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Emisiones de gases de efecto invernadero
en el sector ganadero
Dr. Juan Heberth Hernandez-Medrano
Departamento de Reproducción - FMVZ –UNAM
Division of Animal Science – University of Nottingham
6to. Congreso Nacional de Investigación en Cambio Climático
17 Octubre 2016
Contenido
• Productos Animales• Percepción
• Consumo
• Gases de efecto invernadero• Intensidad de producción
• Emisión Global y Regional
• Emisiones de metano
• Fermentación entérica
• Factores
• Conclusiones
Importante a considerar!!
• Fuente alimento• Prot Baja calidad ➔ Alta calidad
• No compite c/ humano
• Usos• Alimento proteico
• Vestido
• Socio-Cultural
• Investigacion*
• Extensivo• 30% sup terrestre – praderas
• 1/3 área cultivable prodalimento animal
• Praderas – potencial de fijación de CO2
• Balance C real?
Consum
ption
(Kcal/ p
ers
on/
day) Historic Projected
Consumo de Prod Animales• Act. Pecuarias - 50% del PIB global
• Carne = 15% de la energía de la dieta humana (promedio global)
• Demanda: 60-100% 2050 (> países en desarrollo)
• Factores: población, ingreso, urbanización
• Carne y leche 2x en los últimos 40 años (cerdo y pollo >5x!)
Consumo per cápita de productos pecuarios (FAO)
Gases de efecto invernadero por producto
Intensidad de emisión global (no-CO2) = • 44 kgCO2e/kg de proteína animal (Rango: 9 – 500 kgCO2e/kg de prot)
• Monogástricos (carne) < Rumiantes (carne & leche) – Eficiencia?
Carne Bovino Leche Peq Rum
Carne Cerdo Carne Pollo Huevo
Carne Peq RumLeche Bovino
Kg CO2-eq / Kg proteina 50% de la Prod Promedio90% de la Prod
FAO - Global Livestock Environment Assessment Model (Gerber et al., 2014)
• Emisiones totales (livestock): 5.6 – 7.5 Gt CO2/año (12-15% del total)
• CH4 Entérico: 1.6-2.7 GtCO2/año
• N2O: 1.3-2.0 GtCO2/año
• Uso de tierra (prod de alim y pastoreo): 1.6 GtCO2/año
Emisiones regionales
(CO2-eq x 106)
distribuidas por
especie(FAO Global Livestock Environmental
Assessment Model; Gerber et al.,
2014)
Gases de efecto invernadero (GEI)
Bovino
Carne Peq RumCerdo Pollo
Bovino
Leche
Federación Rusa
Asia Este y Sureste
Oceania
Asia Sur
Africa
Sub-Sahariana
Africa
Norte
Europa Oriental
Europa
Occidental
América Latina y
Caribe
Norteamérica
Gases de efecto invernadero (GEI)
Metano
• Ganadería (i.e. Rumiantes; FAO,
2006)
• 64-78% GEI de Act Agropecuarias
• Leche ~30%
• Carne ~35%
• Otros rumiantes ~15%
• GEI más importantes• CO2 = 27%
• N2O = 29%
• CH4 = 43%
• Fermentación entérica– 80% (60-
100%)
• Estiércol (almacenamiento, deposito,
etc.) – 20% (0-40%)
Contribución de cada especie pecuaria al total
de emisiones del Sector
(FAO, 2013 mediante ACV, LCA)
Adaptado de Herrero et al., 2016 –
Nature Climate Change
Fermentación entérica – CH4• Rumiantes
• Becerros: 4-8 sem (desarrollo ruminal)
• Pérdida energética (8-12% EB)
• Emisión:• ~90% eructo
• ~10% rectal
• Factores:• Dieta: calidad y tipo
• Acético : Propiónico
• Consumo
• Raza
• Genética?
• Estado fisiológico
• Ambientales
• Localización; temperatura
CH4
Factores
• > Digestibilidad
(calidad) < CH4
• Variabilidad regional
• Eficiencia de
producción?
CH
4 e
nté
ric
o(%
de
l to
tal)
Digestibilidad del alimento vs emisión de metano
Kg
CH
4 e
nté
ric
o/
kg
Ca
na
l
Dig
es
tib
idla
d(%
)
• Estructura de hato
• Diferentes edo fisiológico
= diferente contribición
Emisiones de metano de acuerdo a condición fisiológica
Investigación en emisión de CH4 directo
Resultados Preliminares - MéxicoTropical
• Un sitio
• 37 animales
• 823 ord totales (am y pm)
• Prod Leche= 6.1 ± 0.3kg
• Metano:
• MEIm: 0.86 ± 0.03g/min
• CH4/día: 584.2 ± 12.3g/día
• CH4/Leche: 115.7±10.7g/kg
Familiar
• Un sitio
• 34 animales
• 957 ord totales (am y pm)
• Prod Leche: 14.1± 0.7 kg
• Metano
• MEIm: 1.26 ± 0.04 g/min
• CH4/día: 647.3 ± 4.7 g/día
• CH4/Leche: 49.7±2.7 g/kgL
No todo es negativo!
• Potencial de mitigación
• Bovinos carne: 31%
• Bovinos leche: 20%
• Peq Rumiantes: 30%
• Cerdos: 15%
• Pollo: 30%
• Medidas
• Eficiencia productiva
• ↑ Efic reproductiva
• ↑ Calidad alimento
• Mejora genética: animales
más eficientes para ese
ambiente/sistema
• Medidas de mitigación
(corto plazo?)
• Consumo racional de
prod pecuarios!
• Carne
Conclusiones – GEI• Actividades pecuarias cerca del 14.5% de las emisiones de CO2
• Fermentación entérica + Estiércol
• Rumiantes - Bovinos mayor emisión
• CH4
• Incremento en GEI de actividades ganaderas• Producción más eficiente
• Sustainable intensification (SI, Royal Society); Smart-Climate Agriculture (SCA, FAO); Livestock Presision Farming (LPF)
• Consumo racional de proteina de origen animal
• Impuestos o pago de servicios ambientales
• Costo-Beneficio
• Sector agropecuario – potencial de reducción de 50% del global
• México – COP21 (París)• Reducción de emisiones de -22% al 2030
• Agricultura: -8%
Agradecimientos
REINO UNIDO
University of Nottingham• Prof Phil Garnsworhty
• Neil Saunders
• Jim Craigon
MEXICO
INIFAP• Dr. Sergio Román
• Dr. Jorge Bonilla
• Veracruz
• Dr. Enrique Cab Jimenez
• Dr. Vicente Vega
• Altos Jalisco
• Dr. Jorge Villareal
• Dr. Luis E. Arias
• Estudiantes Maestría
• Enoc Mejía Melchor
• Rene Calderón Chagoya
Conclusiones – GEI
• Actividades pecuarias cerca del 14.5% de las emisiones
de CO2
• Fermentación entérica + Estiércol
• Rumiantes - Bovinos mayor emisión
• CH4
• Hay diversidad en intensidad de producción
• Mejoras en eficiencia productiva (y reproductiva)
• Variabilidad regional por factores diversos
• Animal: Raza, estado fisiológico, etc. – Diferentes emisiones
• Calidad y disponibilidad de dietas
• Infraestructura y manejo
Digestibilidad del alimento vs emisión de metanoK
g C
H4
en
téri
co
/ k
g C
an
al
Dig
es
tib
idla
d(%
)
Factores
• > Digestibilidad
(calidad) < CH4
Productividad vs emisión de metano
Kg
CH
4 e
nté
ric
o/ k
g C
an
al
Kg
de
Ca
rne
/ a
nim
al /
añ
o
Digestibilidad del alimento vs emisión de metano
Kg
CH
4 e
nté
ric
o/
kg
Ca
na
l
Dig
es
tib
idla
d(%
)
• Variabilidad regional
• Eficiencia de
producción?
Pérdidas de energía del alimento durante la
digestión y el metabolismo.
Energía
Bruta en los
Alimentos
Energía
Digestible
(70%)
Perdida en
las heces
(30%)
Energía
Metabolizable
(60%)
Perdida en
orina (5%) y
perdida en
gas (5%)
Energía
Neta (40%)
Perdida como
calor (20%)
Energía Neta para
producción
1. Reproducción
2. Crecimiento
3. Lactancia
1. Fermentación
2. Metabolismo de
los nutrientes
Energía Neta para
mantenimiento
1. Metabolismo
basal
2. Actividad
3. Calor para
mantenerse
caliente
Perdida de calor
Energía
Bruta en los
Alimentos
Energía
Digestible
(70%)
Perdida en
las heces
(30%)
Energía
Metabolizable
(60%)
Perdida en
orina (5%) y
perdida en
gas (5%)
Energía
Neta (40%)
Perdida como
calor (20%)
Energía Neta para
producción
1. Reproducción
2. Crecimiento
3. Lactancia
1. Fermentación
2. Metabolismo de
los nutrientes
Energía Neta para
mantenimiento
1. Metabolismo
basal
2. Actividad
3. Calor para
mantenerse
caliente
Perdida de calor
Situación México• México (Ordoñez & Hernández, 2009)
• Lugar 13 a nivel mundial (1.8% del mundo)
• 13% Ganado Leche
• 77% Ganado Carne + DP
• 4% Peq Rumiantes
• Ganado Bovino (2012; FAOSTAT,
2014) – Tier 1 IPCC (2006)
• Leche
• CH4= 173 Gg (3627 Gg CO2eq)
• 72kg CH4/vaca/año
• Otros (Carne y DP)
• CH4= 1654 Gg (34723 Gg CO2eq)
• 56kg CH4/vaca/año
Estimación de CH4
• Indirectas• In vitro
• Proxy
• Modelos de predicción
• Directas
• Cámaras respiratorias (CR)
• Individual
• Semi-directas: • Establo (nave)
• Micrometeorológicas
Indirectas• In vitro – Simular fermentación ruminal
• Liq ruminal (coctail)
• Evaluar ingredientes o aditivos
• Incubación: 24 -144h (exp 1-4sem)• Digestibilidad
• Proxy – Ac grasos
• Modelos• IPCC 2006 (Tier 1, 2, 3)
• EBruta emitida como CH4
• Factor de Emisión: 6.5% gral y 3% sist int
• Tier 2 y 3 (+precisas, pero +iinformación)
• Sobre o sub-estimación
• FAO, IPCC, ONU (UNFCCC)• Determinar emisiones mundiales
• Ecuaciones (Storm et al., 2012)
• CMS,Peso, composición dieta, etc.
Directas
• Cámaras respiratorias
(CR) – circuito abierto• Preciso
• Repetibilidad
• Costo
• Mediciones reales?
• Aislamiento – CMS?
Aarhus University, Denmark
Tomado de Storm et al., 2012; Animals
Directas (cont…)
• Individual • Trazadores
• SF6 (Johnson &Johnson, 1995) y CO2 (Bjerg et al., 2012)
• Sub o sobre estiman?
• Entrenamiento
• Laser (Ricci et al., 2014)
• Poco precisa
• Green-feed® (Waghorn et al., 2013)
• Sensores ruminales (Wright, 2013)
• CH4, H2 y CO2
• No mide emisión
• Ordeña (Garnsnworthy et al., 2012)
Sistema Autómatico de Ordeña (Robot)
UoN Dairy Centre – Sutton Bonington CampusCortesía: Dra. G Miguel-Pacheco
Vet School - UoN
Desarrollo del Sistema
Experimento 1a: En
granja (in situ)
• n=219 vacas por 5mo
• ~ 67K ordeñas con ~14.5K
promedios diarios de prod
láctea
• Parámetro:
• Taza de Emisión de Metano
durante Ordeña (MERm)
• Pulsos =
• Frecuencia
• Amplitud
• AUC
0
1000
2000
3000
4000
5000
0 200 400 600 800
Me
tha
ne
(p
pm
)
Time (s)
Cow 273 MeansPeak 1601 ppmInterval 50 s
Cow 441 MeansPeak 4203 ppmInterval 57 s
Emisión individual durante ordeña
Hubo variaciones entre vacas en:
Frecuencia de eructos
Concentración de CH4 en cada eructo
Estimación en la emisión de CH4 - En granja (2)
• MERm
• Afectada por prod leche, peso,
efecto paterno y número de parto
(edad)
• Alta variación
• Intra-vaca = 11%
• Entre vacas = ~30%
• Promedio CH4:
• 421 ± 138 mg/min (rango: 110 -
720)
• Selección?
0
10
20
30
40
50
60
0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 3.3 3.6
Fre
qu
en
cy (n
co
ws)
Methane emission rate (g/min)
En Granja vs Cámara Respiratoria (CR)
• Experimento 1b
• n = 12 vacas
• 10d en granja
• 5-7d en CR
• Alta correlación (r = 0.79)
• Variación intra-vaca = 12.5%
• Hora del día – relacionado al consumo?
• Alta am y disminución pm >18h
• DMI –
• CR vs Granja
y = 45.126x + 278.57
R² = 0.7884
250
300
350
400
450
500
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Me
than
e i
n c
ham
be
rs (
g/d
)
MERm (g/min)
Dieta alto vs bajo CH4 - En granja• Experimento 2
• Diseño cruzado
• En granja
• n=42 vacas
• 14d / dieta
• En CR
• n=12
• 3-4d / dieta
(14d adaptación)
y = 0.9762x + 0.1578R² = 0.7777
0
1
2
3
4
0 1 2 3 4
Hig
h M
eth
an
e D
iet
ME
Rm
(g
/min
)
Low Methane Diet MERm (g/min)
Dieta CH4
Bajo Alto sed P
Consumo MS (kg/d) 23.6 20.3 0.31 <0.001
Prod Leche (kg/d) 32.7 32.1 0.28 0.034
MERm
(g/min) 2.08 2.17 0.05 0.042
(mg/min per kg MSC) 91 110 3.02 <0.001
Bajo CH4: TMR (maíz, pasto, ensilado, pulpa de remolacha, canola, soya,
grasa, M&V)
Alto CH4: Baja+ensilado de pasto (2x; 13->30%)+chícharo rolado (2kg/d)
Alta repetiblidad intra-
vaca!
DMI-
Alta<Baja
prod leche c/ ~Peso
Dieta alto vs bajo CH4 (2) – CR
Sistema sensible para detectar diferencias entre dietas
dentro del mismo animal !!
MERm(gCH4/min)Farm
Methane
inchambe
rs(g/KgDMI)
LowCH4HighCH4
CH4=Alto > BajoCR: 29.1 vs 24.9 g CH4 / kg MS
Conclusiones - Sistema
• Método de bajo costo y práctico para el monitoreo (estimación) de emisiones de CH4 en granja
• No es invasivo – no afecta conducta normal de la vaca en condiciones de granja
• Genera una gran cantidad de datos (medición / s / 24h), comparables usando técnicas estadísticas simples
• MERm en granja comparables con mediciones individuales en CR –alta correlación!
• Sistema es sensible – detecta variaciones por dieta en el mismo animal
GarnsworthyPC; CraigonJ; Hernandez-Medrano JH & Saunders N. 2012
On-farm methane measurements during milking correlate with total methane production
by individual dairy cows. J Dairy Sci95:3166-80.
México –
Investigación en emisión de CH4 directo
• Colaboración INIFAP-México y Universidad de Nottingham-
Reino Unido
• 2013-2016
• Monitoreo de emisiones de CH4 para
generar información sobre inventarios
• 3 sistemas:
• Familiar
• Tropical (Doble propósito)
• Intensivo (?)
Tropical
Familiar
Intensivo
Medición Metano – Trópico (DP) y Familiar
• Tropical: 5 sitios
• Veracruz (n=2) & Puebla
(n=3) ≈150 vacas
• Familiar: 4 sitios
• ≈100 vacas
• 1 o 2 ordeñas diarias –
periodos de 15-20 días
4
6
8
10
12
14
0 100 200 300 400 500 600 700
Metanoequivalnete(mA)
Tiempo(segundos)
Sensor1(Vaca1024) Sensor2(Vaca543)
Conclusiones – Emisión de CH4
• Diversos métodos de medición adecuados
• Considerar las ventajas y desventajas
• Sistema en que se use (adaptabilidad, núm de animales)
• Variabilidad alta entre vacas (~30%), pero consistente
dentro de la vaca
• Vacas con la misma dieta y bajo el mismo manejo = diferente
emisión de metano!
• Posibilidad de selección – Metanogenómica?
• Posibles efectos paternos
• Posible diferencia entre razas / especies?
• Importancia Futura:• Producción 60% para 2050
• Presión sobre países en desarrollo (75% emisión) – Extensivo > CH4• Considerar fijación de metano!
• Practicas de mitigación:
• Manejo pasturas (digestibilidad, desarrollo capa orgánica)
• Suplementos (temporal)
• Selección
• Políticas ambientales / económicas
• Mercados basados en bajo impacto ambiental: Huella de carbono e impuestos a
las emisiones?
• Alianza Global para una Agricultura Consiente del Ambiente (Global Alliance for
Climate-Smart Agriculture) – FAO
Objetivo:
Mantener el incremento
en temp <2°C
• Variacion genética
• SNPs (Illumina System)
• Holstein & Holstein x B. indicus
• Posible selección para baja prod
de metano?
• Diferencias entre B indicus &
B taurus?
México –
Investigación en emisión de CH4 - genética
Origen GL SS MS VR F prob
a) Cow 214 261465 1222 32.5 <0.001
Residual 14318 537878 37.6
Total 14532 799343 55.0
b) Live weight 1 27996 27996 764 <0.001
Milk yield 1 19492 19492 532 <0.001
Cow 214 227181 1062 28.9 <0.001
Residual 14316 524673 36.7
Total 14532 799343 55.0
c) Cow 214 261465 1222 33.3 <0.001
Live weight 1 8601 8601 235 <0.001
Milk yield 1 4603 4603 126 <0.001
Residual 14316 524673 36.7
Total 14532 799343 55.0
Gases de efecto invernadero (GEI)(FAO, 2006: Livestock long shadow -environmental issues and options)
• CH4 ~ 22-28x CO2
• Ganadería (i.e. Rumiantes)
• 64-78% GEI de Act Agropecuarias
• Leche ~20% + Carne ~40%
• Origen:
• Fermentación entérica– 80% (60-100%)
• Estiércol (almacenamiento, deposito, etc.) – 20%
(0-40%)
Tubiello et al. 2013 Environ Res Lett
8:1-10
Emisiones globales de CO2eq debidas a
fermentación entérica (CH4) en
rumiantes domésticos: 2000-2010