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Publicado: 18/8/2015

Emisin de gases en un sistema ganadero intensivo

RESUMEN

Los problemas ambientales que enfrentan los sistemas intensivos de engorde de bovinos se relacionan con el metabolismo animal y la degradacin de estircol, siendo el propsito de este trabajo estudiar el origen de emisiones de compuestos causantes del olor y gases de efecto invernadero (GEI) adems de algunos factores que controlan su produccin. Para ello, se realiz una incubacin in vitro, bajo diferentes condiciones de aireacin (aerobiosis y anaerobiosis) del suelo proveniente de un sistema de engorde a corral y se monitore, cada 48 h durante un periodo de 216 h, la generacin de gases metano (CH4), monxido de carbono (CO), dixido de carbono (CO2) y oxgeno (O2). Tambin se efectuaron mediciones a campo en distintas reas de dicho sistema (corrales con y sin animales, trampa de slidos, laguna aerbica y anaerbica) de los gases CH4, CO, CO2 y oxgeno (O2), con equipos porttiles adaptados a las condiciones propias del sistema productivo intensivo (Reike Keiki RH -515 y Eagle 2). Para controlar la produccin del olor caracterstico de un engorde a corral se evalu un producto comercial enzimtico que midi la concentracin de sulfuro de hidrgeno (SH2), compuestos orgnicos voltiles (COV), amonaco (NH3), CH4 y CO2 con medidores porttiles. Los resultados de produccin de gases fueron similares en laboratorio y campo, ya que en ambas situaciones se observ digestin -anaerbica y aerbica, dependiendo de las condiciones prevalentes en el momento, mostrando la coexistencia de ambos metabolismos en el sistema. Ello sugiere la posibilidad de controlar las emisiones dependiendo del vector ambiental preponderante. Los niveles mximos encontrados fueron de 0,109% LEL (lmite inferior de explosividad) de CH4, 22,27 ppm de CO y 8,23% de CO2 para las condiciones in vitro en anaerobiosis, y 0,468% LEL de CH4, 0,43% de CO2, 7,21 ppm de NH3, 4,67 ppm de SH2 y 14,54 ppm de COV para las condiciones naturales. El tratamiento con el producto comercial enzimtico slo produjo modificaciones significativas en NH3 y COV, que disminuyeron, a diferencia de SH2 que aument. Se concluye que un buen manejo de la reduccin de emisiones de gases y de control de efluentes potencialmente contaminantes debe prever ms de una prctica alternativa que se adapte a las variables condiciones climticas locales y a la heterogeneidad del sistema intensivo de produccin de carne.

Palabras clave: Sistemas ganaderos intensivos, emisiones gaseosas, medicin in vitro, medicin in situ.

INTRODUCCIN

En la actualidad el clima de la Tierra experimenta cambios que afectan tanto la composicin de la atmsfera como el balance de la radiacin solar, jugando un rol importante en las actividades ganaderas. Tanto los sistemas de produccin extensivos como intensivos han afectado el medio ambiente significativamente, modificando los hbitats naturales. La ganadera intensiva, adems de bienes y subproductos, genera efluentes que cuando son de naturaleza gaseosa, se denominan emisiones: olores, gases con efecto invernadero (GEI), etctera. El aire, al igual que los otros vectores ambientales como el agua y el suelo, tiene una capacidad de asimilacin dada, superada la cual se est en presencia del fenmeno de contaminacin (Gmez Orea, 1998).

En los corrales de engorde, el manejo del estircol y la produccin de olores desagradables constituyen un problema de relevancia y de gran complejidad. En los olores, constituidos por una mezcla de gases voltiles y material particulado, se han identificado entre 80 y 200 sustancias (ONeill y Phillips, 1992) que se adhieren y transportan por las partculas de polvo durante los procesos de dispersin atmosfrica (Bottcher, 2001). Los olores pueden percibirse a varios kilmetros de distancia, debido a la presencia de amoniaco (NH3), compuestos sulfurados, aminas, cidos grasos voltiles (AGV), indoles, fenoles, mercaptanos, alcoholes y carbonilos que reaccionan entre s mediante interacciones de sinergia y antagonismo. En este sentido, la percepcin fisiolgica del conjunto no es el resultado de la suma sensorial de los compuestos individuales, sino un producto final aleatorio.

Dentro de los GEI se encuentra el dixido de carbono (CO2), de mayor contribucin relativa (65%) al calentamiento global, seguido por el metano (CH4) cuya concentracin atmosfrica ha aumentado ms de 140% en los ltimos dos siglos (IPCC, 1996). Ambos gases, junto a los xidos de nitrgeno (N2O, NO2 y NO), son generados principalmente por la ganadera. Sus precursores dependen del manejo del estircol, a excepcin del CO2 que se relaciona directamente con el nivel de tecnificacin ganadera (SAyDS, 2007). De acuerdo al reciente informe de la FAO, Hacer frente al cambio climtico a travs de la ganadera: una evaluacin global de las emisiones y las oportunidades de mitigacin (Gerber et al., 2013), las emisiones globales de GEI asociadas a las cadenas productivas de la ganadera ascienden a 7,1 gigatoneladas (Gt) de CO2 equivalente (CO2eq) por ao, lo que representa el 14,5% de todas las emisiones de GEI de origen humano. Las principales fuentes de emisin de gases son: la produccin y procesamiento de alimentos (45% del total), la digestin de los vacunos (39%), y la descomposicin del estircol (10%). El resto se debe al procesado y transporte de productos de origen animal.

El suelo de los sistemas intensivos es un sustrato ideal para el desarrollo de microrganismos (Miller y Varel, 2003), debido a que acumulan gran cantidad de enzimas como, por ejemplo, las ureasas que catalizan la conversin de urea de la orina a amonio y, finalmente, a NH3 que se libera a la atmsfera. La emisin de NH3 se relaciona con el olor y, al igual que el sulfuro de hidrgeno (H2S), son responsables del olor a huevo podrido, y con un lmite de deteccin bajo, entre 0,0085 y 1 ppm (Lomans et al., 2002). En condiciones de acidez, los iones sulfuro (S◦2) se asocian con protones para formar H2S, un producto final comn en sistemas biolgicos anaerbicos que tienen compuestos orgnicos azufrados o protenas con azufre. Power et al. (2001), encontraron una correlacin directa entre los AGV, los compuestos aromticos y los olores. El contenido de estircol y las condiciones ambientales tales como temperatura y humedad afectan la actividad microbiana pudiendo incidir en la produccin de gases, olor y polvo (Miller y Varel, 2003). En estos sistemas de engorde a corral, al permanecer gran cantidad de animales en sectores reducidos durante periodos prolongados, la alta concentracin de excretas por unidad de superficie aumenta el riesgo de contaminacin puntual de los recursos naturales (Atkinson y Watson, 1996; Gil et al., 2006). Se incrementa asimismo la presencia de residuos de drogas veterinarias denominados micro contaminantes emergentes de alta persistencia (Teuber, 2001; Boxall et al. 2004). Se han identificado alrededor de 200 compuestos, muchos de ellos sulfurosos y nitrogenados provenientes del metabolismo de las protenas.

Adems se identificaron compuestos fenlicos, AGV, alcoholes, cetonas y aldehdos (ACFA y AAFRD, 2002) a partir de los cuales se generan compuestos orgnicos voltiles (COV) que agrupan a una gran cantidad de sustancias qumicas que luego se convierten, fcilmente, en vapores o gases. Se conoce que los AGV y COV presentan correlacin directamente proporcional con la produccin de olor (Zahn et al., 2001) y, junto con los GEI, generan disturbios en el medio por la formacin de ozono troposfrico.

Actualmente, son numerosos los avances en los estudios sobre el impacto ambiental de los sistemas de produccin agrcolas. A pesar de ello, an no han sido claramente determinados y poco se conoce sobre el origen de los compuestos causantes del olor y los factores que controlan su produccin.

Conscientes que para una gestin ambiental apropiada es necesario identificar las reas de riesgo para controlar o reducir sus efectos, se plantearon los siguientes objetivos:

1.determinar las concentraciones in vitro (laboratorio) de los gases: oxgeno (O2), CH4, monxido de carbono (CO) y CO2 con dos niveles de concentracin de oxgeno (O2) (condiciones de aerobiosis y anaerobiosis) en una mezcla de estircol y suelo, smil a la del suelo de un sistema intensivo de produccin ganadera.
2.determinar las concentraciones in situ (a campo) de CH4, CO, CO2 (gases contaminantes) y O2 en 5 reas relevantes del sistema de produccin ganadero.
3.evaluar la efectividad de un complejo poli-enzimtico comercial en la reduccin de la concentracin de cinco gases contaminantes (CH4, CO2, COV, H2S y NH3), caracterizados por incidir en la generacin de olores desagradables.


MATERIALES Y MTODOS

La experiencia se efectu en un establecimiento de engorde intensivo de bovinos situado en latitud 33.70 Sur, longitud 65.50 Oeste, prximo a la ciudad de Villa Mercedes (provincia de San Luis), durante los meses de octubrenoviembre, antes de que las lluvias estivales modificasen las reas a evaluar. Se registraron los siguientes factores climticos: temperatura media diurna del aire, velocidad media del viento y humedad relativa. La dieta de los animales (novillos en terminacin), expresada en base a materia seca (MS), contena grano de maz (Zea mays) 56%, Gluten Feed de maz hmedo 36%, cscara de man (Arachis hypogaea) 4,5% y suplemento vitamnico mineral 3,5% del total.

Al no existir un protocolo estndar, se decidi medir cada muestra de aire por triplicado considerando el valor promedio.

Se emple un equipo detector de gases porttil (Reike Keiki RH -515) para determinar las concentraciones de O2, CO2, CH4 y CO. Este detector combina sensores infrarrojo (NDIR), galvnico y de clulas electroqumicas, con rangos de medicin entre 0 y 100% LEL (lmite inferior de explosividad), o de 0 a 100% volumen (vol.) para CH4; de 0 a 25% vol. para O2; de 0 a 1000 ppm para CO y de 0 a 20% vol. para CO2. Para la determinacin de otros compuestos precursores de sustancias odorferas se recurri a un equipo Eagle 2, que utiliza sensores fotoionizables (PID) para aplicaciones con alta sensibilidad e infrarrojos, identificando NH3 con un rango de 0 a 75 ppm, H2S hasta una concentracin de 100 ppm, y COV con un rango de 0 a 2000 ppm. En el procedimiento de medicin el volumen de aire ingresa a la sonda conectada a una bomba de aspiracin y, transcurridos 15 segundos para su estabilizacin, se lee la concentracin en la pantalla del equipo.


Determinaciones in vitro

El protocolo en el laboratorio consisti en la medicin de la concentracin de los gases O2, CH4, CO y CO2 contrastando dos niveles de concentracin de O2. De la superficie de los corrales fueron extradas muestras, constituidas por tierra, heces y orina de los animales (estircol). Se coloc el material, 250 g de mezcla de suelo ms estircol, en un Erlenmeyer de 250 mL (12 unidades), conformando dos tratamientos: T0 ambiente aerbico= 6 Erlenmeyer cerrados con algodn que permita el intercambio de aire y T1 ambiente anaerbico= 6 Erlenmeyer cerrados con tapones de goma de cierre hermtico. Se incubaron las muestras en estufa de cultivo (37 C) por un periodo de nueve das y se midi la concentracin de gases cada 48 h. Quitados los tapones, se introdujo una sonda conectada a una bomba de aspiracin y sta al equipo que determina la concentracin del volumen de aire que ingresa. El procedimiento se realiz en habitacin cerrada para no afectar las condiciones de cada unidad experimental.


Determinaciones in situ

El protocolo consisti en la medicin de la concentracin de los gases CH4, CO, CO2 y O2 en cinco reas relevantes del establecimiento: a- corrales con animales (20m2/animal); b- corrales sin animales; c- trampa de slidos o pileta de sedimentacin; d- laguna anaerbica de sedimentacin y evaporacin; e- laguna aerbica de almacenamiento o facultativa (figura 1). Se utiliz una cmara estanca de 2 litros de capacidad en cada corral y se ubic a nivel del piso para evitar la corriente de aire interna, posicionndose en cuatro sitios al azar, tanto en corrales con animales como sin ellos. En las reas de trampa de slidos y lagunas se utiliz una cmara estanca de 1 litro de capacidad de material liviano que flota en la superficie y se conecta al equipo medidor con una manguera de goma de 2 m. Las mediciones se repitieron al mismo momento (12:00 am) por tres das consecutivos.

Para el tercer objetivo, se aplic a la trampa de slidos un complejo poli-enzimtico comercial Rolls TZ-1000 (http://www.rolls.com.ar/) destinado a eliminar los olores ptridos y la materia orgnica, dosificndose 150 ml/m3 en funcin de la superficie a tratar, segn instrucciones del marbete.

Previo al agregado del producto comercial, se realiz un monitoreo por tres das consecutivos de los gases CH4, NH3, H2S, CO2 y COV en laguna aerbica de sedimentacin y anaerbica de almacenamiento, determinando valores de referencia para comparar el efecto del producto con los datos obtenidos siete das despus.

Emision de gases

Anlisis estadstico

Los resultados se analizaron con el paquete estadstico SPSS (Statistical Package for the Social Sciences). A los datos obtenidos en laboratorio se les realiz el anlisis de varianza de un factor, tomando como unidad experimental cada Erlenmeyer. Los modelos incluyeron tipo de fermentacin, tiempo transcurrido y la interaccin entre ambos.

Las diferencias entre las medias de los cuadrados se testearon con el test de Tukey, aceptando como diferencia significativa p<0,05. Para poder evaluar el efecto de los distintos lugares de muestreo in situ (corrales, trampas y laguna) sobre la concentracin de gases, se plante un anlisis de la varianza realizando la prueba no paramtrica de Kruskal-Wallis. En el caso de la evaluacin enzimtica, como alternativa de manejo, se realiz la Prueba T para observaciones apareadas, lo que permiti evaluar si existieron modificaciones en el patrn de gases de fermentacin por efecto del tratamiento.


RESULTADOS

Los valores medios obtenidos sobre las concentraciones de CH4, CO y CO2 en condiciones aerbicas y anaerbicas generadas a partir de las 96 h en el interior de los Erlenmeyer (primer objetivo) se presentan en la tabla 1. Se observa una clara diferencia significativa (p<0,05) en la concentracin media de cada gas producido con y sin O2.

En presencia de O2, no se detect CH4 ni CO, mientras que bajo condiciones anaerbicas increment a 0,109% LEL para CH4 y la concentracin de CO hasta 224,78 ppm. A su vez, la concentracin de CO2 increment casi 15 veces en condiciones anaerbicas. Se observ una correlacin positiva (r=0,731, p=0,00048) entre la concentracin de CH4 y CO2.

Emision de Gases

En la figura 2, se observa la tendencia en la produccin de gases in vitro en funcin del tiempo para ambos tratamientos.

Las curvas obtenidas en condiciones anaerbicas presentaron diferencias significativas para CO (p=0,0189), CH4 (p=0,0004), CO2 (p<0,0001) y O2 (p<0,0001), y describen una sigmoidea. Para el tratamiento aerbico el comportamiento fue constante con una leve tendencia negativa para CO2, no detectndose CO y CH4 en el periodo de evaluacin.

Durante el periodo de medicin a campo, las condiciones de humedad relativa (45%), temperatura del aire (20 C) y velocidad media del viento (9,3 km/h) permanecieron estables. Los valores medios de las emisiones de gases, cuantificadas por tres das consecutivos en las cinco diferentes reas (segundo objetivo), muestran evidencias estadsticas de que no presentaron una distribucin normal y homogeneidad de la varianza segn la prueba de Shapiro-Wilk y de Levene, respectivamente, ambos p<0,05. Por lo tanto, se us la prueba no paramtrica de Kruskal-Wallis (Kruskal-Wallis, 1952), y se encontraron diferencias significativas (p<0,0001) en la concentracin de CH4 y CO2 entre las cinco reas de medicin como se observa en la tabla 2. Con respecto al CH4, en los corrales con y sin animales el nivel de % LEL fue de 0,000, mientras que el valor ms alto se registr en la trampa de slidos (0,468% LEL) al igual que la concentracin de CO2 (0,232%). No se gener CO en ninguna rea y la concentracin de O2 fue constante en todas las reas (20,95%).

Profundizando el anlisis en cada zona, se observa diferencia significativa en la concentracin de CO2 (p= 0,007) dentro de los corrales sin animales (concentracin media 80% inferior).

Emisiones de gases

Por ltimo, en la tabla 3 se presentan los resultados de las observaciones apareadas del tratamiento poli-enzimtico a las trampas de slido y lagunas, determinando las concentraciones medias de los gases CH4, NH3, H2S, CO2 y COV, antes y despus de la aplicacin del producto.

Slo se detectaron diferencias significativas (p<0,05) debido a la aplicacin del producto en la concentracin de NH3, H2S y COV. De estos gases, el NH3 y los COV decrecieron luego de la aplicacin del producto, mientras que el H2S aument su concentracin.


DISCUSIN Y CONCLUSIONES

La creciente importancia del efecto contaminante sobre el ambiente de los sistemas de engorde a corral, junto al progresivo aumento de estas instalaciones en la provincia de San Luis, han incentivado a la investigacin en la bsqueda de una mejor gestin ambiental. En la explotacin en estudio, los olores de mayor potencial contaminante proceden tanto de las fuentes fijas (corrales, lagunas, trampas) como temporales (liberado desde el estircol), y son las condiciones meteorolgicas las que tienen, en gran medida, incidencia en su formacin como as tambin en su emisin. En estos sistemas, las raciones suministradas a los animales son ricas en almidn y exceden el contenido de protenas que stos necesitan. El remanente no asimilado por el animal retorna al suelo en heces y orina, lo que produce un efecto sobre la flora microbiana estableciendo un metabolismo aerbico y/o anaerbico, que depender de la acumulacin, prdida o persistencia del estircol como as tambin de las propiedades del suelo y condiciones climticas predominantes. El nitrgeno presente en las excretas tiene grandes posibilidades de perderse hacia la atmsfera como NH3, segn la temperatura, contenido de humedad, pH del suelo, entre otros factores de acuerdo al trabajo de Keeney y Hatfield (2001). El fsforo que es excretado puede moverse por escurrimiento superficial hacia los cuerpos de agua, con riesgo de eutrofizacin de las aguas superficiales, como confirma Nelson (1999) en sus estudios. De este modo, la dieta constituye un factor que afecta indirectamente a la contaminacin del ambiente en estos sistemas intensivos. La metodologa diseada de la cmara de medicin in situ genera una atmsfera constante que, sumado a la estabilidad climtica en el periodo del ensayo a campo, contribuy a minimizar el efecto de la dilucin de la concentracin de los gases de inters con el aire, y a alcanzar resultados repetitivos en la generalidad de los mismos.

Del resultado en laboratorio se observ un similar comportamientoen cuanto a concentracin de gases para ambos tratamientos en las primeras 24 h, coincidiendo con lo hallado por Miller (2003). Este investigador afirm que es suficiente tan slo el 1% de O2 para dar lugar a fermentaciones aerbicas, concentracin superada en el sistema anaerbico al comienzo del ensayo. Esta concentracin tendi a disminuir, diferencindose del tratamiento aerbico que se mantuvo constante (20,9%). Las poblaciones de organismos existentes en el material incubado en el sistema cerrado van agotando el O2 disponible debido a su respiracin. Esto conduce al cambio, mayoritariamente, de una respiracin aerbica a una fermentacin anaerbica, efecto que se observa en el patrn de los gases al transcurrir los das del estudio y se observa un comportamiento equivalente entre el CO y el CO2, a su vez, inversamente proporcionales al O2. Las concentraciones del CO y CO2 aumentaron al final del periodo de incubacin y la de O2 disminuy. La curva sigmoidea de produccin de CO2 del tratamiento cerrado se estabiliz a las 120 h, por lo que se infiere que se ha alcanzado el mximo potencial de masa microbiana activa (fase estacionaria), comportamiento inverso al del O2, que se encuentra en la menor concentracin.

En el tratamiento aerbico el CO2 mostr una tendencia lineal decreciente y de bajo volumen. En el caso del CH4 bajo condiciones anaerbicas, ste lleg a su mxima concentracin a las168 h, disminuyendo al transcurrir los das, lo que indicara la estabilizacin del medio a causa de la autolimitacin de la fermentacin al convertir el almidn en cido lctico. A su vez, esto generara una disminucin del pH, afectando la poblacin de bacterias metanognicas y, por consiguiente, la disminucin de la concentracin de CH4. Un comportamiento semejante podra generarse en el ambiente superficial del corral donde las heces frescas y efluentes lquidos, proporcionan un inoculo para bacterias metanognicas, estimulan el consumo de O2 y conducen mayoritariamente a una digestin aerbica que con el tiempo se transforma en fermentacin anaerbica. La carga bacteriana de organismos facultativos en las heces y condiciones adecuadas para el cambio de metabolismo, permitira el rpido desarrollo de las nuevas poblaciones microbianas, generando como productos intermedios y/o finales de su metabolismo, desprendimiento de gases, algunos de olores desagradables y otros txicos, lo que da lugar a problemas sanitarios y de contaminacin en el exterior. En primer caso, a travs de bacterias patgenas (LeJeune y Wetzel, 2007) o por nitratos, reduciendo la capacidad de transporte de oxgeno en la sangre, enfermedad conocida como metahemoglobinemia y, en segundo caso, a travs de los GEI como sugiere Thomassen (2008) en el estudio comparativo de sistemas lecheros. En el tratamiento aerbico del laboratorio no se produciran CO y CH4, mantenindose la concentracin de O2 del medio ambiente, situacin que podra suceder en la superficie de los corrales, pudiendo modificarse en funcin de la humedad del suelo y el ambiente, la actividad microbiana, la temperatura y prcticas de manejo. En trampa de slidos se generaron los niveles ms altos de CH4, posiblemente, como consecuencia de una mayor concentracin de CO2 lo que cre condiciones anaerbicas que favorecieron la metanognesis. Este proceso de construccin de material celular desde H2 y CO2 produce CH4, como nico proceso generador de energa de las bacterias metanognicas, las cuales se desarrollan perfectamente en hbitats extremos, por lo que es una fuente natural de gas que normalmente es descartado en lugar de ser reciclado.

Existen en el mercado diferentes productos comerciales para minimizar el efecto de algn vector ambiental como el que se emple en el ltimo ensayo. Se busca disminuir el olor en el aire con la aplicacin de un producto enzimtico, debido a que Zahn y otros (2001), encontraron que correlaciona estos compuestos con la disminucin de los olores desagradables para el hombre. En este estudio se obtuvieron resultados negativos ya que la concentracin de SH2 (gas caracterstico de olores desagradables) aument despus de aplicado el producto y no sucedi lo mismo para los gases de NH3 y COV que disminuyeron. Esto indicara que el producto aplicado modifica las reacciones biolgicas de los desechos del sistema acelerando la degradacin y disminuyendo las exhalaciones de algunos gases contaminantes, pero no del responsable principal de olores desagradables, como citan numerosos trabajos previos en la temtica (Hobbs et al., 1995; MacIntyre et al., 1995; Zahn et al., 1997), actuando el producto comercial como bioremediador enzimtico y no como desodorizante.

Basados en los datos obtenidos en el trabajo, se concluye que la emisin de gases bajo condiciones aerobias es menos perjudicial que cuando tiene lugar en ausencia de O2, pero de mayor proporcin respecto de la superficie total del predio. Sin embargo, la situacin aerbica puede transformarse a anaerbica al transcurrir el tiempo, o por algn factor externo (precipitaciones), siendo inevitable que ambas condiciones se produzcan en simultneo. Por este motivo, sera necesario disminuir las fuentes de produccin de fermentacin anaerbica a travs de las buenas prcticas de manejo, controlando los sustratos en el estircol a travs de una justa y balanceada racin, como as tambin favoreciendo la poblacin de bacterias lcticas de manera controlada a travs del monitoreo de pH para no aumentar la emisin de SH2. Por esta razn, el conocimiento de las relaciones suelo-alimento-planta y la vulnerabilidad entre estas interacciones, conllevara a la eleccin de estrategias de menor impacto ambiental en bsqueda de la sustentabilidad de los agroecositemas. No obstante, es necesario realizar ms investigacin, especialmente si se considera que los sistemas de engorde a corral son muy complejos y heterogneos.


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Por: GUZMN, M.L.; VENECIANO, J.H.; SAGER, R.L
Fuente: Revista de Investigaciones Agropecuarias


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