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Tomado de la edición de abril de 2021 de Physics World. Los miembros del Instituto de Física pueden disfrutar del número completo a través de la aplicación Physics World.

Reducir la producción de metano del ganado se considera vital para la mitigación del cambio climático, con muchas investigaciones centradas en cómo se reproducen y alimentan los animales. Pero los físicos también están desempeñando su papel al desarrollar formas de medir las emisiones del ganado, utilizando técnicas como el análisis espectroscópico y el muestreo aéreo, como descubre Michael Allen.

Hace unos años, el físico atmosférico Grant Allen y sus colegas estaban usando drones para medir las emisiones de metano de un sitio de fracking en Lancashire, en el noroeste de Inglaterra. Pero al lado de la operación de gas de esquisto había una granja lechera y los investigadores se preguntaron si también podrían medir el metano producido por las vacas. Entonces, mientras ordeñaban a los animales en el establo, los investigadores volaron su sistema de drones en los campos afuera.

“Tienen alrededor de 150 vacas y una vez que las pones todas dentro de una caja, como un establo, se convierten en un sistema condensado que puedes modelar como una fuente puntual de emisiones”, dice Allen, quien trabaja en la Universidad de Manchester, Reino Unido. . Entonces es posible medir la concentración del metano que está a favor del viento con un dron. "Y si conoce la velocidad del viento y tiene la medida de la concentración", continúa Allen, "puede hacer algunas matemáticas inteligentes para calcular cuál es el flujo de emisión en gramos por segundo de la manada como un todo, de esa manera puedes obtener una emisión promedio por vaca”.

El ganado es responsable de una gran cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero. A nivel mundial, el sector ganadero genera el equivalente a siete gigatoneladas (7 × 10 12 kg) de CO 2 cada año, según las Naciones Unidas. Esto es alrededor del 15% de las emisiones antropogénicas, una proporción similar a la de los automóviles. Por productos, la carne de res y la leche de vaca son responsables de la mayor proporción de estas emisiones. Y casi el 40% de esas siete gigatoneladas es metano producido por fermentación en los estómagos de rumiantes, principalmente vacas.

En el transcurso de una semana, el sitio de fracking que Allen y sus colegas estaban monitoreando liberó más de 4 toneladas de metano, equivalente al impacto ambiental de 142 vuelos transatlánticos. Pero esto estuvo relacionado con un solo evento, gracias a las operaciones para limpiar un pozo de gas de esquisto de 2,3 km de profundidad. Si bien las fuentes de metano como esta son esporádicas, el ganado eructa metano durante todo el año. “Si lo compara durante unos días, el sitio de fracking estaba emitiendo mucho más por unidad de tiempo durante ese período”, explica Allen. “Pero si no hubo otras emisiones del sitio de fracking durante el resto del año, entonces el flujo acumulativo de un hato lechero de 150 vacas durante todo un año es mayor”.

Droning on Los drones utilizados por Grant Allen de la Universidad de Manchester están atados mediante tubos conectados a espectrómetros en el suelo. Los drones realizaron 22 estudios a favor del viento de una fuente puntual de gas metano, liberado de un cilindro regulado con un medidor de flujo. (Cortesía: Grant Allen)

Plantas en fermentación, eructando metano

Las vacas y otros rumiantes comen pasto, paja y otras plantas fibrosas que son simplemente indigestas para la mayoría de los demás animales. Para extraer los nutrientes de los carbohidratos complejos, particularmente la celulosa, en estas plantas, los animales los fermentan en una cámara estomacal especial conocida como rumen. En este ambiente libre de oxígeno, los microbios (principalmente bacterias) descomponen el complejo material vegetal. Pero a medida que ocurre este proceso, produce una gran cantidad de hidrógeno.

A medida que se acumula el hidrógeno, la vaca recurre a otro grupo de microorganismos parecidos a bacterias conocidos como arqueas. Estos bichos usan el hidrógeno como fuente de energía pero producen metano como subproducto, un proceso conocido como metanogénesis. Y a medida que este gas se acumula, la vaca lo expulsa, lo cual es bueno para la vaca, pero no para el planeta porque el metano es un potente gas de efecto invernadero. Aunque solo sobrevive en la atmósfera durante una década o dos, durante un período de 20 años tiene más de 80 veces el potencial de calentamiento global del dióxido de carbono, según el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático.

Rumiando sobre los rumiantes Ermias Kebreab de la Universidad de California, Davis, está estudiando formas de reducir las emisiones de metano del ganado. (Cortesía: UC Davis/Katherine Kerlin)

Esto hace que el metano sea un buen objetivo a corto plazo para abordar el cambio climático, dice el científico animal Ermias Kebreab, director del Centro Mundial de Alimentos de la Universidad de California, Davis. Si bien la reducción del dióxido de carbono debe ser el enfoque a largo plazo, nos llevará un tiempo ver los efectos de esto, ya que el dióxido de carbono persiste en la atmósfera durante siglos. “Pero el efecto de ralentizar o reducir el metano se sentirá en una década más o menos”, explica Kebreab. Y dado que son responsables de más del 40 % de las emisiones antropogénicas de metano, la ganadería es un buen punto de partida.

Mejorar la productividad es clave para reducir las emisiones. Según Kebreab, se puede lograr que los animales produzcan más proteínas (leche o carne) por kilogramo de alimento con una combinación de genética y buena nutrición. Por ejemplo, explica, hay vacas en países de bajos ingresos que producen alrededor de 4-5 kg ??de leche por día. Pero si tuviera que cruzarlas con vacas Holstein-Friesian, que son famosas por su alta producción de leche, podría obtener 20 kg de leche por día, manteniendo algunas de las ventajas de las razas locales. De hecho, durante las últimas cinco décadas, un enfoque en la reproducción y el cumplimiento de los requisitos nutricionales ha reducido las emisiones de metano por litro de leche en aproximadamente un 50 % en los EE. UU. Ahora hay menos vacas lecheras que hace medio siglo, pero cada una produce más leche (figura 1).

1 Alimentando a una población en crecimiento Cambios (respecto a 1950) en el total de leche producida, producción de leche por vaca, número total de vacas y lecherías y metano producido por kilogramo de leche en la industria láctea de California. (Fuente de datos: Ermias Kebreab)

Suplemento de algas

Para reducir aún más las emisiones, el trabajo reciente de Kebreab se ha centrado en el uso de algas marinas como aditivo para piensos. Él y otros han demostrado que agregar varias especies de algas marinas a la comida de una vaca puede reducir la producción de metano hasta en un 90%. “Es absolutamente una locura”, exclama Kebreab, y agrega que hay un procesamiento mínimo de las algas marinas antes de dárselas al ganado. “Cuando se recolecta, lo congelamos y secamos para asegurarnos de que el ingrediente activo sea estable. Después de eso, simplemente lo trituras hasta convertirlo en polvo, que se agrega a la alimentación”, explica.

El alga inhibe la metanogénesis. Las arqueas en el rumen de las vacas usan enzimas para descomponer los gases, pero varios compuestos en las algas parecen interferir con algunas de estas enzimas. Esto significa que los microbios no pueden completar el proceso y se produce mucho menos metano. También se ha encontrado que otros compuestos tienen efectos similares. La empresa suiza AgriTech Mootral afirma que su aditivo a base de ajo muestra una reducción del 40% en la producción de metano.

En su investigación, Kebreab mide el metano producido por las vacas utilizando un sistema llamado GreenFeed. Esta máquina similar a un comedero contiene comida para atraer al ganado y luego mide los gases que respiran y eructan mientras comen. También hay otros dispositivos para medir las emisiones de animales individuales, como cámaras de respiración y dispositivos de espectroscopia portátiles. Si bien estos sistemas son precisos, usarlos para medir un gran número de animales es costoso y requiere mucho tiempo. Para evitar esto, los científicos animales utilizan las mediciones de un pequeño número de animales para crear modelos de emisiones de diferentes sistemas de alimentación que se pueden aplicar a rebaños completos. Sin embargo, cada vez más, las personas están explorando formas de medir rebaños completos. Eso tiene sentido, ya que la variabilidad en las emisiones entre una vaca y otra puede ser enorme. Tales mediciones a gran escala también pueden ayudar a confirmar modelos basados ??en mediciones de emisiones de animales individuales.

Pruebe la diferencia Se mezcló una pequeña cantidad de macroalgas rojas, un tipo de alga marina, con melaza y se agregó a la alimentación del ganado para estudiar su efecto sobre las emisiones del ganado. (Cortesía: Gregory Urquiaga/UC Davis)

En el Reino Unido, los drones de Allen están atados al suelo por un tubo de 150 m de largo. A medida que vuelan a favor del viento de la fuente de metano, bombean aire a través del tubo hasta un espectrómetro, que identifica diferentes gases en función de sus firmas espectrales ( Atmos. Meas. Tech. 13 1467). “Básicamente estamos midiendo en el suelo, pero estamos midiendo el aire que ha bajado desde donde estaba el dron en ese momento”, explica Allen.

Para probar sus modelos matemáticos y medir con precisión los flujos de metano, Allen y su equipo desarrollaron un método que involucraba la liberación controlada de metano desde un cilindro en un campo. Para asegurarse de que no hubiera trampas, se decidió que la persona que volaba el dron, analizaba los datos y calculaba las emisiones de metano no sabía cuánto metano había en la caja ni la velocidad a la que se liberaba. El resultado fue una buena correlación entre las mediciones y la liberación de metano conocida. Pero lograr resultados precisos requiere varios vuelos que sumen unas pocas horas de vuelo.

Rebaño completo o vaca individual

Phil Garnsworthy, director de ciencias animales de la Universidad de Nottingham en el Reino Unido, está investigando la cría de ganado genéticamente predispuesto a producir menos metano. Él dice que la microfauna del rumen varía de una vaca a otra y parece estar fijada por la genética. “Puedes tomar el contenido del rumen de una vaca y ponerlo en otra y después de dos a cuatro semanas, la población de insectos volverá a ser lo que era antes”, explica.

“La vaca tiene control sobre los microbios de su rumen. El mejoramiento para bajo contenido de metano es el mejoramiento para una población particular de microbios en el rumen”. Si bien las cámaras de respiración brindan datos precisos, no son prácticas para mediciones a gran escala de emisiones de metano, dice Garnsworthy. Esto se debe a que cuando se miden las emisiones de metano con fines reproductivos, las vacas deben estar confinadas en la cámara durante aproximadamente tres a siete días para obtener cifras decentes.

En el estudio de Nottingham, el ganado lechero es ordeñado por un robot. Las vacas, que usan chips para fines de identificación, vienen cada una tres veces al día y se alimentan mientras son ordeñadas. Para proporcionar mediciones de metano a largo plazo de animales individuales, Garnsworthy y sus colegas decidieron intentar instalar analizadores de gas en las bandejas de alimentación: un tubo cerca de las fosas nasales del animal conectado a un espectrómetro infrarrojo. “La primera vaca asomó la cabeza y de repente vimos este pico masivo de metano aproximadamente una vez por minuto”, dice Garnsworthy, “y pensamos que debía ser inhalando y exhalando. Luego nos dimos cuenta de que inhala y exhala más de una vez por minuto, y que estaba expulsando metano”.

Las medidas de esta técnica son comparables con las cámaras de respiración, encontraron los investigadores ( Animals 10.3390/ani9100837). Garnsworthy dice que hay sectores de la comunidad científica que piensan que su técnica es “basura”, argumentando que no es tan precisa como técnicas como las cámaras de respiración. Pero él cree que estos otros métodos no miden vacas en condiciones comerciales normales.

“Dicen que nuestra técnica es tan variable que no es lo suficientemente precisa para vacas individuales, pero lo que podemos hacer es medirlas miles de veces y luego obtener un promedio bastante preciso”, explica. Y como este método implica medir a todos los animales, las mediciones individuales se pueden combinar para proporcionar las emisiones de metano de toda la manada. Eso es bueno porque los investigadores pueden comparar las emisiones de granjas o rebaños sin tener que medir animales individuales. Pero, como advierte Garnsworthy, si está interesado en comparar animales con fines de cría o realizar experimentos nutricionales, la unidad de observación debe ser animales individuales. “Solo depende de para qué quieres los datos”.

En otros lugares, los investigadores han estado buscando sistemas que puedan monitorear rebaños durante períodos más largos, o incluso de forma continua. Una opción es utilizar láseres de fuente puntual que cruzan el campo para medir las emisiones del rebaño. En 2014, Richard Todd y sus colegas del Departamento de Agricultura de EE. UU. utilizaron esta técnica de espectroscopia, así como el sistema de análisis de aliento GreenFeed, para medir las emisiones de 50 cabezas de ganado que pastaban en 26 hectáreas de praderas de Oklahoma. Tres láseres escanearon 16 caminos sobre la pradera, mientras que al ganado se le colocaron collares GPS para rastrear sus ubicaciones.

Las condiciones climáticas y los datos sobre las posiciones de las vacas permitieron a los investigadores medir las concentraciones de gas a favor y en contra del viento para rastrear las emisiones de metano del ganado. Descubrieron que los resultados del láser de las emisiones de metano eran comparables con el sistema GreenFeed, y concluyeron que los láseres de trayectoria abierta tendían a sobrestimar las emisiones, mientras que el método GreenFeed tendía a subestimarlas.

Escaneo sensible

Otros científicos están buscando técnicas aún más sensibles. En 2019, Daniel Herman del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) demostró que los peines de doble frecuencia pueden medir las emisiones de los rebaños de ganado ( Conferencia sobre láseres y electroóptica 10.1364/CLEO_AT.2020.AW4K.1). Un peine de frecuencia es un instrumento de espectroscopia muy preciso, en el que los láseres emiten un tren continuo de pulsos de luz muy breves y poco espaciados que cubren millones de picos de frecuencia diferentes. Los picos individuales parecen los dientes de un peine, lo que le da su nombre a la herramienta. Estos pulsos láser actúan como marcadores que permiten al detector medir la firma espectral de cualquier material a través del cual hayan pasado, con una precisión increíble. Los peines de doble frecuencia utilizan dos peines con espaciado de dientes ligeramente diferente. Esto crea un dispositivo aún más sensible que actúa como cientos de miles de espectrómetros láser trabajando juntos.

2 Detección de fugas de metano Investigadores dirigidos por Daniel Herman del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. han utilizado un espectrómetro láser de peine móvil de doble frecuencia para medir las emisiones bovinas. El espectrómetro se encuentra en el centro de un círculo que está rodeado de espejos retrorreflectores, con la luz láser del espectrómetro (línea amarilla) que pasa a través de una nube de gas y golpea el retrorreflector antes de regresar directamente a su punto de origen. Los datos se utilizan para identificar fugas de gases traza (incluido el metano), ubicaciones de fugas y tasas de emisión. (Cortesía: Stephanie Sizemore e Ian Coddington / NIST)

En 2018, otro equipo del NIST, dirigido por el físico Ian Coddington, ya había demostrado que un peine portátil de doble frecuencia podía usarse para detectar metano y otras emisiones al aire libre, con extrema precisión y en grandes áreas ( Optica 5 320). En pruebas de campo diseñadas para simular las emisiones de la producción de petróleo y gas, el equipo de Coddington pudo medir emisiones de metano de 1,6 g por minuto a un kilómetro de distancia (figura 2). Herman y sus colegas utilizaron dos peines de doble frecuencia en lados opuestos de un corral de engorde que contenía alrededor de 400 cabezas de ganado. Un peine estaba a favor del viento del corral y el otro contra el viento, para medir las concentraciones de gas a medida que el aire entraba y salía del corral. El sistema a favor del viento detectó aumentos en metano, dióxido de carbono y amoníaco.

Según Allen, existen ventajas y desventajas tanto para los sistemas basados ??en láseres fijos como para los drones. Si bien los sistemas fijos pueden monitorear las emisiones continuamente, a menudo dependen del viento que sopla en una determinada dirección, por lo que puede haber mucho tiempo muerto con las emisiones perdidas. Además, el metano es flotante y puede elevarse con bastante rapidez. Los láseres a nivel del suelo pueden pasar por alto estas columnas, mientras que los drones pueden cubrir esa dimensión vertical y posicionarse para tener en cuenta la dirección del viento. Sin embargo, los drones son caros; requieren que alguien los vuele; y solo puede monitorear por períodos cortos a la vez.

Sin embargo, también es posible medir las emisiones de metano utilizando aviones. Esto es en lo que Ray Desjardins, científico atmosférico de Agriculture and Agri-Food Canada, ha trabajado durante décadas. Explica que cada 20 de segundo, el equipo a bordo de un avión mide la concentración de diferentes gases en el aire, así como el movimiento vertical del aire. “Básicamente, si hay una diferencia en la concentración entre el aire que sube y el que baja, puedes calcular fácilmente la emisión de un gas”, dice. Pero las mediciones basadas en aviones pueden tener dificultades para medir fuentes específicas de metano. Un trabajo reciente de Desjardins encontró que las mediciones de las emisiones de metano agrícola, particularmente de la cría de animales, son mucho más precisas cuando el área que se está estudiando tiene menos del 10 % de humedales ( Agricultural and Forest Meteorology 10.1016/j.agrformet.2017.09.003).

Desjardins dice que la técnica del avión se utiliza para verificar si el inventario de gases de efecto invernadero de una granja es exacto. “Eso es para lo que lo hemos usado principalmente en este momento”. Eventualmente, dice, puede ser una forma de recompensar a los agricultores y darles crédito por usar ciertas técnicas de mitigación de gases de efecto invernadero. “Podría ser una forma de verificar que lo que dicen que están haciendo, lo están haciendo”, explica.

Kebreab también cree que recompensar a los agricultores podría ser una buena manera de incentivarlos a reducir las emisiones de metano. La mitigación puede ser costosa y un costo adicional en las finanzas ya tensas. “Tener protocolos que les ayuden a recuperar el dinero que van a gastar en comprar cualquier tecnología disponible sería muy, muy útil”, concluye. “Si la tecnología realmente les permite mejorar su productividad, entonces es una situación en la que todos ganan”.

Video: measuring methane emissions