NUTRICION - Estimación de producción de metano en rumiantes

El metano se forma en la fermentación ruminal y se considera que el ganado doméstico contribuye con una tercera parte del metano producido a nivel mundial (IPCC, 2007). La medición de CH4 en animales requiere equipos complejos y costos, por lo que se han desarrollado ecuaciones de predicción y modelos de simulación para predecir las emisiones de metano (Storm et al., 2012). La digestión anaerobia en el rumen es una de las principales fuentes de emisiones de metano y también hay contribución menor de la fermentación en caballos, conejos, cerdos, aves (Moss et al., 2000), animales silvestres y humanos (Crutzen et al., 1986). El CH₄ es producido por las bacterias anaerobias metanógenicas a partir de H₂ y el CO₂ (Carmona et al., 2005), particularmente en el proceso de digestión de la fibra.

La producción de metano está en función de la cantidad y calidad del alimento consumido, siendo la digestibilidad uno de los principales factores, por lo que generalmente hay una correlación negativa entre la digestibilidad y la emisión de metano (Cambra et al., 2008). La emisión de CH₄ depende de factores del animal (peso, edad y especie), así como del alimento, principalmente asociado al contenido de energía (Cambra et al., 2008). La reducción de CO₂ a CH₄ se da según la siguiente ecuación:

La producción de metano es indispensable en el rumen para evitar la acumulación de hidrógeno lo que inhibiría la fermentación. La fermentación es un proceso oxidante, durante el cual los reducidos (NADH, NADPH) se reoxidan (NAD, NADP) a través de reacciones de deshidrogenación liberando hidrógeno en el rumen. El patrón de fermentación modifica la cantidad de metano producido, y mientras que el propionato captura hidrógeno en su formación, la formación de acetato y butirato están asociadas a mayor contribución de metano. De esta forma la producción de CH₄ se puede calcular estequiométricamente a partir de la formación de ácidos grasos volátiles (Martin et al., 2009).

La producción de metano representa una pérdida de energía para el animal (se estima alrededor del 7 % de la energía bruta consumida, pero puede llegar a ser hasta el 12 %). Si se considera la población de rumiantes, el volumen de gas producido (400 a 600 litros/día de metano y 600 a 900 litros día de CO₂ en una vaca lechera; Martin et al., 2007), se entiende el porqué los rumiantes contribuyen a un porcentaje importante de la producción de metano mundial (Sosa et al., 2007).

La manipulación de la relación forraje: concentrado de los rumiantes es una alternativa viable para disminuir la producción de CH₄ reducir las pérdidas de energía metabolizable. El mejorar la digestibilidad, incrementar la proporción de propionato, la suplementación, son prácticas que pueden disminuir las emisiones de CH₄ (Carmona et al., 2005). La producción de CH₄  estará asociada al consumo de energía y nivel de alimentación (Cambra et al., 2008). El contenido de almidón también tendrá un impacto en la producción de propiónico y metano (Galindo et al., 2009). Se estima que incrementar el consumo de concentrados puede reducir la producción de CH4 de 9 a 5 % de la energía bruta (EB) y en dietas altas en granos las pérdidas pueden representar del 2 al 3 % de la EB consumida (Boadi et al., 2004). Todos los factores relacionados a la cinética ruminal, la cantidad y tipo de carbohidratos fermentados (tasa de digestión y pasaje) tendrán impacto en el patrón de fermentación y en el metano producido (Johnson y Johnson, 1995). Otras alternativas que se usan para la reducción de metano incluyen los ionóforos, que pueden reducir la producción de metano en un 10 % (Kobayashi, 2010). También se han incluido lípidos con altos niveles de ácidos grasos insaturados logrando reducir en un 27 a 37 % la producción de metano (Martin et al., 2007).

Debido a la naturaleza del fenómeno, se han desarrollado muchas ecuaciones y modelos. En el cuadro 56.1 se presentan algunas de las ecuaciones compiladas por Ellis et al. (2009), donde se puede apreciar que la mayoría de producción de metano está relacionada al consumo de materia seca (CMS), de energía metabolizable (CEM), porcentaje de forraje o de su composición (FDN, FDA, hemicelulosa y lignina) e inversamente relacionada a porcentaje de concentrado (almidón, azúcares, carbohidratos no estructurales).

Cuadro 56.1 Ecuaciones de predicción de metano para bovinos

Uno de los modelos y ecuaciones más usadas son las del IPCC (2006), donde estiman el CH₄ procedente de la fermentación de los rumiantes multiplicando el número de animales por un factor de emisión anual (FE) para el ganado bovino y ovino. El FE estima kilos de CH₄ por cabeza y año, y están en función de la EB y un factor de conversión (Ym) de metano: 

Donde

FE = Factor de emisión de metano kg CH₄ cabeza/día

EB = Energía bruta ingerida (MJ/cabeza)

Ym = Fracción (%) de la EB del alimento que se transforma en CH₄ 

Para estimar la EB consumida, se estiman los requerimientos de EN de los animales de acuerdo con su estado fisiológico y factores que la modifican (peso, producción, digestibilidad), pero para Ym es más complicado, pues se basan en rangos de digestibilidad y calidad de las raciones (Cambra et al., 2008). El valor de Ym para ganado bovino varia de 2 a 7.5 % para alimentos con digestibilidades entre 45 y 85 % y para los ovinos los valores van de 3.5 a 7.5 % (IPCC, 2006). Para ovinos se sugieren ajustar por edad (3.5 a 4.5 % menores de un año; 5.5-7.5 % para adultos) y para caprinos, se recomienda un valor de Ym del 5 % (Cambra et al., 2008). Cambra et al. (2008) reportan las ecuaciones de regresión para estimar el Ym para bovinos, ovinos y caprinos (cuadro 56.2)

Cuadro 56.2 Ecuaciones por especie de rumiante para estimar el porcentaje de energía bruta que se transforma a metano

La ecuación lineal de caprinos debería ser usada con precaución y quizás reevaluada en caso de que se alimenten con dietas muy digestibles (cuadro 56.3).

Cuadro 56.3 Cambios en Ym de acuerdo con la digestibilidad en rumiantes domésticos

Para estimar la EB consumida, la IPCC (2006) indica que se necesita estimar el requerimiento de EN y, a partir de ahí, estimar el consumo de EB. Una alternativa más directa es medir el consumo de alimento y medir la EB en bomba calorimétrica o estimarla con valores medios de alimentos (cuadro 56.4). Otra posibilidad es estimar la EB a partir del valor calórico de carbohidratos (4.15 kcal/g), grasas (9.40 kcal/g) y proteínas (5.65 kcal/g) como se ha descrito previamente (Pagan, 1998). Por ejemplo, considere que un ovino consumió 1.01 kg/d de materia seca de una dieta con 4.38 Mcal/kg MS (18.32 MJ/kg MS) donde la ración tuvo una digestibilidad de 80 %. Primero se estima el consumo de EB:

Los valores del cuadro 56.4 muestran que la EB de todos los alimentos es de 4.697 Mcal/kg (19.635 MJ/kg) con el valor más bajo para la cascarilla de soya y el más alto para la grasa animal. Si se separan las grasas y los aceites, la media sería de 4.433 Mcal/kg (18.53 MJ/kg). La mayoría de los alimentos no lipídicos tienen valores de EB alrededor de esa media. El valor de EB dependerá del contenido de materia orgánica y de las proporciones de carbohidratos (simples o complejos), proteína y lípidos.

Cuadro 56.4 Valores de EB de diversos alimentos

Posteriormente, estimamos el factor de pérdidas de EB en metano en función de la digestibilidad con la ecuación de ovinos:

Posteriormente se estima la emisión:

Al año, serían 6.88 kg de metano que está dentro de lo esperado a una dieta alta en granos y sería comparable al estimado por el IPCC de 8 kg CH₄ por ovino al año o las medidas por Dengel et al. (2011) de 7.4 kg/año en pastoreo. El IPCC (2006) estima primero el requerimiento de EN dando coeficientes y ecuaciones para digestibilidad, así como de eficiencia de utilización de la energía y, posteriormente, se estima la producción de metano. Por ejemplo, para el caso del ovino, nosotros hemos estimado un requerimiento de ENm de 1.85 Mcal/d (7.72 MJ/d) y de ENg de 1.197 Mcal/d (5.00 MJ/d). La eficiencia de utilización de la energía para mantenimiento en rumiantes es de 0.7, para la ganancia de peso varía en función de la composición del tejido, pero en promedio podemos usar 0.45, para producción de leche 0.60 y para gestación 0.13 (NRC, 2000). Entonces podemos estimar la EM consumida por el ovino del ejemplo:

Para estimar la ED podemos usar un promedio de 18 % de pérdidas en gases y orina (NRC 2000).

La energía bruta dependerá de la digestibilidad de la energía, que dependerá de la calidad de la ración, el IPPC (2006) recomienda usar de 75-85 % para dietas altas en granos, de 55-75 % para forrajes de buena calidad y de 45 a 55 % para forrajes de baja calidad. En este caso, se conoce la digestibilidad de 80 %, con lo que se estima la EB consumida: 

Es importante observar que con la metodología del IPPC (2006), se podría sobreestimar ligeramente el consumo de EB (el medido en el borrego fue de 22.12 MJ/d) y eso implicaría una mayor emisión de metano producido. Si se aplican de nuevo las ecuaciones de emisión:

Esto llevaría a una estimación de 10.69 kg de metano anuales que para el tipo de dieta (alta en grano) es poco probable que ocurra. En conclusión, es preferible medir a estimar las perdidas, pero en términos de estimaciones globales de poblaciones a nivel regional es necesario usar los modelos como el del IPPC (2006) que además también consideran la producción de metano asociada a las excretas.