INFLUENCE OF NUTRITION ON METHANE GAS PRODUCTION IN MURCIANO-GRANADINA GOATS

Abstract

[EN] Climate change, a resultant effect of greenhouse gas emissions, is a worldwide concern because its continuation is having significant impacts on people, natural resources and economic conditions around the world. The root cause of this recent past and projected climate change is now recognised to be the warming potential of a number of greenhouse gases that, by absorbing terrestrial infrared radiation, raise the temperature of the troposphere and with it, global surface temperatures. The major greenhouse gases are water vapour, carbon dioxide, methane, nitrous oxide and fluorinated gases. While carbon dioxide receives the most attention as a factor which causes global warming, methane also cause significant radiative forcing. Methane is only second to carbon dioxide in its contribution to global warming and its emissions are caused by both natural and anthropogenic actions. Human activities such as intensive livestock farming are the primary cause of the increased methane concentrations in the atmosphere, being ruminants the animals which create large amounts of methane via fermentation of feeds in the rumen. During this physiological digestive process, hydrogen is released by some microbes during fermentation of forage and is used by methanogenic Archaea (methanogens) to convert carbon dioxide to methane, which is released through eructation, normal respiration and small quantities as flatus. Rumen fermentation of cattle contributes the most towards the greenhouse effect through methane emission followed by sheep, goats and buffalos, respectively. Several techniques have been developed to quantify methane emissions from ruminants - indirect calorimetry, sulphur hexafluoride tracer technique and in vitro gas production technique - and some strategies for reduction of methane emissions from the rumen have been described - defaunation treatment, vaccine and dietary composition -. The initial topics of this research were: design the experiments with goats because there are not many reports about methane emissions in these animals; investigate the influence of dietary composition (carbohydrates) as a strategy for reduction methane emissions from the rumen; and use the indirect calorimetry as method to quantify methane production. Consequently, three experiments were performed. Murciano-Granadina goats during mid or late lactation were used. Diets were mixed rations that differed in the inclusion of cereal or fibrous by-products. The effect of diet was studied on milk yield, digestibility, rumen parameters, energy partitioning, carbon and nitrogen balance, substrate oxidation and methane productions. In the first experiment, gas exchange was measured using a face mask which was fixed to the head of the goat by a rubber band; a sample of exhaled gas was stored in a gas collection bag which was connected to an analyzer, and it measured the concentration of O2, CO2 and CH4 from the air. This first experiment replaces corn grain with beet pulp and the amount of methane recovered was 19.6 and 29.7 g/day, respectively. In the other two experiments, gas exchange was measured by a head box designed for small ruminants where the goat introduced the whole head and a specific software automatically recorded concentrations of O2, CO2 and CH4 from the exhaled air continuously throughout the day. The second experiment involved two diets with high and low level of starch and no differences were found on methane emission (28.5 g/day). The experiment number three replaces ingredient by ingredient like in the experiment number one. Here, barley grain was replaced with orange pulp or soybean hulls and no differences were found, with an average methane production value of 41 g/day. The metabolizable energy intake during the three experiments was 1279 kJ/kg of BW0.75 and day on average, and the efficiency use of metabolizable energy intake for milk production was 0.6.

[ES] El cambio climático es una preocupación de ámbito mundial debido a que su perpetuación en el tiempo está teniendo un impacto significativo sobre las personas, los recursos naturales y las condiciones económicas de todo el mundo. La causa fundamental de este fenómeno es el potencial de calentamiento de una serie de gases de efecto invernadero que, mediante la absorción de la radiación infrarroja terrestre, elevan la temperatura de la troposfera y, con ella, las temperaturas superficiales de la Tierra. Los principales gases de efecto invernadero son el vapor de agua, el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso y los gases fluorados. El metano, después del dióxido de carbono, es el gas que más repercusión tiene sobre el calentamiento global y sus emisiones son causadas tanto por acciones naturales como humanas. Actividades antropogénicas tales como la ganadería intensiva son la principal causa de aumento de las concentraciones de metano en la atmósfera, siendo los rumiantes los animales que mayores cantidades de metano generan a través de la fermentación de alimentos que se produce en el rumen. Las emisiones de metano del ganado vacuno son las que principalmente contribuyen al efecto invernadero seguido de las ovejas, las cabras y los búfalos, respectivamente. Se han descrito diferentes técnicas para medir las emisiones de metano de los rumiantes - la calorimetría indirecta, la técnica del marcador con hexafluoruro de azufre y la técnica de producción de gas in vitro - y, además, se han mencionado algunas estrategias para reducir las emisiones de metano - la defaunación, las vacunas y la composición de la dieta -. Los puntos clave de esta Tesis fueron: diseñar los experimentos con cabras, debido a que no hay muchas investigaciones sobre emisiones de metano en estos animales; estudiar la influencia de la composición de la dieta (hidratos de carbono) como una posible estrategia para la reducción de las emisiones de metano del rumen; y utilizar la calorimetría indirecta como método para cuantificar la producción de metano. Se realizaron tres experimentos. Se utilizaron cabras de la raza Murciano-Granadina en mitad o final de la lactación. Las dietas eran raciones mixtas que diferían en la inclusión de cereal o subproductos fibrosos. El efecto de la dieta se estudió en la producción de leche, la digestibilidad, los parámetros del rumen, la partición de energía, el balance de carbono y nitrógeno, la oxidación de nutrientes y las producciones de metano. En el primer experimento, el intercambio de gases se midió utilizando una mascarilla que se fijó a la cabeza de la cabra con una goma; se almacenó una muestra de gas exhalado en una bolsa de recogida de gas que estaba conectada a un analizador, y se midió la concentración de O2, CO2 y CH4 del aire. En este primer experimento se reemplazó el grano de maíz con pulpa de remolacha y la cantidad de metano recuperado fue del 19,6 y 29,7 g/día, respectivamente. En los otros dos experimentos, el intercambio de gases se midió mediante una urna o cajón diseñado para pequeños rumiantes, donde la cabra introducía toda la cabeza y un programa informático grababa automáticamente las concentraciones de O2, CO2 y CH4 del aire exhalado de forma continua a lo largo del día. El segundo experimento consistió en dos dietas con alto y bajo nivel de almidón y no se encontraron diferencias en la emisión de metano (28,5 g/día). En el tercer experimento se sustituyó ingrediente por ingrediente como en el experimento número uno. El grano de cebada se sustituyó por pulpa de naranja o cascarilla de soja y tampoco se encontraron diferencias, con un valor promedio de la producción de metano de 41 g/día. La energía metabolizable ingerida durante los tres experimentos fue de 1279 kJ/kg de peso metabólico (PV0.75) y día de promedio, y la eficiencia de utilización de la energía metabolizable ingerida para la producción de leche fue de

[CA] El canvi climàtic és una preocupació d'àmbit mundial ja que la seua perpetuació en el temps està tenint un impacte significatiu sobre les persones, els recursos naturals i les condicions econòmiques de tot el món. La causa fonamental d'aquest fenòmen és el potencial d'escalfament d'una sèrie de gasos d'efecte hivernacle que, mitjançant l'absorció de la radiació infraroja terrestre, eleven la temperatura de la troposfera i, amb ella, les temperatures superficials de la Terra. Els principals gasos d'efecte hivernacle són el vapor d'aigua, el diòxid de carboni, el metà, l'òxid nitrós i els gasos fluorats. El metà, després del diòxid de carboni, és el gas que més repercussió té sobre l'escalfament global i les seues emissions són causades tant per accions naturals com humanes. Activitats antropogèniques com ara la ramaderia intensiva són la principal causa d'augment de les concentracions de metà a l'atmosfera, sent els remugants els animals que més quantitats de metà generen a través de la fermentació d'aliments que es produeix al rumen. Les emissions de metà dels bovins són les que principalment contribueixen a l'efecte hivernacle seguit de les ovelles, les cabres i els búfals, respectivament. S'han descrit diferents tècniques per mesurar les emissions de metà dels remugants - la calorimetria indirecta, la tècnica del marcador amb hexafluorur de sofre i la tècnica de producció de gas in vitro - i, a més, s'han esmentat algunes estratègies per reduir les emissions de metà - la defaunació, les vacunes i la composició de la dieta -. Els punts clau d'aquesta Tesi van ser: dissenyar els experiments amb cabres, pel fet que no hi ha moltes investigacions sobre emissions de metà en aquests animals; estudiar la influència de la composició de la dieta (hidrats de carboni) com una possible estratègia per a la reducció de les emissions de metà del rumen; i utilitzar la calorimetria indirecta com a mètode per quantificar la producció de metà. Es van realitzar tres experiments. S'utilitzaren cabres de la raça Murciano-Granadina a la meitat o final de la lactació. Les dietes eren racions mixtes que diferien en la inclusió de cereal o subproductes fibrosos. L'efecte de la dieta es va estudiar en la producció de llet, la digestibilitat, els paràmetres del rumen, la partició d'energia, el balanç de carboni i nitrogen, l'oxidació de nutrients i les produccions de metà. En el primer experiment, l'intercanvi de gasos es va mesurar utilitzant una màscara que es va fixar al cap de la cabra amb una goma; es va emmagatzemar una mostra de gas exhalat en una bossa de recollida de gas que estava connectada a un analitzador, i es va mesurar la concentració d'O2, CO2 i CH4 de l'aire. En aquest primer experiment es va reemplaçar el gra de blat de moro amb polpa de remolatxa i la quantitat de metà recuperat va ser del 19,6 i 29,7 g/dia, respectivament. En els altres dos experiments, l'intercanvi de gasos es va mesurar mitjançant una urna o calaix dissenyat per a petits remugants, on la cabra introduïa tot el cap i un programa informàtic gravava automàticament les concentracions d'O2, CO2 i CH4 de l'aire exhalat de forma contínua al llarg del dia. El segon experiment va consistir en dues dietes amb alt i baix nivell de midó i no es van trobar diferències en l'emissió de metà (28,5 g/dia). En el tercer experiment es va substituir ingredient per ingredient com en l'experiment número u. El gra d'ordi es va substituir per polpa de taronja o pellofa de soja i tampoc es van trobar diferències, amb un valor mitjà de la producció de metà de 41 g/dia. L'energia metabolitzable ingerida durant els tres experiments va ser de 1279 kJ/kg de pes metabòlic (PV0.75) i dia de mitjana, i l'eficiència d'utilització de l'energia metabolitzable ingerida per a la producció de llet va ser de 0,6.