PRODUCCIÓN DE CH4, CO2 Y DEGRADACIÓN IN VITRO DE LA MATERIA SECA DE 5 INGREDIENTES DE USO COMÚN EN LA FORMULACIÓN DE DIETAS PARA RUMIANTES Mayra Iliana Rivas Martínez*, Mario Antonio Cobos Peralta, Paulino Sánchez Santillan, Roberta Mila Arango. 1
Ganadería, Campus Montecillo, Colegio de Postgraduados. Km 36.5 carr. México-Texcoco, Montecillo, Estado de México, CP 56230. rivas.mayra@colpos.mx, cobos@colpos.mx
Resumen Cinco ingredientes de uso común en dietas para rumiantes (maíz, soya, pasto bermuda, rastrojo de maíz y alfalfa), fueron evaluados de acuerdo a su potencial para producir CH4, CO2 in vitro. Además se midió la degradación in vitro de la MS. La proporción de los gases se calculo por cromatografía de gases y con la ecuación de los gases ideales. La información se analizo estadísticamente con el procedimiento GLM-SAS. La producción de CH4 y CO2 fue diferente entre ingredientes (P<0.05), la mayor producción de gases efecto invernadero (metano y CO2) fue para el rastrojo de maíz y pasto bermuda, mientras que los ingredientes con menor producción de estos gases fueron: heno de alfalfa y maíz molido. La degradación in vitro de la materia seca fue diferente entre tratamientos (P<0.05) con mayor degradación para el maíz molido, éste mismo sustrato tuvo el menor pH (4.29) después de las 72 h de incubación. Las emisiones de CH4 y CO2, de los sustratos fueron mayores en el sustrato considerado con menor calidad nutricional y mayor contenido de fibra. Palabras clave: metano, bióxido de carbono, degradación in vitro Key words: methane, carbon dioxide, in vitro degradation Introducción La técnica de producción de gas in vitro simulando los procesos digestivos ruminales que se generan a partir de la producción microbiana, permite estimar la fermentación, la degradación y la cantidad de gas producido por las bacterias ruminales (Posada y Noguera, 2005). El aumento en la producción de biogas se relaciona directamente con la degradación microbiana de los alimentos e indirectamente por la neutralización de los ácidos generados como resultado de la fermentación (Getachew et al., 2004). El biogás producido en el rumen es una mezcla gaseosa de metano (20 a 40%) y dióxido de carbono (60 a 80 %), con pequeñas proporciones de otros componentes (nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y sulfuro de hidrógeno). La composición depende en gran medida del tipo de materia orgánica que llega al rumen. En el rumen el CH4 es un producto final de la fermentación de los alimentos y representa pérdidas de hasta 15% de la energía
consumida que no es aprovechada por los rumiantes (DeRamus et al., 2003). Sin embargo, pocas veces se mide cual es la proporción de metano y dióxido de carbono que se produce en el rumen. Siendo más común medir la producción de biogas total. La presente investigación tuvo como objetivo cuantificar la cantidad de biogás total (CH4 y CO2) y la proporción total producido por la fermentación de 1g de sustrato, a las 24, 48 y 72 de incubación, así como la degradación in vitro de la materia seca. Materiales y métodos La investigación se realizo en el laboratorio de microbiología ruminal del programa de Ganadería. El biogas total se colecto mediante la técnica de producción de gases in vitro usando una trampa de biogas a base de solución salina. Los sustratos utilizados fueron maíz amarillo, pasta de soya, pasto bermuda, rastrojo de maíz y heno de alfalfa. Para simular las condiciones del ambiente ruminal, se elaboró un medio anaerobio para bacterias ruminales, con la siguiente composición (Cuadro 1): Cuadro 1 Composición del medio de cultivo para bacterias ruminales Compuesto Cantidad por cada 100 mL Agua destilada (mL) 52.6 Líquido ruminal clarificado (mL) (1) 30 (2) Solución mineral I (mL) 5.0 Solución mineral II (mL)(3) 5.0 (4) Rezarsurina 0.1% (mL) 0.1 Carbonato de sodio (mL)(5) 5.0 Sol. Cisteína sulfito de sodio (mL)(6) 2.0 Peptona de soya (g) 0.2 Extracto de levadura (g) 0.1 (1) Líquido ruminal clarificado previamente filtrado en una gasa triple y centrifugado a 12, 000 rpm, por 15 minutos tres veces y esterilizado por 15 minutos a 15 psi, a 121°C. (2) Contiene 6 g de K2HPO4 por 1000 mL de agua destilada. (3) Contiene 6 g KH2PO4; 6 g (NH4)2 SO4; 12 g de NaCl; 2.45 g MgSO4 Y 1.6 g de CaCl por 1000 mL de agua destilada. (4) Agregar 0.1 mL de solución al 0.1% en agua y aforar a 100 mL de agua destilada. (5) 8 g de carbonato de sodio en 100 mL de agua destilada. (6) 2.5 g de L-cisteína (disuelta en 15 mL de 2N NaOH), 2.5 g de Na2S-9H2O y 0.1 mL de rezarsurina en un volumen final de 100mL. El medio de cultivo (49 mL) se deposito en frascos serológicos de 100 mL y se adicionó 1.0 g de cada sustrato con cuatro repeticiones por ingrediente). Los viales
se depositaron en un baño María a 38.5 ºC y se inocularon con 1.0 mL de líquido ruminal (previamente centrifugado a 3000 rpm). Para medir la producción de biogás se usaron frascos serológicos de 100 mL llenos de solución salina saturada acidificada (pH 2.3). Estos frascos tenían dos agujas; una para capturar el biogas a través de una manguera de Tygon ® que conectaba del biofermentador al frasco con solución salina, mientras que, la otra aguja funcionó como válvula de escape de la solución salina desplazada por el gas generado de la fermentación. La solución salina desplazada se recolecto en una probeta de plástico. El volumen del líquido desplazado (producción de biogas) se midió a las 24, 48 y 72 h de incubación. Se incubaron también 3 viales testigos que no contenían sustrato para corregir por la producción de gas debido a la presión del vapor de agua generado durante la incubación de medio a 38.5 oC. Proporción de CH4 y CO2.- La proporción de los gases CH4 y CO2, fue medido en un cromatógrafo de gases PerkinElmer® modelo Clarus 500: temperatura del horno 80°C, detector de conductividad térmica 100°C, columna empacada 100°C al inicio y 170°C al final, flujo del gas acarreador (helio) 23.3 mL por minuto. El tiempo de retención fue de 0.73 min para CH4 y 1.05 min para CO2. La producción de biogás in vitro se llevo a cabo por medio de la ecuación de los gases ideales que incluye información proporcionada por las leyes de Boyle, Charles y Avogrado. PV=nRT Donde: P = Presión en atmósferas (atm). La presión atmosférica en el área de Texcoco es de 0.789 atm; R = Constante = 0.0821 L·atm/ (K·mol); V = Litros; T = Temperatura en grados Kelvin (Temperatura absoluta = 273 + grados Celsius de la prueba), y n = g de gas. Análisis estadístico: Se uso el procedimiento Proc GLM y las medias se compararon con la prueba de TUKEY del paquete estadístico SAS (SAS, 2008). El diseño estadístico fue un diseño completamente al azar con cuatro repeticiones (cuatro biofermentadores) por tratamiento (cinco sustratos). Las variables analizadas fueron, la producción total de CO2, CH4, degradación in vitro de la materia seca y pH a las 72 h de incubación. El modelo estadístico fue el siguiente: Yij = µ + τi + εij Dónde: Yij =Variable respuesta en tratamiento i, repetición j; µ =Media general; τi =Efecto del tratamiento i; εij =Error aleatorio, el cual se distribuye normalmente con media 0 y varianza σ2.
Resultados y discusión Producción de metano: las emisiones de este gas (Figura 1) fue mayor (P<0.05) para los sustratos rastrojo de maíz y pasto Bermuda (0.149 y 0.123 g/ g de sustrato) vs maíz molido y heno de alfalfa (.036 y .029 g/ g de sustrato), la producción de metano de la pasta de soya estuvo intermedia entre estos ingredientes (0.055 g/g de pasta de soya). Se ha reportado que sustratos de baja calidad nutritiva, tienen un bajo consumo debido a su baja tasa de pasaje y un efecto negativo en la eficiencia productiva del animal; además, estimulan una mayor emisión de metano ruminal (Carmona et al., 2005). Investigaciones por Jonhson y Jonhson, (1995) consideran que la producción de metano es menor en alimentos con alta cantidad de carbohidratos solubles que los alimentos con mayor proporción de paredes celulares, lo que coincide con los resultados de esta investigación. Producción de CO2: es diferente entre sustratos (P<0.05), fue mayor para ingredientes de menor calidad nutricional como rastrojo de maíz y pasto bermuda (0.411 y 0.338 g/ g de sustrato, respectivamente), seguido por pasta de soya (0.152 g), los ingredientes que emitieron menos CO2 fueron maíz molido y heno de alfalfa (0.101 y .082 g /g, respectivamente). Degradación in vitro de la materia seca: Después de 72 h de incubación, la DIVMS fue diferente (P<0.05) entre maíz molido; 91.62 %; pasta de soya, 75.09 %; heno de alfalfa, 64.379 %. El pasto bermuda y el rastrojo de maíz tuvieron las más bajas DIVMS sin diferencias (P>0.05) entre ellos (52.70 vs 50.19 %). Como se puede ver en la Figura 2. La degradación in vitro de la materia seca para los ingredientes evaluados considerados de baja calidad nutricional como los forrajes es superior a la reportada por Juárez et al. (2009) para pasto bermuda (36.5%) y otros pastos tropicales como el pangola con 38.2%. pH: fue diferente para el maíz molido (P<0.05), comparado con la pasta de soya, pasto bermuda, rastrojo de maíz y alfalfa. El pH descendió drásticamente a las 72 h de incubación en el maíz, debido a que tiene una cantidad alta de carbohidratos de fácil fermentación. El pH ruminal ha sido correlacionado negativamente con la concentración de ácidos grasos volátiles y la concentración de ácido propiónico (Lana et al., 1998), y con una mayor cantidad de carbohidratos solubles en la dieta (McAllister y Newbold, 2008.
0.16
A AB
0.14 Metano (g)
0.12 0.1 0.08
BC
0.06
C
C
0.04 0.02 0 Rastrojo de maíz
Pasto Bermuda
Pasta de soya Sustrato
Heno de alfalfa
Maíz molido
A, B, C, letras diferentes son significativas estadísticamente al 0.05
Figura 1. Producción de metano de 5 ingredientes de uso común en dietas para rumiantes
0.45
A
0.4
AB
0.35 CO2 (g)
0.3 0.25 BC
0.2
C
0.15 0.1
C
0.05 0 Rastrojo de maíz
Pasto Bermuda
Pasta de soya Sustrato
Heno de alfalfa
Maíz molido
A, B, C, letras diferentes son significativas estadísticamente al 0.05
Figura 2. Producción de CO2 de 5 ingredientes de uso común en dietas para rumiantes
100
A
% de degradación
90
B
80
C
70
D
60
D
50 40 30 20 10 0 Maíz molido
Pasta de soya
Heno de alfalfa
Pasto bermuda
Rastrojo de maíz
Figura 3. % de degradación in vitro a las 72 h de incubación de 5 ingredientes de uso común en dietas para rumiantes
A
7
A
A
A
6 B
pH
5 4 3 2 1 0 Alfalfa
Pasto Bermuda
Pasta de soya Sustrato
Rastrojo de maíz
Maíz molido
A, B, C, letras diferentes son significativas estadísticamente al 0.05
Figura 4. pH de 5 ingredientes de uso común en dietas para rumiantes incubación
a las 72 h de
Conclusiones La técnica de producción de biogas total in vitro, debe considerarse un análisis inicial para estimar la eficiencia fermentativa del alimento que llega al rumen. También se puede correlacionar con la degradación in vitro de la materia seca que llega al rumen. Sin embargo, la determinación de la cantidad o la proporción de CH4 y CO2, que constituye el biogas, resulta un dato más confiable para estimar el
potencial para producir gases efecto invernadero en particular metano, de diferentes ingredientes usados en el balanceo de raciones para rumiantes De los forrajes, el heno del alfalfa fue el ingrediente que presento la menor producción de metano y CO2 y la mejor DIVMS. El método usado para determinar la producción de biogas total, metano y dióxido de carbono es relativamente sencillo de instalar y sensible; por lo que, se recomienda para estimar el efecto de diferentes estrategias alimenticias que intentan disminuir las emisiones de gases efecto invernadero en rumiantes. Agradecimientos: A la línea de investigación 8 “Impacto y Mitigación del Cambio Climatico: Sector Agricola, Pecuario y Forestal” del Colegio de Postgraduados, por el apoyo económico para la realización de esta investigación. Literatura citada Carmona, J., D. Bolívar., Giraldo L. 2005. El gas metano en la producción ganadera y alternativas para medir sus emisiones y aminorar su impacto a nivel ambiental y productivo. Rev. Col Cienc. Pec. Vol. 18:1:49-63. DeRamus, H. A; T. C. Clement, D. D. Giampaola, P. C. Dickinson. 2003. Methane emission of beef cattle on forages: efficiency of grazing management systems. J. Environ. Qual. 32: 269-277. Getachew G; P.H. Robinson, E.J. DePeters, S.J. Taylor.2004. Relationships between chemical composition, dry matter degradation and in vitro gas production of several ruminant feeds. Animal Feed Science and Technology 111: 57–71 Johnson K.A., y D.E Johnson.1995. Methane emissions from cattle. Journal of Animal Science. 73:2483-2492. Juárez, R A S, M A S Cerrillo, E O Gutiérrez, E M T Romero, J N Colín y H B Bernal. 2009. Estimación del valor nutricional de pastos tropicales a partir de análisis convencionales y de la producción de gas in vitro. Téc Pecu Méx. 47(1):55-67. Lana, R. P; J. B. Russell, y Van M. E. Amburgh. 1998. The role of pH in regulating ruminal methane and ammonia production. J Anim Sci. 76: 2190-2196. McAllister T. A. y C. J. Newbold. 2008. Redirecting rumen fermentation to reduce methanogenesis. Australian Journal of Experimental Agriculture. 48: 7–13. Posada y Noguera, 2005. Técnica In vitro de producción de gases: una herramienta para la evaluación de alimentos para ruminates: Livestock Research For Rural Develop: 17: 1452-1459.
SAS Institute Inc. 2008. SAS OnlineDoc速 9.1.3. Cary, NC: SAS Institute Inc.