Emisiones de gases de efecto invernadero

en el sector ganadero

Dr. Juan Heberth Hernandez-Medrano

Departamento de Reproducción - FMVZ –UNAM

Division of Animal Science – University of Nottingham

6to. Congreso Nacional de Investigación en Cambio Climático

17 Octubre 2016

Contenido

• Productos Animales• Percepción

• Consumo

• Gases de efecto invernadero• Intensidad de producción

• Emisión Global y Regional

• Emisiones de metano

• Fermentación entérica

• Factores

• Conclusiones

“Percepción es

Realidad”

Importante a considerar!!

• Fuente alimento• Prot Baja calidad ➔ Alta calidad

• No compite c/ humano

• Usos• Alimento proteico

• Vestido

• Socio-Cultural

• Investigacion*

• Extensivo• 30% sup terrestre – praderas

• 1/3 área cultivable prodalimento animal

• Praderas – potencial de fijación de CO2

• Balance C real?

Consum

ption

(Kcal/ p

ers

on/

day) Historic Projected

Consumo de Prod Animales• Act. Pecuarias - 50% del PIB global

• Carne = 15% de la energía de la dieta humana (promedio global)

• Demanda: 60-100% 2050 (> países en desarrollo)

• Factores: población, ingreso, urbanización

• Carne y leche 2x en los últimos 40 años (cerdo y pollo >5x!)

Consumo per cápita de productos pecuarios (FAO)

Gases de efecto invernadero por producto

Intensidad de emisión global (no-CO2) = • 44 kgCO2e/kg de proteína animal (Rango: 9 – 500 kgCO2e/kg de prot)

• Monogástricos (carne) < Rumiantes (carne & leche) – Eficiencia?

Carne Bovino Leche Peq Rum

Carne Cerdo Carne Pollo Huevo

Carne Peq RumLeche Bovino

Kg CO2-eq / Kg proteina 50% de la Prod Promedio90% de la Prod

FAO - Global Livestock Environment Assessment Model (Gerber et al., 2014)

• Emisiones totales (livestock): 5.6 – 7.5 Gt CO2/año (12-15% del total)

• CH4 Entérico: 1.6-2.7 GtCO2/año

• N2O: 1.3-2.0 GtCO2/año

• Uso de tierra (prod de alim y pastoreo): 1.6 GtCO2/año

Emisiones regionales

(CO2-eq x 106)

distribuidas por

especie(FAO Global Livestock Environmental

Assessment Model; Gerber et al.,

2014)

Gases de efecto invernadero (GEI)

Bovino

Carne Peq RumCerdo Pollo

Bovino

Leche

Federación Rusa

Asia Este y Sureste

Oceania

Asia Sur

Africa

Sub-Sahariana

Africa

Norte

Europa Oriental

Europa

Occidental

América Latina y

Caribe

Norteamérica

Gases de efecto invernadero (GEI)

Metano

• Ganadería (i.e. Rumiantes; FAO,

2006)

• 64-78% GEI de Act Agropecuarias

• Leche ~30%

• Carne ~35%

• Otros rumiantes ~15%

• GEI más importantes• CO2 = 27%

• N2O = 29%

• CH4 = 43%

• Fermentación entérica– 80% (60-

100%)

• Estiércol (almacenamiento, deposito,

etc.) – 20% (0-40%)

Contribución de cada especie pecuaria al total

de emisiones del Sector

(FAO, 2013 mediante ACV, LCA)

Adaptado de Herrero et al., 2016 –

Nature Climate Change

Fermentación entérica – CH4• Rumiantes

• Becerros: 4-8 sem (desarrollo ruminal)

• Pérdida energética (8-12% EB)

• Emisión:• ~90% eructo

• ~10% rectal

• Factores:• Dieta: calidad y tipo

• Acético : Propiónico

• Consumo

• Raza

• Genética?

• Estado fisiológico

• Ambientales

• Localización; temperatura

CH4

Factores

• > Digestibilidad

(calidad) < CH4

• Variabilidad regional

• Eficiencia de

producción?

CH

4 e

nté

ric

o(%

de

l to

tal)

Digestibilidad del alimento vs emisión de metano

Kg

CH

4 e

nté

ric

o/

kg

Ca

na

l

Dig

es

tib

idla

d(%

)

• Estructura de hato

• Diferentes edo fisiológico

= diferente contribición

Emisiones de metano de acuerdo a condición fisiológica

Investigación en emisión de CH4 directo

Resultados Preliminares - MéxicoTropical

• Un sitio

• 37 animales

• 823 ord totales (am y pm)

• Prod Leche= 6.1 ± 0.3kg

• Metano:

• MEIm: 0.86 ± 0.03g/min

• CH4/día: 584.2 ± 12.3g/día

• CH4/Leche: 115.7±10.7g/kg

Familiar

• Un sitio

• 34 animales

• 957 ord totales (am y pm)

• Prod Leche: 14.1± 0.7 kg

• Metano

• MEIm: 1.26 ± 0.04 g/min

• CH4/día: 647.3 ± 4.7 g/día

• CH4/Leche: 49.7±2.7 g/kgL

No todo es negativo!

• Potencial de mitigación

• Bovinos carne: 31%

• Bovinos leche: 20%

• Peq Rumiantes: 30%

• Cerdos: 15%

• Pollo: 30%

• Medidas

• Eficiencia productiva

• ↑ Efic reproductiva

• ↑ Calidad alimento

• Mejora genética: animales

más eficientes para ese

ambiente/sistema

• Medidas de mitigación

(corto plazo?)

• Consumo racional de

prod pecuarios!

• Carne

Conclusiones – GEI• Actividades pecuarias cerca del 14.5% de las emisiones de CO2

• Fermentación entérica + Estiércol

• Rumiantes - Bovinos mayor emisión

• CH4

• Incremento en GEI de actividades ganaderas• Producción más eficiente

• Sustainable intensification (SI, Royal Society); Smart-Climate Agriculture (SCA, FAO); Livestock Presision Farming (LPF)

• Consumo racional de proteina de origen animal

• Impuestos o pago de servicios ambientales

• Costo-Beneficio

• Sector agropecuario – potencial de reducción de 50% del global

• México – COP21 (París)• Reducción de emisiones de -22% al 2030

• Agricultura: -8%

Agradecimientos

REINO UNIDO

University of Nottingham• Prof Phil Garnsworhty

• Neil Saunders

• Jim Craigon

MEXICO

INIFAP• Dr. Sergio Román

• Dr. Jorge Bonilla

• Veracruz

• Dr. Enrique Cab Jimenez

• Dr. Vicente Vega

• Altos Jalisco

• Dr. Jorge Villareal

• Dr. Luis E. Arias

• Estudiantes Maestría

• Enoc Mejía Melchor

• Rene Calderón Chagoya

Gracias!!

Conclusiones – GEI

• Actividades pecuarias cerca del 14.5% de las emisiones

de CO2

• Fermentación entérica + Estiércol

• Rumiantes - Bovinos mayor emisión

• CH4

• Hay diversidad en intensidad de producción

• Mejoras en eficiencia productiva (y reproductiva)

• Variabilidad regional por factores diversos

• Animal: Raza, estado fisiológico, etc. – Diferentes emisiones

• Calidad y disponibilidad de dietas

• Infraestructura y manejo

Digestibilidad del alimento vs emisión de metanoK

g C

H4

en

téri

co

/ k

g C

an

al

Dig

es

tib

idla

d(%

)

Emisiones de metano de acuerdo a condición fisiológica

Factores

• > Digestibilidad

(calidad) < CH4

Productividad vs emisión de metano

Kg

CH

4 e

nté

ric

o/ k

g C

an

al

Kg

de

Ca

rne

/ a

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al /

añ

o

Digestibilidad del alimento vs emisión de metano

Kg

CH

4 e

nté

ric

o/

kg

Ca

na

l

Dig

es

tib

idla

d(%

)

• Variabilidad regional

• Eficiencia de

producción?

Pérdidas de energía del alimento durante la

digestión y el metabolismo.

Energía

Bruta en los

Alimentos

Energía

Digestible

(70%)

Perdida en

las heces

(30%)

Energía

Metabolizable

(60%)

Perdida en

orina (5%) y

perdida en

gas (5%)

Energía

Neta (40%)

Perdida como

calor (20%)

Energía Neta para

producción

1. Reproducción

2. Crecimiento

3. Lactancia

1. Fermentación

2. Metabolismo de

los nutrientes

Energía Neta para

mantenimiento

1. Metabolismo

basal

2. Actividad

3. Calor para

mantenerse

caliente

Perdida de calor

Energía

Bruta en los

Alimentos

Energía

Digestible

(70%)

Perdida en

las heces

(30%)

Energía

Metabolizable

(60%)

Perdida en

orina (5%) y

perdida en

gas (5%)

Energía

Neta (40%)

Perdida como

calor (20%)

Energía Neta para

producción

1. Reproducción

2. Crecimiento

3. Lactancia

1. Fermentación

2. Metabolismo de

los nutrientes

Energía Neta para

mantenimiento

1. Metabolismo

basal

2. Actividad

3. Calor para

mantenerse

caliente

Perdida de calor

Situación México• México (Ordoñez & Hernández, 2009)

• Lugar 13 a nivel mundial (1.8% del mundo)

• 13% Ganado Leche

• 77% Ganado Carne + DP

• 4% Peq Rumiantes

• Ganado Bovino (2012; FAOSTAT,

2014) – Tier 1 IPCC (2006)

• Leche

• CH4= 173 Gg (3627 Gg CO2eq)

• 72kg CH4/vaca/año

• Otros (Carne y DP)

• CH4= 1654 Gg (34723 Gg CO2eq)

• 56kg CH4/vaca/año

Estimación de CH4

• Indirectas• In vitro

• Proxy

• Modelos de predicción

• Directas

• Cámaras respiratorias (CR)

• Individual

• Semi-directas: • Establo (nave)

• Micrometeorológicas

Indirectas• In vitro – Simular fermentación ruminal

• Liq ruminal (coctail)

• Evaluar ingredientes o aditivos

• Incubación: 24 -144h (exp 1-4sem)• Digestibilidad

• Proxy – Ac grasos

• Modelos• IPCC 2006 (Tier 1, 2, 3)

• EBruta emitida como CH4

• Factor de Emisión: 6.5% gral y 3% sist int

• Tier 2 y 3 (+precisas, pero +iinformación)

• Sobre o sub-estimación

• FAO, IPCC, ONU (UNFCCC)• Determinar emisiones mundiales

• Ecuaciones (Storm et al., 2012)

• CMS,Peso, composición dieta, etc.

Directas

• Cámaras respiratorias

(CR) – circuito abierto• Preciso

• Repetibilidad

• Costo

• Mediciones reales?

• Aislamiento – CMS?

Aarhus University, Denmark

Tomado de Storm et al., 2012; Animals

Directas (cont…)

• Individual • Trazadores

• SF6 (Johnson &Johnson, 1995) y CO2 (Bjerg et al., 2012)

• Sub o sobre estiman?

• Entrenamiento

• Laser (Ricci et al., 2014)

• Poco precisa

• Green-feed® (Waghorn et al., 2013)

• Sensores ruminales (Wright, 2013)

• CH4, H2 y CO2

• No mide emisión

• Ordeña (Garnsnworthy et al., 2012)

Y directo – En condiciones “normales”?

Sistema Autómatico de Ordeña (Robot)

UoN Dairy Centre – Sutton Bonington CampusCortesía: Dra. G Miguel-Pacheco

Vet School - UoN

Sistema de monitoreo

de Metano

Desarrollo del Sistema

Experimento 1a: En

granja (in situ)

• n=219 vacas por 5mo

• ~ 67K ordeñas con ~14.5K

promedios diarios de prod

láctea

• Parámetro:

• Taza de Emisión de Metano

durante Ordeña (MERm)

• Pulsos =

• Frecuencia

• Amplitud

• AUC

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 200 400 600 800

Me

tha

ne

(p

pm

)

Time (s)

Cow 273 MeansPeak 1601 ppmInterval 50 s

Cow 441 MeansPeak 4203 ppmInterval 57 s

Emisión individual durante ordeña

Hubo variaciones entre vacas en:

Frecuencia de eructos

Concentración de CH4 en cada eructo

Estimación en la emisión de CH4 - En granja (2)

• MERm

• Afectada por prod leche, peso,

efecto paterno y número de parto

(edad)

• Alta variación

• Intra-vaca = 11%

• Entre vacas = ~30%

• Promedio CH4:

• 421 ± 138 mg/min (rango: 110 -

720)

• Selección?

0

10

20

30

40

50

60

0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 3.3 3.6

Fre

qu

en

cy (n

co

ws)

Methane emission rate (g/min)

En Granja vs Cámara Respiratoria (CR)

• Experimento 1b

• n = 12 vacas

• 10d en granja

• 5-7d en CR

• Alta correlación (r = 0.79)

• Variación intra-vaca = 12.5%

• Hora del día – relacionado al consumo?

• Alta am y disminución pm >18h

• DMI –

• CR vs Granja

y = 45.126x + 278.57

R² = 0.7884

250

300

350

400

450

500

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Me

than

e i

n c

ham

be

rs (

g/d

)

MERm (g/min)

Dieta alto vs bajo CH4 - En granja• Experimento 2

• Diseño cruzado

• En granja

• n=42 vacas

• 14d / dieta

• En CR

• n=12

• 3-4d / dieta

(14d adaptación)

y = 0.9762x + 0.1578R² = 0.7777

0

1

2

3

4

0 1 2 3 4

Hig

h M

eth

an

e D

iet

ME

Rm

(g

/min

)

Low Methane Diet MERm (g/min)

Dieta CH4

Bajo Alto sed P

Consumo MS (kg/d) 23.6 20.3 0.31 <0.001

Prod Leche (kg/d) 32.7 32.1 0.28 0.034

MERm

(g/min) 2.08 2.17 0.05 0.042

(mg/min per kg MSC) 91 110 3.02 <0.001

Bajo CH4: TMR (maíz, pasto, ensilado, pulpa de remolacha, canola, soya,

grasa, M&V)

Alto CH4: Baja+ensilado de pasto (2x; 13->30%)+chícharo rolado (2kg/d)

Alta repetiblidad intra-

vaca!

DMI-

Alta<Baja

prod leche c/ ~Peso

Dieta alto vs bajo CH4 (2) – CR

Sistema sensible para detectar diferencias entre dietas

dentro del mismo animal !!

MERm(gCH4/min)Farm

Methane

inchambe

rs(g/KgDMI)

LowCH4HighCH4

CH4=Alto > BajoCR: 29.1 vs 24.9 g CH4 / kg MS

Conclusiones - Sistema

• Método de bajo costo y práctico para el monitoreo (estimación) de emisiones de CH4 en granja

• No es invasivo – no afecta conducta normal de la vaca en condiciones de granja

• Genera una gran cantidad de datos (medición / s / 24h), comparables usando técnicas estadísticas simples

• MERm en granja comparables con mediciones individuales en CR –alta correlación!

• Sistema es sensible – detecta variaciones por dieta en el mismo animal

GarnsworthyPC; CraigonJ; Hernandez-Medrano JH & Saunders N. 2012

On-farm methane measurements during milking correlate with total methane production

by individual dairy cows. J Dairy Sci95:3166-80.

México –

Investigación en emisión de CH4 directo

• Colaboración INIFAP-México y Universidad de Nottingham-

Reino Unido

• 2013-2016

• Monitoreo de emisiones de CH4 para

generar información sobre inventarios

• 3 sistemas:

• Familiar

• Tropical (Doble propósito)

• Intensivo (?)

Tropical

Familiar

Intensivo

Medición Metano – Trópico (DP) y Familiar

• Tropical: 5 sitios

• Veracruz (n=2) & Puebla

(n=3) ≈150 vacas

• Familiar: 4 sitios

• ≈100 vacas

• 1 o 2 ordeñas diarias –

periodos de 15-20 días

4

6

8

10

12

14

0 100 200 300 400 500 600 700

Metanoequivalnete(mA)

Tiempo(segundos)

Sensor1(Vaca1024) Sensor2(Vaca543)

Conclusiones – Emisión de CH4

• Diversos métodos de medición adecuados

• Considerar las ventajas y desventajas

• Sistema en que se use (adaptabilidad, núm de animales)

• Variabilidad alta entre vacas (~30%), pero consistente

dentro de la vaca

• Vacas con la misma dieta y bajo el mismo manejo = diferente

emisión de metano!

• Posibilidad de selección – Metanogenómica?

• Posibles efectos paternos

• Posible diferencia entre razas / especies?

• Importancia Futura:• Producción 60% para 2050

• Presión sobre países en desarrollo (75% emisión) – Extensivo > CH4• Considerar fijación de metano!

• Practicas de mitigación:

• Manejo pasturas (digestibilidad, desarrollo capa orgánica)

• Suplementos (temporal)

• Selección

• Políticas ambientales / económicas

• Mercados basados en bajo impacto ambiental: Huella de carbono e impuestos a

las emisiones?

• Alianza Global para una Agricultura Consiente del Ambiente (Global Alliance for

Climate-Smart Agriculture) – FAO

Objetivo:

Mantener el incremento

en temp <2°C

• Variacion genética

• SNPs (Illumina System)

• Holstein & Holstein x B. indicus

• Posible selección para baja prod

de metano?

• Diferencias entre B indicus &

B taurus?

México –

Investigación en emisión de CH4 - genética

Origen GL SS MS VR F prob

a) Cow 214 261465 1222 32.5 <0.001

Residual 14318 537878 37.6

Total 14532 799343 55.0

b) Live weight 1 27996 27996 764 <0.001

Milk yield 1 19492 19492 532 <0.001

Cow 214 227181 1062 28.9 <0.001

Residual 14316 524673 36.7

Total 14532 799343 55.0

c) Cow 214 261465 1222 33.3 <0.001

Live weight 1 8601 8601 235 <0.001

Milk yield 1 4603 4603 126 <0.001

Residual 14316 524673 36.7

Total 14532 799343 55.0

Gases de efecto invernadero (GEI)(FAO, 2006: Livestock long shadow -environmental issues and options)

• CH4 ~ 22-28x CO2

• Ganadería (i.e. Rumiantes)

• 64-78% GEI de Act Agropecuarias

• Leche ~20% + Carne ~40%

• Origen:

• Fermentación entérica– 80% (60-100%)

• Estiércol (almacenamiento, deposito, etc.) – 20%

(0-40%)

Tubiello et al. 2013 Environ Res Lett

8:1-10

Emisiones globales de CO2eq debidas a

fermentación entérica (CH4) en

rumiantes domésticos: 2000-2010

Dieta CH4

Bajo Alto sed P

Consumo MS (kg/d) 23.6 20.3 0.31 <0.001

Prod Leche (kg/d) 32.7 32.1 0.28 0.034

MERm

(g/min) 2.08 2.17 0.05 0.042

(mg/min per kg MSC) 91 110 3.02 <0.001

y = 0.9762x + 0.1578R² = 0.7777

0

1

2

3

4

0 1 2 3 4

Hig

h M

eth

an

e D

iet

ME

Rm

(g

/min

)

Low Methane Diet MERm (g/min)