Producción de metano en una incubación in vitro de Cenchrus clandestinus y Lolium hybridum suplementado con Tithonia diversifolia en el trópico alto del departamento del Putumayo, Colombia

Juan P Narváez Herrera¹, Thomas R Preston², José Edmundo Apráez Guerrero³ y Adrián Rolando Riascos Vallejos^1,4

¹ Servicio Nacional de Aprendizaje - SENA, Regional Putumayo; Centro Agroforestal y Acuícola Arapaima, Puerto Asís, Putumayo, Colombia
jpnarvaez84@misena.edu.co
² Centro para la Investigación en Sistemas Sostenibles de Producción Agropecuaria (CIPAV), Carrera 25 No 6-62 Cali, Colombia
³ Universidad de Nariño, Facultad de Ciencias Pecuarias. Ciudadela Universitaria Torobajo. Pasto, Nariño, Colombia
⁴ Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas. Mayabeque. Cuba

Resumen

El metano generado en los sistemas de ganadería bovina constituye una amenaza importante por su efecto sobre el cambio climático, dado que la contribución de los rumiantes al incremento de las emisiones de gases de efecto invernadero es considerada perjudicial para el medio ambiente. Bajo esta perspectiva, se identificaron tres esquemas de manejo nutricional basados en forrajes usualmente empleados en el modelo de producción de bovinos lecheros del Valle de Sibundoy, identificando como predominantes las especies: Cenchrus clandestinus, Lolium hybridum, Lolium multiflorum y la arbustiva forrajera no leguminosa Tithonia diversifolia a los cuales se realizó una caracterización bromatológica, fitoquímica y de producción de gas in vitro en dos estados fenológicos y dos épocas del año: periodo de lluvias y época seca. Los parámetros de fermentación ruminal (producción de gas, metano, ácidos grasos volátiles y degradabilidad de la materia seca) se analizaron mediante la técnica de la incubación ruminal in vitro.

La producción de metano, y la proporción del sustrato solubilizada a las 24h de incubación, fue más alta para Cenchrus clandestinus que para el L hybridum; fue reducida cuando se mezcló 10 o 20% de Tithonia diversifolia con el L hybridum; y fue más alta cuando las gramíneas se cosecharon en la época de sequía comparada con la de lluvias. La concentración de metano en el gas se incrementó con una tendencia curvilíneal al incrementarse la producción total de gas en la incubación. La proporción molar del ácido propiónico en los AGV fue negativamente relacionada con la producción de metano. No hubo efecto de la suplementación con Tithonia diversifolia sobre los patrones de los AGV.

Palabras clave: fermentación ruminal, ganadería, metano, mitigación, nutrición

Methane production in an in vitro incubation of Cenchrus clandestinus and Lolium hybridum supplemented with Tithonia diversifolia in the high tropics of the Putumayo department, Colombia

Abstract

Currently, methane generated from cattle farming systems poses a major threat due to its effect on climate change. The contribution of ruminants to increasing greenhouse gas emissions is considered harmful to the environment. In view of this, three forage-based nutritional management schemes commonly used in dairy cattle production were identified in Sibundoy valley, department of Putumayo. The following dominant forage species were identified: Cenchrus clandestinus, Lolium hybridum, Lolium multiflorum, and the non-leguminous fodder shrub Tithonia diversifolia. For these species, bromatological, phytochemical, and in vitro gas production characterizations were performed for two phenological states and two periods (rainy season and dry season). Rumen fermentation parameters (production of gas, methane, volatile fatty acids, and DM degradability) were analyzed at 0 and 24h of incubation using the in vitro gas production technique.

Methane production, and the proportion of the substrate solubilized after 24 h of incubation, were higher for Cenchrus clandestinus than for L hybridum; it was reduced when 10 or 20% of Tithonia diversifolia was mixed with L hybridum; and it was higher when the grasses were harvested in the dry season compared to the rainy season. The concentration of methane in the gas increased with a curvilinear trend as the total production of gas in the incubation increased. The molar ratio of propionic acid in AGVs was negatively related to methane production. There was no effect of Tithonia diversifolia supplementation on AGV patterns.

Keywords: methane, mitigation, gas production, livestock, nutrition

Introducción

Uno de los principales problemas que actualmente enfrenta nuestro planeta es el calentamiento global, debido al aumento del efecto invernadero causado por la acumulación de gases que atrapan calor en la atmósfera (Soliva and Hess 2007). De los gases de efecto invernadero (GEI), el metano (CH₄) es considerado el segundo en importancia después del dióxido de carbono (CO₂) (Van Aardenne et al 2001). Las altas concentraciones de los GEI emitidos a la atmósfera, se han atribuido principalmente a la producción ganadera y al sector agrícola, siendo los bovinos una de las mayores fuentes antropogénicas de emisiones de gases como el CH₄. Se estima que el metano de origen antropogénico liberado a la atmosfera alcanza los 320 millones de toneladas/año, de los cuales 86 millones (27%) guardan relación con la fermentación entérica de los rumiantes (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura [FAO 2009). Estos gases contribuyen en gran medida al calentamiento global, la degradación del medio ambiente y el cambio climático (Ugbogu et al 2019).

La estimación de los GEI, producto de la actividad ganadera se han convertido en un reto para el sector agropecuario, más aún en América Latina donde la producción bovina se basa en el pastoreo bajo sistemas de manejo extensivos. La tasa de emisión de CH₄ por fermentación ruminal está relacionada con las características físico-químicas de la dieta, principalmente por el tipo de carbohidrato (Muñoz-González et al 2016). Sin embargo, pueden ser determinantes de la composición química de los forrajes los factores propios de la planta (especie, edad, morfología), así como los factores ambientales (temperatura, radiación solar, precipitación, fertilidad y tipo de suelo) (Castro-Hernández et al 2017). La producción de metano es mayor en bovinos cuya dieta se basa en el pastoreo de gramíneas y pastos naturales, ya que estos se caracterizan por contener altos niveles de fibra (Barahona and Sánchez 2005). La emisión de metano también se asocia con una pérdida de la energía alimentaria; Johnson and Johnson (1995) sugieren que se pierde alrededor del 2 al 12% de la energía bruta consumida, por lo tanto, se reduce la eficiencia de la alimentación. Debido a los impactos ambientales negativos, la mitigación de la producción de CH₄ entérico ha avanzado en las últimas décadas.

Ante dichas circunstancias, el objetivo de este estudio fue evaluar el valor nutritivo y los parámetros de fermentación ruminal in vitro, de dos especies forrajeras predominantes empleadas en la alimentación de los bovinos lecheros del trópico alto andino del departamento del Putumayo

Materiales y Métodos

Localización del estudio

Los forrajes se obtuvieron de nueve unidades productivas ganaderas del Valle de Sibundoy (1.20°N, 76.92°W), el cual se encuentra ubicado al suroccidente de Colombia, en la región andino-amazónica del Departamento del Putumayo, a una altitud de 2100 msnm, temperatura promedio de 16 °C, humedad relativa del 86% y precipitación de 2012 mm anuales (IDEAM 2017). La región corresponde a la zona de vida de bosque húmedo montano bajo bh-MB según Holdridge (1947). El periodo experimental para la época de lluvias se realizó entre los meses de febrero y julio del año 2019 y para el periodo seco los muestreos se tomaron entre los meses de agosto y noviembre del año 2019.

Recolección de muestras

Se evaluaron los forrajes Cenchrus clandestinus, Lolium hybridum y la mezcla de Lolium perenne más Tithonia diversifolia en dos épocas del año, temporada de lluvias y seca, los cuales se identificaron como predominantes en el modelo ganadero de la zona. Inmediatamente las muestras fueron tomadas se trasladaron al Laboratorio de suelos, agua y biotecnología del Centro Agroforestal y Acuícola Arapaima del SENA Regional Putumayo, donde fueron secadas a 65 °C por 72 horas hasta alcanzar peso constante y fueron molidas a través de un molino estacionario con una criba de 1 mm.

Análisis químico de los forrajes

Los análisis se determinaron por medio de espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) Después de la homogeneización de las muestras de forraje seco, se colocaron en un anillo de 50 mm de diámetro y se escanearon de 400 a 1098 y de 1100 a 2498 nm, en incrementos de 2 nm. Se utilizó para ello un espectrómetro de barrido VIS / NIR (Foss NIR Systems modelo 6500). Los espectros se grabaron con el WinISI 4.7.0, en el laboratorio de AGROSAVIA sede Mosquera (Cundinamarca).

Producción de gas in vitro

Se utilizó la técnica de producción de gas in vitro descrita por Theodorou et al (1994) modificada por Posada et al (2006) y adaptada por Delgado and Narváez (2011). La incubación se realizó en botellas de vidrio color ámbar de 110 ml. A cada botella se le agrego el sustrato correspondiente (1 de MS de cada uno de los 10 diferentes forrajes y combinaciones) y con una jeringa graduada se adicionaron 85 ml de medio de digestión y 10 ml de inoculo ruminal. Se incubaron 4 botellas por tratamiento y 4 botellas sin sustrato como blancos. Éstas se colocaron en un baño con temperatura controlada a 39 °C. Se utilizó como inóculo el contenido ruminal de tres novillos Holstein con alto grado de mestizaje, obtenido durante el proceso de faenado en un centro de beneficio bajo los estándares certificados de bienestar animal y alimentados con una dieta basada en C. clandestinus.

Las lecturas de presión y volumen se realizaron después de 24 h de incubación por medio de un transductor de presión marca Autonics modelo PSA-1 con lector digital, el cual estaba conectado a una válvula de tres salidas. La primera salida fue conectada a una aguja hipodérmica de 7mm que se insertaba en el interior de las botellas, la segunda salida al transductor de presión y la tercera a una jeringa plástica de 120 ml que sirvió para la medición del volumen de gas acumulado en la parte superior de las botellas. Al finalizar la lectura las botellas fueron agitadas manualmente y reubicadas en la incubadora.

Cromatografía de gases

Los gases acumulados en la parte superior de las botellas se retiraron con el uso de una jeringa, hasta que la presión registrada en el transductor llego a cero. El gas colectado se almacenó en viales de 20 ml herméticamente sellados, de donde se tomaron las muestras y se inyectaron en un cromatógrafo de gases adaptado con un detector de ionización de llama (FID). Las condiciones cromatografícas se adaptaron de Apráez et al (2012) y correspondieron a una columna apolar (DB-5MS JandW Scientific, 30 m*0,25 mm*0,25 μm). Las temperaturas del puerto de inyección Split/Splieless y detector FID fueron 200°C y 250°C respectivamente, se realizó una programación de temperatura de la columna de 30°C /5 min hasta 200°C a reacción de 30°C/min. Como gas de arrastre se empleó Helio UAP a flujo de columna de 1,0 ml/min. El tiempo de retención del metano fue de 1,80 min. El software utilizado para la adquisición y el análisis de la información fue el CLASS VP versión 4.3.

Metabolitos secundarios

Para la determinación del contenido de metabolitos secundarios se pesaron 5 g de la muestra previamente secada y molida, se añadieron 100 ml de etanol al 90% y se almaceno durante 4 horas a temperatura ambiente, con el extracto alcohólico se realizaron los ensayos del tamizaje fitoquímico, según la metodología propuesta por Miranda y Cuellar (2000), descrita por Scull-Rodríguez et al (2017) con la que se determinó la presencia de alcaloides, saponinas, taninos totales y polifenoles totales. Para la descripción de las pruebas se utilizó el sistema no paramétrico de cruces para especificar la presencia o ausencia de los metabolitos, siguiendo los criterios: presencia abundante (+++), presencia moderada (++), presencia leve (+) y ausencia (-).

Análisis estadístico

Para el procesamiento de los datos se utilizó el Modelo Linear General del ANOVA del paquete estadístico de Minitab 16 (Minitab 2010). Las fuentes de variación fueron: forrajes, época del año (lluvias o seca) y error.

Resultados

Composición química de los forrajes

Todos los forrajes tenían niveles de proteína cruda por encima de 13%, sin embargo, la combinación de L. perenne y T. diversifolia presentó valores de PC por encima del 20% en la MS.

Producción de gas y metano a las 24 horas

La producción de gas a las 24h de incubación fue más alta para Cenchrus clandestinus que para el L. hybridum; y fue reducida cuando se mezcló 10 o 20% de Tithonia diversifolia con el L. perenne (Tabla 3; Figura 1). La producción de gas fue más alta cuando las gramíneas se cosecharon en la época de sequía comparada con la de lluvias. Los resultados para la digestibilidad (solubilización) de la MS mostraron las mismas que la producción de gas (Tabla 3).

El patrón de producción de metano mostró las mismas tendencias que el gas total con mayores niveles para C clandestinus en comparación con L hybridum (Tabla 4).

Figura 1. Producción de gas en una incubación ruminal in vitro de dos especies de gramíneas cosechadas en dos épocas del año con dos edades de cosecha (caso del C. clandestinus) y con dos niveles de T. diversifolia (caso de L. hybridum)	Figura 2. Porcentaje de metano en el gas producido en una incubación ruminal in vitro de dos especies de gramíneas muestreadas en dos épocas del año con dos edades de cosecha (caso del C.clandestinusi: CS) y con dos niveles deT. Diversifolia (caso de L. hybridum: LP)

La suplementación con el follaje de la Tithonia diversifolia provocó una reducción lineal en la producción de metano según el nivel de la arbustiva incluida, y en ambas épocas climáticas (Figura 3).

Figura 3. Efecto del follaje del arbusto Tithonia diversifolia sobre la producción de metano en una incubación in vitro de la gramínea L. perenne

Hubo una reducción lineal en la concentración de ácido propiónico al incrementar la producción de gas en la incubación in vitro (Figura 4). A su vez, la concentración de metano en el gas se incrementó con una tendencia curvilínea al incrementarse la producción total de gas en la incubación (Figura 5).

Figura 4. La proporción de metano en el gas se incrementa a medida que se incrementa la producción total de gas en una incubación ruminal in vitro de gramíneas con y sin suplementación con Tithonia diversifolia y muestreadas en épocas de lluvias y sequía

Concentraciones de los AGV

No hubo efecto de la suplementación con Tithonia diversifolia sobre los patrones de los AGV (Tabla 5). En cambio, la proporción molar del ácido propiónico fue negativamente relacionada con la producción de metano (Figura 5).

Figura 5. Relación entre producción de metano y la concentración de ácido propiónico

Análisis fitoquímico de los forrajes

Se encontraron taninos solamente en las combinaciones de Tithonia diversifolia con Lolium perenne (Tabla 6). Las ocurrencias de saponinas se reportaron también en estos forrajes con mayores niveles de Tithonia diversifolia. Como era de esperarse la presencia de fenoles totales reflejó la incidencia de los taninos y saponinas.

Discusión

Quedó bien claro la relación entre las características de los distintos forrajes y la concentración de metano en los gases producto de la fermentación in vitro con liquido ruminal. Al incrementar la producción de gas por ser más fermentable el sustrato (en época de lluvias contra época seca; o con menor edad al corte) mayor era la producción de gas y la concentración de metano en el gas (Figura 2) Por otro lado, el efecto benéfico de agregar un follaje con mayor presencia de polifenoles, fue menor la producción de metano (el caso de agregar Tithonia diversifolia a la gramínea Lolium hybridum (Figura 3). Relaciones similares fueron reportados por Maselema and Chi (2017) y Preston et al (2019).

Aunque parece contradictorio algunas de las implicaciones son que en el animal rumiante intacto una estrategia para reducir la producción de metano entérico será reducir la tasa de fermentación (producción de gas) en el rumen. Por supuesto, tal estrategia requeriría que el sustrato que no se fermentara escapará del rumen para ser digerido en los intestinos o ser fermentado en el ciego-colon. Un ejemplo de esta estrategia era el uso de un aditivo bactericida (el Timol; thymol en inglés) en la dieta de vacas lecheras (Haudia 2019). La estrategia resultó en una reducción en de gas in vitro, pero también una reducción de metano en el gas eructado por vacas que recibieron el aditivo, y más importante aún, una mayor producción de leche.

Poder reducir la producción de metano en los animales rumiantes en primer lugar se debe a nuestro compromiso para reducir la contribución del sector agropecuario al recalentamiento global; sin embargo, al mismo tiempo el reducir la producción de metano en el rumen conllevará a un aumento en la eficiencia digestiva y metabólica del animal debido a la captura en forma de ácido propiónico del hidrógeno liberado al reducir el metano. Este a su vez resultará en una mayor producción de nutrientes glucogénicos factor clave en poder aumentar la productividad y eficiencia del animal rumiante.

Conclusiones

• La producción de metano, y la proporción del sustrato solubilizada a las 24h de incubación, fue más alta para Cenchrus clandestinus que para el L hybridum; fue reducida cuando se mezcló 10 o 20% de Tithonia diversifolia con el L hybridum; y fue más alta cuando las gramíneas se cosecharon en la época de sequía comparada con la de lluvias.
  
  
• La concentración de metano en el gas se incrementó con una tendencia curvilínea al incrementarse la producción total de gas en la incubación.
  
  
• La proporción molar del ácido propiónico en los AGV fue negativamente relacionada con la producción de metano. No hubo efecto de la suplementación con Tithonia diversifolia sobre los patrones de los AGV.

Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo para la ejecución del proyecto de investigación denominado “Caracterización y valoración nutricional de las dietas para la alimentación de bovinos tipo leche del Valle de Sibundoy” financiado por el Sistema de Investigación, Desarrollo Tecnológico e Innovación – SENNOVA del Servicio Nacional de aprendizaje SENA Regional Putumayo.

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