Effets des sources de protéines non dégradables dans le rumen sur les émissions d'oxyde nitreux, de méthane et d'ammoniac provenant du fumier des parcs d'engraissement

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 9166 (2022) Citer cet article

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Les effets des sources de protéines non dégradables dans le rumen (RUP) dans les régimes alimentaires sur les émissions de méthane (CH4), d'oxyde nitreux (N2O) et d'ammoniac (NH3) provenant du fumier des bovins finis en parc d'engraissement ont été évalués. Nous avons émis l'hypothèse que l'utilisation de différentes sources de RUP dans l'alimentation réduirait la perte de N via l'urine et contribuerait à réduire les émissions de N2O, CH4 et NH3 dans l'environnement. Les bovins Nellore ont reçu différents régimes alimentaires (18 animaux/traitement), y compris de la farine de soja (SM, source RDP), de la farine de soja by-pass (BSM, source RUP) et de la farine de gluten de maïs (CGM, source RUP). La source de protéines n'a pas affecté la concentration de N et de C dans l'urine, la concentration de C dans les matières fécales et l'équilibre de N (P > 0,05). Les sources RUP ont entraîné une émission de N2O plus élevée que la source RDP (P = 0,030), tandis que BSM a entraîné une émission de N2O plus élevée que CGM (P = 0,038) (SM = 633, BSM = 2521 et CGM = 1153 g ha−2 N–N2O) ; cependant, il n'y avait aucune différence dans les émissions de CH4 et de NH3 (P > 0,05). En conclusion, l'utilisation de RUP dans les régimes alimentaires n'a pas affecté l'excrétion de N des bovins de boucherie ou les émissions de CH4 et NH3 du fumier, mais a augmenté l'émission de N2O du fumier.

La finition des bovins dans des parcs d'engraissement confinés permet d'utiliser des sources d'alimentation adéquates aux besoins de l'animal, ce qui augmente la productivité et la qualité de la viande1. Cependant, ce système est responsable d'une plus grande accumulation de fumier, qui contient plusieurs composants tels que l'azote et les matières organiques2. Ces composants peuvent subir une transformation et servir de source d'émission de gaz à effet de serre (GES), tels que l'oxyde nitreux (N2O) et le méthane (CH4)3,4,5, ainsi que d'ammoniac (NH3)6,7. Les émissions de gaz à effet de serre contribuent au réchauffement climatique8, tandis que la volatilisation du NH3 nuit à la santé humaine7,9 et augmente potentiellement les émissions de GES car le NH3 est un précurseur de la génération de N2O10.

Le protoxyde d'azote est émis par la transformation de l'ammonium (NH4+) et du nitrate (NO3–) dans le sol lors de la nitrification, de la dénitrification11 et de la dénitrification nitrifiante12 par l'intermédiaire de champignons, de bactéries et d'archées13. Ces processus sont affectés par les précipitations, la température et la disponibilité du substrat14,15. L'ampleur des émissions de gaz provenant du fumier de bovin dépend de la forme et de la concentration de N16. Par conséquent, la réduction des pertes de N via les excréments des ruminants, en particulier de N sous forme d'urée, est pertinente pour atténuer les émissions de N2O, puisque 70 % du N excrété par les ruminants est sous forme d'urée, qui libère du NH4+ après hydrolyse17. De plus, l'hydrolyse microbienne de l'urée entraîne une émission de NH318 ; ainsi, la réduction de la N-urée des excréta pourrait directement réduire les émissions de NH319.

La quantité de CH4 émise par le fumier est faible par rapport à la quantité totale de CH4 entérique produite par les ruminants20. Cependant, les émissions provenant du fumier dans les parcs d'engraissement sont pertinentes, car de grands volumes de fumier peuvent entraîner des émissions de CH4 plus élevées21. La teneur en azote et en carbone22, l'humidité et la température23 sont les principaux modulateurs des émissions de CH4. Les stratégies visant à accroître l'efficacité de l'utilisation de N, entraînant une plus faible excrétion de N, peuvent modifier le ratio CN du fumier, qui est un facteur important responsable de la réduction des émissions de CH424. Le rapport CN élevé peut favoriser la croissance de populations d'archées méthanogènes capables de répondre à leurs besoins en protéines et donc de ne pas réagir avec la teneur en carbone restante du substrat, entraînant une faible production de CH425. Ainsi, la réduction de l'excrétion de nutriments par les animaux peut servir de stratégie pour atténuer les émissions de CH4 provenant du fumier.

L'optimisation de l'utilisation de N par les ruminants peut réduire la perte de N par l'urine et, par conséquent, minimiser les émissions de NH37 et de N2O provenant du fumier26. La réduction de la quantité de protéines dégradables dans le rumen (RDP) et l'augmentation de la quantité de protéines non dégradables dans le rumen (RUP) dans les régimes alimentaires peuvent augmenter l'efficacité globale de l'azote et permettre un apport adéquat de protéines métabolisables (PM) pour atteindre l'intestin grêle27. Ainsi, nous avons émis l'hypothèse que différentes sources de RUP dans les régimes réduiraient la perte de N via l'urine et contribueraient à la diminution des émissions de N2O, CH4 et NH3 dans l'environnement. En modulant le régime alimentaire afin de réduire l'excrétion de N, il est possible d'impacter la production de CH428 entérique. Cependant, dans notre étude, l'objectif était de comprendre comment les sources de RUP peuvent affecter l'émission dans les excréta, par conséquent, l'émission de CH4 entérique n'a pas été mesurée. L'évaluation in situ permettra d'obtenir des émissions plus représentatives de l'environnement du parc d'engraissement. Par conséquent, l'objectif de la présente étude était d'évaluer les effets des sources de RUP dans les régimes alimentaires sur les émissions de N2O, CH4 et NH3 provenant du fumier de Nellore fini en parc d'engraissement et d'identifier les principales variables motrices qui régulent la production de ces gaz.

Il n'y avait aucune différence dans la teneur en C et N ou C / N des échantillons d'urine et de matières fécales entre les sources RUP et RDP (P> 0, 05) (tableau 1). L'inclusion de CGM comme source de RUP dans l'alimentation a augmenté la teneur en N (P = 0,012) mais a diminué le C/N dans les échantillons fécaux par rapport à l'inclusion de BSM comme source de RUP (P = 0,009). Cependant, il n'y avait aucune différence dans le C/N des échantillons d'urine entre les sources RUP et RDP (P = 0,632).

Aucune des trois sources de protéines évaluées n'a affecté la consommation de N, l'excrétion fécale et urinaire de N, l'excrétion de N total et la rétention de N total (P > 0,05). Il n'y avait aucune différence dans l'excrétion fécale et urinaire de N, la rétention de N (% d'apport) ou l'excrétion fécale et urinaire de N (% excrété) entre les trois sources de protéines (P > 0,05).

La température moyenne pendant la période d'échantillonnage des émissions de N2O et de CH4 était de 20 °C ; les températures les plus basses (3,3 °C) et les plus élevées (35,2 °C) ont été enregistrées respectivement près du jour d'échantillonnage 49 et le dernier jour d'échantillonnage. Les précipitations cumulées tout au long de la période expérimentale étaient de 33,6 mm, se produisant sur 7 jours différents (Fig. 1).

Précipitations quotidiennes et température ambiante quotidienne minimale (Tmin), quotidienne, moyenne (Tmean) et maximale quotidienne (Tmax) tout au long de la période d'échantillonnage des émissions de N2O et de CH4. Les données ont été récupérées de la Station Agrométéorologique, Département des Sciences Exactes (FCAV/UNESP), située à 1 km de la zone expérimentale.

Les flux moyens quotidiens de N2O et de CH4 ont varié de −62 à 318 µg N2O m2 h−1 et de −125 à 321 µg CH4 m2 h−1, respectivement, au cours de la période expérimentale (Fig. 2). Le pic le plus élevé d'émission de N2O a été observé au 21e jour, pour tous les traitements. Le même jour, une augmentation des flux de CH4 a également été observée. Des différences dans les flux de N2O et de CH4 entre les traitements se sont produites au cours de certains jours d'évaluation et n'étaient pas constantes tout au long de la période étudiée.

source de protéines dégradables dans le rumen (RDP), BSM = fumier d'animaux nourris avec du tourteau de soja dérivé comme source de protéines non dégradables dans le rumen (RUP), CGM = fumier d'animaux nourris avec de la farine de gluten comme source de RUP. Valeurs P pour N2O (traitement = 0,003 ; temps < 0,001 ; interaction traitement × temps < 0,001) et CH4 (traitement = 0,165 ; temps < 0,001 ; interaction traitement × temps < 0,005). Chambre considérée comme unité expérimentale (n = 9). Les barres d'erreur représentant l'erreur standard de la moyenne.

Flux de N2O et de CH4 provenant du fumier des bovins Nellore nourris avec des sources de protéines non dégradables dans le rumen pendant la phase de finition dans les parcs d'engraissement. SM = fumier d'animaux nourris avec du tourteau de soja comme

Les sources de protéines n'ont pas affecté les émissions cumulatives de CH4 provenant du fumier animal (P > 0,05) (tableau 2). Cependant, le fumier des animaux nourris avec des sources RUP a entraîné une émission cumulée de N2O plus élevée que celle des animaux nourris avec la source RDP (P = 0,030). Les émissions provenant du fumier des bovins nourris au CGM étaient presque le double et les émissions du fumier des bovins nourris au BSM (P = 0,038) étaient quadruplées par rapport aux bovins nourris au SM.

Une interaction entre le temps d'échantillonnage et la source de protéines a été observée pour DM, OM, N, C et NH4+ (Tableau 3, Fig. 3). Le fumier des animaux nourris au CGM présentait une teneur en N plus faible et un NH4+ plus élevé que celui des animaux nourris au SM au jour 42 (P < 0,001), tandis qu'au jour 63 des valeurs plus élevées de N et NH4+ étaient observées pour le fumier des animaux nourris au CGM par rapport au BSM (P = 0,002 et P = 0,010 respectivement) et au SM (P = 0,004 et P < 0,001, respectivement). Le fumier des animaux nourris avec du SM a montré une teneur en C plus élevée que celle des animaux nourris avec une source de RUP au jour 42 (P = 0,001). Le fumier des animaux nourris au SM a montré un C/N plus élevé que celui des animaux nourris au RUP (P = 0,001). La teneur en nitrate des échantillons analysés n'était pas détectable.

source pendant la phase de finition dans le parc d'engraissement. SM = fumier d'animaux nourris avec du tourteau de soja comme source de protéines dégradables dans le rumen (RDP), BSM = fumier d'animaux nourris avec du tourteau de soja dérivé comme source de protéines non dégradables dans le rumen (RUP), CGM = fumier d'animaux nourris avec de la farine de gluten de maïs comme source de RUP. Différentes lettres représentent des différences significatives par le test de Tukey (P ≤ 0,05) dans l'interaction entre le traitement et le temps. Chambre considérée comme unité expérimentale (n = 9). Les barres d'erreur représentant l'erreur standard de la moyenne.

Teneur en matière sèche, matière organique, N, C et NH4+ du fumier, déposé dans le sol, des bovins Nellore nourris avec des protéines non dégradables dans le rumen

Il n'y avait aucune corrélation entre les émissions de gaz du fumier (N2O et CH4) et le rapport N, C, C/N, MS, MO et NH4+ (P > 0,05) (tableau 4). L'azote était positivement corrélé avec C (P < 0,001) et OM (P < 0,002). Le carbone était positivement corrélé au rapport C/N (P < 0,001). L'ammonium était positivement corrélé à l'OM (P = 0,045).

Une corrélation positive a été observée entre le CH4 et le rapport C/N au jour 42 (P = 0,025), et entre le CH4 et le NH4+ au jour 63 (P = 0,001). Au jour 105, le N2O était positivement corrélé au DM (P = 0,018) et au NH4+ (P = 0,008) (Tableau 5).

La température moyenne pendant la période d'échantillonnage des émissions de NH3 était de 25 °C. Les températures les plus basses (15,2 °C) et les plus élevées (37,3 °C) ont été enregistrées le premier jour d'échantillonnage et le jour 19, respectivement. Les précipitations cumulées tout au long de la période expérimentale étaient de 320,5 mm, se produisant sur 30 jours différents (Fig. 4).

Précipitations quotidiennes et températures ambiantes quotidiennes minimales (Tmin), moyennes quotidiennes (Tmean) et maximales quotidiennes (Tmax) tout au long de la période d'échantillonnage des émissions de NH3. Les données ont été extraites de la Station Agroclimatologique, Département des Sciences Exactes, (FCAV/UNESP), située à 1 km de la zone expérimentale.

Le fumier de tous les traitements a montré l'émission quotidienne moyenne de NH3 la plus élevée le premier jour de l'évaluation (Fig. 5). Par la suite, les émissions de NH3 ont diminué jusqu'au quatrième jour d'évaluation sous tous les traitements. A partir du 19ème jour, un nouveau pic d'émission de NH3 a été observé sous tous les traitements. Le traitement SM a présenté une légère augmentation des émissions de NH3 aux jours 38 et 51, tandis que les traitements BSM et CGM ont présenté une diminution des émissions. L'émission d'ammoniac sous tous les traitements a complètement cessé le 77ème jour. Du jour 13 au jour 25, les émissions cumulées de NH3 sous le traitement SM étaient plus élevées que celles sous les traitements BSM et CGM. Cependant, après cette période, aucune différence n'a été observée entre les traitements.

source de protéines dégradables dans le rumen (RDP), BSM = fumier d'animaux nourris avec du tourteau de soja dérivé comme source de protéines non dégradables dans le rumen (RUP), CGM = fumier d'animaux nourris avec de la farine de gluten de maïs comme source de RUP. Chambre considérée comme unité expérimentale (n = 9). Les barres d'erreur représentant l'erreur standard de la moyenne.

Moyenne quotidienne des émissions de NH3 provenant du fumier des bovins Nellore nourris avec des sources de protéines non dégradables dans le rumen pendant la phase de finition en parc d'engraissement. Les évaluations ont commencé après le retrait des animaux du parc d'engraissement. SM = fumier d'animaux nourris avec du tourteau de soja comme

Il n'y avait aucune différence significative dans les émissions cumulatives de NH3 provenant du fumier au cours de la période évaluée et dans la teneur en MS, MO, N et C (P > 0,05) du fumier parmi les trois sources de protéines (tableau 6). De même, il n'y avait pas de différences dans le rapport C/N du fumier entre les sources RDP et RUP (P = 0,491). Cependant, le fumier des animaux nourris au BSM a montré un rapport C/N plus élevé que celui des animaux nourris au CGM (P < 0,001). Le fumier des animaux nourris au RDP a montré une concentration en NH4+ plus élevée que celle des animaux nourris au RUP (P < 0,001) ; cependant, il n'y avait aucune différence dans la concentration de NH4+ entre le fumier des animaux nourris au CGM et au BSM (P = 0,670).

L'utilisation de sources de RUP dans l'alimentation n'a pas réduit la perte de N via l'urine. Pendant ce temps, il a augmenté les émissions de N2O mais n'a pas affecté les émissions de CH4 provenant du fumier. Par conséquent, notre hypothèse selon laquelle l'inclusion de RUP dans l'alimentation réduirait la perte de N et contribuerait à réduire les émissions de N2O et de CH4 provenant du fumier a été rejetée.

Le fumier déposé dans le sol augmente sa teneur en N et C, modifiant ainsi le taux de minéralisation de N et stimulant la production de N2O29,30. Pendant ce temps, le C labile libéré lors de la décomposition des matériaux régule la saisonnalité de la production de N2O et de N230. Les formes inorganiques de N (NH4+ et NO3−) sont des déterminants de la production de N2O. Le fumier des animaux nourris avec BSM et CGM présentait une concentration en NH4+ plus élevée que celle des animaux nourris avec SM au 42e jour, et au 63e seulement pour le traitement CGM, témoignant d'une variation temporelle des caractéristiques du fumier en fonction des traitements, entraînant probablement une hydrolyse de l'urée plus élevée à ces moments (Tableau 3, Fig. 3). La concentration plus élevée de NH4+ sous les traitements RUP peut avoir favorisé la nitrification ou la dénitrification, entraînant la production de N2O17 (tableau 2).

Une réduction de l'azote urinaire était attendue avec l'inclusion de RUP dans les régimes, car une augmentation de l'efficacité d'utilisation de N est observée lorsque des quantités plus faibles de RDP sont utilisées dans l'alimentation31. En d'autres termes, la concentration réduite de NH3 dans le rumen a été compensée par un recyclage accru de l'urée pour maintenir une concentration optimale de NH3 dans le rumen pour une croissance microbienne maximale, diminuant ainsi son excrétion urinaire de N27,34,35. Cependant, cela ne s'est pas produit parce que la teneur en RDP dans les régimes avec RUP a probablement répondu à la demande microbienne de N, n'obtenant ainsi pas un recyclage suffisant de l'urée et permettant une excrétion urinaire de N similaire au régime avec RDP (tableau 1).

Des quantités élevées d'acides aminés atteignant l'intestin grêle sont un autre facteur contribuant à une plus grande perte de N. Lorsqu'ils sont absorbés en excès ou en déséquilibre par rapport aux besoins de l'animal, ces acides aminés peuvent être oxydés pour la production d'énergie, conduisant à la production d'urée dans le foie, qui est ensuite excrétée via l'urine. Cela peut se produire lorsque le régime alimentaire offre des niveaux adéquats de NH3 pour répondre à la demande ruminale34. Par conséquent, une concentration excessive de CP dans l'alimentation, sous forme de RDP ou de RUP, peut contribuer à l'excrétion urinaire de N.

La plus grande émission de N2O provenant du fumier des animaux a alimenté les sources RUP (tableau 3). Cela indique que ces régimes avaient probablement une teneur en urée plus élevée du fumier, puisque l'émission de N2O est particulièrement affectée par la teneur en urée urinaire35.

Lorsque des niveaux plus élevés de RUP sont utilisés dans l'alimentation, un changement dans la voie d'excrétion de l'urine vers les matières fécales est attendu en raison d'une plus grande quantité de protéines intactes qui atteignent l'intestin, ce qui contribue à l'excrétion fécale de N lorsqu'il n'est pas absorbé38,39. Cependant, il n'y avait aucune différence dans l'excrétion fécale de N entre les traitements RDP et RUP (tableau 1), bien que la concentration fécale de N diffère entre les deux sources de RUP. Cela pourrait être attribué à la composition distincte en acides aminés ou aux différentes structures chimiques de ces sources. Les processus auxquels ont été soumis le maïs (gluten de maïs, un sous-produit de la mouture humide du maïs) et le soja (traité thermiquement) peuvent rendre la protéine non dégradable dans le rumen ou indisponible38.

Malgré différentes compositions du fumier entre les traitements (tableau 3), il n'y avait aucune différence dans les émissions de CH4 (tableau 2). Les teneurs en azote et en MO et le rapport C/N du fumier sont des facteurs importants associés aux émissions de CH441,42. Néanmoins, des différences dans la composition chimique du fumier entre les traitements ont été observées au cours de certains jours d'échantillonnage (figure 3). Ce résultat peut être lié aux variations des conditions environnementales, telles que la température et les précipitations, qui peuvent modifier la composition chimique du fumier. Cependant, ces différences entre les traitements n'étaient pas constantes tout au long de la période expérimentale, ce qui justifie l'absence de différences dans les émissions de CH4.

Dans le fumier, la majeure partie de la teneur en N provient du N excrété via l'urine sous forme d'urée, qui est rapidement hydrolysée en NH4+, et des pertes de N provenant des formes organiques des matières fécales se produisent également41. L'azote organique peut favoriser l'émission de CH4, jouant un rôle important dans la transformation de l'acétate en CH442, tandis que l'azote minéral sous forme de NH4+ peut inhiber la production de CH4, rompant le lien entre l'acidification et la méthanogenèse dans les processus anaérobies43.

Les flux de protoxyde d'azote et de CH4 ont varié de −62 à 318 µg N2O m2 h−1 et de −125 à 321 µg CH4 m2 h−1, respectivement, pendant la période expérimentale (Fig. 2). Ces flux ont montré une grande variation, qui peut être attribuée à plusieurs facteurs, tels que la variation temporelle de la composition chimique du fumier due aux variations des conditions climatiques, comme expliqué ci-dessus (Tableau 3, Fig. 3). D'autres chercheurs44 ont signalé une grande variation des émissions, principalement associée à des dépôts irréguliers de matières fécales et d'urine à la surface, qui peuvent également s'être produits dans la présente étude.

Les dépôts fréquents et l'accumulation de matières fécales et d'urine dans le sol n'ont pas augmenté les émissions de CH4 et de N2O au fil du temps, quel que soit le traitement. Le piétinement par les animaux peut avoir provoqué une aération du matériau de surface et avoir fourni un environnement défavorable à l'action des bactéries méthanogènes et des micro-organismes nitrifiants/dénitrifiants. De plus, l'humidité dans le parc d'engraissement n'a pas augmenté avec le temps, selon la teneur en MS du fumier, sauf les jours de pluie (tableau 3). Ceci est probablement lié au climat sec à cette période de l'année, associé au sol compacté du parc d'engraissement.

Les précipitations et les changements de température affectent fortement les émissions de CH445. Au cours de la période d'étude, le flux de CH4 était lié à ces variables. Le 21e jour, des pics d'émission accrus ont été observés sous tous les traitements, probablement en raison des précipitations de la semaine précédente. Étant donné que les émissions de CH4 se produisent dans des conditions anaérobies, les précipitations peuvent avoir favorisé des émissions plus élevées en raison de l'augmentation de la teneur en humidité du fumier46. Le 49e jour, une réduction des émissions de CH4 a été observée, peut-être en raison de la chute de température ce jour-là. Considérant que l'émission de CH4 est un processus biologique et anaérobie, la température peut agir comme un facteur limitant en réduisant l'activité méthanogène47. Après cette période, les émissions de CH4 ont eu tendance à se stabiliser, probablement en raison de l'absence de fortes précipitations et de la faible variation de température (Fig. 1).

L'émission moyenne de CH4 sous tous les traitements pendant la phase de finition dans le parc d'engraissement (SM = 53 µg C–CH4 m2 h−1 ; BSM = 33 µg C–CH4 m2 h−1 ; CGM = 16 µg C–CH4 m2 h−1 ; moyenne de 8,8 g C–CH4 jour−1 enclos−1) dans la présente étude était inférieure aux valeurs rapportées par d'autres chercheurs (moyenne de 110 g jour−1 enclos−1)48 dans des conditions climatiques similaires. conditions et une densité d'enclos de 6 m2 par animal, cependant, le sol était bétonné et les excréments enlevés tous les 15 jours. La faible humidité du fumier était peut-être responsable des faibles émissions de CH4, car même dans des conditions chimiques favorables, l'activité microbienne est limitée à de faibles niveaux d'humidité. Il convient de noter que la densité dans chaque enclos était de 30 m2 par animal et que les évaluations ont été effectuées à proximité des mangeoires, dans une zone de 6,5 m × 10 m avec un dépôt d'excréments plus élevé. La densité des animaux se reflète dans l'état de dépôt et d'accumulation des excréments à la surface, et c'est un facteur pertinent à prendre en compte lors de l'évaluation des émissions de gaz dans les parcs d'engraissement49.

Certains jours d'échantillonnage, l'absorption de CH4 s'est produite principalement par la consommation de CH4 atmosphérique, qui peut se produire dans des environnements aérobies39. L'environnement est source de CH4 lorsque le bilan entre production méthanogène et consommation méthanotrophe est positif, entraînant une émission de CH4. En revanche, lorsque ce solde est négatif, l'environnement est considéré comme un puits de CH439.

Considérant que le système de parcs d'engraissement est devenu une stratégie de gestion pour minimiser les impacts de la baisse de la production fourragère pendant la saison sèche, la majorité des parcs d'engraissement au Brésil sont gérés d'avril à novembre, lorsque les précipitations sont rares et que la température est basse. Les conditions climatiques de cette période, lorsqu'elles sont associées à des parcs d'engraissement à faible densité animale, peuvent entraîner de faibles émissions de CH4. Dans un inventaire pour estimer les émissions de GES au Brésil50, il est clair que nous n'avons pas suffisamment de données pour estimer les émissions des parcs d'engraissement brésiliens. Par conséquent, les mesures doivent couvrir différents systèmes, avec différents chargements, alimentations et gestion du fumier pour générer des données concrètes qui permettent la comparaison entre les stratégies d'atténuation.

Les flux moyens de N2O (SM = 22 µg N–N2O m2 h−1 ; BSM = 59 µg N–N2O m2 h−1 ; CGM = 36 µg N–N2O m2 h−1 ; 12 g N–N2O jour−1 stylo−1) observés dans la présente étude étaient supérieurs à certaines valeurs rapportées (0,8 g N–N2O jour −1 stylo−1)48 même en considérant une densité plus élevée (6 m2 animal−1) et évacuation des excréta de la zone tous les 15 jours. Un pic plus élevé d'émission de N2O a été observé le 21e jour sous tous les traitements, peut-être en raison des précipitations de la semaine précédente. D'autres chercheurs51, dans une expérience contrôlée simulant un parc d'engraissement ouvert, démontrent une augmentation des émissions suite à des événements de précipitations, avec des pics qui varient de 2 h à 15 jours après la pluie.

Les émissions post-pluies et l'humidification de la zone pourraient être liées à une combinaison de minéralisation, de nitrification et/ou de dénitrification, conduisant à la libération de N2O absorbé dans le sol sec52. L'humidité est un facteur important dans la production de N2O, en particulier lorsqu'elle est associée à la température et à une composition chimique propice53, l'émission de N2O augmente nettement avec l'augmentation de la température54. Cependant, après avoir atteint le pic, les émissions de N2O sont restées stables, avec de petites variations entre les jours d'évaluation ; même en présence d'événements de précipitations supplémentaires, la basse température (minimum de 3,3 °C vers le 49e jour) peut avoir entravé l'apparition de nouveaux pics d'émission.

Le nitrate n'était pas détectable dans le fumier au cours de l'expérience. La production d'oxyde nitreux est supposée se produire par nitrification, via l'oxydation de NH4+ dans l'hydroxylamine (NH2OH), avec NOH comme intermédiaire et N2O comme produit55. Le N2O peut également être produit par dénitrification par des nitrificateurs, où NH3 est nitrifié et oxydé en nitrite (NO2-), qui est ensuite réduit en oxyde nitrique (NO), N2O et N moléculaire (N2). Le protoxyde d'azote est un intermédiaire dans la réduction du NO2− en N256. Lors de la dénitrification, le NO3− est utilisé comme substrat primaire57. La dénitrification peut ne pas avoir eu lieu dans la présente étude.

Les analyses de corrélation n'ont montré aucune association linéaire significative de la production de CH4 et de N2O avec les variables testées liées à la composition chimique du fumier, qui peuvent être attribuées à des facteurs spécifiques (tableaux 4 et 5). Les processus sous-jacents à la production de gaz sont complexes et dépendent de la composition chimique du fumier. En plus de la composition chimique, l'émission de gaz dans le fumier dépend d'autres facteurs tels que la température, l'humidité, les conditions de dépôt et le piétinement par les animaux. L'absence de corrélations significatives entre la production de gaz et la composition du fumier peut être liée à la faible variation des caractéristiques analysées au cours de la période d'échantillonnage, rendant difficile l'observation des relations entre les variables.

L'utilisation de RUP dans l'alimentation n'a pas réduit la perte de N via l'urine et n'a pas influencé l'émission de NH3 par le fumier. En ce sens, notre hypothèse selon laquelle l'inclusion de RUP dans l'alimentation réduirait la perte de N et contribuerait à la diminution des émissions de NH3 a été rejetée.

Le fumier des animaux nourris au SM a présenté des émissions de NH3 plus élevées que celui des animaux nourris au CGM et au BSM du 8ème au 25ème jour d'évaluation. Cela peut être attribué à la teneur plus élevée en NH4+ du fumier des animaux nourris au SM que de celui des animaux nourris au CGM et au BSM au début de la période d'échantillonnage (tableau 6). Par la suite, le fumier des animaux nourris au CGM et au BSM a présenté un nouveau pic d'émission de NH3 suite à l'événement des précipitations les plus élevées (54,2 mm) tout au long de la période expérimentale. Cependant, durant cette période, la majeure partie du NH4+ du traitement SM avait déjà été utilisée, comme en témoigne la faible réponse aux précipitations sous ce traitement. L'urée présente dans l'urine et les matières fécales est rapidement hydrolysée et le NH4+ formé est dissocié en NH3 aqueux, en fonction de la concentration de NH4+ et du pH du fumier et des conditions environnementales. Lorsqu'une précipitation se produit, l'activité de l'uréase est favorisée, ce qui entraîne une augmentation des émissions de NH358. Il convient toutefois de noter qu'un échantillonnage du fumier pour la caractérisation a été effectué avant l'implantation des chambres dans la zone. Ainsi, les données de composition chimique présentées ici ne représentent pas les variations temporelles possibles au cours de la période d'évaluation du NH3 (tableau 3).

Des valeurs plus élevées d'émissions de NH3 ont été signalées (49,1 kg NH3 animal−1) dans les parcs d'engraissement de bovins de boucherie, ce qui est principalement lié au fait que la majorité des parcs d'engraissement de confinement sont à l'extérieur, étant donné que la vitesse du vent dans les environnements ouverts augmente les émissions59. Selon d'autres études19, les émissions quotidiennes de NH3 dans les parcs d'engraissement dépassent rarement 2000 µg NH3 m−3 ; cependant, dans la présente étude, des valeurs plus élevées ont été observées. Fait important, comme expliqué précédemment, les évaluations ont été effectuées dans une zone de dépôt d'excréments plus élevé, dans le but de comparer les traitements dans des conditions homogènes de distribution des excréments. Par conséquent, la quantité d'émissions par zone du parc d'engraissement total peut avoir été surestimée dans cette étude. À l'inverse, nous n'avons pas comptabilisé les émissions lorsque les animaux étaient présents dans les parcs d'engraissement. Tout au long de la période d'échantillonnage, les animaux avaient déjà été retirés de la zone et il y avait une grande quantité de fumier accumulé. Au début de la saison des pluies, les émissions peuvent avoir été favorisées par une teneur en humidité accrue due à la grande quantité de substrat disponible19. Ainsi, l'urée excrétée par les animaux est hydrolysée et contribue au stock de NH4+ qui est émis sous forme de NH3 lorsque la teneur en eau augmente en fonction des précipitations.

Au fil du temps, comme aucun nouveau fumier n'a été déposé en raison de l'absence d'animaux dans la zone, l'émission a probablement cessé lorsque le substrat a été consommé, ce qui s'est produit vers le 77e jour dans la présente étude. Dans les expériences au cours desquelles les excréments des animaux sont collectés puis appliqués au sol pour évaluation en l'absence d'animaux et de nouveaux dépôts, l'émission d'ammoniac se produit pendant 3 semaines en moyenne42,62,63. Par conséquent, d'autres études sont justifiées pour étudier les émissions de NH3 dans les parcs d'engraissement ouverts et pour observer les pics d'occurrence en présence d'animaux, en maintenant les évaluations également après le retrait des animaux, lors de la prochaine saison des pluies.

L'inclusion de RUP dans l'alimentation n'a pas affecté l'excrétion de N par les animaux. Alors que les émissions de N2O provenant du fumier ont augmenté, les émissions de CH4 et de NH3 sont restées inchangées. Des études supplémentaires sont justifiées pour étudier les effets de l'utilisation de différentes proportions de RDP et de RUP dans les régimes alimentaires sur les émissions de NH3, N2O et CH4 provenant du fumier des animaux gérés dans des systèmes de parcs d'engraissement dans des conditions tropicales.

L'expérience a été approuvée par le Comité d'éthique, de bioéthique et de bien-être animal de l'Université d'État de São Paulo (UNESP), Jaboticabal, sous le protocole numéroté 16.668/16. Toutes les méthodes ont été réalisées conformément aux directives et réglementations en vigueur. Les méthodes sont rapportées dans le manuscrit conformément aux recommandations des lignes directrices ARRIVE.

La présente étude a été menée sur le campus de Jaboticabal de l'Université d'État de São Paulo, Sao Paulo, Brésil (21°14′05″S, 48°17′09″O; altitude, 615,01 m). La région a un climat tropical, avec une saison sèche d'avril à septembre et une saison des pluies d'octobre à mars, au cours de laquelle plus de 80 % des précipitations annuelles se produisent. Le sol est du Ferralsol rhodique62 issu du basalte, avec une texture limono-sableuse (10 % de limon et 61 % de sable) dans la couche superficielle (0–10 cm). Le pH du sol dans CaCl2 est de 5,9, la masse volumique apparente est de 1,8 kg dm−3 et la teneur en matière organique est de 16,6 g dm−3 à la même profondeur.

Les données météorologiques (précipitations quotidiennes et température ambiante) ont été obtenues à partir de l'ensemble de données de la station agrométéorologique du Département des sciences exactes, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Campus de Jaboticabal, situé à 1 km de la zone expérimentale.

L'expérimentation a été menée pendant 210 jours de mai à décembre 2019. Les 21 premiers jours ont été consacrés à l'adaptation de l'animal au régime alimentaire, suivis de 112 jours de confinement, au cours desquels des prélèvements hebdomadaires de N2O et de CH4 ont été effectués. Après avoir retiré les animaux des parcs d'engraissement, le NH3 a été échantillonné pendant 77 jours.

Cinquante-quatre taureaux Nellore d'un poids vif initial d'environ 360 kg ont été répartis en trois traitements. Les animaux ont été répartis en trois traitements et répartis dans des enclos collectifs (11 m × 50 m ; un enclos par traitement et 18 animaux par enclos). Chaque enclos avait un sol en terre battue avec des abreuvoirs collectifs pour deux enclos. Il y avait deux mangeoires automatisées couvertes dans chaque enclos (INTERGADO®, Intergado Ltd., Contagem, Minas Gerais, Brésil). Le système d'alimentation était équipé d'un moniteur d'alimentation automatisé reposant sur des cellules de charge, permettant l'enregistrement électronique de la quantité d'aliment consommée par l'animal. L'abreuvoir reconnaît l'animal à partir de la marque auriculaire électronique, envoie automatiquement les données de consommation à une base de données et stocke les informations.

Le fumier d'animaux nourris avec des sources de protéines (deux sources de RUP et une source de RDP comme témoin) a été collecté, résultant en trois traitements comme suit :

Tourteau de soja (SM) : source de RDP.

Tourteau de soja by-pass (BSM) : source de RUP

Farine de gluten de maïs (CGM) : source de RUP.

Les régimes expérimentaux étaient composés de 30 % de fourrage grossier et de 70 % de concentré, formulés pour atteindre le gain quotidien moyen (GMQ) de 1,5 kg jour-1, selon BR CORTE63. Les régimes étaient proposés à 08h00 et 16h00. Les quantités offertes étaient suffisantes pour permettre un reste quotidien de 5 à 10 % du total offert.

Les ingrédients des régimes ont été analysés pour leur composition chimique (tableau 7). La méthode AOAC64 a été utilisée pour déterminer la teneur en matière sèche (MS) (méthode 930.15), en protéines brutes (CP) (méthode 990.03), en matière organique (MO) (méthode 942.05) et en extrait éthéré (EE) (méthode 920.39). La teneur en fibres détergentes neutres (NDF) a été déterminée selon la méthode décrite par65 en utilisant ANKOM® 2000 (Ankom Technologies, New York, USA) avec α-amylase thermostable et sans sulfite de sodium, corrigé des cendres et des protéines résiduelles. La teneur en RDP et RUP a été estimée sur la base de la fraction protéique66 et du taux de dégradation de chaque fraction, en considérant un taux de passage de 5 % h−1.

Les gaz (N2O, CH4 et NH3) ont été prélevés à l'aide de chambres (n = 9 par traitement) disposées dans une zone de 65 m2, à proximité des mangeoires, là où les déjections (fèces et urine) se déposaient le plus fréquemment. Les chambres ont été placées sur du fumier (fèces et urine) qui avait été déposé sur la surface du parc d'engraissement par les animaux soumis aux traitements. Au moment de l'évaluation, les chambres ont été placées au hasard dans une zone (6,5 m × 10 m) délimitée à proximité des mangeoires à l'intérieur de chaque enclos de confinement. Plus précisément, une zone de dépôt d'excréments plus élevé a été sélectionnée dans le but de comparer les traitements, évitant ainsi l'évaluation dans des endroits sans distribution homogène des excréments (Fig. 6).

Plan de la zone expérimentale.

Les émissions de protoxyde d'azote et de CH4 ont été déterminées à l'aide d'enceintes fermées statiques, selon les recommandations du manuel d'évaluation des GES67. Des chambres en plastique (0,6 m × 0,4 m × 0,24 m) recouvertes d'un isolant thermique ont été positionnées au-dessus du fumier uniquement au moment de la collecte des gaz, permettant aux animaux de piétiner, déféquer et uriner librement dans la zone. L'échantillonnage a été effectué une fois par semaine tout au long de la période d'engraissement (112 jours), totalisant 16 événements d'échantillonnage. L'échantillonnage a été effectué entre 16h00 et 16h00. Les chambres ont été fermées pendant 20 min et des échantillons d'air ont été prélevés à 0, 10 et 20 min à l'aide d'une seringue en polypropylène de 50 ml, puis transférés dans des flacons de chromatographie préalablement évacués (20 ml). La température à l'intérieur et à l'extérieur de la chambre a été mesurée à l'aide d'un thermomètre numérique (Incoterm®) pour corriger les flux de gaz.

Des échantillons d'air ont été analysés par chromatographie en phase gazeuse (Shimadzu Greenhouse Gas Analyzer GC-2014 ; Kyoto, Japon) dans les conditions suivantes : (1) N2O : température de l'injecteur, 250 °C ; température de la colonne, 80 °C ; gaz vecteur N2 (30 mL min−1) ; et température du détecteur de capture d'électrons, 325 °C ; et (2) CH4 : gaz de flamme H2 (30 mL min-1) et température du détecteur d'ingestion de flamme, 280 °C.

Les flux d'oxyde nitreux (µg N–N2O m−2 h−1) et de CH4 (µg C–CH4 m−2 h−1) ont été calculés en tenant compte d'une augmentation linéaire de la concentration de gaz à l'intérieur de la chambre pendant la période de fermeture et corrigés en fonction de la température ambiante, de la pression ambiante et des dimensions de la chambre, comme suit :

où gaz est l'incrément de concentration de gaz à l'intérieur de l'enceinte pendant la période fermée (ppb min−1) ; Mω est la masse molaire de N–N2O (28 g mol−1) ou C–CH4 (12 g mol−1) ; V est le volume de la chambre (m3) ; 60 est le facteur de conversion des minutes en heures ; 10–6 représente le facteur de conversion de g en µg ; A est la surface de la chambre (m2); VMcorr est le volume moléculaire corrigé des conditions normales de température et de pression au moment du prélèvement ; et 10–9 est le facteur de conversion de ppb en µL m−3.

Les flux ont été multipliés par 24 pour obtenir les émissions quotidiennes, et les valeurs quotidiennes ont été intégrées par interpolation linéaire pour obtenir les émissions cumulées au cours de la période évaluée. Les flux négatifs ont été inclus dans les calculs pour éviter des données biaisées68.

Après avoir retiré les animaux des parcs d'engraissement, la volatilisation de NH3 a été évaluée jusqu'à ce que l'émission de NH3 cesse par échantillonnage aux jours 1, 2, 3, 4, 6, 8, 13, 19, 25, 31, 38, 44, 51, 59, 68 et 77 après positionnement de la chambre. Les chambres ont été placées au hasard au-dessus du fumier (fèces et urine) dans les zones préalablement délimitées. La quantification a été réalisée selon la méthodologie de la chambre statique69, en utilisant des chambres semi-ouvertes constituées de bouteilles en plastique contenant une mousse imbibée de 10 mL d'une solution 1,0 mol dm−3 H2SO4 + glycérine 2% (v/v) pour capturer N. La quantité de N-NH3 retenu dans la mousse a été déterminée par distillation, selon la méthode Kjeldhal (méthode 973.49)61 et un facteur de correction de 1,74 a été utilisé69.

Des échantillons de fumier composés d'excréments et d'urine déposés dans le sol du matériau de surface du parc d'engraissement, piétinés par les animaux, ont été prélevés aux jours 42, 63 et 105 après les évaluations de N2O et de CH4, directement au-dessus de la surface du sol aux endroits où les chambres étaient positionnées. Les échantillons ont été analysés pour la teneur en DM (méthode 930.15)64, MO (méthode 942.05)64, C total, N total (méthode de combustion sèche, utilisant Leco® CN-828, Leco Corporation, Michigan, États-Unis) et N inorganique du sol (NO3− et NH4+) (distillation à l'aide d'oxyde de magnésium et d'alliage de Devarda, méthode 973.49)64.

La production fécale a été estimée à l'aide de la technique du marqueur interne70 basée sur le marqueur NDF indigeste (NDFi). L'échantillonnage fécal a été effectué à partir du 60e jour après l'entrée des animaux dans les parcs d'engraissement, pendant trois jours consécutifs, directement à partir du rectum des animaux. L'échantillonnage a été effectué le matin, le milieu de la journée et l'après-midi les premier, deuxième et troisième jours, respectivement. Un prélèvement fécal composite, par animal (9 animaux/traitement), a été réalisé avec les prélèvements de ces trois jours. Les échantillons ont été mélangés, homogénéisés, partiellement séchés dans une étuve à ventilation forcée à 55 °C pendant 72 h, et broyés dans un broyeur avec un tamis de 2 mm. Des échantillons des ingrédients de l'alimentation des animaux ont été collectés et leur consommation a été déterminée à l'aide de l'INTERGADO®.

La teneur en NDFi fécal a été déterminée après incubation des échantillons in situ pendant 288 h71 suivie d'une extraction avec un détergent neutre à l'aide d'un autoclave72. La production de MS fécale a été déterminée comme le rapport entre la concentration de l'indicateur interne ingéré par l'animal et sa concentration dans les fèces73.

Des échantillons d'urine ont été prélevés simultanément avec des échantillons fécaux. En bref, des aliquotes d'urine de 50 mL ont été prélevées (échantillon « ponctuel ») pendant trois jours consécutifs74. La concentration de créatinine dans l'échantillon ponctuel a été déterminée par une méthode colorimétrique à l'aide d'un kit commercial (Labtest®). L'excrétion urinaire a été estimée sur la base de l'association entre l'excrétion de créatinine et le poids corporel en utilisant l'équation proposée par75 :

où UCE = excrétion urinaire de créatinine et BW = poids corporel en kg.

Les échantillons fécaux et d'urine ont été analysés pour la teneur en C total et en N total en utilisant la méthode de combustion sèche avec Leco® CN-828 (Leco Corporation). La rétention d'azote (NR) a été exprimée en grammes par jour et en pourcentage de NC, et l'excrétion fécale et urinaire de N a été exprimée en pourcentage de la matière totale excrétée. L'équation suivante a été utilisée pour calculer NR :

où NC = consommation de N, EFN = excrétion de N fécal et EUN = excrétion de N urinaire.

Toutes les analyses statistiques ont été effectuées à l'aide de SAS 9.4 (SAS Inc., Cary, NC). Les variables de réponse ont été analysées dans une conception complètement randomisée en utilisant la procédure PROC MIXED. Il y avait neuf unités expérimentales par traitement. Les valeurs moyennes ont été comparées à l'aide de contrastes orthogonaux (SM contre RUP et BSM contre CGM) à un niveau de probabilité de 5 %.

Le N total, le C total et le C/N dans les fèces et l'urine et le bilan azoté ont été analysés en considérant un modèle incluant les traitements (SM, BSM et CGM) comme effets fixes, les animaux (unité expérimentale dans l'option RANDOM SAS) et l'erreur aléatoire résiduelle (NIID) de (0, σ2) comme effets aléatoires.

Les émissions cumulées de N2O, CH4 et NH3 et les caractéristiques du fumier (DM, MO, N, C, C/N, NH4+ et NO3− du fumier, échantillonné au jour 0, avant le début des mesures des émissions de NH3) ont été analysées en considérant un modèle incluant les traitements (SM, BSM et CGM) comme effets fixes, la chambre (unité expérimentale dans l'option RANDOM SAS) et l'erreur aléatoire résiduelle (NIID) de (0, σ2) comme effets aléatoires.

Les flux quotidiens de protoxyde d'azote et de CH4 et les caractéristiques du fumier (DM, OM, N, C, C/N, NH4+ et NO3−, échantillonnés aux jours 42, 63 et 105 de l'évaluation du N2O et du CH4) ont été analysés à l'aide d'un modèle mixte à mesures répétées dans le temps comprenant les traitements (SM, BSM et CGM), la période de collecte et l'interaction en tant qu'effets fixes, chambre (unité expérimentale et option RANDOM SAS) et erreur aléatoire résiduelle (NIID) de (0, σ2) comme effets aléatoires. Des matrices de covariance distinctes ont été évaluées et la meilleure structure a été sélectionnée selon le critère d'information d'Akaike (AIC).

L'analyse de corrélation de Pearson entre les émissions de gaz (N2O et CH4) et la composition chimique (N, C, C/N, DM, OM et NH4+) du fumier a été effectuée séparément pour chaque jour d'échantillonnage (jours 42, 63 et 105 de l'évaluation du fumier), et en tenant également compte de toutes les données recueillies ces jours-là.

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Ce travail a été soutenu par la Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (2016/22022-4) et une bourse pour LM Coelho (2019/11864-2) et AS Cardoso (2017/11274-5). Les auteurs souhaitent également remercier le Conseil national pour le développement scientifique et technologique - CNPq pour le financement de LF Brito (subvention 118700/2017-0 et subvention 103245/2020-0) et JD Messana (subvention 103922/2019-9) et LM Coelho (subvention 130981/2019-2). Les auteurs tiennent également à remercier la Coordination pour le perfectionnement des personnels de l'enseignement supérieur (CAPES).

Département des sciences animales, Université d'État de Paulista (UNESP) - Faculté des sciences agricoles et vétérinaires (FCAV), Jaboticabal, SP, 14884-900, Brésil

Larissa de Melo Coelho, Liziane de Figueiredo Brito, Juliana Duarte Messana, Abmael da Silva Cardoso, Geovany Macêdo Carvalho, Rodrigo de Nazaré Santos Torres & Telma Teresinha Berchielli

Département d'ingénierie et de sciences exactes, Universidade Estadual Paulista (UNESP) - Faculté des sciences agricoles et vétérinaires (FCAV), Jaboticabal, SP, 14884-900, Brésil

Roberta Souto Carlos & Euclides Braga Malheiros

Département des sciences du sol, Université d'État de Paulista (UNESP) - Faculté des sciences agricoles et vétérinaires (FCAV), Jaboticabal, SP, 14884-900, Brésil

Mara Cristina Pessoa da Cruz

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LMC, JDM, ASC, LFB et TTB ont conçu l'expérience. LMC, GMC et LFB ont mené l'expérience et collecté des échantillons. LMC et RSC ont analysé les échantillons. L.MC., LFB, EBM, RNST ont réalisé des analyses statistiques. LMC, LFB, JDM et ASC ont rédigé le manuscrit. LMC, JDM, ASC, LFB, MCPC et TTB ont révisé et édité le manuscrit. Tous les auteurs ont approuvé le manuscrit final comme indiqué.

Correspondance à Larissa de Melo Coelho.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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de Melo Coelho, L., de Figueiredo Brito, L., Messana, JD et al. Effets des sources de protéines non dégradables dans le rumen sur les émissions d'oxyde nitreux, de méthane et d'ammoniac provenant du fumier des bovins finis en parc d'engraissement. Sci Rep 12, 9166 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-13100-9

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Reçu : 29 août 2021

Accepté : 20 mai 2022

Publié: 02 juin 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-13100-9

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