Estimación in vitro de gases con efecto invernadero en frutos y follaje de árboles de un bosque seco tropical de Venezuela
In vitro estimation of greenhouse gases in tree fruits and foliage from a tropical dry forest of Venezuela
R. Ramírez¹, P. Pizzani¹, Giovanna De Martino¹, D. García², Zoraida Linares³, O. Colmenares¹ y C. Domínguez¹
¹Universidad Rómulo Gallegos, Área de Agronomía, Instituto para el Desarrollo Sostenible de Sistemas Agroambientales (IDESSA), San Juan de Los Morros, estado Guárico, Venezuela.
E-mail: pablopizzanic@gmail.com ]]>
²Universidad de Los Andes, Núcleo Trujillo, Venezuela.
³Instituto Nacional de Investigaciones Agropecuarias (INIA), Laboratorio de Nutrición Animal, Maracay, estado Aragua, Venezuela.
Resumen
Con el objetivo de estimar la producción de gases con efecto invernadero (GEI) en el follaje y los frutos de Calliandra cruegeri, Guazuma ulmifolia, Vachellia macracantha, Senna robiniifolia, Samanea saman, Lonchocarpus sp., Fagara sp., Senna espectabilis, Mangifera indica y Oyedaea verbesinoides, de un bosque seco tropical de Venezuela, se evaluaron estas especies a través de la técnica in vitro de producción de gas; se cuantificó la producción de ácidos grasos volátiles (AGV) y se estimaron los GEI. Los sustratos que registraron una mayor producción (P<0,05) de metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2) correspondieron a los frutos de S. saman (4,0 y 8,5), Fagara sp. (3,2 y 6,9) y G. ulmifolia (2,9 y 7,2), y al follaje de S. saman (3,6 y 8,2), S. robiniifolia (4,0 y 9,9) y V. macracantha (2,8 y 5,8). La menor cantidad (P<0,05) de CH4 y CO2 la produjeron los frutos de S. espectabilis (2,3 y 5,0) y Lonchocarpus sp. (2,3 y 5,9), y el follaje de: Fagara sp. (1,5 y 3,7), G. ulmifolia (1,4 y 3,5), C. cruegeri (1,6 y 4,0), M. indica (1,7 y 4,1), O. verbesinoides (1,8 y 4,2) y Cassia sp. (1,9 y 4,6). La producción de GEI y el tiempo de incubación estuvieron correlacionados con la producción de metano (r= 0,458; P<0,05). Se concluye que, de todas las especies, S. saman registró los mayores valores (P<0,05) de producción de GEI en los frutos y el follaje. Asimismo, entre las tres y ocho horas de incubación de los sustratos, la tasa de producción de GEI fue alta.
Palabras clave: árboles, dióxido de carbono, ganado bovino, metano.
Abstract
In order to estimate the production of greenhouse gases (GHG) in the foliage and fruits of Calliandra cruegeri, Guazuma ulmifolia, Vachellia macracantha, Senna robiniifolia, Samanea saman, Lonchocarpus sp., Fagara sp., Senna espectabilis, Mangifera indica and Oyedaea verbesinoides, from a tropical dry forest of Venezuela, these species were evaluated through the in vitro gas production technique; the production of volatile fatty acids (VFA) was quantified and the GHGs were estimated. The substrata that recorded the highest production (P<0,05) of methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) corresponded to the fruits of S. saman (4,0 and 8,5), Fagara sp. (3,2 and 6,9) and G. ulmifolia (2,9 and 7,2) and the foliage of S. saman (3,6 and 8,2), S. robiniifolia (4,0 and 9,9) and V. macracantha (2,8 and 5,8). The lowest quantity (P<0,05) of CH4 and CO2 was produced by the fruits of S. espectabilis (2,3 and 5,0) and Lonchocarpus sp. (2,3 and 5,9), and the foliage of Fagara sp. (1,5 and 3,7), G. ulmifolia (1,4 and 3,5), C. cruegeri (1,6 and 4,0), M. indica (1,7 and 4,1), O. verbesinoides (1,8 and 4,2) and Cassia sp. (1,9 and 4,6). The GHG production and incubation time were correlated to methane production (r = 0,458; P<0,05). It is concluded that, among all species, S. saman recorded the highest values (P<0,05) of GHG production in the fruits and foliage. Likewise, between three and eight hours of incubation of the substrata, the GHG production rate was high.
Key words: trees, carbon dioxide, cattle, methane.
INTRODUCCIÓN
La acumulación de GEI en la atmósfera sugiere un incremento en la temperatura de la superficie terrestre de 1 a 6ºC durante el presente siglo (IPCC, 2007). El metano, que constituye el 16% del total de las emisiones globales de GEI (Scheehle y Kruger, 2006), es especialmente perjudicial, ya que tiene un potencial de calentamiento 21 veces mayor que el CO2 (IPCC, 2007). Las emisiones de CH4 provenientes de las actividades agrícolas representan alrededor del 40% de las producidas por las actividades humanas (Steinfeld et al., 2006), y el mayor aporte (25%) proviene de la fermentación entérica ruminal (Olivier et al., 1999), ya que los sustratos alimenticios ingeridos por los rumiantes son fermentados hasta generar ácidos grasos volátiles (AGV), gases de efecto invernadero (CO2 y CH4) y células microbianas.
El gas directo se produce principalmente cuando el sustrato es fermentado hasta acetato y butirato, mientras que la producción de propionato sólo genera gas indirecto. Por tanto, las variaciones en la proporción de los diferentes AGV, relacionadas con el tipo de sustrato fermentado, pueden originar diferencias en el volumen de gas (Blümmel y Ørskov, 1993). Es importante señalar que la producción de metano en el rumen tiene un costo, el cual se manifiesta en pérdidas energéticas, ya que una porción de alimento del animal se convierte en CH4, y es expelido como gas (DeRamus et al., 2003). Las emisiones de metano de origen entérico ruminal a la atmósfera varían en función de las especies de rumiantes: en el ganado lechero desde 5,5 hasta 9,0% y en el ganado de engorde de 3,5 a 6,5%. En el caso de los búfalos, las pérdidas de energía de la dieta en forma de metano fluctúan desde 7,5 hasta 9,0%. La estimación de las pérdidas de metano de los rumiantes también varía en dependencia de la ubicación geográfica, la calidad del alimento, el consumo y la composición de los alimentos (Johnson y Ward, 1996). En tal sentido, es importante cuantificar las emisiones de GEI producto de la fermentación entérica ruminal, para diseñar estrategias que reduzcan la producción de estos gases. La técnica de producción in vitro, propuesta por Menke y Steingass (1988), ofrece una alternativa al permitir que varias dietas y sus combinaciones sean evaluadas de forma simultánea.
La reducción de las emisiones globales de metano es una parte importante de cualquier esfuerzo para disminuir las emisiones antropogénicas de GEI. Sin embargo, el decrecimiento en el número de rumiantes no parece ser una opción, debido a la creciente demanda mundial de carne y leche, las cuales se duplicarán para el año 2050 (FAO, 2008). Es por ello que la manipulación de las dietas a través de la adición de lípidos poliinsaturados (Johnson y Johnson, 1995); el uso de antibióticos ionóforos (Beauchemin y McGinn, 2006); el conocimiento filogenético de las bacterias metanogénicas (Buddle et al., 2011); las dietas ricas en almidón (Moss et al., 2000) y la mejora en la calidad de las pasturas, así como las prácticas agrosilvopastoriles (donde se incorporen leguminosas ricas en taninos y otras especies arbóreas en la alimentación de los rumiantes), podrían contribuir a la reducción de las emisiones de GEI de origen digestivo (DeRamus et al., 2003).
El objetivo del presente trabajo fue estimar la producción de GEI en algunos sustratos (follaje y frutos) de las especies de árboles de interés forrajero, de un bosque seco tropical deciduo de Venezuela.
MATERIALES Y MÉTODOS
Ubicación y toma de muestras. El área en estudio se conoce como bosque seco tropical deciduo, localizado a 9°50" - 9°55" de latitud Norte y 67°30" - 67°22" de longitud Este, municipio Juan Germán Roscio, Parroquia San Juan de los Morros, estado Guárico. Según los datos de la estación meteorológica de San Juan de los Morros, las características climatológicas del área son: temperatura máxima de 35,7°C para el mes de marzo y mínima de 17°C para diciembre, y la humedad máxima y mínima promedio de 98 y 31%, respectivamente. En el área seleccionada se trazaron transeptos de 10 x 100 m, equivalentes a 1 000 m2. ]]>
Se tomaron muestras de las especies: Calliandra cruegeri, Guazuma ulmifolia, Vachellia macracantha, Senna robiniifolia, Samanea saman, Lonchocarpus sp., Fagara sp., Senna espectabilis, Mangifera indica, Cassia sp. y Oyedaea verbesinoides. La recolección de las muestras vegetales se realizó durante los meses de julio a septiembre, de acuerdo con la fructificación. El material vegetal se colocó en bolsas de papel y se secó a 55oC.Producción de gas y parámetros cinéticos. El follaje y los frutos del bosque fueron evaluados por la técnica de producción de gas in vitro (Menke y Steingass, 1988), donde la cantidad de gas generado por los microorganismos del rumen en contenedores cerrados, en el proceso fermentativo de un sustrato, se correlaciona con la cantidad de sustrato degradado en el tiempo. El inóculo se obtuvo del contenido ruminal de tres vacunos adultos a nivel de sala de matanza, alimentados con forraje. El licor ruminal se trasladó en un termo precalentado a 39°C. Los tiempos de incubación fueron de: 3, 6, 8, 12, 24, 48, 72 y 96 horas.
Los parámetros de cinética de producción de gases se obtuvieron mediante el empleo de un modelo no lineal desarrollado por France et al. (1993), a través del procedimiento NLIN de SAS (1985) para el siguiente modelo: y = a [1 exp (-b(t-T)-c (?t - ?T))], donde: y, representa la producción total de gas al tiempo de incubación; t, es la producción potencial de gas (mL); b, describe la tasa fraccional de producción de gas (mL/h); y c, es la tasa constante de producción de gas (h-1/2).
Nitrógeno amoniacal, ácidos grasos volátiles y GEI (CO2 y CH4). Para las determinaciones de N-amoniacal y AGV se tomaron tres muestras de licor ruminal por sustrato incubado. El contenido de nitrógeno amoniacal se determinó a través del método colorimétrico desarrollado por Weatherburn (1967), el cual se fundamenta en la formación de un cromoforo azul, resultante de un complejo fenol-hipoclorito-N-amonio; esta reacción es altamente específica para el N-amoniacal. Las concentraciones de los AGV se evaluaron siguiendo la metodología descrita por Thurnofer y Vetter (2005).
La cantidad y la proporción molar de acetato (a), propionato (p) y butirato (b) determinan los moles de CO2 y CH4 producidos. La estequiometría de Wolin (1960) asume que el balance de oxidación neta de todos los productos es igual a cero (a + p + b + CO2 + CH4 = 0), que el CO2 y el CH4 son producidos únicamente desde el acetato y el butirato, y el doble de la cantidad de CO2 y CH4 es generada desde la formación de butirato (CO2 + CH4 = a + 2b). Después de algunas sustituciones, la ecuación resultante es: CO2= a/2 + p/4 + 1,5*b. Así, los moles de CO2 producidos pueden ser calculados desde la cantidad y proporción molar de acetato, propionato y butirato, y una vez conocidos los moles de CO2, los moles de CH4 pueden ser calculados de acuerdo con CH4= (a + 2b) - CO2 (Makkar, 2001).
Análisis estadístico. Se utilizó un diseño totalmente aleatorizado con seis réplicas por especie. A las variables estudiadas se les aplicó un análisis de varianza unifactorial. Los frutos y el follaje de las diferentes especies constituyeron la fuente de variación. El análisis de los datos se realizó mediante el paquete estadístico SPSS versión 10.0 para Windows, utilizando la prueba de comparación de Duncan para P<0,05. Las correlaciones lineales se realizaron con el mismo paquete estadístico, y se empleó el coeficiente de correlación de Pearson.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la tabla 1 se presentan los valores de producción acumulada de gas in vitro y los parámetros de la cinética de fermentación, en los sustratos evaluados. Los frutos de G. ulmifolia y Lonchocarpus sp. mostraron la mayor producción (P<0,05) potencial in vitro de gas, en correspondencia con una alta tasa de fermentación (P<0,05). En el caso del follaje, este contiene una importante fracción no digerible en comparación con los frutos forrajeros ricos en azúcares, componente de alta solubilidad y fermentación.
En la tabla 2 se muestra la producción de AGV y GEI para los frutos y el follaje. La relación proporcional [acético + butírico]/propiónico para estos sustratos fue de 3,56 y 2,51, respectivamente. La formación de ácido acético fue paralela a la de hidrógeno (4 moles de H/mol acético), mientras que la síntesis de ácido propiónico implicó la captura de hidrógeno (2 moles de H/mol propiónico). De esta forma, las emisiones de CH4 aumentaron paralelamente a la relación [acetato + butirato]/propionato, formado en el rumen (Moss et al., 2000). ]]>
Los sustratos que registraron la mayor producción (P<0,05) de CH4 y CO2 (mmoles/día) correspondieron a los frutos de S. saman (4,0 y 8,5), Fagara sp. (3,2 y 6,9) y G. ulmifolia (2,9 y 7,2), y al follaje de S. saman (3,6 y 8,2), S. robiniifolia (4,0 y 9,9) y V. macracantha (2,8 y 5,8). La menor cantidad (P<0,05) de CH4 y CO2 la produjeron los frutos de S. espectabilis (2,3 y 5,0) y Lonchocarpus sp. (2,3 y 5,9), y el follaje de: Fagara sp. (1,5 y 3,7), G. ulmifolia (1,4 y 3,5), C. cruegeri (1,6 y 4,0), M. indica (1,7 y 4,1), O. verbesinoides (1,8 y 4,2) y Cassia sp. (1,9 y 4,6). Esta discrepancia (P<0,05) entre la generación de metano en los frutos y el follaje podría estar relacionada con el tipo de carbohidrato fermentado. Los carbohidratos solubles, conocidos como pectinas, tienen un elevado contenido energético y son fermentados rápidamente, pero a diferencia de los almidones, el acetato es el principal producto de su fermentación (Van Soest, 1982); en consecuencia, las emisiones de metano de algunos frutos forrajeros serían mayores que las del follaje.Valores similares de producción de CH4 obtuvieron Hess et al. (2002), quienes señalaron que los taninos presentes en muchas leguminosas, como Calliandra calothyrsus, pueden estar asociados con la reducción de CH4 de hasta un 50% respecto a la dieta tradicional. Sin embargo, ello no es válido para todas las leguminosas de potencial forrajero en el trópico; así, estos autores reportaron que Cratylia argentea y Arachis pintoi incrementaron de tres a cuatro veces los niveles de CH4, en los animales alimentados sólo con pasto.
La tasa de producción de gas in vitro, entre las tres y ocho horas de incubación (tabla 3), presentó una correlación significativa (P<0,05) con la producción de CH4 (r = 0,517 y 0,458); también el nitrógeno amoniacal mostró correlación con los GEI (r = 0,769 CH4; 0,845 CO2 P<0,01).
CONCLUSIONES
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Beauchemin, K. & McGinn, S. Effects of various feed additives on the methane emissions from beef cattle. International Congress Series. Vol. 1293. Greenhouse Gases and Animal Agriculture: An Update. Proceedings of the 2nd International Conference on Greenhouse Gases and Animal Agriculture. Zurich, Switzerland. p. 152. 2006
2. Blümmel, M. & Ørskov, E. Comparison of gas production and nylon bag degradability of roughages in predicting feed intake in cattle. Animal Feed Science and Technology. 40:109. 1993
3. Buddle, B.M. et al. Strategies to reduce methane emissions from farmed ruminants grazing on pasture. The Veterinary Journal. 188:11. 2011
4. DeRamus, H. et al. Methane emissions of beef cattle on forages: efficiency of grazing management systems. Journal Environ Qual. 32:269. 2003
5. FAO. El estado de la inseguridad alimentaria en el mundo. [Disponible en:] http://www.fao.org/docrep/011/i0291s/i0291s00.htm. [Consultado: 27 enero 2011] . 2008
6. France, J. et al. A model to interpret gas accumulation profiles associated with in vitro degradation of ruminant feeds. Journal of Theorical Biology. 163:99. 1993
7. Hess, H. et al. In vitro evaluation of the effect of Sapindus saponaria on methane release and microbial populations (1.4.1). [Disponible en:]
http://www.ciat.cgiar.org/forrajes/pdf/output-1. [Consultado: 20 de marzo 2010] . 2002 ]]>
8. Johnson, D. & Ward, G. Estimates of animal methane emissions. Environmental Monitoring and Assessment. 42:133. 1996
9. Johnson, K. & Johnson, D. Methane emissions from cattle. J. Anim. Sci. 73:2483. 1995
10. Makkar, H. Recent advances in in vitro gas method for evaluation of nutritional quality of feed resources. [Disponible en:] http://www.fao.org/DOCREP/ARTICLE/AGRIPPA/570_EN_toc.htm. [Consultado: 18 noviembre 2010]. 2001
11. Menke, K. & Steingass, H. Estimation of energetic feed value obtained from chemical analysis in vitro gas production using rumen fluid. Anim. Res. Develop. 28:7. 1988
12. Moss, A. et al. Methane production by ruminants: its contribution to global warming. Ann. Zootech. 49:231. 2000
13. Olivier, J. et al. Sectoral emission inventories of greenhouse gases for 1990 on a per country basis as well as on 1-1. Environmental Science Policy. 2:241. 1999
14. SAS. SAS User's Guide: Statistics (5th ed.). Statistical Analysis Systems Institute, Inc., Cary, NC. 1985
15. Scheehle, E. & Kruger, D. Global anthropogenic methane and nitrous oxide emissions. The Energy Journal. Special issue:33. 2006
16. Steinfeld, H. et al. Livestock's long shadow: environmental issues and options. FAO. Rome, Italy. 392 p. 2006
17. Thurnofer, S. & Vetter, WA gas chromatopgraphy/electron ionization-mass spectrometry-selected ion monitoring method for determining the fatty acid pattern in food after the formation of fatty acid methyl esters. J. Agric. Food Chem. 53: 8896. 2005
18. Van Soest, P. Nutritional ecology of the ruminant animal. Cornell University Press. Ithaca, New York. 479 p. 1982
19. Weatherburn, H.w. Phen of hypochlorite reaction for determination of ammonia. Analytical Chemistry. 39:971. 1967
20. Wolin, M. A theoretical rumen fermentation balance. J. Dairy Sci. 43:1452. 1960
Recibido el 8 de julio del 2011
Aceptado el 5 de septiembre del 2011 ]]>