La produzione di metano enterico (CH4), da parte dei ruminanti, rappresenta una minaccia per il clima, a causa dell’elevato potenziale di riscaldamento globale di questo gas serra (circa 28 volte superiore a quello dell’anidride carbonica).

I ruminanti si sono evoluti con un sistema digerente capace di digerire efficacemente gli alimenti vegetali. Come la maggior parte dei mammiferi, non hanno l’enzima cellulasi, necessario per rompere i legami beta-glucosio nella cellulosa, ma ospitano diverse popolazioni di microrganismi nel rumine in grado di digerire la cellulosa e altri costituenti vegetali (Weiske et al., 2006).

Quando i batteri, i protozoi e i funghi del rumine fermentano carboidrati e proteine alimentari, producono acidi grassi volatili, principalmente acetato, propionato e butirrato. Le diete ricche di fibre, in particolare, favoriscono la sintesi dell’acetato e butirrato, che è accompagnata dal rilascio di idrogeno metabolico, che, se lasciato accumulare nel fluido ruminale, ha effetti negativi sulla crescita microbica e sulla digeribilità degli alimenti. Gli Archaea del rumine sono microrganismi che combinano l’idrogeno metabolico con la CO2 liberata dalle fermentazioni, producendo metano e acqua. Gli Archaea svolgono un ruolo fondamentale, quindi, nel proteggere il rumine dall’eccesso di idrogeno metabolico, e il metano che producono è un prodotto inevitabile della fermentazione del rumine (Weiske et al., 2006).

Le opzioni per ridurre le emissioni di CH4 dal bestiame includono:

  1. gestione degli animali e dei mangimi (selezione genetica, aumento della qualità dei mangimi e della salute degli animali, ecc.);
  2. formulazione della dieta (foraggi ricchi di tannino, oli e grassi, sale e minerali, ecc.) e
  3. manipolazione del rumine (additivi, defaunazione, pozzi di elettroni) (Arndt et al., 2022).

Per quanto riguarda la selezione genetica, il progresso dell’allevamento è possibile se un tratto è sufficientemente ereditabile e se sono disponibili dati fenotipici da popolazioni rilevanti per la selezione. Le emissioni di CH4 possono essere considerate un tratto ereditario e il fenotipo sembra essere persistente durante l’allattamento. Inoltre, l’uso di inibitori di CH4, come gli additivi, può ridurre le emissioni fino al 32% per litro di latte e fino al 35% al giorno senza effetti negativi sull’assunzione di mangime o sulla produzione di latte (Weiske et al., 2006).

La necessità di stime accurate delle emissioni di metano enterico nelle vacche allevate in sistemi diversi è stata evidenziata in diversi ambiti. Inoltre, comprendere le differenze tra le vacche in diversi sistemi di produzione è essenziale, non solo per la produttività lattiero-casearia, ma anche per sviluppare strategie di mitigazione per il contributo delle attività agricole alle emissioni di metano antropogeniche (Russell et al., 2007). Di solito, i sistemi di produzione lattiero-casearia sono il risultato di diverse interazioni di fattori, come i genotipi delle vacche e i regimi di alimentazione.

Sono stati sviluppati numerosi metodi per rilevare le emissioni di CH4 da singoli animali, ognuno con i propri vantaggi, svantaggi e ambito di applicazione. Il metodo gold standard rispetto al quale vengono confrontati altri metodi è la camera di respirazione climatica (CRC). Tuttavia, le CRC sono costose da installare e gestire, oltre a richiedere molto tempo e lavoro, dimostrandosi proibitive per ottenere misurazioni su un gran numero di animali nell’ordine di 104-105 richiesto nelle valutazioni genetiche.

Inoltre, il confinamento individuale all’interno della CRC impone restrizioni all’alimentazione e al comportamento naturale degli individui, il che può comportare una riduzione dell’assunzione di sostanza secca e di conseguenza delle emissioni di CH4, mettendo in discussione l’estrapolazione dei risultati per scopi commerciali. Un secondo metodo è il respirometro/calorimetro, con il quale l’aria viene fatta passare attraverso una camera contenente uno o più ruminanti (Chagunda et al., 2009), dove vengono misurate le concentrazioni di ossigeno, anidride carbonica e metano in ingresso e in uscita.

Altri metodi si basano su tecniche di tracciamento basate su esafluoruro di zolfo (SF6) e tecniche di bilancio di massa/micro-meteorologiche (Russell et al., 2007). La tecnica di tracciamento prevede il posizionamento di una fonte di SF6 nel rumine con una velocità di rilascio nota e la misurazione della quantità di rilascio di SF6 dalla fonte in un periodo. La concentrazione di metano viene calcolata dal rapporto tra metano e SF6 nell’espirato degli animali da esperimento, fattorizzato dai pesi molecolari relativi di SF6 e metano e dalla velocità di rilascio nota di SF6 (Mcginn et al., 2006). Le tecniche di bilancio di massa e micro-meteorologiche spaziano dall’uso di aeromobili per campionare concentrazioni di metano a diversi livelli nell’atmosfera, alle applicazioni su scala di paddock. Sebbene le tecniche sopra menzionate siano efficaci ed efficienti a livello sperimentale controllato, la loro applicazione a livello di ricerca partecipativa e applicata, che di solito viene svolta in allevamenti lattiero-caseari commerciali, è molto limitata.

Un ulteriore metodo di registrazione è il rilevatore laser di metano (LMD), un dispositivo di misurazione laser a percorso aperto portatile (Russell et al., 2007). Sono disponibili diversi modelli di questo dispositivo, che sono stati ulteriormente sviluppati nel tempo. Per gli studi sugli animali, sono stati utilizzati il LaserMethane® e il suo successore LaserMethaneMini® (entrambi Tokyo Gas Engineering Solutions, Ltd., Tokyo, Giappone) (Figura 1), che funzionano con la stessa tecnologia, ovvero la spettroscopia di assorbimento laser a diodo sintonizzabile.

Figura 1. LaserMethaneMini®

Questi dispositivi sono stati sviluppati originariamente per il rilevamento di perdite di gas nell’industria mineraria, petrolchimica e discariche e, quindi, distinguono tra alte concentrazioni di CH4 e la bassa concentrazione di fondo nell’atmosfera. Quando viene utilizzato per studiare l’emissione di CH4 degli animali, un operatore punta il dispositivo sul muso di un animale a una distanza fissa per una durata di diversi minuti, una o più volte al giorno (Figura 2).

Figura 2. Rilevamento del metano con il laser

La misurazione con l’LMD si basa sulla spettroscopia di assorbimento infrarosso: utilizza un laser a semiconduttore come sorgente di eccitazione collimata e impiega la seconda rilevazione armonica della spettroscopia di modulazione della lunghezza d’onda per la misurazione. Un laser guida visibile (laser di classe 3 R, 532 nm) aiuta a dirigere il laser di misurazione invisibile (laser di classe 1, 1653 nm) verso il bersaglio desiderato. La concentrazione di CH4 integrata tra l’LMD e il bersaglio viene misurata rilevando una frazione del raggio laser riflesso in modo diffuso.

Il valore misurato è espresso come densità di colonna di CH4 (ppm × m), ovvero una concentrazione cumulativa di CH4 lungo il percorso laser o la concentrazione media di CH4 (ppm) moltiplicata per la lunghezza del percorso (m). L’LMD misura CH4 nell’intervallo da 1 a 50.000 ppm × m (fino al 5 vol-%) con una precisione di ±10% e può essere utilizzato da una distanza compresa tra 0,5 e 30 m e in un intervallo di temperatura da -17 a +50 ◦C. Si calibra automaticamente tramite una cella di riferimento interna. L’LMD mostra i dati in tempo reale sul suo display e, facoltativamente, emette un allarme acustico e visivo se viene superata una certa soglia.

I dati possono essere archiviati in un file csv su un dispositivo Android connesso in modalità wireless che esegue l’app GasViewer. Questo può essere, ad esempio, un telefono cellulare (smartphone) indossato in una fascia da braccio in modo che una persona possa utilizzare l’LMD e l’app contemporaneamente. Gli studi citati qui hanno utilizzato un “LaserMethane mini-g”, un modello simile o un modello precedente della stessa serie di LMD dello stesso produttore (Tokyo Gas Engineering Solutions, Tokyo, Giappone).

La concentrazione media di CH4 di un profilo registrato con questo protocollo non è cambiata quando la lunghezza del profilo variava tra 2 e 5 minuti. Il dispositivo LMD è altamente reattivo con una misurazione effettuata una volta ogni 0,1-0,5 s che consente la caratterizzazione e la separazione dei picchi di eruttazione e respirazione (Sorg et al., 2017). La flessibilità dell’LMD consente misurazioni in diverse condizioni e durante diverse attività degli animali. È possibile rilevare differenze nelle concentrazioni di CH4 registrate con l’LMD durante l’abbeveramento, l’alimentazione, la ruminazione, la posizione eretta e sdraiata degli animali. L’LMD può anche registrare le concentrazioni di CH4 prodotte dagli animali al pascolo (Chagunda et al., 2013). Tuttavia, negli esperimenti all’aperto le condizioni ambientali (velocità del vento, umidità, pressione dell’aria) hanno un effetto significativo sulle concentrazioni registrate e dovrebbero essere considerate quando si analizzano i dati. È anche importante notare l’angolazione da cui l’LMD è stato puntato verso l’animale (laterale o frontale) e la persona che aziona l’LMD, così come il numero specifico del dispositivo quando si utilizzano due o più dispositivi in parallelo, poiché possono anche avere un effetto significativo sui valori di CH4 registrati (Borè et al., 2022). Due LMD dello stesso modello e di data di fabbricazione simile non differivano nei valori CH4 registrati quando venivano impostati staticamente in parallelo per passare attraverso la stessa porzione di aria in un CRC o in una stalla.

In un recente studio pilota di Senatore e coll. (2024), è stata esaminata la capacità di un LMD di recente sviluppo, di stimare l’emissione di metano enterico nelle vacche da latte modificando la dieta delle stesse.

I risultati ottenuti da Senatore e coll (2024) hanno dimostrato che LMD è in grado di misurare le emissioni in uno studio pilota condotto in condizioni aziendali reali. Le misurazioni della produzione di metano rilevate da LMD e le variazioni delle emissioni totali giornaliere per vacca dovuta sono state in linea con la letteratura, confermando la bontà dello strumento. Sulla base di ciò, i risultati preliminari dovrebbero incoraggiare i professionisti a utilizzare LMD per esplorare nuove strategie per sistemi di allevamento sostenibili. Tecnici, consulenti degli allevatori e ricercatori potrebbero implementare LMD per formulare diete su misura e ottimizzate in diversi sistemi agricoli. L’ottimizzazione delle diete dei ruminanti dovrebbe essere effettuata utilizzando diverse fonti di mangime prodotte in azienda (ad esempio foraggi freschi, insilati, sottoprodotti e cereali) mantenendo alti livelli di conversione dei mangimi, anche con l’aiuto di additivi. In questo modo, sarebbe possibile ridurre le emissioni di metano enterico, migliorando il livello di autosufficienza e circolarità degli allevamenti di bestiame. In conclusione, l’uso di LMD sembra essere una buona opzione per confrontare la capacità di strategie sostenibili di ridurre l’impatto ambientale dell’allevamento di bestiame correlato alle emissioni di metano nell’atmosfera. Sono necessari ulteriori esperimenti per migliorare la conoscenza sull’uso del rilevatore di metano in condizioni di allevamento reali e sugli effetti delle condizioni microclimatiche sulle misurazioni. L’ulteriore sviluppo di un metodo intelligente, intuitivo e a basso costo per monitorare le emissioni potrebbe facilitare l’identificazione di strategie idonee per la transizione ecologica del settore zootecnico.

La presente nota è una sintesi del seguente articolo scientifico dove è riportata la letteratura citata: Senatore E., Foggi G., Silvi A., Mantino A., Conte G., Mele M. (2024). Laser methane smart detector for measuring the reduction of emissions in dairy cows: a pilot study. Atti del Workshop IEEE International Workshop on Metrology for Agriculture and Forestry (MetroAgriFor 2023), Pisa 6-8 novembre 2023.

Autori

Giuseppe Conte, Alberto Stanislao Atzori, Fabio Correddu, Luca Cattaneo, Gabriele Rocchetti, Antonio Natalello, Sara Pegolo, Aristide Maggiolino, Antonella della Malva, Giulia Gislon, Manuel Scerra – Gruppo Editoriale ASPA