减少导致气候变暖的奶牛甲烷排放的最先进技术

农业与生命科学学院新的气候控制动物呼吸隔间（目前在美国运营的唯一一个）将使研究人员能够明确测量、验证和监测奶牛的甲烷和其他气体排放，这些信息将支持一系列研究旨在提高世界各地农场的可持续性和生产力的调查。

这些房间类似于饲养奶牛的大型谷仓畜栏，但完全作为一个单元进行控制，并具有气候控制功能，以支持动物的健康和福利。

由嘉吉、杰纳西谷地区市场管理局和 Balchem 公司支持的四个康奈尔大学动物呼吸室将于 4 月 18 日下午 1 点在大型动物研究和教学单位举行的剪彩活动中揭幕。

耗资 200 万美元的动物呼吸室的其他资助者包括纽约州农业和市场部； 康奈尔大学CALS和动物科学系的领导； 和康奈尔阿特金森可持续发展中心。

这一开放标志着朝着开发减少奶牛排放的甲烷（一种强效温室气体）解决方案迈出的重要一步。 全球人为甲烷排放量的大约 40% 来自畜牧业，其中大部分来自牛打嗝。

“呼吸室被认为是监测奶牛甲烷排放的黄金标准，”说 约瑟夫·麦克法登动物科学系（CALS）奶牛生物学副教授。 麦克法登带头推动康奈尔大学收购这些房间并进行牲畜甲烷减排研究。

“有很多未经测试的甲烷减排和监测技术，”他说，“但提供气体排放绝对量化的唯一方法是使用呼吸室系统。”

动物呼吸室采用不锈钢材质，配有大门窗，旨在确保测量甲烷时动物的安全、营养和舒适。 它们足够大，可以容纳一头牛或任何其他牲畜。 它们具有气候控制功能，实时监测耗氧量以及甲烷、二氧化碳和氢气的排放量，每 2 到 10 分钟进行一次测量。 研究人员可能会将每头奶牛放入一个房间中，以便获得消耗和产生的气体的绝对测量值。

气体交换的测量是了解奶牛整体能量使用或能量学的关键。 例如，奶牛消耗的能量平均有 6% 到 7% 被消耗在碳水化合物消化过程中产生的甲烷气体中。 为了平衡计算奶牛的能量，研究人员必须估计热量损失，而热量损失无法直接测量。 他们在很大程度上是通过测量食物中被气体、消化、尿液和粪便、新陈代谢、组织和乳汁消耗的能量来做到这一点的。 他们可以应用这些数据来间接计算热损失。

通过平衡能量方程，研究人员可以考虑不同的饮食和饲料添加剂如何有效地优化肉类和奶类生产和动物健康，并最大限度地减少温室气体排放和营养浪费。

这些室还将用于改进康奈尔大学的营养建模软件，称为康奈尔网络碳水化合物和蛋白质系统（CNCPS）。 该模型用于为北美大约 70% 的泌乳牛制定日粮，并已在 40 多个国家采用。 该模型允许营养师或农民输入饲料成分来制定针对奶牛、饲料和条件的饮食，并且该程序将准确预测产奶量。

迈克尔·范安伯格领导 CNCPS 开发的动物科学教授，最初应用基础数据来了解 20 世纪 60 年代至 80 年代通过位于马里兰州贝尔茨维尔的美国农业部农业研究中心的动物呼吸室获得的奶牛能量。 范安伯格说，研究人员现在对奶牛的氨基酸和脂肪酸需求有了更多了解。 此外，今天的奶牛经过基因培育，以提高将营养物质转化为牛奶和肉类的效率。

虽然这些进步本身可能不会影响产奶量，但奶牛确实会根据饮食产生更多的乳脂和蛋白质，而旧数据并未捕捉到这一点。

“这些室的价值是无价的，因为它们将使我们能够改进所有这些能量学计算，这些计算是在 60 和 70 年前在与现代奶牛非常不同的奶牛身上进行的，并且是在我们对特定营养需求知之甚少的条件下进行的。”范安伯格说道。

麦克法登一直致力于了解饲料添加剂如何抑制奶牛的甲烷产生。 他和同事正在研究海藻或其活性成分三溴甲烷是否可以安全地限制排放。 2020 年，澳大利亚的一个研究小组发现，在奶牛的饮食中添加本土海藻可以使甲烷排放量减少 80%。

麦克法登说，虽然前景光明，但还需要做更多的工作来了解能量在奶牛体内被重新定向到哪里，从而影响营养物质利用的模型。 他是加州食品和农业部拨款 150 万美元的首席研究员，用于研究膳食脂肪酸、海藻和三溴甲烷之间的相互作用对泌乳奶牛肠道和粪便甲烷排放以及能量转化的影响。

克里斯汀·里德动物科学 (CALS) 助理教授，还专注于饮食和补充剂如何影响甲烷和其他温室气体排放。 她将饮食干预的结果整合到整个农场环境中，其中包括粪便管理和作物生产的下游排放。

“能够将粪便成分与肠道甲烷的饮食干预联系起来，将使我们能够更好地估计粪便储存期间的排放量，”她说。 这些室还可以添加传感器来检测粪便中释放的氨。

研究人员希望了解整个牛群的肠道甲烷排放情况。 胡里奥·佐丹奴动物科学副教授（CALS），主任 康奈尔大学未来农场农业系统试验台和示范场 (CAST)奶牛生物学与管理实验室主任、奶牛研究所副所长 康奈尔数字农业研究所 (CIDA)一直在开发和实施数据驱动技术、精密技术和创新，使农民能够实现管理任务自动化或半自动化，以创建未来的农场。 他的一项重要研究是改进奶牛身上可直接测量生物特征的可穿戴传感器。

“该室的用途之一是验证目前正在开发的传感器的测量结果，”他说。

佐丹奴及其同事正在与行业合作伙伴进行早期讨论，以开发瘤胃丸剂，这是一种植入奶牛瘤胃的传感器，瘤胃是产生甲烷的地方。

“这将是未来监控个体奶牛的理想工具，”他说。 “估计农场一级甲烷产量和缓解策略的潜在好处的一个局限性是，我们不知道每头奶牛产生了多少甲烷。”

除了验证正在开发的传感器外，动物呼吸室还可以测量一些个体的绝对排放量，并且该数据可以推断到畜群水平。

随着碳信用市场的出现，开发单独的传感器对于农场的温室气体核算也很重要，其中测量甲烷的肠道排放将是关键。

除了麦克法登和 CALS 罗纳德·林奇院长本杰明·霍尔顿之外，出席剪彩活动的知名人士还包括州众议员安娜·凯尔斯、纽约州农业和市场部副专员伊丽莎白·沃尔特斯以及纽约州农业局主席大卫·费希尔。