SEMINÁRIO APLICADO PREDIÇÃO DA PRODUÇÃO DO METANO ENTÉRICO DE VACAS LEITEIRAS

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1 i UNVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS ESCOLA DE VETERINÁRIA E ZOOTECNIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA ANIMAL SEMINÁRIO APLICADO PREDIÇÃO DA PRODUÇÃO DO METANO ENTÉRICO DE VACAS LEITEIRAS Ernane Peixoto de Araújo Orientador: Juliano José de Resende Fernandes GOIÂNIA 2011

2 ii ERNANE PEIXOTO DE ARAÚJO PREDIÇÃO DA PRODUÇÃO DO METANO ENTÉRICO DE VACAS LEITEIRAS Trabalho apresentado a disciplina de Seminários aplicados do Curso de Mestrado em Ciência Animal da Escola de Veterinária e Zootecnia da Universidade Federal de Goiás. Área de Concentração: Produção Animal Linha de Pesquisa: Metabolismo nutricional, alimentação e forragicultura na produção animal. Orientador: Juliano José de Resende Fernandes Comitê de Orientação: Profº Dr. Milton Luiz Moreira Lima GOIÂNIA 2011

3 iii SUMÁRIO SUMÁRIO... iii LISTA DE TABELAS... iv 1. INTRODUÇÃO REVISÃO DE LITERATURA Fermentação entérica de ruminantes Metodologias de estimativa da produção de metano em vacas leiteiras segundo o IPCC (2006, seção 10.3) Tier 1: Abordagem nível 1 para as emissões de metano pela fermentação entérica: Tier 2: Abordagem nível 2 para as emissões de metano pela fermentação entérica: Potencial para refinamento do método Tier 2 ou desenvolvimento do método Tier 3 na estimativa da emissão do metano Predição do metano entérico visando a utilização do método Tier 3 em estimativas para vacas leiteiras Fatores que afetam a produção de metano Escolha do método de predição do metano entérico para vacas leiteiras CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 21

4 iv LISTA DE TABELAS TABELA 1: Resultados de emissão de metano obtidos por trabalhos realizados no Brasil... 4 TABELA 2: Emissão de metano por gado leiteiro de duas raças e diferentes categorias em pastagens adubadas e nao adubadas, no verão de 2002 (1).... 6

5 1 1. INTRODUÇÃO A fonte primária de energia para os seres vivos do planeta Terra é o Sol. Ele emite radiação eletromagnética (energia) que é absorvida por gases, como o vapor d'água (H 2 O), o gás carbônico (CO 2 ), o metano (CH 4 ), o ozônio (O 3 ), o óxido nitroso (N 2 O) e compostos de clorofluorcarbono (CFC), todos constituintes da atmosfera. A absorção dessa energia por tais gases confere a atmosfera característica de uma estufa, a qual faz com que a temperatura média global do ar próximo à superfície terrestre seja cerca de 15 C. Caso esse efeito estufa não existisse, essa temperatura seria de 18 C abaixo de zero, ou seja, o efeito estufa é responsável por um aumento de 33 C na temperatura da superfície do planeta. Logo, ele é benéfico, pois gera condições que permitem a existência da vida como se conhece (MOLION, 2008). Contudo, estudos na área de glaciologia têm evidenciado um efeito estufa intensificado, apontando que níveis altos de gases do efeito estufa (GEE), principalmente CO 2, estão aumentando a temperatura global. Isso é fisicamente explicável, pois mantidos a produção de energia solar e as áreas de reflexão constantes, quanto maiores forem as concentrações dos GEE, mais alta será a temperatura do Planeta. A partir da revolução industrial iniciou-se o uso generalizado de combustíveis fósseis, o desmatamento em grande escala, a intensificação da agropecuária e a urbanização. De maneira que essas atividades afetaram o ciclo do carbono. Segundo o INTERGOVERNMENTAL PANEL ON CLIMATE CHANGE - IPCC (2006), os níveis pré industriais de CO 2 eram de 278 ppmv (1ppmv = 1 parte por milhão por volume, ou seja, 1 mililitro de gás por metro cúbico de ar), enquanto que os atuais são de 385 ppmv, um aparente aumento de 38% da concentração desse gás nos últimos 150 anos. A concentração de metano seguiu os mesmos passos da de CO 2, porém com um aumento de 148%. Esses acréscimos nos níveis de GEE resultaram em um aumento entre 0,4 e 0,7 C na temperatura média global. Em termos globais o gás carbônico atrópico é o grande protagonista do aquecimento global, estando responsável por 60% do efeito estufa. Já o metano, apesar de absorver 21 vezes mais radiação que o CO 2, contribui com

6 2 aproximadamente 20% do aumento do efeito estufa, sendo as principais fontes atrópicas de emissão de metano as atividades agropecuárias, os aterros sanitários, os vazamentos provenientes da extração de gás natural e carvão mineral, e ainda as áreas úmidas naturais (CONEJERO, 2006). Segundo o UNITED STATES ENVIROMENTAL PROTECTION AGENCY - USEPA (2010) as atividades agropecuárias contribuem diretamente para a emissão de gases do efeito estufa, perfazendo 6% do total das emissões dos Estados Unidos, onde o principal contribuidor é o metano. No Brasil, segundo o INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA IBGE (2010), só a produção de metano entérico é responsável por 7,1% do total das emissões de gases do efeito estufa, contribuindo com 7,2 milhões de toneladas de metano por ano. Devido a isso há muita pressão sobre o setor pecuário brasileiro, para que se busque alternativas na mitigação da produção de metano entérico. Contudo o primeiro fator que deve-se saber é se essas estimativas estão corretas. A partir do exposto observa-se que é de grande importância a mensuração da quantidade de metano excretado na atmosfera pelos ruminantes. Portanto, elaborou-se a presente revisão com o objetivo de entender as metodologias de estimativa de produção de metano entérico de vacas leiteiras, propondo um refinamento para as mesmas.

7 3 2. REVISÃO DE LITERATURA 2.1. Fermentação entérica de ruminantes O metano traduz-se em um co-produto da fermentação entérica dos ruminantes, pois a sua formação é utilizada como uma rota dissipadora do acúmulo de hidrogênio (H 2 ). Segundo VALADARES FILHO & PINA (2006), esse hidrogênio é oriundo dos processos que convertem os componentes dietéticos a ácidos graxos de cadeia curta (AGCC), proteína microbiana e vitaminas, através da atividade microbiológica no rúmen. O ácido acético, o propiônico e o butírico são os AGCC predominantes no rúmen, sendo produzidos principalmente na fermentação de carboidratos provenientes das plantas, tais como celulose, hemicelulose, pectina, amido e açúcar. Esses carboidratos são convertidos a piruvato que, posteriormente, segue as rotas metabólicas para formação de AGCC. As reações envolvidas na formação de acetato e butirato são interrelacionadas e interconectivas, se dando a partir da acetil CoA. A formação do propionato possui duas vias de reação, na primeira há formação de oxaloacetato e succinato, e a segunda envolve a formação de acrilato (PEDREIRA & PRIMAVESI, 2006). Segundo VAN SOEST (1994) para a síntese de acetato (reação 1), propionato (reação 2 e 3) e butirato (reação 4) tem-se as seguintes reações: Acetato: Piruvato C 2 H 4 O 2 + CO 2 + 4H (1) Propionato: Piruvato + CO 2 fumarato + 2H C 3 H 6 O 2 + CO 2 (via succinato, 2) Piruvato lactato + H 2 O acrilato + 2H C 3 H 6 O 2 (via acrilato, 3) Butirato: Piruvato C 4 H 8 O 2 + CO 2 +2H (4)

8 4 Analisando estas reações observa-se que como resultado da produção dos AGCC (exceto o propionato) ocorre produção de hidrogênio em excesso, que precisa ser removido do rúmen para o processo de fermentação e crescimento microbiano continuar de forma eficiente (IMMIG, 1996). Isso porque se o H 2 não fosse drenado, ele iria se acumular, impedindo a reoxidação do NADH. Portanto, quanto mais H 2 é retirado do meio, maior proporção do NADH é convertida a H 2 e maior é o rendimento de acetato e de ATP por mol de açúcar fermentado (KOZLOSKI, 2009). Em geral, o hidrogênio é removido através da atividade das bactérias metanogênicas, que reduzem o dióxido de carbono e hidrogênio a metano e água (Reação 5) (BEAUCHEMIN et al., 2008). CO 2 + 8H CH 4 + 2H 2 O (5) O metano resultante da metanogêneses representa uma perda de energia da dieta para o animal. Segundo KOZLOSKI (2009), estequiometricamente essa perda pode representar até 18% da energia bruta. Para VALADARES FILHO & PINA (2006) essa perda pode variar de 6 a 8% da energia bruta da dieta. BERNDT (2010) compilou uma série de dados resultantes de experimentos nacionais, e observou perdas de energia variando de 3,5% a 11,8%, constatando uma produção média de 51,5 kg de CH4/animal/ano (Tabela 2). TABELA 1: Resultados de emissão de metano obtidos por trabalhos realizados no Brasil Peso Ganho de Fator de Perda de vivo Peso emissão energia Tratamentos Kg Kg/d Kg de CH4/ano % CEB 318 0,340 33,0 5,0 B. brizantha inverno 333 0,410 34,0 6,3 B. brizantha primavera 411 0,540 59,0 9,1 B. brizantha verão 438 0,410 63,0 6,6 B. brizantha outono Médias 375 0,425 47,3 6,8 Fontes: Demachi et al. (2003a e b) Continua...

9 5 Continuação ,270 0,270 7,3 100% silagem sorgo 459 0,330 0,330 6,2 70% sil. sorgo + 30% concentrado 456 0,310 0,310 5,4 40% sil. sorgo + 60% concentrado Médias 461 0,303 50,7 6,3 Fontes: Berchielli et al. (2003) e Pedreira (2004) 216 0,220 18,0 4,0 silagem sorgo + 1,2% ureia 214 0,320 25,0 3,5 silagem sorgo + 60% conc Médias 215 0,270 21,5 3,8 Fontes: Oliveira (2005 e 2007) 402 0,330 49,0 6,2 feno braquiária 15d 402 0,330 49,0 7,4 feno braquiária 45d 402 0,340 50,0 9,0 feno braquiária 90d Médias 402 0,333 49,3 7,5 Fontes: Nascimento (2007a e b) 800 0,170 51,0 5, ,160 48,0 5, ,200 57,0 6, ,160 46,0 5,1 Médias 800 0,180 51,5 5,7 fenos (80% coast-cross + 20% leucena) fenos (50% coast-cross + 50% leucena) fenos (80% coast-cross + 20% leucena) + levedura fenos (50% coast-cross + 50% leucena) + levedura Fontes: Possenti (2006) e Possenti et al. (2008) 338 0,820 82,5 10,0 B. brizantha + suplemento diário 338 0,610 92,5 9,5 B. brizantha + suplemento dias úteis 338 0,580 92,2 11,8 B. brizantha + suplemento dias alternados Médias 338 0,670 89,0 10,4 Fontes: Canesin et al. (2007 e 2009) Média Geral 51,5 Fonte: Berndt (2010) PRIMAVESI et al. (2004) trabalharam com três categorias de bovinos leiteiros (vacas em lactação, vacas secas e novilhas) de dois genótipos diferentes (holandês e mestiças) mantidas em pastagens tropicais brasileiras, avaliando uma serie de variáveis (Tabela 3). Os resultados demonstram maior produção de metano para vacas em lactação, provavelmente pela maior ingestão de matéria

10 6 seca digestível (MSDI). Entre as raças eles observaram diferenças apenas nas vacas em lactação, onde verificaram maior emissão de pelas vacas mestiças (g/kg de MSDI). TABELA 2: Emissão de metano por gado leiteiro de duas raças e diferentes categorias em pastagens adubadas e nao adubadas, no verão de 2002 (1). Unidade Vacas em lactação (pastagem adubada) Vacas secas (pastagem adubada) Novilhas (pastagem adubada) Novilhas (pastagem sem adubo) Holandesa Preto e Branco g/h 16,8aA 11,6bA 9,3bA 8,3bA g/d 403aA 278bA 222bA 198bA kg/ano (potencial) 147aA 101bA 81bA 72bA g/kg de MSDI 42aB 46aA 45aA 58aA g/d/kg de PV 0,71aA 0,46bA 0,45bA 0,43bA g/d/l de leite 18, % da EB 8,3aA 7,6aA 7,5aA 7,2aA % da ED 12,7aB 14,0aA 13,7aA 17,7aA Mestiça Leiteira Brasileira g/h 13,8aA 12,3abA 9,5bcA 7,6cA g/d 331aA 295abA 227bcA 181cA kg/ano (potencial) 121aA 107abA 83bcA 66cA g/kg de MSDI 69aA 56aA 58aA 62aA g/d/kg de PV 0,79aA 0,62aA 0,62aA 0,48aA g/d/l de leite 25, % da EB 10,6aA 9,1aA 9,6aA 7,8aA % da ED 20,9aA 16,8aA 17,7aA 18,6aA (1) Médias de 40 medições em quatro repetições, na mesma linha, seguidas de letras minúsculas iguais não diferem entre si a 5% de probabilidade (Tukey); médias seguidas por letras maiúsculas diferentes indicam diferenças entre raças dentro da mesma categoria animal (Teste F, P<0,05). (2) MSDI: matéria seca digestiva ingerida; PV: peso vivo; EB: energia bruta, calculada sobre matéria orgânica ingerida; ED: energia digestiva, considerando digestibilidade de matéria orgânica ingerida. Fonte: PRIMAVESI et al. (2004) Segundo PRIMAVESI et al. (2004), outro dado interessante da publicação é que as novilhas em pastagem sem adição de insumos, que poderiam ser consideradas como padrão na quantidade de metano produzida por animais leiteiros do Brasil, apresentaram emissão potencial de 66 a 72 kg de

11 7 CH 4 /animal/ano, valores superiores aos estimados em regiões tropicais da África, Ásia, assim como no próprio Brasil. Segundo as estimativas de LIMA et al. (2006) a produção de metano por vacas em lactação brasileiras está em torno de 61 kg/animal/ano, um valor abaixo do mínimo encontrado, isso levando em consideração que são de categorias distintas. Se for considerado o método Tier 1, para o rebanho brasileiro essa estimativa se tornaria mais próxima da realidade das novilhas, pois assume-se que as vacas em lactação possuem uma excreção de metano de 72 kg/cab/ano. Contudo, o uso deste método não é recomendado para vacas leiteiras, pois é questionável se essa produção de metano é representativa da realidade brasileira. Isso porque os fatores de emissão determinados pelo método não são baseados em dados específicos de cada país, eles podem gerar resultados altamente incertos, que podem variar em até 50% (IPCC, 2006) Metodologias de estimativa da produção de metano em vacas leiteiras segundo o IPCC (2006, seção 10.3) Tier 1: Abordagem nível 1 para as emissões de metano pela fermentação entérica: Este método é simplista de modo que somente os dados da população animal são necessários para estimar as emissões, pois são utilizados fatores de emissão padrão apresentados para cada um dos subgrupos da população recomendada. Esses fatores de emissão padrão foram retirados de estudos anteriores, e são organizados por região para facilitar o uso. Para cálculo desse fator são utilizados os dados de peso corporal médio, o método de alimentação, a produção de leite, a percentagem (%) de animais prenhez, a digestibilidade da dieta, e a perda de energia via metano. No caso de vacas leiteiras da América Latina considera-se o peso médio do rebanho de 400 kg, alimentadas pelo pastejo, com uma produção de 2,2 kg de leite/dia, com 80% de prenhez, ingerido uma dieta com 60% de digestibilidade e uma perda de 6,5% da energia da dieta na forma de metano, chegando-se ao fator de emissão de 72 kg de CH4/cab/ano.

12 8 Esse método é utilizado quando não há dados do rebanho de um determinado local, sendo usado para a realização de um inventário inicial, pois seu uso continuo significa que nenhum subsídio foi implementado para mudar a produtividade dos animais. Portanto, deve-se ressaltar que esse método não é recomendado para vacas leiteiras devido a geração de resultados altamente incertos Tier 2: Abordagem nível 2 para as emissões de metano pela fermentação entérica: Quando o método Tier 2 é usado, os fatores de emissão são estimados para cada categoria animal, sendo baseados na estimativa do consumo de energia bruta (CEB) e na perda de energia via metano (Ym). Os dados de CEB devem ser obtidos mediante o inventário de cada local, de acordo com a descrição da seção 10.2 do IPCC (2006). A perda de energia via metano pode ser obtida através de pesquisas específicas de cada país ou pela utilização de valores tabelados. Para vacas leiteiras utiliza-se valores de 6,5±1%, variando de acordo com a qualidade da dieta ingerida pelos animais. Desse modo, para vacas consumindo alimentos de baixa qualidade nutricional utiliza-se o limite superior, e no caso de alimentos de boa qualidade utiliza-se o limite inferior. A partir da obtenção dos dados necessários, calcula-se o fator de emissão de metano pela fórmula: em que, FE = fator de emissão de metano, kg de CH4/cabeça/ano; CEB = consumo de energia bruta, MJ/cabeça/ano; Ym = fator de conversão de metano, %; 365 = total de dias do ano; e

13 9 55,65 = energia contida no metano, MJ/kg de CH4. Devido a importância da perda de energia via metano na obtenção das emissões, uma investigação mais aprofundada pode ser adotada para avaliar influência da alimentação e do animal nessa variável. Tais influências são importantes para compreender melhor os mecanismos envolvidos na metanogênese com vista a elaboração de estratégias de redução de emissões, bem como para identificar diferentes valores para as perdas de acordo com as práticas de produção animal. A incerteza gerada por esse método dependerá da exatidão da caracterização do rebanho e também da precisão da definição dos coeficientes que compõem a abordagem de energia correspondente a circunstância nacional. Estimativas da produção de metano por esse método têm susceptibilidades de 20% de erros Potencial para refinamento do método Tier 2 ou desenvolvimento do método Tier 3 na estimativa da emissão do metano O IPCC incentiva a melhoria das metodologias utilizadas em cada país visando a maior acurácia do inventário, buscando a identificação das causas de variação nas emissões. Existe uma margem considerável para a melhoria do Tier 2, tanto na previsão do consumo de ração como na estimativa de perda de energia. Os fatores que potencialmente podem impactar na necessidade de alimentação e/ou consumo são: raça ou genótipo; temperatura; digestibilidade e consumo. Da mesma forma, fatores que podem afetar a estimativa das perdas de energia via metano que podem ser incluídos na metodologia Tier 2, são: efeitos da digestibilidade; composição química da dieta; cinética de digestão e taxa de passagem de partículas; e variação da população microbiana no trato digestivo. O método Tier 3 consiste em propor uma maneira alternativa de estimar a produção de metano, de modo que a metodologia deve ser embasada e comprovada cientificamente. Sendo o foco principal desse método incluir estratégias de mitigação do metano entérico que possam ser extrapoladas para condições de não pesquisa. Embora esse método Tier 3 tenha potencial para

14 10 melhorar a precisão das estimativas de emissão, um corpo substancial de dados científicos são necessários para desenvolver uma metodologia viável. Teoricamente esse método deve resultar em um menor grau de incerteza Predição do metano entérico visando a utilização do método Tier 3 em estimativas para vacas leiteiras Tem havido muitas tentativas de refinar as estimativas de perda de energia via metano. Vários pesquisadores têm desenvolvido modelos que relacionam a composição química da dieta consumida, ou mais detalhadamente, a composição de carboidratos digeridos e outros componentes químicos com essa perda de energia. Estes modelos normalmente buscam prever a taxa de passagem e a digestão das partículas em cada componente dos pré estômagos, em diferentes níveis de ingestão, avaliando os rendimentos de hidrogênio, AGCC, proteína microbiana e CH 4. Essas abordagens têm gerado valores de perdas de energia que são consistentes com as medições diretas utilizando as técnicas de câmara respiratória e gás traçador hexafluoreto de enxofre (IPCC, 2006) Fatores que afetam a produção de metano Fatores que podem ser identificados como influentes na produção de metano incluem as características alimentares, as condições de fermentação ruminal, e as características do animal, bem como do seu manejo. As características alimentares como o consumo de matéria seca, proporção de concentrados na matéria seca, composição químico-bromatológicas do alimento, e a taxa e extensão de degradação das frações do alimento consumido são de grande importância. Entre as condições de fermentação são importantes o ph do liquido ruminal, a presença de ácidos graxos de cadeia longa, a composição da população microbiana, a dinâmica de passagem de partículas, fluidos e microrganismos, o fluxo de saliva, e a capacidade de absorção da parede do rúmen. Dentre as características do animal e do manejo, são importantes o nível

15 11 de produção; o peso corporal; a condição fisiológica; o regime de alimentação; e o alojamento (JOHNSON & JOHNSON, 1995). O rendimento de metano pode, assim, estar relacionado a muitos fatores e categorias animais. No entanto, esses fatores são muitas vezes interrelacionados e, por isso, seus efeitos são difíceis de serem quantificados. Isso complica o uso de tais fatores para predizer o curso da fermentação no rúmen, a extensão da digestão da matéria orgânica e a resposta produtiva dos ruminantes. Devido a isso, a contribuição de um componente único do alimento não é necessariamente constante, mas pode variar de acordo com a mudança da característica da dieta e as condições de fermentação ruminal (TAMMINGA et al., 2007). Alterar o nível de consumo de ração, as características dietéticas ou as condições da fermentação ruminal afetam o grau de degradação do substrato pelos microrganismos e a sua eficiência de multiplicação. Como conseqüência ocorrem mudanças na quantidade de matéria microbiana, bem como, de substrato alimentar não degradado que flui do rúmen para o intestino delgado. Isso reflete também no rendimento de AGCC e metano, contudo esse efeito pode ser difícil de prever e interpretar (DIJKSTRA et al., 1998). Alguns dos principais fatores que afetam a função ruminal e a produção de metano serão discutidos a seguir Consumo de matéria seca De maneira geral quanto maior o consumo de matéria seca maior a produção de metano, porém observa-se que quanto maior o consumo menor a produção de CH 4 em gramas de metano por kg de MS ingerida. Isso é explicado pelo aumento da passagem de alimento não digerido do rúmen para o intestino delgado (JOHNSON & JOHNSON, 1995). Fato comprovado pelo trabalho de Kurihara et al. (1999), citado por BRENDT (2010), onde observaram que o maior consumo acarretou maiores produções diárias de metano (g/dia), porem ao avaliar a produção em gramas de metano por kg de matéria orgânica digestível (g/kg de MOD), constataram os seguintes valores: 75,4, 64,6 e 32,1 g de CH4/Kg

16 12 de MOD, para feno de baixa qualidade, alta qualidade e dieta a base de grãos, respectivamente Características intrínsecas da degradação A degradação microbiana dos substratos no rúmen depende principalmente de características intrínsecas que determinam a susceptibilidade do substrato a ser colonizado, degradado e utilizado pelos microrganismos. Essas características diferem entre os tipos de substratos e entre os tipos de alimentos que são usados como componentes da dieta. Obviamente, características intrínsecas são determinantes importantes da degradação do substrato e da utilização pelos microrganismos para produção de AGCC e metano. A taxa de passagem do substrato juntamente com sua característica intrínseca de degradação determina a fração de um substrato que torna-se degradada no rúmen ou escapa para o intestino delgado. Em dietas de vacas de alta produção, muitas vezes são selecionados alimentos para aumentar a quantidade de amido e proteína que escapam para o intestino delgado, contribuindo assim para o suprimento de nutrientes para os animais sem gerar AGCC e CH 4. Dessa forma uma maior taxa de passagem, devido a alto consumo de matéria seca, juntamente com a utilização de um alimento menos degradável no rúmen pode diminuir a perda de energia via metano (TAMMINGA et al., 2007) Tipo de carboidrato da dieta O tipo de carboidrato fermentado influencia a produção de metano, provavelmente através de impactos na população microbiana e no ph ruminal. A fermentação da fibra produz uma maior relação de ácido acético:propiônico, o que irá gerar perdas via metano mais elevadas. Dados oriundos de bovinos de corte corroboram com a idéia de que a digestão da fibra leva a uma maior perda de metano, mas sugere que carboidratos não fibroso devem ser melhor divididos

17 13 para observar quais deles geram menores perdas de energia (MOE & TYRRELL, 1979). Além disso, quando uma quantidade maior de qualquer fração de carboidratos é fermentada por dia, seja fibra ou amido, a produção de metano é diminuída. Esta observação foi confirmada por medições diretas da produção de metano em bovinos alimentados com polpa de beterraba, uma fonte de fibra de alta digestibilidade. O consumo elevado de polpa de beterraba diminuiu de 4 a 5% as perdas de energia bruta via metano (KUJAWA, 1995). Fato observado também com o resíduo de cervejaria e destilaria que contém fibra relativamente disponível e resulta em uma produção de metano surpreendentemente baixo, geralmente entre metade e um terço do que é constatado com alimentos de digestibilidade comparável (WAINMAN et al., 1988) Processamento da forragem A moagem ou peletização da forragem podem diminuir a produção de metano em até 40%. Esse fato provavelmente está ligado a redução da fibra efetiva da dieta, que leva ao abaixamento do ph do líquido ruminal para valores inferiores a 6,2. Esses valores parecem reduzir a atividade de microrganismos celulolíticos, que produzem principalmente acetato (JOHNSON & JOHNSON, 1995) Concentração de lipídios da dieta Adições de gordura na dieta de ruminantes impactuam na perda de metano por diversos mecanismos, incluindo a biohidrogenação de ácidos graxos insaturados, a produção de ácido propiônico reforçada e a inibição de protozoários. CZERKAWSKI et al. (1966) demonstrou que a adição de ácidos graxos poliinsaturados de cadeia longa diminuiu metanogênese, fornecendo um aceptor de hidrogênio metabólico alternativo a redução de CO 2 a CH 4. No entanto, a quantidade de hidrogênio metabólico utilizado no processo de biohidrogenação

18 14 ácidos graxos insaturados é pequena, aproximadamente 1%, em comparação com a produção de metano e síntese de células bacterianas. Portanto, para CZERKAWSKI (1986) a redução da produção de metano é atribuída a diminuição de substrato fermentável em vez de um efeito direto na metanogêneses Escolha do método de predição do metano entérico para vacas leiteiras O uso da modelagem é uma ferramenta de alta eficiência e baixo custo. Os modelos são representações da realidade e que podem ser utilizados como ferramenta para melhor compreender e aperfeiçoar o desempenho e a veracidade dos sistemas. A simulação através de modelos pode ser usada para verificar as áreas da ciência onde o conhecimento é escasso ou inexistente. De modo que, a simulação é a execução do modelo, representada por um programa computacional, que dá informação sobre o sistema que esta sendo investigado, constituindo-se assim em um método de pesquisa flexível (LOVATTO & SOUVANT, 2001). De acordo com CAMPOS (2004), os modelos matemáticos podem ser classificados como modelos lineares ou não lineares de acordo com o tipo de equações que eles constituem, sendo as respostas predominantes em sistemas agropecuários de comportamento não linear. Também podem ser classificados em empíricos ou em mecanísticos, segundo o grau de explicação dos fenômenos que eles descrevem ou estimam. Igualmente os modelos matemáticos podem ser classificados como estáticos ou dinâmicos de acordo com seu comportamento em relação ao tempo. Segundo BENCHAAR et al. (1998) o avanço atual da nutrição de ruminantes é devido em grande parte aos estudos feitos sobre modelos biodinâmicos do ambiente ruminal. O conhecimento de taxas de fermentação, taxas de passagem, liberação de amônia, metano, dióxido de carbono e gases foi produto da pesquisa feita com modelos matemáticos de simulação. Exemplos como o NRC (National Research Council) e CNCPS (Cornell Net Carbohydrate Protein System) demonstram a importância da modelagem na produção animal.

19 15 Vários modelos que predizem a emissão de metano entérico de ruminantes têm sido publicados. Eles variam em complexidade e nível de agregação indo desde um simples modelo estático empírico até um complicado modelo dinâmico mecanístico. Em geral, os modelos mais simples são menos adequados para avaliar os efeitos de novas medidas (não testadas nos estudos subjacentes aos dados originais), de novos fatores (ainda não incluídos na lista de variáveis explicativas incluídas no modelo), ou de interações entre diversas variáveis já incluídas no modelo (TAMMINGA et al., 2007). Há mais de uma década, JOHNSON & JOHNSON (1995) concluíram que de simples equações empíricas com base nas características de alimentação não se pode esperar uma previsão precisa da produção de metano sob diversas condições. Para ser capaz de fazer isso, o modelo deve representar os mecanismos em níveis mais baixos de organização. Modelos mais detalhados da função ruminal representam os efeitos da degradação intrínseca e características de passagem. Até o momento, apenas modelos mecanísticos são capazes de representar eficazmente a degradação do substrato em função das concentrações de substrato, bem como das classes atuantes de microrganismos co-existentes no rúmen. Tal abordagem leva em conta as interações entre os alimentos, incluindo o efeito de carboidratos rapidamente degradáveis sobre a degradação da fibra, ou o efeito de limitar quantidades de nitrogênio sobre a degradação do substrato (DIJKSTRA et al., 1992). Segundo TAMMINGA et al. (2007), a quantificação do perfil de produção de ácidos graxos de cadeia curta é um elemento essencial de qualquer modelo mecanístico que tenha com objetivo quantificar a produção de metano. Como explicado anteriormente a produção de AGCC é quem determina a produção de metano. Esse fato constitui o principal problema dos modelos empíricos, que não incluem variações no perfil de AGCC como resultado da variação de fatores importantes, como por exemplo, o ph ruminal. VAN LAAR & STRAALEN (2004) afirmaram que não se pode decidir com antecedência que a adoção de uma abordagem mecanicista para prever a produção de metano é melhor do que uma abordagem empírica. No entanto, um modelo empírico só pode ser aplicado dentro do intervalo de dados utilizados em

20 16 seu desenvolvimento, como conseqüência, se tornam inadequados para avaliar novos alimentos ou estratégias de alimentação que não foram inseridos no seu banco de dados. Dentre os modelos dinâmicos mecanísticos dois são os mais estudados e citados, o modelo de BALDWIN et al. (1987) e o de DIJKSTRA et al. (1992). O modelo proposto por BALDWIN et al. (1987) foi desenvolvido para predizer a taxa e os parâmetros de absorção de nutrientes em vacas leiteiras. Esse modelo inclui 12 variáveis descrevendo partículas grandes e pequenas que representam os nutrientes insolúveis da dieta, e nutriente solúveis, intermediários e produtos finais da fermentação que representam os nutrientes solúveis da dieta. O modelo foi construído assumindo uma alimentação contínua, usando a cinética de Michaelis-Mentens ou a de ação de massa. Segundo BENCHAAR et al. (1998) este modelo foi recentemente refinado para simular o efeito da cinética de fluidos e do ph sobre os requisitos de manutenção microbiana, as proporções de AGCC, e as taxas de degradação de celulose e hemicelulose. Além disso, taxas de degradação diferentes de hemicelulose e celulose foram desenvolvidas para dietas compostas de silagem, leguminosas e gramíneas. Nesse modelo, a produção de metano ruminal é predita com base no equilíbrio de hidrogênio. Pressupõe-se que uma parte do hidrogênio resultante da fermentação de carboidratos e proteínas é usada para síntese de células microbianas e biohidrogenação dos ácidos graxos insaturados da dieta. Considera-se que o restante do hidrogênio está disponível para a redução do dióxido de carbono a metano. Com isso a quantidade de hidrogênio produzido ou utilizado durante a formação da AGCC é calculada de acordo com a estequiometria da fermentação ruminal (CZERKAWSKI, 1986). Enquanto que a quantidade de hidrogênio necessário para a biossíntese de componentes da célula microbiana é calculada com base em equações bioquímicas. E a quantidade de hidrogênio utilizado para a saturação de lipídios dietéticos é calculada supondo que hidrólise de lipídios libera 1 mol de glicerol e 1,8 mols de ácidos graxos de cadeia longa por mol de lipídio (BENCHAAR et al., 1998). Na versão atualizada do modelo de BALDWIN et al. (1987), as etapas do cálculo da produção de metano ruminal são as seguintes:

21 17 1ª: Cálculo da quantidade de hidrogênio resultante da fermentação de carboidratos AGCC (Hy Hex ): Hy Hex (mol/d) = (Ac Hex x 2) - (Pr Hex x 1) + (Bu Hex x 2) - (Vl Hex x 1) Onde, Ac Hex, Pr Hex, Bu Hex, Vl Hex são os montantes de acetato, propionato, butirato e valerato, em mol/d, produzidos a partir de fermentação de carboidratos, respectivamente. 2ª: Cálculo da quantidade de hidrogênio resultante da fermentação de aminoácidos (Hy AA ): Hy AA (mol/d) = (Ac AA x 2) - (Pr AA x 1) + (Bu AA x 2) + (Vl AA x 1) Onde, Ac AA, Pr AA, Bu AA e Vl AA são os montantes de acetato, propionato, butirato e valerato, em mol/d, produzidos a partir de fermentação de aminoácidos, respectivamente. 3ª: O cálculo da quantidade de hidrogênio utilizado para a biossíntese de componentes da célula microbiana (Hy MiGr ): Hy MiGr (mol/d) = (MiGr1 X -0,42) + (MiGr2 x 2,71) Onde, MiGr1 e MiGr2 são os montantes de microrganismos, em kg/d, crescendo com e sem aminoácidos pré-moldados, respectivamente. Os coeficientes de 0,42 e 2,71 são moles de hidrogênio/kg de micróbios. 4ª: Cálculo da quantidade de hidrogênio usado para biohidrogenação de ácidos graxos insaturados (H FA ): H FA (mol/d) = 1,8 x lipídios ing x Hy SaFA Onde, Lipídios ing é a quantidade de lipídios ingerida (mol / d), o coeficiente de 1,8 é moles de ácidos graxos de cadeia longa/mol de lipídio, e Hy SaFA representa moles de hidrogênio utilizado para saturação de 1 mol de ácidos graxos insaturados.

22 18 5ª: Cálculo do balanço de hidrogênio no rúmen (Hy rumen ): Hy rumen (mol/dia) = Hy Hex + Hy AA - Hy MiGr - H FA 6ª: O cálculo da produção de metano ruminal: CH 4rumen (mol/d) = Hy rúmen /4 Onde, 4 é o número de moles de hidrogênio utilizado para a produção de 1 mol de CH 4. 7ª: Cálculo da produção de metano (Mcal/d): CH 4rumen (Mcal/d) = CH 4rumen (mol/d) x 0,211 Onde, 0,211 é o calor de combustão do metano em megacalorias/mol. A abordagem do modelo de DIJKSTRA et al. (1992) é dinâmica e mecanicista, visando simular a digestão, absorção e saídas de nutrientes do rúmen. O modelo consiste em 17 variáveis, onde as equações de fluxo são descritas pela cinética de Michaelis - Mentens ou de ação de massa. Em relação aos modelos anteriores, este modelo inclui várias melhorias em alguns aspectos específicos do metabolismo do rúmen, em particular a representação da atividade metabólica microbiana, e absorção de AGCC e amônia ph-dependente. Originalmente, esse modelo não prevê a produção de metano ruminal. Portanto, os conceitos e as equações usadas para prever o metano são oriundas da versão atualizada do modelo de BALDWIN et al. (1987). De acordo com TAMMINGA et al. (2007) os modelos mecanísticos utilizam como valores de entrada o consumo de matéria seca, a composição química da dieta, a solubilidade da proteína e do amido, a degradabilidade e a taxa de degradação dos componentes do alimento (apenas no modelo de DIJKSTRA et al., 1992), a taxa de passagem ruminal, o volume do rúmen e o ph ruminal (valor médio para modelos e o valor mínimo para o modelo de DIJKSTRA et al., 1992).

23 19 Em sua revisão TAMMINGA et al. (2007) concluíram que o modelo de DIJKSTRA et al. (1992) é superior aos outros modelos dinâmicos mecanísticos, sendo este considerado um instrumento útil para predizer e estudar a eficácia das medidas nutricionais para mitigar a produção de metano. Fato comprovado no trabalho de BENCHAAR et al. (1998), onde não observaram diferenças nas estimativas da produção de metano pelos dois modelos dinâmicos mecanísticos em comparação a mensurações in vivo. Mas constataram maior erro na predição do modelo de BALDWIN et al. (1987), que superestimou a produção de metano em 0,93 Mcal de CH 4 /dia, enquanto que o modelo de DIJKSTRA et al. (1992) subestimou em 0,30 Mcal/dia a produção de metano. Por isso, segundo TAMMINGA et al. (2007), esse modelo foi adotado pelos Países Baixos na elaboração do inventario de emissões de gases do efeito estufa.

24 20 3. CONSIDERAÇÕES FINAIS Com o exposto na presente revisão observa-se que a utilização de somente uma categoria de bovinos leiteiros nos inventários de produção de metano entérico pode se traduzir em uma superestimativa, pois se têm diferenças significativas entre a excreção de metano de animais lactantes e não lactantes, por isso propõe-se a divisão do rebanho leiteiro em pelo menos estas duas categorias. Outra constatação é que para a realização de um inventário nacional de emissão de metano entérico de vacas leiteiras deve-se utilizar no mínimo a metodologia Tier 2 refinada do IPCC (2006), isso para garantir uma maior fidedignidade entre a produção real e a estimativa. De uma maneira geral, a produção de metano entérico é função das características intrínsecas do animal, bem como, do alimento consumido por ele. Com isso se têm uma ampla gama de variáveis que influenciam na excreção de metano, fato que impede a utilização de modelos matemáticos empíricos para fazer estimativas em um cenário de campo. Sendo assim, recomenda-se a utilização dos modelos dinâmicos mecanísticos apresentados. No entanto, para sua utilização deve-se dispor de dados do animal, do consumo de matéria seca, da composição da dieta, da solubilidade da proteína e amido, da taxa de passagem ruminal, do volume do rúmen e do ph ruminal.

25 21 4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BALDWIN, R.L.; THORNLEY, J.H.M.; BEEVER, D.E. Metabolism of the lactating cow. II. Digestive elements of a mechanistic model. Journal of Dairy Research. v. 54, p , BEAUCHEMIN, K. A.; KREUZER, M.; O MARA, F.; MCALLISTER, T. A. Nutritional management for enteric methane abatement: A review. Australian Journal of Experimental Agriculture. v.48, p , BENCHAAR, C.; RIVEST, J.; POMAR, C.; CHIQUETTE, J. Prediction of methane production from dairy cows using existing mechanistic models and regression equations. Journal Animal Science. v. 76, p , BERNDT, A. Impacto da pecuária de corte brasileira sobre os gases do efeito estufa. In: SIMPÓSIO DE PRODUÇÃO DE GADO DE CORTE, 7, 2010, Viçosa. Anais... Viçosa: SIMCORTE, Disponível em: per&itemid=58. Acesso em: 4 de outubro de CAMPOS, R. Metabolismo nos ruminantes, uma abordagem através da modelagem aplicada f. Seminário apresentado na disciplina de Transtornos Metabólicos dos Animais Domésticos Ciências Veterinárias, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Disponível em: Acesso em: 26 de outubro de CONEJERO, M. A. Marketing de créditos de carbono: Um estudo exploratório f. Dissertação (Mestrado em Administração de Organizações) Administração e Contabilidade, Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto. 7. CZERKAWSKI, J.W An Introduction to Rumen Studies. Oxford, Pergamon Press, 236p. 8. CZERKAWSKI, J. W.; BLAXTER, K. L.; WAINMAN, F. W. The metabolism of oleic, linoleic, and linolenic acids by sheep with reference to their effects on methane production. British Journal Nutrition. v. 20, p. 349, DIJKSTRA, J.; NEAL, H. D. S. C.; BEEVER, D. E.; FRANCE, J. Simulation of nutrient digestion, absorption and outflow in the rumen: model description. Journal of Nutrition. v. 122, p , DIJKSTRA, J.; FRANCE, J.; DAVIES, D. R. Different mathematical approaches to estimating microbial protein supply in ruminants. Journal Dairy Science. v. 81, p , 1998.

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