臭気と深いから放出されるガスの濃度を評価する実験室スケール モデル層状パック肥料

要約

ガス、臭気、およびラボ スケール層状肥料パックは、深層層状肥料パックを使用して商業牛施設における空気質を改善する方法を研究するために培養液の組成を測定するためのプロトコルが開発しました。

要約

空気の質や牛モノ斜面設備で使用される深い層状パックの栄養成分を研究する実験室規模の模擬層状パック モデルを開発しました。このプロトコルは、多くの異なる寝具材料、環境変数 (温度、湿度) との可能性を評価するために使用されています商業深い層状モノラル斜面施設空気緩和治療を改善できます。モデルは動的であり、簡単に層状のパックから多くの化学および物理的な測定を収集するために研究者をことができます。6 ~ 7 週間にわたって収集された毎週の測定値では、層状のパックが成熟するにつれて時間をかけて大気測定の変化を見るのに十分な時間をことができます。シミュレートされた層状パックから収集されたデータは濃度の範囲内で以前商業深い層状モノラル斜面施設測定します。過去の研究は、8-10 実験単位の治療が十分にシミュレートされた層状パック間の統計的な差異を検出することを実証しています。層状のパックは、尿、糞便、寝具を追加する週層状パックあたり労働 10 分未満を必要とする、維持すること容易。ガスのサンプリング システムを使用してサンプル コレクションには、収集される測定によって、層状のパックあたり 20-30 分が必要です。ラボ スケール層状パックは、研究者は研究や商業施設のコントロールが困難または不可能にある温度、湿度、寝具ソースなど制御変数を使用します。シミュレートされる「実世界」の条件のない完璧なシミュレーション層状中パックは使用して層状パック間での治療の違いを調べる研究者のための良いモデルとして機能します。いくつかの実験室規模の研究は、研究や商業規模の設備でそれらをしようとする前に可能な治療を排除するために実施できます。

概要

肉用牛閉じ込め設備は、中西部とアッパーの大平原で人気が高い住宅オプションです。監禁施設地域が含まれている必要がありますより多くの肥育場流出を作成より多くの年間降水量を受け取るため南部の平野よりもこの地域に共通しています。多くの生産者は肉用牛モノ斜面納屋をビルドすることを選んだ。モノラル斜面施設を選択するための生産者によって引用した主な理由は、スケジュールの労働と肥料の除去と多く飼育場¹を開くと比較してパフォーマンスが向上する能力でした。モノラル斜面納屋を使用して牛生産者 (72.2%) の大半は、寝具の深い寝具管理システムを使用して 1 ターン以上牛の層状パックを維持し、無駄に¹。使用される最も一般的な寝具材料はトウモロコシの茎葉、大豆無精ひげ、麦わら、トウモロコシの穂軸、おがくず¹を使用して生産者レポート。トウモロコシ stover 寝具の地域需要のため多くの生産者はモノラル斜面設備で使用できる代替寝具材料に興味があった。経済学および動物の快適さに加え生産者寝具素材が悪臭ガスの生産の結果として得られる肥料と寝具、栄養成分や病原体の存在をはじめとして、施設の環境にどのような影響を与えるか疑問を呈した。

アンモニアにだけほとんど着目して、家畜の住宅で使用されている別の寝具材料から生じる空気の質を測定するほとんどの研究を します。前の空気の質の評価のほとんどにファームのデータ コレクションがあります治療あたり 1 つまたは 2 つの実験装置を分析して一度に^2,3,4,5。実験単位数制限する必要があります、複数回繰り返される気象条件、年齢、動物の生産の段階など追加の変数を追加、別の成長の季節で生産おそらく寝具材料.

商業牛を使用、利用しようと混合物最初牛肉深層層状モノラル斜面設備、研究者から結果知られている実験室スケール モデルはない空気品質と肥料と寝具の栄養組成に影響を与える要因を検討し、深層層状システム^6,7,8。静的フラックス室は、18 ヶ月の期間⁶でモノラル斜面深部層状牛設備の表面に NH₃濃度の測定に使用されました。2 つの納屋のそれぞれで 2 つのペンを測定しました。みじん切りのトウモロコシの茎最寄りの寝具素材が小麦のわらおよびダイズの茎もこのプロジェクトの短い期間中に寝具の使用されました。寝具の使用動物動物あたり 3.22 6.13 m²からであった日とペンの密度あたり 1.95 3.37 kg からであった。その後の研究では、納屋⁷、および粒子状物質濃度の納屋⁸外からアンモニアと硫化水素の排出量を測定しました。これらの研究は、2 〜 4 納屋場所を使用して 2 年間で実施されました。ファームのデータ収集の課題研究は、システム制御の欠乏であります。生産牛の食事療法を変更、ペンペンから動物を移動、寝具材料を使用して、さまざまなソースから、きれいし、生産、労働力として再ベッド ペンができますが、多くの変数をこのように交します。ファームの研究は、旅費や実験的治療 (寝具の材料) などの大量にも含まれます。このプロジェクトの目的は、空気質と牛深層層状モノラル斜面施設で栄養管理に影響を与える要因を検討し使用できる実験室スケール モデルを開発することでした。

プロトコル

研究は、毎週のデータ収集を 42 日間にわたって実施する設計されています。動物のすべてのプロシージャは、見直しされ、米国食肉動物研究センター機関動物ケアおよび使用委員会によって承認されました。

1. シミュレーションの構築パックを層状

1. 0.42 m と高 0.38 m 径のプラスチック シリンダー容器から始まります。
   注: 本研究では 1 つの特定の 10 ガロン商業こみコンテナーだった使用される (参照表の材料)、しかし他の同様のサイズのプラスチック容器が適しているでしょう。
2. 1 cm の穴をドリル 6 等間隔にプラスチック容器のまわりを各プラスチック容器約 5 cm にプラスチック容器の上部。任意のプラスチックの残党をコンテナーから削除します。
3. プラスチック容器の風袋、プラスチック容器の側に質量を記録します。バランスを使用して重量を量る鍋に選択した寝具素材の 320 g の重量を量る、寝具のプラスチック製の容器に材料を追加します。
   注: 畜産施設で使用することができます任意の寝具材料が適したもの^{9,10、11,12,13,14,15}を使用します。モデリング深い層状牛設備上の大平原では、最も一般的な寝具材料¹しかし、ダイズ茎葉、小麦のわら、トウモロコシの茎葉があるし、木材チップも使用される¹をされています。トウモロコシの穂軸、大豆の無精ひげ、米殻、深層層状モデル豚や乳製品設備、小麦わら、わら大麦、エンバクわら、干し草、木の削りくず、木材チップ、おがくず、新聞にこのシステムを使用している場合や砂がありますより適切な^16,17 ^,18。
4. 新鮮な牛の糞便プラスチックのプレートのバランスを使用して、プラスチックのコンテナーに追加の 320 g の重量を量る。
   注: が尿と糞便が収集し、前述¹¹として整備します。
5. 320 mL の 1000 mL メスシリンダーで新鮮な牛の尿を測定します。プラスチック製の容器に空の内容。わずか 30 の寝具材料の混合物を混合攪拌棒 (5.08 cm 円周) を使用して s います。
   注: この場合、中空スチール製の棒の端にプラスチック製のカバーを使用されました。また、ロッドの任意の型を使用できます。
6. 微生物のクロス汚染を防ぐために防腐剤処理ワイプを使用して各層状パック間攪拌ロッドの端をきれいに。
   注: 暖かく滑らかな水のバケツは、攪拌棒をきれいにも使用できます。プラスチックのサンドイッチ バッグ ロッドの端を輪ゴムで固定し、交差汚染を防ぐためにパックを層状それぞれ後を交換できます。
7. 重さし、寝具の混合物の最終的な質量を記録します。12 ° C の露点と 18-20 ° C の周囲温度に設定環境室¹⁹にプラスチック容器を置きます

2. 維持、シミュレートされた層状パック

1. 糞便、尿を追加する前に 48 時間冷凍庫から冷凍便と尿を削除し、室温 (20-25 ° C) で解凍することができます。
2. 尿を層状のパックに追加する前に 1 時間未満の場合は、尿の pH を測定します。
3. 6 M NaOH を処理するために必要な適切な個人用保護具 (手袋、安全メガネ) に置きます。
4. 6 M 水酸化ナトリウム (NaOH) の 25 mL をメスシリンダーに注ぐ。混合物を攪拌し、pH のプローブを使用して pH をテストします。尿 pH 7.4 では、生理学的 pH²⁰に到達するまでを繰り返します。
5. 一度、尿の pH を調整すると、尿からの窒素の揮散を防ぐために使用しないときに尿容器にキャップを取り付けます。
6. 重さし、層状のパックの質量を記録します。新鮮な寝具をこの日に追加する場合は、重さ 320 g バランスを使用してアルミ鍋に素材を寝具を選択し、寝具材料をそれぞれ層状パックに追加します。この日追加する寝具が無い場合手順 2.7 に進みます。
7. 解凍牛プラスチックの糞便のバランスを使用してプレートし、層状のパックに追加の 320 g の重量を量る。
   注: 21 日目に、解凍された糞便の代わりに新鮮な糞便を使用します。
8. 320 mL の 1000 mL メスシリンダーで解凍牛尿を測定します。層状のパックの上に空の内容。
   注: 21 日目に、解凍された尿の代わりに新鮮な尿を使用します。
9. わずか 30 秒の寝具パック混合物をかき混ぜる攪拌棒を使用します。微生物のクロス汚染を防ぐためにパックごと層状の間攪拌ロッドのプラスチックの端をきれいに。重さし、寝具の混合物の最終的な質量を記録します。
10. 環境制御チャンバーでプラスチックのコンテナーを返します。
11. 月曜日、水曜日、および毎週金曜日の寝具素材追加 (ステップ 2.6) と毎週水曜日に収集された空気サンプルで、2.1 2.10 手順を繰り返します。

3. 模擬層状パックから試料を採取

注: サンプル収集されますシミュレートされた層状パックから週に 1 度、糞便、尿、新鮮な寝具を追加する前に。

1. 各模擬層状パックのヘッドから空気のサンプルを収集するために準備します。
   1. すべての空気サンプリング装置をオンにし、製造元の指示に従って約 1 時間ウォーム アップすることができます。
      注: は、アンモニア (NH₃)、硫化水素 (H₂S)、メタン (CH₄)、亜酸化窒素 (N₂O) と本研究で使用されている二酸化炭素 (CO₂) ガス分析装置の材料表を参照してください。
   2. シミュレートされた層状パックの上から定規を使用してシミュレートされた層状パックを保持しているプラスチック容器の上部までの距離を測定します。
   3. 次の数式を使用してヘッド スペース領域の量を計算します。
      
      r = プラスチック容器の半径
      h = 層状のパックの上からプラスチックの容器の上部までの距離と
      V_{フラックス商工会議所}= プラスチックのコンテナーの上に位置するフラックス室のボリューム。
      注: この研究で使用されるフラックス室 0.064 m^21,22の表面積を持つ 0.007 m³の内部容積があった。
   4. パックのおおよその中心で層状のパックの表面に金属の株式約 5 cm を押し込みます。0.64 cm 12.5 cm 金属出資 1.3 cm 寝具パックの表面上のセキュリティで保護された各模擬層状パック容器の上部に 1 cm の穴の 1 つを通して不活性チューブを通します。ステンレス半球静的フラックス室^21,22各模擬層状パック (図 1) の上にゴムのスカートを配置します。
      注: ゴム製スカートは、61 cm 正方形、センター カットの 22.9 cm 直径の穴を柔らかく、弾性ゴム製です。フラックス室の上穴にフィットし、スカートは、コンテナーに配置する場合は、プラスチック容器の上部にあるシールを形成します。
   5. 不活性圧縮継手を用いたフラックス溜まりに 0.64 cm 不活性チューブを接続します。
      注: 不活性チューブ ガスマニホールド サンプリング空気サンプリング装置にフィードに接続されます。ガスのサンプリング システムは 24 ボルトのプログラマブル ロジック リレーによって制御サンプリング ガスマニホールドに八つの空気入口行のいずれかに開閉する多位置の 3 ウェイ ソレノイド信号 (材料の表を参照してください)。時各層状パックから個々 の空気サンプリングを可能に 1 つの行を開設します。
   6. 5 L 分^-1の割合で 30 分間のチューブを介して部屋から周囲の空気をフラッシュを開始します。
      注: サンプル ラインを通して空気をフラッシュするために使用するポンプの素材表を参照してください。
2. アンモニア、炭酸ガス、メタン、シミュレートされた層状パックのヘッド スペース中の硫化水素の濃度を測定します。
   1. パックを層状にシミュレートされる適切にフラッシュ、部屋から不活性サンプル ライン サンプリング ガスマニホールドに接続に周囲の空気を引くためのサンプル ラインにコックを開きます。
   2. 空気サンプリング装置に空気を引っ張って開始するプログラマブル ・ ロジック リレーをアクティブ化します。測定ガス大気中の濃度を決定するため 20 分間大気から測定を記録します。これは、バック グラウンド大気濃度として使用されます。大気濃度を収集したら、横断抽出ラインの活栓を閉じる。
   3. 各フラックス チャンバーに接続されている不活性サンプル行からの空気のサンプリングを開始するプログラマブル ・ ロジック リレーをアクティブ化します。それぞれのヘッド スペース測定したガスの濃度を決定する 20 分間の各サンプル ラインから測定を記録には、パックが固められています。
   4. ガス (NH₃CO₂N₂O、CH₄H₂S) (mg kg^-1または ppm)、大気試料の平均濃度として結果を報告することができます。 または単位質量のガスの磁束密度 (量) を計算できます。次の方程式を使用して単位時間当たりの面積:
      
      場所J = μ m^-2分^-1のフラックス
      Aチャンバー内のソース (m²) の領域を =
      Q = スイープ空気流では、m³分^-1が速度と
      C_空気室 (μ m^-3)²³を残して VOC 濃度を =。
3. シミュレートされた層状パックのヘッド スペースに悪臭の揮発性有機化合物の濃度を測定します。
   1. ラテックス、ニトリルの使い捨て可能な手袋に置きます。
   2. パックを層状にシミュレートされる適切にフラッシュ後、は、ステンレス鋼が前処理吸着管から真鍮ストレージ キャップを取り外します。
      注: この研究で使用される吸着剤のチューブだった 89 × 6.4 mm OD テナックス TA 吸着剤 (参照表の材料) でいっぱいです。真鍮キャップ polythtrafluorethylene (PTFE) のフェルールがあります。
   3. 柔軟なゴム製のチューブを使用してフラックス室の入口ポートに吸着管末の得点と真空ポンプに吸着剤のチューブのもう一方の端に取り付けます。
      注: これに使用される真空ポンプ研究 75 mL 分^-1の流量で吸着チューブを通して空気を引っ張って (材料の表を参照してください)。
   4. 0.375 L の試料量の 5 分の吸着管に空気を引くし、ポンプをオフおよび吸着剤のチューブを切断するポンプを許可します。吸着剤のチューブの両端に真鍮ストレージ キャップを取り付けます。
   5. 3.3.1 - 3.3.4 層状パックごとに 1 つの吸着管を収集するための手順を繰り返します。
   6. 熱脱離ガス クロマト グラフ-質量分析法 (TD-GC-MS) によって解析まで吸着管を格納します。チューブは室温 (20-25 ° C) で保存されるかもしれない < 24 h。格納する場合 > 24 h、冷蔵庫内のストア。
   7. TD GC/MS システム サンプル分析の直前に吸着チューブから真鍮ストレージ キャップを削除し、PTFE 分析キャップ²³に置き換えます。
   8. 揮発性有機化合物²⁴ (酢酸, 酪酸、プロピオン酸、イソ酪酸、イソ吉草酸、吉草酸、オクチル酸、ヘプタン酸、フェノール、p-クレゾール、インドール、スカトール、硫化ジメチルおよびジメチル用吸着管を分析します。トリスルフィド) TD GC/MS^23,24,25を使用しています。
   9. 大気試料 (μ m^-3) 中、VOC 濃度として結果を報告できます。 または次の式を使用して単位時間、単位面積当たりの質量の VOC の磁束密度 (量) を計算できます。
      
      場所J = μ m^-2分^-1のフラックス
      A チャンバー内のソース (m²) の領域を =
      Q = スイープ空気流では、m³分^-1が速度と
      C_空気室 (μ m^-3)²³を残して VOC 濃度を =。
4. シミュレートされた層状パックの物理・化学的測定値を収集します。
   注: 温度, pH, および蒸発水損失は、付加的な材料は、シミュレートされた層状パックに追加された各時間が測定されます。栄養成分は、0 日目、42 日目に決定されます。空気空き日 42 のみ決定されます。
   1. 層状のパックの温度を確認するには、層状パック、シミュレートされた層状パックの表面下約 7.6 cm のセンターに温度プローブを挿入します。安定し、記録する温度を許可します。
   2. 推定蒸発水損失を決定します。
      1. バランスにプラスチックのコンテナーを配置します。
      2. 測定、糞便と尿/寝具をシミュレートされた層状パック各添加の前後にシミュレートされた層状パックの質量を記録します。
      3. 前日の終了質量から当日の初めの質量を差し引いて推定蒸発水損失を計算します。違いは、日の間層状パックから蒸発、層状のパックの相対的な違いを比較する使用できますが、絶対的な損失が反映していない水の推定質量です。
   3. シミュレートされた層状パックの pH を決定します。
      1. 中心から約 7.6 cm 層状のパックの表面の下の深さでパックの各のシミュレートされた層状パックから代表 5-10 g のサンプルを収集します。プラスチック製 50 mL のコニカル チューブ、キャップ、ラベルのサンプルを置きます。
      2. バッファー ph 4 と 7 の製造元の指示に従って pH メーターを調整します。
      3. 各円錐形の質量を決定します。
      4. 蒸留水、脱イオン水で質量の単位で、各サンプル 1:2 を希釈します。水、寝具の材料を混ぜて円錐を振る。円錐形 pH プローブを挿入、測定、およびサンプルの pH を記録します。
   4. 日 0、42 のみでシミュレートされた層状パックの栄養の内容を確認します。
      1. 中心から約 7.6 cm 層状のパックの表面の下の深さでパックの各のシミュレートされた層状パックから 50 g の代表的なサンプルを収集します。土壌サンプル紙袋に配置します。
      2. 24 時間以内、栄養分析のための研究室に輸送します。栄養分析のための実験室にサンプルを運ぶことができるまで冷蔵庫で保存します。
         注: マクロまたはマイクロ栄養素を分析できます。我々 は全窒素²⁶, リンおよび硫黄分析²⁷商業研究所での分析します。
   5. 日 42 のみでシミュレートされた層状パックで無料の空気スペースを確認します。
      1. バランスの上のプラスチックのコンテナーを配置し、質量を記録します。水の表面は、シミュレートされた層状パックの表面もまで、ゆっくりと水で埋めます。水がないより多くの泡は、シミュレートされた層状パックから来ているまでに解決するようにし、プラスチック製の容器の質量を記録
      2. 次の計算を使用して無料の空気領域の割合を確認します。
         
5. 必要なすべてのデータを作成した後は、コレクションの手順 (手順 3.1 - 3.4) は糞便、尿、寝具を次の手順 2.1 - 2.10 シミュレートされた層状パックに追加します。

結果

日には、7 つの研究を研究されている公開^9,は、^10,の^11,12,13,14,の¹⁵の変更この手順を使用して、調整は、モデルを改善し、特定の実験の目的を反映しました。この手順は、臭気ガスの生産と改正?...

ディスカッション

尿と糞便層状パックに頻繁に追加は、重要なステップです。尿や便、週 1 回だけ追加する実験を行ったが、層状のパック開発地殻、パックの中のガスをトラップし、商業施設の代表ではなかったことを発見します。研究の初めに新鮮な糞便の使用は、層状のパックが牛施設で見つかった一般的な細菌の人口と再接種されることを保証します。また、尿中に、層状のパックを追加する前に生理?...

資料

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