Efectele directe ale producției de animale asupra emisiilor de gaze cu efect de seră: fermentația enterică, gestionarea gunoiului de grajd și consumul de energie

Conform estimărilor, producția de animale este o sursă semnificativă de emisii de gaze cu efect de seră, contribuind cu 14,5% în totalul emisiilor antropice, adică 8,1 gigatone de CO₂ echivalent pe an [1]. Echivalentul CO₂ (CO₂-eq) este o unitate de măsură pentru dioxidul de carbon, exprimată de obicei în tone metrice și este utilizată pentru a standardiza măsurarea tuturor gazelor cu efect de seră (GES) care contribuie la încălzirea globală. Aceste gaze rețin căldura în atmosfera Pământului, ceea ce duce la creșterea temperaturilor și la alte schimbări climatice.

Amprenta de carbon este utilizată pentru a măsura cantitatea de CO₂ și alte emisii de GES eliberate în atmosferă în timpul activităților umane (utilizarea energiei, transporturi, producția de alimente etc.). Ea oferă o modalitate de a cuantifica cantitatea totală de emisii de GES produse de o anumită activitate, produs sau persoană. Pentru a calcula amprenta de carbon, toate emisiile de GES sunt convertite în CO₂-eq pe baza potențialului lor de încălzire globală (GWP). GWP indică cantitatea de căldură pe care un gaz o reține în atmosferă în comparație cu CO₂ într-o anumită perioadă de timp (de obicei 100 de ani). Astfel, în funcție de sursă, metanul are o valoare GWP de 28-36 de ori mai mare decât cea a CO₂ pe o perioadă de 100 de ani, astfel încât emisia unei tone de metan este echivalentă cu emisia a 28-36 de tone de echivalent CO₂. Valoarea GWP a protoxidului de azot este de 265 de ori mai mare decât cea a CO₂ pe o perioadă de 100 de ani, astfel încât emisia unei tone de protoxid de azot este echivalentă cu emisia a 265 de tone de CO₂-eq. Prin utilizarea măsurii CO₂-eq, este posibil să se compare emisiile de diferite gaze cu efect de seră și să se monitorizeze progresul înregistrat în reducerea emisiilor totale de gaze cu efect de seră în timp.

Metanul (CH₄), protoxidul de azot (N₂O) și dioxidul de carbon (CO₂) sunt cele trei principale gaze cu efect de seră eliberate de animale. Dioxidul de carbon este eliberat în principal din arderea combustibililor fosili în mașinile electrice și din arderea biomasei prin descompunere microbiană. Emisiile de dioxid de carbon pot rezulta, de asemenea, din conversia terenurilor arabile în pășuni permanente (prin schimbarea utilizării terenurilor) sau din ajustări în gestionarea terenurilor agricole. Metanul este produs în timpul descompunerii materiei organice în condiții anaerobe (în timpul fermentației enterice a rumegătoarelor, al depozitării gunoiului de grajd sau al deșeurilor organice din industria de prelucrare). Oxizii de azot sunt eliberați în timpul transformării microbiene a azotului din sol sau din gunoiul de grajd.

Modelul FAO de evaluare globală a mediului în zootehnie (GLEAM) [2] a fost utilizat pentru a analiza abundența relativă a gazelor menționate, iar potențialul de încălzire pe 100 de ani al IPCC (2014) (298 pentru N₂O și 34 pentru CH₄) a fost utilizat pentru a converti nivelurile acestora în CO₂-eq.

Conform acestui model, metanul (CH₄), protoxidul de azot (N₂O) și dioxidul de carbon (CO₂) reprezintă 50%, 24% și, respectiv, 26% din emisiile din lanțul de aprovizionare cu produse de origine animală (Figura 1). Cu o participare de aproximativ 62% din emisiile totale ale tuturor tipurilor de animale, bovinele sunt principala sursă de GES. În același timp, bovinele de lapte și bovinele de carne produc cantități similare de emisii. Emisiile provenite de la alte specii (inclusiv porci, păsări de curte, bivolițe și rumegătoare mici) variază între 7 și 11% în mod individual. Figura 2 prezintă ponderea estimată a emisiilor în funcție de speciile de animale.

Valorile emisiilor de echivalent CO₂ în producția de bovine estimate cu ajutorul modelului GLEAM [2] sunt de 3,0 pentru carnea de vită și de 1,6 gigatone pentru lapte. Producția de carne de porc emite 0,82 gigatone de CO₂ -eq, carnea și ouăle de pui 0,79 gigatone de CO₂-eq, carnea și laptele de bivoliță 0,7 gigatone de CO₂-eq și 0,5 gigatone de CO₂-eq din producția de carne și lapte de rumegătoare mici. Alte păsări de curte și produse necomestibile reprezintă restul emisiilor.

Compararea emisiilor între diferitele tipuri de produse de origine animală pe baza producției de proteine este poate un mod mai relevant de a exprima aceste relații. În acest caz, carnea de bivoliță se caracterizează prin cea mai mare intensitate a emisiilor, cu o medie de 404 kg de CO₂-eq pe kg de proteină produsă. Pe locul al doilea se află producția de carne de vită, cu o medie de 295 kg CO₂ -eq pe kg de proteină. Aceasta este urmată de carnea și laptele de la rumegătoare mici și de laptele de bivoliță, cu emisii de 201, 148 și, respectiv, 140 kg CO₂ -eq pe kg de proteine. În acest calcul, grupul cu cea mai mică intensitate a emisiilor (mai puțin de 100 kg CO₂ -eq pe kg de proteine) include producția de lapte de vacă, carne și ouă de pasăre și carne de porc [2]. Este important de subliniat faptul că intensitatea estimată a emisiilor variază semnificativ în funcție de regiune, adică de condițiile agroecologice, de tehnologia de producție aplicată și de managementul general.

Emisiile directe sunt cele care rezultă din creșterea animalelor, inclusiv eliberarea de gaze nocive prin fermentație enterică și prin gunoi de grajd. Grupul de emisii directe poate include, de asemenea, emisiile care apar prin consumul de energie aferent. Emisiile indirecte provin, în principal, din producția de hrană pentru animale și din modificările aferente ale categoriilor de utilizare a terenurilor. Raportul dintre emisiile directe și indirecte nu a fost încă pe deplin clarificat, adică nu este încă posibil să se precizeze care dintre aceste două tipuri de emisii are ponderea cea mai mare [3, 4].

Fermentația enterică

În sistemul digestiv al rumegătoarelor (Figura 3) are loc procesul de fermentație enterică, care presupune descompunerea materiei organice, în principal de tip fibro-celulozic, sub influența microflorei prezente [5]. Acesta este, în esență, un proces unic și util care permite transformarea unor substanțe greu de degradat (celuloză, lignină) în substanțe cu valoare nutritivă care sunt utilizate în cele din urmă pentru alimentația umană. Cu toate acestea, în timpul fermentației enterice, are loc și formarea de gaz-metan nociv, pe care animalele îl eliberează în mediul înconjurător (prin expirație, eructație, defecare). În acest fel, rumegătoarele sunt grupul de animale domestice care contribuie cel mai mult la emisia de metan în atmosferă [6].

Metanul produs prin fermentație enterică reprezintă 39,1% din totalul emisiilor de GES (Figura 1) și are un potențial de încălzire a atmosferei de 28 de ori mai mare decât cel al CO₂ [7]. La nerumegătoare are loc, de asemenea, producția de metan, dar în cantități incomparabil mai mici. Cu toate acestea, cantitatea de metan produsă de rumegătoare nu este constantă, ci este influențată de diverși factori (Figura 4).

Consumul de furaje are cea mai mare influență asupra emisiei, și anume cantitatea de nutrienți consumată, precum și calitatea acestora. Astfel, odată cu creșterea digestibilității furajelor, sinteza metanului scade, iar productivitatea animalelor crește. Dacă animalele consumă mese mai abundente, acest lucru se reflectă în creșterea emisiilor de metan. În plus, starea de sănătate a animalelor și prezența aditivilor furajeri pot avea, de asemenea, un impact asupra emisiilor.

Se poate concluziona că specia de rumegătoare, sistemul de producție, precum și caracteristicile regionale influențează în mod sinergic viteza cu care energia alimentară va fi transformată în metan [1].

Având în vedere contribuția rumegătoarelor la emisiile de CH₄ și impactul negativ al metanogenezei asupra productivității, este necesar să se găsească modalități eficiente de reducere a acestui proces. Până în prezent, au fost definite mai multe strategii, în general legate de modularea regimului alimentar și a managementului, manipularea activității rumenului și strategii avansate la nivel molecular și biochimic. Acestea vor fi discutate în detaliu într-un capitol ulterior.

Managementul gunoiului de grajd

Intensificarea și specializarea continuă a producției de animale duce la o creștere a cantității de gunoi de grajd, care este o sursă de gaze cu efect de seră (GES), metan (CH₄) și protoxid de azot (N₂O). Se estimează că gunoiul de grajd este responsabil pentru aproape 10 % din totalul emisiilor de gaze cu efect de seră [2]. Emisiile nete ale acestor gaze rezultă dintr-o varietate de activități microbiene din gunoiul de grajd [9]. Bovinele și porcii reprezintă cea mai mare sursă de emisii de metan din gunoiul de grajd, după cum se arată în Figura 5 [4,10]. Spre deosebire de fermentația enterică, care eliberează în principal metan, gunoiul de grajd este, de asemenea, un substrat pentru eliberarea de oxizi de azot pe lângă metan.

Figura 1 arată că, contribuția medie a emisiilor de metan și de oxizi de azot din gunoi de grajd la totalul emisiilor de GES este de 4,3 % și, respectiv, 5,2 %. Valorile absolute și relative ale emisiilor acestor gaze provenite din gunoiul de grajd depind de condițiile de mediu (temperatura aerului, umiditate), de durata depozitării și manipulării gunoiului de grajd, precum și de tipul de hrană pentru animale. De exemplu, formarea metanului este influențată favorabil de condițiile anaerobe, în timp ce pentru formarea oxizilor de azot din amoniac sunt necesare atât condiții aerobe, cât și anaerobe [4].

S-a constatat că cele mai mari cantități de oxizi de azot sunt eliberate atunci când gunoiul de grajd este depozitat în stare solidă sau împrăștiat pe sol [3]. Acest lucru corespunde unei cote estimate de 16,4 % din emisiile de oxizi de azot pentru gunoiul de grajd depus/aplicat, după cum se arată în Figura 1. În schimb, atunci când gunoiul de grajd este depozitat în stare lichidă (bazine), emisiile de gaze cresc în favoarea metanului [10].

Consumul de energie

Multe procese asociate cu zootehnia necesită utilizarea energiei, cum ar fi producția de îngrășăminte, utilizarea mașinilor și transportul furajelor și al animalelor. În ferme energia este necesară pentru încălzire/răcire, hrănire, ventilație, iluminat, muls și gestionarea gunoiului de grajd. În general, electricitatea este utilizată pentru sistemele de iluminat, de hrănire și de muls, în timp ce combustibilii fosili asociați cu consumul direct de energie sunt utilizați pentru gestionarea gunoiului de grajd și pentru încălzire. Producția de hrană pentru animale, precum și producția de produse de origine animală implică, de asemenea, consum de energie. Se poate concluziona că consumul de energie în zootehnie este concentrat în producția de furaje, în adăposturi și în gestionarea gunoiului de grajd.

Sursa de energie în zootehnie este reprezentată în principal de combustibilii fosili, iar consumul acestora reprezintă o altă sursă de emisii de C0₂. Se estimează că consumul total de energie în ciclul de producție a produselor de origine animală contribuie cu aproximativ 25% din totalul emisiilor din sectorul zootehnic [1].

Pe tot parcursul procesului de producție, se presupune că producția de hrană pentru animale (concentrate, conserve de hrană sau pășuni) reprezintă cel mai mare consum de energie [11]. În mod problematic, există aici unele neconcordanțe analitice, deoarece consumul de energie asociat producției de furaje are loc în afara fermei și, în general, nu este atribuit sectorului zootehnic în statisticile agricole oficiale.

Producția, depozitarea și transportul furajelor sunt procese intensive care consumă cantități mari de energie asociate cu combustibilul, îngrășămintele și pesticidele. În plus, producția de produse de origine animală este, în general, ineficientă din punct de vedere energetic, deoarece o mare parte din energia din masă este cheltuită pentru întreținerea structurii corporale (regenerarea țesuturilor) și a proceselor fiziologice (pierderi de căldură), și mai puțin pentru producerea structurilor utilizate în alimentația umană [12].

Dintre toți parametrii care influențează consumul de energie în producția animalieră, cei mai importanți sunt specia și tipul de animale, locația geografică, condițiile agroecologice și sistemul de producție.

Figura 6. Consumul de energie în obținerea produselor de origine animală în raport cu tipul de animale (MJ/kg) [13] .

Într-un meta-studiu realizat de Paris și colaboratorii [13], producția de furaje a dominat ca aport energetic indirect (75% din consum) în toate sistemele de creștere a animalelor (UE-27), cu excepția producției de carne de vită (Tabelul 1). Adăpostirea și hrănirea (în principal sub formă de energie electrică) precum și gestionarea gunoiului de grajd (în principal cu ajutorul motorinei) reprezintă majoritatea consumului de energie directă în producția de carne de vită. În producția de lapte, mulsul, răcirea laptelui și încălzirea apei au reprezentat cea mai mare parte a consumului direct de energie. În acest caz, există diferențe în ceea ce privește sursele de energie în funcție de localizarea geografică a studiului, deoarece unele locații utilizează în principal electricitatea pentru un anumit scop, în timp ce altele utilizează direct combustibili fosili. Utilizarea energiei electrice pentru pomparea apei, iluminat și alte activități s-a dovedit a fi relativ scăzută. Conform studiilor analizate, creșterea bovinelor a fost sistemul de producție cu cel mai mare consum de energie (pe kilogram de carne), urmat de creșterea porcilor și a păsărilor de curte.

Tabelul 1. Intervale de consum de energie (scăzut-înalt) pentru consumul indirect (furaje) și direct în diferite sisteme de producție (MJ/kg) [13].

În anii următori, intensificarea tot mai mare a agriculturii va necesita o conversie a metodelor de producție în sectorul zootehnic pentru a contribui la durabilitatea mediului, și anume, pentru a reduce emisiile de gaze nocive. Aceasta ar însemna conversia producției de animale către tehnologii de producție alternative și mai durabile, bazate pe principii ecologice și pe o mai mare utilizare a surselor de energie regenerabilă.

Bibliografie

[1] Gerber, P. J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., Falcucci, A., & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock: A global assessment of emissions and mitigation opportunities. Tackling Climate Change through Livestock: A Global Assessment of Emissions and Mitigation Opportunities. https://www.cabdirect.org/cabdirect/abstract/20133417883

[2] Dashboard-old | Global Livestock Environmental Assessment Model (GLEAM) | Food and Agriculture Organization of the United Nations. (n.d.). Retrieved 24 March 2023, from https://www.fao.org/gleam/results/en/

[3] Steinfeld, H., Gerber, P., Wassenaar, T. D., Castel, V., Rosales M., M., & Haan, C. de. (2006). Livestock’s long shadow: Environmental issues and options. Food and Agriculture Organization of the United Nations.

[4] Grossi, G., Goglio, P., Vitali, A., & Williams, A. G. (2019). Livestock and climate change: Impact of livestock on climate and mitigation strategies. Animal Frontiers, 9(1), 69–76. https://doi.org/10.1093/af/vfy034

[5] Zhao, Y., Nan, X., Yang, L., Zheng, S., Jiang, L., & Xiong, B. (2020). A Review of Enteric Methane Emission Measurement Techniques in Ruminants. Animals, 10(6), Article 6. https://doi.org/10.3390/ani10061004

[6] Beauchemin, K. A., McAllister, T. A., & McGinn, S. M. (2009). Dietary mitigation of enteric methane from cattle. CABI Reviews, 2009, 1–18. https://doi.org/10.1079/PAVSNNR20094035

[7] AR5 Synthesis Report: Climate Change 2014 — IPCC. (n.d.). Retrieved 23 March 2023, from https://www.ipcc.ch/report/ar5/syr/

[8] Liu, G. (2012). Greenhouse Gases: Capturing, Utilization and Reduction. BoD – Books on Demand.

[9] Petersen, S. O., Blanchard, M., Chadwick, D., del Prado, A., Edouard, N., Mosquera, J., & Sommer, S. G. (2013). Manure management for greenhouse gas mitigation. Animal, 7, 266–282. https://doi.org/10.1017/S1751731113000736

[10] Johnson, D. E., & Ward, G. M. (1996). Estimates of animal methane emissions. Environmental monitoring and assessment, 42(1-2), 133–141. https://doi.org/10.1007/BF00394046

[11] Beckman, J., Borchers, A., & Jones, C. A. (2013). Agriculture’s Supply and Demand for Energy and Energy Products (SSRN Scholarly Paper No. 2267323). https://doi.org/10.2139/ssrn.2267323

[12] de Visser, C. L. M., de Buisonje, F. E., Ellen, H. H., Stanghellini, C., & van der Voort, M. P. J. (2012). State of the Art on Energy Efficiency in Agriculture, Country data on energy consumption in different agroproduction sectors in the European countries.

[13] Paris, B., Vandorou, F., Tyris, D., Balafoutis, A. T., Vaiopoulos, K., Kyriakarakos, G., Manolakos, D., & Papadakis, G. (2022). Energy Use in the EU Livestock Sector: A Review Recommending Energy Efficiency Measures and Renewable Energy Sources Adoption. Applied Sciences, 12(4), Article 4. https://doi.org/10.3390/app12042142