Inclusión de un tanino

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 14220 (2022) Citar este artículo

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Los objetivos de este estudio fueron determinar la emisión de óxido nitroso (N2O), metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), así como la composición isotópica de N2O de las excretas de novillos alimentados con heno 'AU Grazer' sericea lespedeza. [SL; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don]. Quince novillos cruzados Brahman × Angus fueron alimentados con una de tres dietas experimentales: 0, 50 o 100% de inclusión de SL en heno de bermudagrass 'Tifton 85' (Cynodon spp.). El muestreo de gas se realizó los días 0, 1, 3, 5, 7, 14, 18, 25 y 32 después de la aplicación de orina o heces en cámaras estáticas durante dos períodos experimentales. Efecto del día posterior a la aplicación de heces (P < 0.001), mientras que en la orina se observó interacción día × inclusión de SL (P < 0.001) para todos los gases de efecto invernadero (GEI) analizados. Los picos de emisión de todos los GEI en orina y heces ocurrieron en los primeros días (P < 0,001), siendo los días 3 y 5 los más agotados en 15N-N2O en heces, y los días 3, 5 y 7 en orina (P < 0,001). Alimentar SL a los novillos de carne fue efectivo para mitigar la emisión de GEI de los excrementos, pero se necesita más investigación para investigar los mecanismos detrás de las reducciones.

La actividad antropogénica ha modificado los procesos ambientales naturales al aumentar las concentraciones atmosféricas de los principales gases de efecto invernadero (GEI), incluso a través de la expansión de las actividades agrícolas1. En 2021, el inventario mundial de ganado se informó en mil millones de cabezas2, y tanto la fermentación entérica como el estiércol fueron los principales contribuyentes de metano (CH4) y óxido nitroso (N2O)3.

El estiércol es una fuente importante de GEI en los pastizales debido a la presencia de compuestos orgánicos y su descomposición en condiciones anaeróbicas4. Las bacterias anaerobias descomponen el material orgánico liberando CH4, mientras que las interacciones de diferentes fuentes de N afectan el ciclo del N y, por lo tanto, influyen en los flujos diarios de N2O5. La principal preocupación es que la cantidad de N en las excretas depositadas en un área específica excede las necesidades inmediatas de la planta, y el exceso de N se pierde por lixiviación de nitratos y N2O6,7.

Los ajustes nutricionales son una estrategia para modificar la intensidad y frecuencia de los procesos que conducen a la generación y emisión de GEI en las excretas de los rumiantes. La dieta del animal, así como la calidad y cantidad del alimento, pueden influir en las concentraciones de N en la orina y las heces. Las leguminosas forrajeras, por ejemplo, proporcionan una amplia gama de metabolitos secundarios, como los taninos, que pueden modular la fermentación ruminal8. Los taninos condensados (CT) se unen a la proteína de la dieta protegiéndola de la degradación ruminal, aumentando la absorción de aminoácidos por el intestino delgado y la excreción de N en las heces9. Además, si bien se informó que los compuestos nitrogenados naturales en la orina del ganado inhiben los procesos de formación de N2O en el suelo10,11,12, los taninos afectarían la proporción de esos compuestos, lo que en consecuencia puede afectar las emisiones de N2O13.

Las cámaras estáticas son una técnica comúnmente utilizada para medir los flujos de GEI de los suelos, pero debido a la naturaleza heterogénea de los flujos14, existen incertidumbres en la magnitud, distribución y patrón temporal de las fuentes naturales y antropogénicas. Esto limita la precisión de los resultados y las comparaciones entre estudios de diferentes lugares. En este contexto, los análisis de la abundancia natural de isótopos estables de los gases en la atmósfera pueden representar un poderoso aliado para estimar los balances de GEI15, ya que los procesos de formación y secuestro de GEI tienen proporciones específicas de isótopos pesados a ligeros16.

Presumimos que la inclusión de una leguminosa rica en taninos en las dietas de los novillos de carne disminuiría la emisión de N2O, CH4 y CO2 de sus excretas, debido al cambio en la excreción de N de la orina a las heces y al impacto de los taninos en la metanogénesis. . Además, la orina y las heces presentarían diferentes factores de emisión y composición isotópica de N2O, lo que permitiría atribuir la fuente a las emisiones. Por lo tanto, los objetivos de este estudio fueron estimar las emisiones netas de N2O, CH4 y CO2 de las excretas de novillos alimentados con una leguminosa forrajera rica en taninos, así como determinar el factor de emisión de N2O y la composición isotópica de N2O.

Hubo un efecto del día de muestreo en las emisiones de N2O de las heces, presentando los primeros 5 días mayores emisiones en comparación con el resto de los días (P < 0.001), y emisiones intermedias en el día 14 (Fig. 1a). Para la orina, se observó una interacción entre el nivel de inclusión de SL y el día de las emisiones de N2O (P < 0,001), siendo las emisiones significativamente mayores los días 1, 3 y 5 después de la aplicación de la orina (Fig. 1b, P < 0,001) y el tratamiento 100SL presentó las menores emisiones.

Flujo neto de N2O emitido por (a) heces de novillos alimentados con sericea lespedeza [SL; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don], donde los valores representan el promedio de tres dietas (0, 50 o 100% SL) en dos períodos experimentales, y las medias seguidas de letras diferentes son significativamente diferentes entre los días de muestreo (Pday < 0,001); y (b) orina recolectada de novillos alimentados con 0SL, 50SL o 100SL, donde el asterisco indica las diferencias entre las dietas dentro del día (PSL*Día < 0,001). Las barras se refieren a la desviación estándar. La línea punteada representa las emisiones del suelo (sin excretas).

Las emisiones máximas de N2O en las heces ocurrieron 5 días después de su aplicación para todas las dietas (0,12, 0,07 y 0,08 mg m-2 d-1 para 0SL, 50SL y 100SL, respectivamente) y disminuyeron a emisiones de fondo similares después de 18 días (0,05 mg m−2 d−1, P > 0,05). Por otro lado, las emisiones máximas de N2O en la orina ocurrieron antes (1 o 3 días después de la aplicación; 0,08, 0,06 y 0,05 mg m-2d-1 para 0SL, 50SL y 100SL, respectivamente) pero tardaron más (25 días) en alcanzarse. reducir a las emisiones de fondo (0,02 mg m-2 d-1, P > 0,05), a pesar de que no se observaron diferencias significativas entre los niveles de SL desde el día 7 en adelante.

Hubo efectos del día (P < 0,001) en la composición de δ15N de la orina y las heces a partir del N2O (Fig. 2). El N2O más empobrecido en δ15N se produjo en los días 3 y 5 para ambos tipos de excretas (−4,2 y −8,2‰ para las heces, y −2,2 y −5,2‰ para la orina).

Composición isotópica δ15N del N2O emitido por (a) heces de novillos alimentados con sericea lespedeza [SL; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don], donde los valores representan el promedio de tres dietas (0, 50 o 100% SL) en dos períodos experimentales, y las medias seguidas de letras diferentes son significativamente diferentes entre los días de muestreo (Pday < 0,001); y (b) parche de orina de novillos alimentados con 0SL, 50SL o 100SL, donde el asterisco indica las diferencias entre las dietas dentro del día (PSL*Día < 0,001). Las barras se refieren a la desviación estándar. La línea punteada representa las emisiones del suelo (sin excretas).

Hubo efectos del día de muestreo en las emisiones de CH4 y CO2 de las heces (Figs. 3a y 4a, respectivamente; P < 0.001) e interacción de la inclusión de SL × día en las emisiones de la orina (Figs. 3b y 4b, respectivamente; P < 0.001). Para CH4, el pico en heces ocurrió el primer día después de la aplicación de las excretas, no observándose diferencias significativas entre los niveles de inclusión de SL para los demás días. En orina, la emisión de CH4 fue diferente entre los niveles de SL solo en el primer día después de su aplicación, con mayor emisión demostrada por el tratamiento 0SL (0.0006 mg m-2 d-1) y menor, por el tratamiento 100SL (- 0.0004 mg m- 2 días−1). Además, se observaron picos negativos de CH4, independientemente del nivel de inclusión de SL, el día 18 después de la aplicación de la orina, que se restauró a los niveles de fondo el día 25.

Flujo neto de CH4 emitido por (a) heces de novillos alimentados con sericea lespedeza [SL; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don], donde los valores representan el promedio de tres dietas (0, 50 o 100% SL) en dos períodos experimentales, y las medias seguidas de letras diferentes son significativamente diferentes entre los días de muestreo (Pday < 0,001); y (b) orina recolectada de novillos alimentados con 0SL, 50SL o 100SL, donde el asterisco indica las diferencias entre las dietas dentro del día (PSL*Día < 0,001). Las barras se refieren a la desviación estándar. La línea punteada representa las emisiones del suelo (sin excretas).

Flujo neto de CO2 emitido por (a) heces de novillos alimentados con 0, 50 o 100% sericea lespedeza [SL; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don], donde los valores representan el promedio de tres dietas (0, 50 o 100% SL) en dos períodos experimentales, y las medias seguidas de letras diferentes son significativamente diferentes entre los días de muestreo (Pday < 0,001); y (b) orina recolectada de novillos alimentados con 0SL, 50SL o 100SL, donde el asterisco indica las diferencias entre las dietas dentro del día (PSL*Día < 0,001). Las barras se refieren a la desviación estándar. La línea punteada representa las emisiones del suelo (sin excretas).

El pico de CO2 en las heces se produjo el día 1 después de la aplicación de excrementos (P < 0,001), independientemente del nivel de SL, y se alcanzaron reducciones a los niveles de fondo el día 18 (Fig. 4b). En orina, aunque el pico se observó el mismo día (día 1) para el tratamiento 100SL, el pico de CO2 para los tratamientos 0SL y 50SL se produjo 5 o 14 días después de la aplicación de excrementos, respectivamente.

La concentración de nitrógeno observada en heces fue de 1,6, 2,2 y 2,8%, mientras que en orina fue de 0,19, 0,24 y 0,58% para 0SL, 50SL y 100SL, respectivamente (Tabla 1).

Las emisiones acumuladas de N2O de las heces fueron 2,02, 1,09 y 0,84 mg m−2 para 0SL, 50SL y 100SL, respectivamente, presentando un efecto lineal negativo de la inclusión de SL (P = 0,01; Tabla 2). En orina, las emisiones acumuladas fueron de 1,44, 0,23 y 0,02 mg m−2 para 0SL, 50SL y 100SL, respectivamente, presentando también un efecto lineal negativo de la inclusión de SL (P = 0,01). El factor de emisión de N2O (EFN2O) para cada nivel de inclusión de SL dentro de cada tipo de excreta se describe en la Tabla 2.

Se observó una disminución lineal de las emisiones acumuladas de CH4 en heces y orina cuando se añadió SL (P = 0,03 y P = 0,04, respectivamente). En heces, se demostró una emisión acumulada negativa, o una captación de CH4, por la inclusión de 100% SL (−0,004 mg m−2), mientras que en orina, la inclusión de 50% SL presentó la menor emisión (o mayor captación). ) en 32 días (−0,013 mg m−2). La emisión acumulada de CO2 en heces y orina siguió un patrón similar al de CH4, con una captación lineal de CO2 para la inclusión de SL (P = 0,03) para ambos tipos de excretas, en las que las menores emisiones se observaron para la dieta 100SL (15,51 y 8,93 mg m−2 para heces y orina, respectivamente).

En un estudio concomitante, demostramos que una gran proporción de CT de SL se unió a la proteína y la fibra en las heces de los animales alimentados con 100SL, lo que resultó en una digestión total aparente menor de esos nutrientes en el tracto que los animales que consumieron dietas solo de pasto17. Por lo tanto, la digestión de las enzimas del huésped y la absorción intestinal de aminoácidos fueron inhibidas por la capacidad de unión de CT en todo el tracto gastrointestinal, lo que también contribuyó a una mayor concentración de N en las heces de los animales alimentados con 100SL que en las heces de los animales alimentados con 0SL. Además, la mayor excreción de N en las heces puede haber tenido una contribución significativa del N metabólico endógeno con la adición de CT en las dietas18, lo que concuerda con los estudios de Komolong et al.19 y Carulla et al.8.

Una mayor concentración de N en la orina de los animales alimentados con 100SL que con 50SL y 0SL también puede atribuirse a una ingesta alta de CP. La ingesta alta de PB sin un aumento concomitante en el suministro de energía sobrecarga los microbios ruminales, lo que aumenta la producción de amoníaco en el rumen, lo que lleva a que la pared ruminal absorba más amoníaco de los animales alimentados con 100SL que con 0SL20. Con eso, más amoníaco se convirtió proporcionalmente en urea y se excretó en la orina de los animales alimentados con 100 SL que los alimentados con las otras dietas21. Broderick22 afirma que alimentar a los rumiantes exclusivamente con leguminosas puede resultar en una producción intensa de urea, aumentando la excreción de N en la orina y, por lo tanto, reduciendo la retención de N por parte de los animales. Esto se debe a que la tasa de producción de amoníaco en el rumen supera la tasa de uso por parte de los microorganismos23, y si no es capturado como proteína microbiana en el rumen, pasará por el proceso de ureagénesis en el hígado.

Beauchemin et al.24 suplementaron una dieta basada en forraje al 70% con 1 y 2% de taninos de quebracho (Schinopsis lorentzii) y reportaron una disminución en la digestibilidad de la PB y menor N urinario, como proporción de la excreción total de N, cuando se incluyó CT . También observaron un aumento en la excreción fecal de N, como proporción de la excreción total de N, con una mayor inclusión de CT en la dieta, lo que se atribuyó a aportes endógenos y microbianos, y no a una disminución real del N urinario.

El EFN2O de la orina suele ser mayor que el EFN2O de las heces25,26, ya que representa el N del N2O como porcentaje del N total aplicado27. Por lo tanto, se recomienda desarrollar una FE para cada tipo de excreta. En nuestro estudio, el EFN2O de las heces u orina de animales alimentados con SL fue menor que el de las heces u orina de animales alimentados con 0SL. Además, solo el EFN2O de las heces de animales alimentados con 0SL fue similar a los valores predeterminados proporcionados en el refinamiento del IPCC de 201928, que se basó en condiciones específicas del clima y las propiedades del suelo y podría tergiversar las estimaciones mundiales.

La falta de efecto de la inclusión de SL en el flujo de N2O de las heces fue impulsada principalmente por la presencia de N orgánico junto con el enlace-CT5,17. Los flujos de N2O de los parches de orina son generalmente mayores que los flujos de las heces, ya que la urea se hidroliza más rápidamente que el N5 orgánico. Una revisión21 demostró que hasta un 3,8 % de N en la orina frente a solo un 0,7 % de N en las heces podría emitirse en forma de N2O a la atmósfera. Sin embargo, en el estudio actual, las emisiones acumuladas menores de los parches de orina que de la pila de heces probablemente se deban a que la orina se emitía como otro compuesto, como el amoníaco volátil.

La pila fecal funciona como fertilizante orgánico para el suelo y la disponibilidad de nutrientes es un componente clave para la microbiota del suelo. De acuerdo con el modelo "Hole-in-the-pipe" propuesto por Firestone y Davidson29, la magnitud de la producción de N2O es principalmente una función de la disponibilidad de N en el suelo. Por tanto, la disponibilidad de N mineral (NH4+ y NO3−), así como la disponibilidad de carbono lábil, promovieron mayores emisiones de N2O y CO2 en los primeros días para todos los tratamientos, principalmente por activación de poblaciones microbianas30. La deposición de excretas frescas provocó la desnitrificación en los primeros días, debido a la mayor humedad y N y otros nutrientes. Además, también podrían haber ocurrido pérdidas por lixiviación de nitratos, lo que, en parte, contribuye a las emisiones indirectas de N2O si el nitrato se desnitrifica en las aguas superficiales31,32.

Según Franzluebbers y Steiner33, la temperatura, la humedad y el N inorgánico del suelo también son determinantes de la magnitud de las emisiones de N2O. En el estudio actual, los eventos de lluvia después de la aplicación de excrementos podrían haber afectado la proporción de espacio poroso lleno de agua (WFPS), creando condiciones anaeróbicas. Por lo tanto, la anaerobiosis y los niveles elevados de N y C disponibles en el suelo debido a la deposición de excretas favorecieron la nitrificación, la desnitrificación nitrificante y la desnitrificación, lo que resultó en una mayor producción y emisión de GEI34,35. Posteriormente, con temperaturas elevadas durante el verano en Florida, se observó un rápido secado de las heces y la formación de una costra superficial4, lo que también pudo haber incidido en que los flujos de N2O de las heces disminuyeran a partir del día 5.

Se demostró que las pérdidas gaseosas tienen una relación lineal con el δ15N del suelo, con grandes factores de fraccionamiento si el NO3− se consume por completo en la reacción de desnitrificación36. Los valores de N2O δ15N informados por el suelo y emitidos por el suelo generalmente oscilan entre 0 y − 40 ‰37,38,39,40, lo que indica una amplia variación en el agotamiento de 15N en la vía de pérdida gaseosa. En nuestro estudio, el δ15N de N2O se empobreció más cuando las emisiones fueron más intensas (días iniciales después de la aplicación de excretas), representado por el fuerte fraccionamiento de la volatilización del amoníaco y la intensificación del proceso de desnitrificación41. Esta tendencia apoya la hipótesis de que se perdía más N de la orina como amoníaco que como N2O.

Kool et al.11 demostraron que la orina sintética con alta concentración de ácido hipúrico reducía las emisiones de N2O hasta en un 50%. Más recientemente, Zhou et al.13 atribuyeron las mayores reducciones en las emisiones de N2O de la orina a la adición de ácido tánico en las dietas del ganado vacuno. Los autores concluyeron que el aumento de la relación ácido hipúrico-N/N urinario tuvo efectos inhibitorios en las emisiones de N2O, pero el efecto del ácido tánico fue más evidente a mayores niveles de proteína cruda. Aunque no determinamos estos compuestos en la orina, los compuestos aromáticos de CT presentes en la orina de animales alimentados con 100 SL posiblemente inhibieron los procesos de nitrificación en el suelo hasta cierto punto42, lo que resultó en menores emisiones de N2O.

Las emisiones acumuladas de los tres GEI evaluados fueron mayores para los animales alimentados con 0SL que con 100SL, independientemente del tipo de excremento. Sin embargo, los flujos de CH4 fueron negativos después de unos días de aplicación de las excretas, lo que indica una absorción del suelo. Además, más del 65% de la emisión total de todos los GEI se había emitido al día 7, lo que demuestra cómo las emisiones son más relevantes inmediatamente después de la deposición de excretas43.

Las emisiones de metano de las excretas ocurren principalmente debido a la descomposición de las heces por organismos metanogénicos cuando se encuentran en condiciones anaeróbicas favorables44. Así, se pudieron observar mayores flujos de CH4 en los primeros días después de la aplicación de excretas, independientemente del tipo, similar a lo observado en la literatura en pastos tropicales25,45. La metanogénesis probablemente fue favorecida por la alta humedad del suelo en los días iniciales y tendió a disminuir con la disminución natural de la humedad de las excretas, la escasez de eventos de lluvia y la lixiviación y consumo de nutrientes por parte de los microorganismos45. Sin embargo, CT se ha asociado con un efecto negativo directo sobre los metanógenos46, lo que podría haber limitado la metanogénesis en las excretas de los animales alimentados con SL, lo que explica la reducción lineal de 0 a 100% de inclusión de la leguminosa en las dietas.

En resumen, este estudio mostró cómo la dieta del animal, el tipo de excremento y las condiciones climáticas afectaron los flujos de GEI en los pastos de clima cálido en el norte de Florida. Por lo tanto, la alimentación de novillos SL fue eficaz para mitigar la emisión de N2O, CH4 y CO2 de sus excretas durante 32 días después de su deposición en el suelo. Además, el EFN2O de las excretas disminuyó con la inclusión de leguminosas ricas en taninos, pero las heces y la orina deben considerarse por separado debido a las variaciones específicas en las condiciones de cada estudio (dieta, suelo, precipitación). Por lo tanto, la adopción de EFN2O específicos para países y regiones evitaría la sobreestimación de las emisiones globales del sector ganadero. En el estudio actual, se agregó más N a través de excrementos de animales alimentados con heno SL, lo que redujo las emisiones de N2O en comparación con los excrementos de animales alimentados solo con heno de pasto. El δ15N siguió un patrón similar al de los flujos de N2O, que se agotó más a altas tasas de liberación debido a la actividad de los microorganismos del suelo después de la aplicación de excretas. Se justifica una mayor investigación para comprender los mecanismos detrás de las pérdidas reducidas, mientras que los estudios que utilizan mediciones de isótopos adicionales, como los isótopos de hidrógeno, facilitarían las estimaciones de emisiones y el modelado atmosférico.

El estudio siguió todos los procedimientos aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad de Florida (Protocolo n.º 201810218) y todos los métodos se llevaron a cabo de acuerdo con las pautas y regulaciones pertinentes. Este manuscrito se informa de acuerdo con las pautas de ARRIVE.

El experimento se llevó a cabo en el Centro de Investigación y Educación del Norte de Florida (NFREC), de la Universidad de Florida, ubicado en Marianna, FL (30°52′N, 85°11′W, 35 m snm) en un pastizal de bahiagrass 'Pensacola' (Paspalum notatum Flüggé). El suelo en el sitio experimental se clasifica como una arena franco-naranja (franco-fino-caolinítica, térmica Typic Kandiudults), con un pH promedio de 6.5. Las concentraciones promedio de P, K, Mg y Ca extraíbles con Mehlich-I fueron 13, 45, 31 y 245 mg kg−1, respectivamente. La materia orgánica del suelo fue de 6,3 g kg-1 y la capacidad de intercambio catiónico estimada fue de 2,8 meq 100 g-1. El estudio se llevó a cabo durante dos periodos experimentales de 32 días cada uno, separados por un intervalo de 15 días (Periodo 1: del 08/06/2018 al 10/07/2018; Periodo 2: del 25/07/2018 al 08/ 27/2018). Las temperaturas medias, máximas y mínimas y la precipitación pluvial para los períodos experimentales se representan en la Fig. 5.

Datos de la estación Marianna (FL) de Florida Automated Weather Network (FAWN) de (a) precipitación semanal y datos de temperatura de dos períodos experimentales y (b) precipitación mensual acumulada (mm) y temperatura promedio (°C). Período 1: del 08/06/2018 al 10/07/2018; Período 2: del 25/07/2018 al 27/08/2018.

Quince novillos mestizos Brahman × Angus [Período 1: 324 ± 26 kg de peso corporal inicial (PC); Período 2: 336 ± 30 kg BW] se distribuyeron aleatoriamente en tres dietas experimentales: 0, 50 o 100% (según la alimentación) con inclusión de heno de lespedeza sericea 'AU Grazer' [SL; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don] en dietas de heno de bermudagrass 'Tifton 85' (BG; Cynodon spp.) (Tabla 3) y se utilizan como donantes de excrementos (orina y heces). Los novillos se alimentaron durante 21 días durante dos períodos de alimentación en un estudio concomitante17 y los excrementos utilizados en el estudio actual se recolectaron en los dos últimos días experimentales de cada uno. Todos los métodos se llevaron a cabo de acuerdo con las directrices y regulaciones pertinentes.

Las emisiones de GEI se evaluaron mediante la técnica de cámara estática (estado no estacionario)14. Las cámaras eran circulares de 30 cm de radio y estaban compuestas por una base y una tapa, ambas construidas en PVC47. Las tapas se envolvieron con cinta reflectante para proporcionar aislamiento y se agregó un tabique de goma para el muestreo de gas48. La base se equipó con un tubo de ventilación de cobre de 10 cm de longitud para garantizar una presión de aire adecuada dentro de la cámara durante las mediciones49,50. Las tapas y las bases se mantuvieron cerradas para la toma de muestras de gas colocando una cámara de aire de neumático de bicicleta que sellaba herméticamente las piezas.

Las bases de las cámaras se instalaron en el pasto de bahiagrass sin pastoreo dos semanas antes de la aplicación de excretas para evitar cualquier efecto de la alteración del suelo sobre las emisiones de GEI51. Las bases se instalaron a 8 cm de profundidad, con 5 cm de extensión sobre el nivel del suelo. La profundidad de instalación se determinó con base en Clough et al.48. Los techos de las cámaras tenían una altura de 22 cm, que sumados con 5 cm de base totalizaban 27 cm, de acuerdo con la indicación de ≥ 40 cm de altura de la cámara por hora de despliegue48. Se instalaron nuevas bases en un lugar cercano al mismo potrero para el segundo período experimental, también dos semanas antes de iniciar el nuevo muestreo de gas.

Los tratamientos aplicados a las cámaras consistieron en heces u orina dentro de uno de los tres niveles de inclusión de heno SL alimentado a los novillos de carne y se distribuyeron como un diseño de bloques completos al azar. La orina y las heces se recogieron directamente de cada animal mediante micciones y defecaciones espontáneas o estimuladas y se aplicaron a razón de 2 L de orina y 2 kg de heces, como cantidades típicas excretadas por el ganado para el área de la cámara5,52. Para obtener las cantidades requeridas de excretas, el muestreo se realizó dos veces al día (700 y 1500 h) y las muestras se mantuvieron refrigeradas a 4 °C hasta la mañana siguiente (día 0 de muestreo de gases). Las muestras de cada tipo de excreta se combinaron en los cinco animales dentro de cada dieta SL, lo que resultó en tres submuestras finales (orina y heces de cada una de las tres dietas SL). Las muestras de excretas se mantuvieron a temperatura ambiente 2 h antes de su aplicación a las cámaras y su composición química se describe en la Tabla 1.

La aplicación de excretas a las cámaras se realizó una vez en cada período experimental sobre la superficie del suelo dentro del área determinada por la base de la cámara (0.28 m253). El césped dentro del área de la cámara se cortó a nivel del suelo antes de cada día de muestreo, cuando correspondía. El muestreo de gas ocurrió entre las 09:00 y las 11:00 h, cuando la temperatura se considera más representativa del promedio diario47 en los días 0, 1, 3, 5, 7, 14, 18, 25 y 32 después de la aplicación de excretas para ambos períodos experimentales. Se tomó una submuestra por tiempo de despliegue por cámara, separada por intervalos de 15 min (T0, T15 y T30). En T0, se recolectó una muestra del área directamente sobre la superficie del suelo54. Inmediatamente después, las cámaras se cerraron herméticamente ajustando la tapa a la base con la cámara de aire de la bicicleta, seguido de los siguientes tiempos de despliegue de la muestra. Todas las muestras se recogieron con el uso de una jeringa de 60 ml y se lavaron inmediatamente en un vial de vidrio de 30 ml prevacío. El vial estaba equipado con un tapón de goma de butilo y sellado con un septo de aluminio. Las muestras se analizaron inmediatamente después de finalizar cada período experimental.

Los análisis de muestras de gas se realizaron utilizando un cromatógrafo de gases (cromatógrafo de gases Trace 1310, Thermo Scientific, Waltham, MA). Para N2O, un detector de captura de electrones (350 °C) y una columna capilar (columna empacada J&W GC en tubería de acero inoxidable, longitud 6,56 pies (2 M), 1/8 pulg. DE, 2 mm DI, empaque Hayesep D, malla tamaño 80/100, preacondicionado, Agilent Technologies). El metano se analizó utilizando un detector de ionización de llama (250 °C) y una columna capilar (Columna GC J&W PoraBOND Q, Agilent Technologies). Para CO2, un detector de conductividad térmica (200 °C) y una columna capilar [columna empaquetada para GC J&W en tubería de acero inoxidable, longitud de 7 pies (2,13 m), 1/8 pulg. de DE, 2 mm de DI, relleno Haysep N, tamaño de malla 60/80, preacondicionado, Agilent Technologies]. La temperatura del inyector y de las columnas fue de 80 y 200 °C, respectivamente.

Los flujos horarios de gases (mg de N2O o CH4 o CO2 por m−2 h−1) se calcularon según Cardoso et al.55:

donde δC/δt es el cambio en la concentración de gas en la cámara durante el tiempo de despliegue; V y A son el volumen de la cámara y el área de suelo cubierta por la cámara, respectivamente; M es el peso molecular del gas; y Vm es el volumen molecular del gas. El parámetro Vm se corrigió a las condiciones estándar de temperatura y presión como Vm = 0,02241 × (273,15 + Tc/273,15) × p0/p1, donde 0,02241 es el volumen molar (m3), Tc es la temperatura del espacio libre de la cámara en el momento del muestreo ( °C), p0 es la presión del aire al nivel del mar y p1 es la presión local calculada mediante la ecuación barométrica. El flujo mínimo detectable fue de 0,012 ppb min-1 para N2O, 0,004 ppm min-1 para CH4 y 1,40 ppm min-1 para CO2.

Las emisiones diarias de N2O, CO2 y CH4 se calcularon multiplicando los flujos por 24 hy las emisiones acumuladas se estimaron integrando los flujos de cada día (área bajo la curva) y promediando por período. La fracción de N aplicada en las excretas perdida como N2O, denominada factor de emisión (FE), se calculó de acuerdo a la ecuación:

donde \({\text{EF}}_{{{\text{N}}_{{2}} {\text{O}}}}\) es el factor de emisión de N2O; N2O-Nemitido son las emisiones acumuladas de N2O-N de la cámara con excretas (mg m−2); N2O-Nblank son las emisiones acumuladas de N2O-N de los espacios en blanco (cámara sin excreta depositada; mg m−2); y Naplied es la tasa de aplicación de N en orina o heces (mg m−2).

Se transfirió una submuestra (12 ml) del gas recogido a exetainers evacuados (Labco, Reino Unido). Los extainers se perforaron con una aguja doble y se enjuagaron con una corriente ultrapura de He (12 ml min−1) durante 6 min utilizando un muestreador automático (Gilson GX-271, Gilson Inc, WI). Durante el lavado, las muestras se transfirieron a una unidad de preconcentración (Trace Gas, Hanau, Alemania) equipada con trampas de vidrio (DE 10 mm, longitud 20 cm) llenas de Ascarite, Sofnocat y Mg(ClO4)2 para eliminar CO2, CO y agua. , respectivamente. El N2O restante se crioenfocó en una columna capilar sumergida en nitrógeno líquido durante 12 min y se transfirió a un espectrómetro de masas de relación isotópica (IsoPrime 100, IsoPrime, Manchester, Reino Unido) para el análisis 15N, utilizando He (2 ml min-1) como un transportador. La relación de isótopos para 15N/14N se calculó como:

donde δ15N es la proporción de isótopos de N de la muestra en relación con el nitrógeno atmosférico, 15N/14Nmuestra es la proporción de isótopos de N de la muestra y 15N/14Nreferencia es la proporción de isótopos de N del N atmosférico (estándar). La composición isotópica estable de nitrógeno se informó utilizando la notación delta por mil convencional. Los valores de δ15N se expresan en relación con el estándar internacional (AIR-N2).

El experimento se analizó como un diseño de bloques completamente al azar, con datos de heces y orina calculados por separado debido a las diferencias en la magnitud de las respuestas53. Se realizaron tres repeticiones (cámara) de cada tratamiento, y se consideró día la medida repetida para todas las variables. Se utilizó el procedimiento Glimmix de SAS (SAS Inst., Inc., Cary, NC, versión 9.4), en el que se consideró la cámara como unidad experimental. Los gráficos se dibujaron utilizando Microsoft Excel (versión 16.61). La normalidad de la distribución y la homogeneidad de las varianzas se evaluaron mediante el procedimiento Univariado de SAS. Las estructuras de covarianza se basaron en el valor más pequeño del criterio de información de Akaike. El modelo incluyó el efecto fijo de nivel de inclusión de SL y día después de la aplicación de excretas y su interacción, y los efectos aleatorios de bloque, período y sus interacciones. Las medias se compararon utilizando el PDIFF ajustado por la prueba de Tukey al 5% de significación.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en el artículo.

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Centro de Investigación y Educación del Norte de Florida, Universidad de Florida, Marianna, FL, 32446, EE. UU.

Flavia OS van Cleef, José CB Dubeux Jr., Martín Ruiz-Moreno, Liza García y Nicolás DiLorenzo

Departamento de Ciencia Animal y Lechera, Universidad de Georgia, Tifton, GA, 31793, EE. UU.

Francine M. Ciriaco y Darren D. Henry

Centro de Investigación de Forrajes Lácteos de EE. UU., USDA/Servicio de Investigación Agrícola, Marshfield, WI, 54449, EE. UU.

David M. Jaramillo

Departamento de Ciencias Agrícolas, Alimentarias y Nutricionales, Universidad de Alberta, Edmonton, AB, T5N3X1, Canadá

Erick RS Santos

Range Cattle Research and Education Center, Universidad de Florida, Ona, FL, 33865, EE. UU.

Joao MB Vendramini

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Harley D. Naumann

Departamento de Agronomía, Universidad de Florida, Gainesville, FL, 32611, EE. UU.

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Correspondencia a Flavia OS van Cleef.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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OS van Cleef, F., B. Dubeux, JC, M. Ciriaco, F. et al. La inclusión de una leguminosa rica en taninos en la dieta de los novillos reduce las emisiones de gases de efecto invernadero de sus excretas. Informe científico 12, 14220 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18523-y

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Recibido: 01 Marzo 2022

Aceptado: 16 de agosto de 2022

Publicado: 20 agosto 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18523-y

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