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Evaluación in vitro de subproductos agrícolas y plantas con capacidad desfaunante sobre la producción de metano

DIEGO FELIPE PORTELA DIAZ (2012)

Tesis ( Maestría en Ciencias, especialista en Ganadería).- Colegio de Postgraduados, 2012.

Actualmente se necesitan alternativas que disminuyan la emisión de metano asociada a la producción ganadera, una opción, es el uso de plantas que contienen metabolitos secundarios y causan la desfaunación ruminal. El presente estudio tuvo como objetivo principal, evaluar la capacidad desfaunante in vitro de diferentes plantas y subproductos agrícolas, así como su efecto en algunas variables de fermentación ruminal, población de microorganismos, producción de dióxido de carbono y metano. En la primera fase, se evaluaron 10 plantas y 6 subproductos agrícolas. El follaje del chicalote blanco (Argemone ochroleuca) y el subproducto, cascabillo de café (Coffea arabica) fueron seleccionados, ya que presentaron la mayor capacidad desfaunante. A la 96 h de incubación, el follaje de chicalote presento la mayor producción (P<0.05) de ácido butírico, mientras que, el cascabillo de café tuvo menor producción (P<0.05) de acético y butírico. Para la segunda fase, el cascabillo de café estimuló la mayor (P<0.05) DIVMS de la alfalfa a las 72 h de incubación. El fármaco Secnidazol® resulto el mejor desfaunante, 100% efectivo, no afecta la población de bacterias ruminales totales y disminuye la producción de biogás y metano. A las 72 horas de incubación el porcentaje de metano en el biogás producido represento 17.13, 14.09 y 5.13%, para los tratamientos con chicalote, cascabillo de café y Secnidazol®, respectivamente. _______________ IN VITRO EVALUATION OF AGRICULTURAL BY-PRODUCTS AND PLANTS WITH DEFAUNANT CAPACITY ON METHANE PRODUCTION. ABSTRACT: New alternatives to decrease methane emissions related to the husbandry production systems are required, the use of plants containing secondary metabolites that produce defaunation of the rumen is an option. The main objective of the present research was to evaluate the defaunation ability of different plants and agricultural by-products in vitro, as well as, their effect on some rumen-fermentative, microorganism’s concentration, and methane and carbon dioxide production variables. Ten plants and six agricultural by-products were evaluated during the first phase. The leaves of white chicalote (Argemone ochroleuca) and the coffee husk byproduct (Coffea arabica) were selected, because they showed the highest defaunation capacity. The chicalote leaves had the highest (P<0.05) acetic production, and the coffee husk the lowest (P<0.05) acetic and butyric production after 96 h of incubation. In the second phase, the coffee husk stimulates the highest (P<0.05) alfalfa´s IVDMD, after 72 h of incubation. The Secnidazole® drug was the best defaunation agent, 100 percent effective, without negative effect or rumen bacteria, and decreases the biogas and methane production. The percent of methane contained in the biogas was 17.3, 14.09 and 5.13% for the chicalote, coffee husk and Secnidazole® treatments, respectively.

Master thesis

Metano Desfaunación Protozoarios Coffea arabica Argemone ochroleuca Methane Defaunation Protozoa Ganadería Maestría CIENCIAS AGROPECUARIAS Y BIOTECNOLOGÍA

Degradabilidad y producción de metano in vitro del follaje de árboles y arbustos con potencial en la nutrición de rumiantes

Degradability and in vitro methane production of tree and shrub foliage with potential in ruminant nutrition

GENESIS ESTER PEREZ CAN SAMUEL ALBORES MORENO JOSE ROBERTO SANGINES GARCIA EDGAR AGUILAR URQUIZO ALFONSO JUVENTINO CHAY CANUL (2020)

El objetivo del estudio fue determinar el valor nutritivo, la fermentación ruminal y la producción de metano in vitro del follaje de especies arbóreas y arbustivas con potencial forrajero como estrategias de alimentación en época de secas y mitigación de las emisiones de metano. El líquido ruminal fue extraído por medio de una sonda esofágica. Se utilizó un diseño en bloques repetidos en el tiempo. El contenido de proteína cruda (PC) y fibra detergente neutro y acida fluctuaron de 6.14% a 21.78%, 44.34% a 77.43% y 16.12% a 49.53% de materia seca (MS). No se encontró diferencia en el volumen máximo de gas (p > 0.05). La degradabilidad fue diferente, observando la mejor en Tithonia diversifolia (760.40 g/kg de MS), Morus alba (800.66 g/kg de MS) y Hibiscus rosa-sinensis (800.16 g/kg de MS), mientras que la más baja fue

Megatryrsus maximus (390.40 g/kg de MS y 287.40 g/kg de materia orgánica (MO)) (p< 0.05). No se observó diferencia en la producción de metano (CH4) (p> 0.05). Se concluye que L. leucocephala, P. piscipula, B. alicastrum y G. ulmifolia, T. diversifolia y M. alba tienen un alto potencial para ser incluidos en la dieta de rumiantes como fuentes de proteína en época de secas y estrategias para mitigar las emisiones de metano.

The objective of the study was to determine the nutritional value, ruminal fermentation, and in vitro methane production of foliage of tree and shrubs species with forage potential as feeding strategies in dry season and mitigation of methane emissions. The rumen liquor was taken by an esophageal tube. A repeated block design overtime was used. The content

of crude protein (CP) and neutral and acid detergent fiber ranged from 6.14% to 21.78%, 44.34% to 77.43% and 16.12% to 49.53% of dry matter (DM). No difference was found in the maximum volume of gas (p> 0.05). The degradability was

different among species, and it was higher for Tithonia diversifolia

(760.40 g/kg DM), Morus alba (800.66 g/kg DM) and Hibuscus rosa-sinensi

s (800.16 g/kg DM), whilst the lower was for Megathyrsus maximus

(390.40 g/kg DM and 287.40 g/kg organic matter (OM)) (p< 0.05). No difference in methane (CH4) production was observed (p> 0.05). It is concluded that L. leucocephala, P. piscipula, B. alicastrum and G. ulmifolia, T. diversifolia, and

M. alba have a high potential to be included in the ruminant diet as sources of protein in the dry season and strategies to mitigate methane emissions.

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CIENCIAS AGROPECUARIAS Y BIOTECNOLOGÍA TECNOLOGÍA BIOQUÍMICA Metano Metabolitos secundarios Mitigación Trópico Rumiantes - Nutrición Methane Secondary metabolites Mitigation Tropics Ruminants - Nutrition

Emisiones de Gases de Efecto Invernadero en Vertederos de Residuos Sólidos Urbanos Parte B: Mitigación de Biogás en Acapulco, México.

YURIDIA AZUCENA SALMERON GALLARDO Rene Bernardo Elias Cabrera_Cruz ANA LAURA JUAREZ LOPEZ MARIA LAURA SAMPEDRO ROSAS JOSE LUIS ROSAS ACEVEDO JULIO CESAR ROLON GARCIA MIGUEL ANGEL VALERA PEREZ (2017)

Se estimaron proyecciones de generación y recuperación de biogás a través del Modelo Mexicano de Biogás 2.0. El índice de generación de metano (k) calculado es de 0.220 m3/ton, el índice potencial de generación de metano (Lo) es de 69 m3/t con un factor de corrección de metano (MCF) de 1.0 para una degradación anaeróbica rápida, la eficiencia de captura es de 61%, la reducción de emisiones de GEI es de 170,743 ton/a CO2-eq (45.05% de la huella de carbono determinada en el manejo de los residuos). Los datos obtenidos proveen información local y estatal para la regulación de operación y para las medidas de reducción de emisiones de metano en el sitio de disposición final de Acapulco, Guerrero; México.

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Biogás metano vertederos CIENCIAS SOCIALES DEMOGRAFÍA

Activation of Methanogenesis by Cadmium in the Marine Archaeon Methanosarcina acetivorans.

Elizabeth Lira Silva Michel Geovanni Santiago Martinez Viridiana Hernández Rodolfo Garcia Contreras Rafael Moreno Sanchez Ricardo Jasso Chavez (2012)

Methanosarcina acetivorans was cultured in the presence of CdCl(2) to determine the metal effect on cell growth and biogas production. With methanol as substrate, cell growth and methane synthesis were not altered by cadmium, whereas with acetate, cadmium slightly increased both, growth and methane rate synthesis. In cultures metabolically active, incubations for short-term (minutes) with 10 µM total cadmium increased the methanogenesis rate by 6 and 9 folds in methanol- and acetate-grown cells, respectively. Cobalt and zinc but not copper or iron also activated the methane production rate. Methanogenic carbonic anhydrase and acetate kinase were directly activated by cadmium. Indeed, cells cultured in 100 µM total cadmium removed 41-69% of the heavy metal from the culture and accumulated 231-539 nmol Cd/mg cell protein. This is the first report showing that (i) Cd(2+) has an activating effect on methanogenesis, a biotechnological relevant process in the bio-fuels field; and (ii) a methanogenic archaea is able to remove a heavy metal from aquatic environments.

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Ecología Metanógenos Cadmio Metano Metales pesados Contaminación del agua BIOLOGÍA Y QUÍMICA

Animal nutrition strategies to reduce greenhouse gas emissions in dairy cattle

Estrategias de nutrición animal para reducir emisiones de gases de efecto invernadero en ganado lechero

JUAN ANTONIO RENDON HUERTA JUAN MANUEL PINOS RODRIGUEZ Ermias Kebreab (2018)

The objective of this study was to analyze different animal nutrition strategies from published papers to reduce greenhouse gas (GHG) emissions, particularly methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) in dairy catt-le. Ration data used (n = 32 diets) was obtained from 15 published papers selected according to differences between forage:concentrate ratio and crude protein (CP) content. An empirical model was used to estima-te enteric methane emissions based on fiber and CP content in the diets. The N2O emission was calculated according to Intergovernmental Panel of Climate Change (IPCC) recommendations. Differences between CH4 and N2O affected by FC or CP content were analyzed through a variance analysis. Furthermore, a co-rrelation analysis was carried out to compare CP content and nitrogen excretion in feces, urine and milk. Estimations of enteric CH4 were not significantly different between diets with various forage content le-vels. Diets with high concentrate content had lower GHG intensity. Nitrogen excretion in feces and urine increased linearly as dietary protein level was increased from the lowest to the highest concentrations, but conversion of nitrogen intake to nitrogen excreted in milk was not affected by increasing dietary protein. In conclusion, dietary manipulation could decrease GHG emissions by unit of produced milk

El objetivo de este estudio fue analizar diferentes estrategias de alimentación animal de diferentes artículos publicados para disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), en particular metano y óxido nitroso, en ganado lechero. Datos de dietas usados (32 dietas) fueron obtenidos de 15 estudios publicados y seleccionados de acuerdo a diferencias entre la proporción de forraje: concentrado y el contenido de proteína cruda (PC). Se utilizó un modelo empírico para estimar las emisiones de metano entérico basado en el contenido de fibra y PC en las dietas. Las emisiones de N2O fueron calculadas de acuerdo a las recomendaciones del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC, por sus siglas en inglés). Diferencias entre CH4 y N2O afectados por el contenido de Forraje y PC, fueron analizados mediante un análisis de varianza. Además, se realizó un análisis de correlación para comparar el conte-nido de PC y la excreción de nitrógeno en el estiércol, la orina y la leche. No se presentaron diferencias significativas en estimaciones de CH4 de entérico entre dietas con distintos contenidos de forraje. Las die-tas con mayor contenido de concentrado presentaron las menores intensidades de GEI. La excreción de nitrógeno en el estiércol y la orina se incrementó linealmente al aumentar el contenido de proteína, desde las concentraciones más bajas a las más altas, pero la conversión de nitrógeno consumido a nitrógeno en leche no se vio afectado por incrementos de proteína en la dieta. En conclusión, la manipulación de las raciones podría reducir las emisiones de GEI por unidad de producción de leche

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CIENCIAS AGROPECUARIAS Y BIOTECNOLOGÍA Nitrogen excretion Feeding manipulation Methane Nitrous oxide Milk Excreción de nitrógeno Manipulación de la alimentación Metano Óxido nitroso Leche

Aislamiento y caracterización in vitro de una bacteria acetogénica ruminal

JAIME AZAEL RODRIGUEZ CARRILLO (2009)

Tesis (Maestría en Ciencias, especialista en Ganadería).- Colegio de Postgraduados, 2009.

La producción de metano (CH4) en rumiantes representa una pérdida de energía

metabólica para el animal y contribuye en la generación de gases efecto invernadero. Una

alternativa para disminuir la producción de CH4 en los rumiantes, es desarrollando inoculos

de bacterias acetogénicas que compitan con las bacterias metanogénicas por los sustratos

utilizados en la producción de metano. En el presente estudio se usó un medio de cultivo

selectivo a base de formato y líquido ruminal (F-LR) para el asilamiento de una bacteria

ruminal acetogénica. Se determinaron algunas características morfológicas y metabólicas de

la bacteria aislada. También, se evaluó su capacidad para producir acetato a partir de

formato, y de disminuir la metanogénesis en cocultivo con bacterias ruminales. La bacteria

ruminal acetogénica (BRA) aislada resulto un coco Gram+, 0.5 a 1.0 !m de diámetro,

anaerobio estricto y catalasa negativo. La bacteria se conservo por liofilización con una

vialidad de 108 células g-1 de liofilizado. La BRA degrada formato y produce acetato. En

cocultivo con un cultivo mixto de bacterias ruminales (CMBR), la BRA redujo en 66% la

producción de CH4 después de 72 h de incubación. De acuerdo al análisis de la subunidad

16S del ARN ribosomal, la BRA pertenece a la especie Pantoea agglomerans; aunque,

también puede pertenecer a una especie ruminal no cultivable. Por lo que se requiere

continuar con su identificación molecular. Se concluye que la bacteria ruminal acetogénica

asilada, tiene potencial como inóculo para disminuir la producción de metano en rumiantes. _______The methane (CH4) production in ruminants is considered a metabolic energy lost for

the animal and contributes in the greenhouse gases effects. An alternative to reduce the

ruminants CH4 production, is by development of an inoculum of acetogenic bacteria. These

bacteria must be able to compete with methanogenic bacteria for substrates used in methane

production. In the present study a selective culture medium based on formate-rumen fluid (F-

LR) was used for isolation of the acetogenic rumen bacterium (ARB). Some metabolic and

morphologic characteristics of the bacterium were determined. Also, its ability to produce

acetate from formate, and to reduce methanogenesis in coculture with rumen bacteria were

evaluated. The ARB isolated was a Gram+ coccus, 0.5 -1.0 !m in diameter, strict anaerobe

and catalase negative. The bacterium was preserved by lyophilization, maintained a viability

of 108 cells g-1 of mass lyophilized. The ARB, degrades formate and produces acetate. ARB

reduces by 66% CH4 production after 72 h incubation in coculture with a mixed culture of

rumen bacteria (MCRB). According with the 16 RNA ribosomal analysis, ARB belongs to the

species Pantoea aggolmerans; however, it could also belongs to a non-cultivable rumen

species. Therefore, it is required to continue with its molecular identification. It is concluded

that the acetogenic-rumen bacterium isolated has potential as inoculums to reduce methane

production in ruminants

Master thesis

Metano Bacteria ruminal acetogénica Microorganismos ruminales Gases efecto invernadero CIENCIAS AGROPECUARIAS Y BIOTECNOLOGÍA

Aceites esenciales modificadores de perfiles de fermentación ruminal y mitigación de metano en rumiantes. Revisión

Ruminal fermentation modification and methanogenesis mitigation by essential oils from plants. Review

ALBERTO MURO REYES (2014)

Methane production in ruminant livestock systems has been controlled traditionally through antibiotic use. However, these have been banned in Europe since 2006 and will soon be banned on other continents. In response, research has focused on identifying synthetic and natural compounds with antimicrobial properties that do not foster microorganism resistance. Plant secondary components such as essential oils are receiving increasing attention. To date, only 70 essential oils and their main active principles have been tested to determine their ef fect on ruminal fermentation modification and/or methane mitigation. Most studies addressing these phenomena have been in vitro, and some report significant modification and/or mitigation action. In vivo studies including productive parameters have only recently been carried out. An overview is done of in vitro and in vivo research into the effects of essential oils on the main parameters of ruminal fermentation, methane mitigation, production performance and immune condition, and suggestions made for future research.

Debido a la preocupación mundial que se tiene sobre el calentamiento global por la producción de gases de

efecto invernadero y el impacto que tiene el metano producido por el sector agropecuario, se han usado

antibióticos como mitigantes de la producción de metano; sin embargo estos han sido prohibidos en Europa

desde enero de 2006 y se espera que en los próximos años sea impedido en otros continentes. Esta prohibición generó la investigación de compuestos alternativos sintéticos o naturales con capacidad antimicrobiana que no generen resistencia en los microorganismos pero que ejerzan efectos similares a los antibióticos. Se han evaluado nitrocomponentes, taninos, saponinas, y recientemente otros componentes secundarios de las plantas como los aceites esenciales (AE). Existe una gran cantidad de AE sin embargo; sólo han sido evaluados en promedio 70 de estos, y sus componentes activos, a los que se les atribuye la modificación de la fermentación ruminal o mitigante de metano. La mayoría de los trabajos que mencionan efectos en la fermentación ruminal y mitigación del metano se han realizado in vitro, en algunos casos con resultados importantes, y recientemente se han comenzado a generar datos de investigaciones in vivo con la inclusión de la evaluación de parámetros productivos y de salud animal. El presente tiene como objetivos principales mostrar y discutir los resultados y avances de las investigaciones referentes a AE in vitro e in vivo, en referencia a la inclusión de estos y las respuestas sobre los principales parámetros de fermentación ruminal, mitigación de la producción de metano en el rumen, así como también el rumbo que debieran seguir futuras investigaciones.

Producción Científica de la Universidad Autónoma de Zacatecas UAZ

Article

CIENCIAS AGROPECUARIAS Y BIOTECNOLOGÍA Aceites esenciales Metano Rumiantes

Síntesis y caracterización óptica de una matriz hibrida de SIO2-PMMA dopada con moléculas derivadas de trans-estirilpiridinas y nanoparticulas de oro

JUAN DE LA CRUZ QUIROGA (2016)

"En el presente trabajo de tesis, mediante el proceso sol-gel se sintetizó de forma simultanea dióxido de silicio (SiO2) y polimetilmetacrilato (PMMA) para formar un material híbrido de SiO2-PMMA. A esta matriz híbrida se le incorporaron pigmentos orgánicos como azul de metileno y rodamina 6G, moléculas orgánicas derivadas de trans-estirilpiridinas y nanopartículas de Au. De tal forma que el material híbrido brindara soporte mecánico a estos dopantes, a su vez que estos conservan sus propiedades ópticas. El material se caracterizó mediante distintas técnicas experimentales como espectroscopia de UV-Vis y fotoluminiscencia, también se utilizó la técnica de Z-scan para determinar la respuesta óptica no lineal del material."

Benemérita Universidad Autónoma de Puebla

Master thesis

Nanopartículas Metano CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA

Producción de hidrógeno en reactores de biomasa fija, implicaciones de microorganismos hidrogenotróficos

JULIAN CARRILLO REYES (2013)

"El hidrógeno es considerado el combustible del futuro por su mayor contenido energético comparándolo con cualquier otro combustible. Su producción por vía biológica permite valorizar residuos o aguas residuales, como el suero de leche, pudiendo producirlo de manera renovable además de ser carbono neutral. En la producción fermentativa de hidrógeno, las bacterias anaerobias utilizan los compuestos orgánicos para producir energía metabólica y componentes estructurales, produciendo H2 y una mezcla de ácidos grasos de cadena corta, así como algunos alcoholes. El uso de suero de leche como sustrato para la producción de hidrógeno ha sido estudiado en reactores de biomasa suspendida, obteniendo velocidades de producción muy promisorias. Con el objetivo de aumentar dicha producción, favorecida por una mayor concentración de biomasa, en el presente trabajo se exploró el uso de reactores de biomasa fija (UASB y lecho empacado). Una limitante de los sistemas granulares como los reactores UASB es el largo tiempo de arranque necesario para establecer una comunidad productora de hidrógeno. En este sentido se evaluaron diferentes estrategias de arranque y estructuras del inóculo. Una disminución gradual del tiempo de residencia hidráulica desde 24 a 6 horas, con una velocidad de carga orgánica (VCO) constante de 20 g DQO/L-d fue la estrategia que produjo una biomasa hidrogenogénica mas activa. La producción inesperada de metano a la par del hidrógeno llevó a la evaluación de diferentes estrategias para controlar la metanogénesis. Un aumento en la VCO de 20 a 30 g DQO/L-d incrementó hasta 172% la producción de hidrógeno, disminuyendo la producción de metano en 75%. La única estrategia que inhibió completamente la metanogénesis fue aplicar un segundo tratamiento térmico a la biomasa. Sin embargo, esta última estrategia también seleccionó a consumidores de hidrógeno, como los homoacetogénicos. El análisis de las comunidades en los reactores UASB con técnicas moleculares como PCR-DGGE y clonación mostraron una proliferación de organismos relacionados con los productores de hidrógeno Clostridium tyrobutyricum, Citrobacter freundii y Enterobacter aerogenes, así como los homoacetogénicos Blautia hydrogenotrophica, Oscillibacter valericigenes y Clostridium ljungdahlii. Mientras que los responsables de la producción de metano fueron hidrogenótrofos de los géneros Methanobrevibacter y Methanobacterium."

"Hydrogen is considered the fuel of the future due to the highest energy content compared with any fuel. The biological hydrogen production allows valorizing waste or wastewaters, like the cheese whey, being a renewable and carbon neutral fuel. In the fermentative hydrogen production, anaerobic bacteria use organic substrates to generate metabolic energy and structural components, producing H2 and a mix of short chain fatty acids and alcohols. The cheese whey has been used largely to produce hydrogen in suspended biomass reactors, achieving promising rates. The present work explored the use of biomass fixed reactors (UASB and packed-bed) with the of aim increasing the production rate, favored by the higher biomass concentration. A limitation in granular systems, like the UASB is the long time required to develope a hydrogen producing community. In this sense, different start-up strategies and inoculum structures were evaluated. A gradual decrease of the hydraulic retention time from 24 to 6 hours, with a constant organic loading rate (OLR) of 20 g COD/L-d, produced the more active biomass. The unexpected methane production addressed the evaluation of operational strategies to control the methanogens. An increment of the OLR from 20 to 30 g COD/L-d increased the hydrogen production rate 172%, whereas the methane production was reduced 75%. The only strategy that completely inhibited the methane production was a second heat treatment to the biomass. However, the latter strategy also selected homoacetogens, which are hydrogen consuming organisms. The community analysis of the biomass withdrawn from UASB reactors with molecular techniques, such as PCR-DGGE and cloning, showed a proliferation of organisms related to hydrogen producers such as Clostridium tyrobutyricum, Citrobacter freundii and Enterobacter aerogenes, as well as the homoacetogens Blautia hydrogenotrophica, Oscillibacter valericigenes and Clostridium ljungdahlii. The archaeal community analysis showed that methane was produced by hydrogenotrophs from genera Methanobrevibacter and Methanobacterium."

Doctoral thesis

Homoacetogenesis Lecho empacado UASB Metano Hidrógeno INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA QUÍMICAS HIDRÓGENO