.
8. Misura 320 mL di urina di bovini scongelati nel cilindro graduato 1000 mL. Contenuto vuoto sulla confezione a due letti.
   Nota: Il giorno 21, utilizzare l'urina fresca invece di urina scongelato.
9. Con una bacchetta, mescolare la miscela di confezione di biancheria da letto leggermente per 30 secondi. Pulire l'estremità in plastica della bacchetta tra ogni confezione a due letti per evitare la contaminazione incrociata dei microbi. Pesare e registrare la massa finale della miscela di biancheria da letto.
10. Restituire il contenitore di plastica in camera climatica.
11. Ripetere i passaggi 2.1-2.10 il lunedì, mercoledì e venerdì di ogni settimana, con biancheria da letto materiale aggiunto (passo 2.6) e campioni di aria raccolti ogni mercoledì.

3. raccolta dei campioni dai Pack Bedded simulati

Nota: Campioni vengono raccolti dai Pack bedded simulato una volta alla settimana, prima dell'aggiunta di feci, urina e lenzuola fresche.

1. Preparando a raccogliere campioni di aria da spazio di testa di ogni pack bedded simulato.
   1. Accendere tutte le apparecchiature di campionamento aria e lasciarlo per riscaldare secondo le indicazioni del produttore, circa 1 ora.
      Nota: Vedi Tabella materiali per ammoniaca (NH₃), solfuro di idrogeno (H₂S), metano (CH₄), protossido di azoto (N₂O) e gli analizzatori di gas di anidride carbonica (CO₂) utilizzati in questo studio.
   2. Misurare la distanza dalla parte superiore della confezione bedded simulata alla parte superiore del contenitore di plastica che tiene il pack bedded simulato usando un righello.
   3. Calcolare il volume dell'area dello spazio di testa utilizzando la seguente formula:
      
      dove r = raggio del contenitore plastico,
      h = distanza dalla parte superiore della confezione letti alla parte superiore del contenitore plastico, e
      V_{camera di flusso} = volume della camera di flusso si trova sulla parte superiore del contenitore in plastica.
      Nota: Gli alloggiamenti di flusso utilizzati in questo studio avevano un volume interno di 0,007 m³ con una superficie di 0,064 m^21,22.
   4. Spingere un palo di metallo circa 5 cm nella superficie della confezione a due letti al centro approssimativo della confezione. Tubazione inerte di 0,64 cm attraverso uno dei fori di 1 cm nella parte superiore di ogni contenitore di pack bedded simulato e sicuro su un palo di metallo 12,5 cm 1,3 cm sopra la superficie della confezione biancheria del filetto. Posto in acciaio inox emisferica flusso statico chambers^21,22 con gonne di gomma in cima a ogni confezione bedded simulato (Figura 1).
      Nota: Gonne in gomma sono 61 cm quadrati in gomma morbida, elastica con fori del diametro di 22,9 cm tagliati al centro. Il foro si adatta sopra la camera di flusso e le gonne formano una guarnizione sulla parte superiore del contenitore di plastica quando sono immessi sul contenitore.
   5. Fissare il tubo inerte 0,64 cm per gli alloggiamenti di flusso utilizzando raccordi a compressione inerte.
      Nota: La tubazione inerte è collegata al collettore di campionamento di gas che alimenta l'apparecchiatura di campionamento aria. Sistema di campionamento del gas è controllato da un relè di logica programmabile 24 volt (Vedi Tabella materiali) che segnali multi-posizionali 3 vie solenoidi per aprire e chiudere una delle linee di ingresso aria otto sul collettore di campionamento di gas. Una linea viene aperta in un momento per consentire per il campionamento aria individuale da ogni confezione a due letti.
   6. Iniziare lo svuotamento dell'aria ambiente dalla camera attraverso la tubazione ad un tasso di 5 L min^-1 per 30 minuti.
      Nota: Vedi Tabella materiali per pompa utilizzata per svuotare l'aria attraverso le linee di sezione.
2. Misurare la concentrazione di ammoniaca, anidride carbonica, metano e solfuro di idrogeno in spazio di testa di confezioni bedded simulati.
   1. Dopo adeguatamente vampate di calore il simulato bedded Pack, aprire il rubinetto sulla linea di campione per aspirare aria ambiente dalla camera in inerte campione linee collegate al collettore di campionamento di gas.
   2. Attivare il relè di logica programmabile per iniziare tirando in aria l'apparecchiatura di campionamento aria. Valori di misurazione da aria ambiente per 20 minuti determinare la concentrazione di gas misurata nell'aria ambiente. Questo fungerà da una concentrazione di aria di fondo. Al termine di concentrazione nell'aria ambiente di raccolta, chiudere il rubinetto di intercettazione sulla linea del campione.
   3. Attivare il relè di logica programmabile per iniziare il campionamento aria dalle linee campione inerte assegnati ogni sezione di flusso. Valori di misurazione da ogni riga di esempio per 20 minuti determinare le concentrazioni di gas misurati in spazio di testa di ogni confezione a due letti.
   4. I risultati possono essere riportati come la concentrazione media del gas (NH₃, CO₂, N₂O, CH₄, H₂S) nei campioni di aria (mg kg^-1 o ppm), o la densità di flusso (tasso di emissione) del gas può essere calcolata su una massa per unità di zona a base di tempo unità utilizzando la seguente equazione:
      
      dove J = il flusso in µ g m^-2 min^-1,
      A = area della sorgente (m²) all'interno della camera,
      Q = la sweep aria flusso tasso m³ min^-1, e
      C_aria = la concentrazione di COV lasciando la camera (µ g m^-3)²³.
3. Misurare la concentrazione di composti organici volatili odorose in spazio di testa di confezioni bedded simulati.
   1. Mettiti i guanti monouso in lattice o nitrile.
   2. Dopo adeguatamente vampate di calore il simulato bedded Pack, è possibile rimuovere tappi in ottone deposito dai tubi sorbente precondizionati in acciaio inox.
      Nota: I tubi sorbenti utilizzato in questo studio sono stati 89 mm × 6,4 mm che od riempito con Tenax TA sorbente (Vedi Tabella materiali). Tappi in ottone hanno puntali di polythtrafluorethylene (PTFE).
   3. Allegare alla fine ha ottenuta del tubo assorbente per la porta di ingresso sulla camera di flusso usando tubi flessibili in gomma e l'altra estremità del tubo assorbente per una pompa a vuoto.
      Nota: La pompa a vuoto utilizzata in questo studio (Vedi Tabella materiali) tirato aria attraverso i tubi assorbenti ad una portata di 75 mL min^-1.
   4. Lasciare la pompa tira aria nel tubo assorbente per 5 min per un volume di campione da 0.375 L, quindi spegnere la pompa e scollegare il tubo assorbente. Sostituire i tappi di deposito di ottone alle estremità dei tubi sorbenti.
   5. Ripetere i passaggi 3.3.1 - 3.3.4 per raccogliere un tubo assorbente per ogni confezione a due letti.
   6. Archivio tubi sorbente fino all'analisi di desorbimento termico-gas cromatografo--spettrometria di massa (TD-GC-MS). Tubi possono essere conservati a temperatura ambiente (20-25 ˚ c) per < 24h. Se archiviazione > 24 h, conservare in frigorifero.
   7. Immediatamente prima dell'analisi dei campioni sul sistema TD-GC-MS, togliere i tappi in ottone deposito dai tubi sorbente e sostituire con PTFE tappi analitica²³.
   8. Analizzare assorbente tubi per composti organici volatili²⁴ (acido acetico, acido butirrico, acido propionico, acido isobutirrico, acido isovalerico, acido valerico, acido esanoico, acido eptanoico, fenolo, p-cresolo, indolo, scatolo, solfuro dimetilico e dimetil trisolfuro di commercio) utilizzando TD-GC-MS^23,24,25.
   9. I risultati possono essere riportati come concentrazione di VOC nei campioni di aria (µ g m^-3), o la densità di flusso (tasso di emissione) della VOC può essere calcolata su una massa per unità di superficie a base di tempo unità utilizzando la seguente equazione:
      
      dove J = il flusso in µ g m^-2 min^-1,
      A = area della sorgente (m²) all'interno della camera,
      Q = la sweep aria flusso tasso m³ min^-1, e
      C_aria= la concentrazione di COV lasciando la camera (µ g m^-3)²³.
4. Raccogliere le misurazioni fisiche e chimiche delle confezioni bedded simulate.
   Nota: Temperatura, pH e perdita di acqua per evaporazione sono misurati ogni volta materiali aggiuntivi sono stati aggiunti ai Pack bedded simulato. Composizione nutrizionale è determinato al giorno 0 e 42 giorni. Spazio libero di aria è determinato solo al giorno 42.
   1. Determinare la temperatura del pacco a due letti con l'inserimento di una sonda di temperatura al centro della confezione a due letti, circa 7,6 cm sotto la superficie della confezione bedded simulata. Lasciare che la temperatura stabilizzare e registrare.
   2. Determinare la perdita di acqua per evaporazione stimato
      1. Posizionare il contenitore di plastica sulla bilancia.
      2. Misurare e registrare la massa della confezione bedded simulata prima e dopo ogni aggiunta di feci/urina/biancheria da letto, il Pack bedded simulato.
      3. Calcolare la perdita di acqua per evaporazione stimato sottraendo messa di inizio del giorno corrente dalla massa finale del giorno precedente. La differenza è la massa stimata di acqua evaporata dal pack letti tra i giorni e può essere utilizzato per confrontare le differenze relative fra letti pack, anche se non riflette in assoluto la perdita.
   3. Determinare il pH di simulato bedded pack
      1. Raccogliere un campione rappresentativo 5-10 g da ogni confezione bedded simulato dal centro della confezione ad una profondità di circa 7,6 cm sotto la superficie della confezione a due letti. Mettere il campione in una provetta conica di plastica da 50 mL, tappo ed etichetta.
      2. Tarare il pH-metro con pH buffer 4 e 7, secondo le indicazioni del produttore.
      3. Determinare la massa di ogni conica.
      4. Diluire ogni campione 1:2 su una base di massa con acqua distillata e deionizzata. Agitare la conica per mescolare il materiale acqua e biancheria da letto. Inserire la sonda pH la conica, misurare e registrare il pH del campione.
   4. Giorni 0 e 42 solo, determinare contenuto nutriente del pack bedded simulato.
      1. Raccogliere un campione rappresentativo di 50g da ogni confezione bedded simulato dal centro della confezione ad una profondità di circa 7,6 cm sotto la superficie della confezione a due letti. Mettere in un sacchetto di carta del suolo del campione.
      2. Trasporto ad un laboratorio per analisi dei nutrienti entro 24 ore. Conservare in frigorifero fino a quando i campioni possono essere trasportati ad un laboratorio per analisi dei nutrienti.
         Nota: Qualsiasi macro o micro nutrienti possono essere analizzati. Analizziamo per azoto totale²⁶, fosforo e zolfo analisi²⁷ presso un laboratorio commerciale.
   5. Il giorno 42 solo, determinare lo spazio di aria nel pack bedded simulato.
      1. Posizionare il contenitore di plastica su un equilibrio e registrare la massa. Riempire lentamente con acqua fino a quando la superficie dell'acqua è anche con la superficie della confezione bedded simulata. Far riposare fino a che non bolle più stanno arrivando dal pack bedded simulato l'acqua, quindi registrare la massa del contenitore plastico
      2. Determinare la percentuale di spazio libero di aria utilizzando il seguente calcolo:
         
5. Dopo aver completato tutti i desiderata dei dati raccolta i passaggi (passaggi 3.1 - 3.4), aggiungere le feci, l'urina e biancheria da letto ai Pack bedded simulato seguendo passaggi 2.1 - 2.10.

Risultati

Fin qui, sette ricerca gli studi sono stati pubblicati^{9,10,11,12,13,14,15} utilizzando questa procedura, con modifiche e adeguamenti per migliorare il modello e riflettono gli obiettivi degli esperimenti specifici. Questa procedura è stata utilizzata per valu...

Discussione

L'aggiunta frequente di urina e feci ai letti Pack è un passo fondamentale. Abbiamo sperimentato con l'aggiunta di urina e feci solo una volta alla settimana, ma trovato che il pack bedded sviluppato una crosta, che intrappolato gas all'interno del pacco e non era rappresentativo di strutture commerciali. L'uso di feci fresche all'inizio dello studio assicura che i letti Pack viene inoculato con popolazioni batteriche comuni trovati in strutture di bestiame. È anche importante, quando si aggiunge l'urina, per ricordars...

Materiali

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