Impact of Manure Management on Nitrogen Balance, Gaseous Emissions and Microbiota in Dairy Cattle Housing Systems

Abstract

Dos sistemes d'allotjament de boví lleter predominen al nord-est espanyol. El primer es basa en una àrea de repòs composta per cubicles individuals, sent els fems produïts als passadissos retirat diverses vegades al dia fins a una fossa d'emmagatzematge. El segon, conegut com a llit compostant, realitza un compostatge in situ dels fems generats a l'estable per utilitzar-lo com a llit per als animals. El maneig diferent dels fems podria portar a diferències en les emissions de gasos contaminants. Per això, en aquesta tesi es van plantejar tres assaigs en què es van estudiar les pèrdues de Nitrogen (N) i la composició microbiana en els fems dels dos sistemes, i la caracterització de les emissions dels gasos contaminants Amoníac (NH3) i Metà (CH4) procedents del llit compostant. En primer lloc, es va realitzar un balanç de N en tres granges amb sistema de cubicles i tres de llit compostant. Es va analitzar el N ingerit, l'excretat a la llet (vaques en lactació) o retingut al fetus (vaques seques) i el romanent als fems un cop aquest ha estat gestionat. Es van realitzar mostrejos durant dos períodes, comprenent mesos d’increment o disminució de temperatura, respectivament. A partir dels dos períodes, es va elaborar un balanç anual de N a cada sistema. El procés de compostatge va ocasionar grans pèrdues de N en comparació amb el de cubicles, resultant un fem amb menor quantitat de N. En segon lloc, es van mesurar les emissions gasoses de NH3 i CH4 produïdes al llit del sistema de llit compostant diferenciant dos moments: quan el llit és compostat, i quan roman en repòs. Aquestes emissions es van mesurar durant els períodes d’estiu i hivern. Es va poder apreciar un augment rellevant de les emissions dels dos gasos durant el període de compostatge, a més de veure's també incrementades durant l'estiu. Finalment, a partir de la seqüenciació de mostres procedents de la fossa del sistema de cubicles i del llit compostant, es va poder apreciar diferenciacions microbianes entre sistemes, amb comunitats més diverses als fems compostats. Els fems emmagatzemats en fossa va presentar no obstant una microbiota amb interaccions més complexes i menys alterades pels canvis de temperatura ambiental, a més d'una major abundància d'arquees metanogèniques.

Dos sistemas de alojamiento de vacuno lechero predominan en el noreste español. El primero de ellos se basa en un área de reposo compuesta por cubículos individuales, siendo el estiércol producido en los pasillos retirado varias veces al día hasta una fosa de almacenamiento. El segundo, conocido como cama compostante, realiza un compostaje in situ del estiércol generado en el establo para utilizarlo como lecho para los animales. El manejo diferente del estiércol podría llevar a diferencias en las emisiones de gases contaminantes. Por ello, en la presente tesis se plantearon tres ensayos en los que se estudiaron las pérdidas de N y la composición microbiana en el estiércol de ambos sistemas, y la caracterización de las emisiones de los gases contaminantes Amoniaco (NH3) y Metano (CH4) procedentes del lecho compostante. En primer lugar, se realizó un balance de Nitrógeno (N) en tres granjas con sistema de cubículos y tres de cama compostante. Se analizó el N ingerido, el excretado en la leche (vacas en lactación) o retenido en el feto (vacas secas) y el remanente en el estiércol una vez este ha sido gestionado. Se realizaron muestreos durante dos periodos, comprendiendo meses de incremento o disminución de temperatura, respectivamente. A partir de ambos periodos, se elaboró un balance anual de N en cada sistema. El proceso de compostaje ocasionó grandes pérdidas de N en comparación con el de cubículos, resultando un estiércol con menor cantidad de N. En segundo lugar, se midieron las emisiones gaseosas de NH3 y CH4 producidas en el lecho del sistema de cama compostante diferenciando dos momentos: cuando el lecho es compostado, y cuando permanece en reposo. Estas emisiones se midieron durante los periodos de verano e invierno. Se pudo apreciar un aumento relevante de las emisiones de ambos gases durante el periodo de compostaje, además de verse también incrementadas durante verano. Por último, a partir de la secuenciación de muestras procedentes de la fosa del sistema de cubículos y del lecho compostante, se pudo apreciar diferenciaciones microbianas entre sistemas, con comunidades más diversas en el estiércol compostado. El estiércol almacenado en fosa presentó sin embargo una microbiota con interacciones más complejas y menos alteradas por los cambios de temperatura ambiental, además de una mayor abundancia de arqueas metanogénicas.

Two dairy cattle housing systems prevail in northeastern Spain. The first one is characterized by a resting area composed by individual cubicles, with the manure produced in the aisles being removed several times a day onto a slurry pit storage. The second is known as compost-bedded pack, due to the tilling performed upon the manure generated in the barn, in order to use it as bedding for the animals. The different manure management procedures in each system could be leading to differences in emissions of pollutant gases. Therefore, in this thesis, three trials were conducted to study Nitrogen (N) losses and microbial composition in the manure of both housing systems, as well as the characterization of the pollutant gases emissions of Ammonia (NH3) and Methane (CH4) from the composted bed. First, an N balance was carried out on three farms with cubicle system and three farms with compost-bedded pack. N intake, excreted in milk (lactating cows) or retained in the fetus (dry cows) and the remainder in manure once it has been managed were measured. Sampling was conducted during two periods, comprising months with increasing or decreasing temperatures, respectively. From both periods, an annual assessment of N losses in each system was developed. The composting process caused relevant N losses from manure compared to the management performed in cubicle system, with a resulting lower quantity in stored manure. Secondly, the gaseous emissions of NH3 and CH4 produced from the composted bed were measured, differentiating between two moments: when the manure is being tilled and when it remains at rest. These emissions were measured during two climatically different periods, corresponding to summer and winter, respectively. A significant increase in the emissions of both gases during the tilling period was observed, in addition to a rise linked to summer temperatures. Finally, genomic sequencing was performed on samples taken from the slurry pit on cubicles system and from the composted manure in compost-bedded pack. Evident microbial differentiations between systems were observed, with more diverse communities found in the composted manure. The manure stored in the slurry pit, however, presented a microbiota with more complex interactions, being less affected by changes in environmental temperature, in addition to a higher abundance of methanogenic archaea.