Reduction in the in vitro ruminal methane production with the inclusion of Cucurbita foetidissima / Reducción en la producción ruminal de metano in vitro con la inclusión de Cucurbita foetidissima

ABSTRACT Objective. This research aimed to evaluate the inclusion of Cucurbita foetidissima (BG) leaves as a partial or total substitution of alfalfa hay (AH) in beef cattle diets on in vitro methane output, gas kinetics and volatile fatty acids production. Materials and Methods. Five experimental treatments were formulated with the inclusion of BG as alfalfa hay (AH) substitute at 0, 25, 50, 75 and 100% in experimental treatments denominated CON (control), BG25, BG50, BG75 and BG100, respectively. Results. Lignin and organic matter decreased with BG inclusion (p<0.05). However, NDF, CT and TPC increased with higher levels of BG (p<0.05). Maximum gas production diminished with BG inclusion (p<0.05); whereas, microbial protein production, specific gas production rate and latency period were not affected (p>0.05). Methane production decreased linearly with BG inclusion (p<0.05). Nevertheless, CO2 production showed no changes with inclusion of graded levels of BG in the experimental treatments (p>0.05). Additionally, acetate and butyrate were not affected by BG inclusion (p>0.05); although, propionate increased linearly among treatments (p<0.05). Furthermore, inclusion of 75% of BG reduced 31% in vitro methane production without changes in CO2 production, suggesting an inhibition of endogenous methanogenesis. Conclusions. These results promote the inclusion of BG leaves as a potential and environmentally friendly forage source for beef cattle feeding.

RESUMEN Objetivo. El objetivo de este estudio fue evaluar la inclusión de hojas de Cucurbita foetidissima (BG) como sustituto parcial o total de la alfafa (AH) en la dieta de ganado de engorda sobre la cinética de producción de gas y producción ruminal in vitro de metano y ácidos grasos volátiles. Materiales y Métodos. Se formularon cinco dietas con la inclusión de BG como sustituto de heno de alfalfa a 0, 25, 50, 75 y 100% en los tratamientos experimentales que se denominaron CON (control), BG25, BG50, BG75 y BG100, respectivamente. Resultados. La lignina y la materia orgánica disminuyeron con la inclusión de BG (p<0.05). La máxima producción de gas disminuyó con la inclusión de BG (p<0.05); mientras que la producción de proteína microbiana, la tasa específica de producción de gas y el tiempo de latencia no mostraron cambios(p>0.05). La producción de metano disminuyó linealmente con la inclusión de BG (p<0.05). No obstante, la producción de CO2 no mostró cambios con la inclusión de BG en los tratamientos (p<0.05). Adicionalmente, el acetato y el butirato no fueron afectados por la inclusión de BG (p>0.05); a pesar de que el propionato se incrementó linealmente (p<0.05). Además, la inclusión de BG en un 75% redujo la producción de metano 31% sin afectar la producción de CO2, lo que sugiere una inhibición de la metanogenesis endógena. Conclusiones. Estos resultados promueven la inclusión de hojas de BG como una fuente de forraje potencial y amigable con el ambiente en la alimentación de ganado de engorda.

Methane production from four forages at three maturity stages in a ruminal in vitro system / Producción de metano de cuatro forrajes en tres estados de madurez en un sistema ruminal in vitro / Produção de metano de quatro forragens em três estágios de maturidade em um sistema ruminal in vitro

Abstract Background: Forage characteristics can modify in vitro methane production. There is little information about in vitro methane production of legumes and grasses at different maturity stages in tropical highland grazing systems. Objective: To evaluate the effect of species and forage maturity on in vitro methane production. Methods: Four forage species grown in tropical highlands of Colombia, two grasses: Kikuyu (Cenchrus clandestinus, previously named Pennisetum clandestinum) and ryegrass (Lolium perenne var. Samsum), and two legumes: Lotus (Lotus uliginosus var. Maku) and red clover (Trifolium pratense) were harvested in two paddocks at three maturity stages (young, intermediate, and mature). In vitro 48 h gas production was measured and methane proportion in gas was quantified by gas chromatography. Data were analysed as a randomized complete block (paddocks) design with a factorial arrangement 4×3 (4 species × 3 maturity stages) using the GLM procedure of SAS®. Results: Lotus produced less methane (p<0.01) than ryegrass, clover, and kikuyu (35.5 vs 64.7, 55.7 or 51.4 mL/g degraded organic matter, respectively). Younger forages produced less methane than intermediate and mature forages (42.8 vs 56.3 and 56.4 mL/g degraded organic matter, respectively). Cellulose concentration and organic matter degradability explained 67% (p<0.01) of methane production. Conclusion: Forage composition, presence of condensed tannins, and changes in fermentation patterns may explain the differences observed in in vitro methane production among species and maturity stages.

Resumen Antecedentes: Las características de los forrajes pueden afectar la producción de metano. Hay poca información sobre la producción de metano de leguminosas y gramíneas en diferentes estados de madurez en los sistemas pastoriles de trópico alto. Objetivo: Evaluar el efecto de la especie y la madurez de los forrajes sobre la producción de metano in vitro. Métodos: Cuatro especies forrajeras de trópico alto colombiano, dos gramíneas: Kikuyo (Cenchrus clandestinus, anteriormente llamado Pennisetum clandestinum) y ryegrass (Lolium perenne var. Samsum) y dos leguminosas: Lotus (Lotus uliginosus var. Maku) y trébol rojo (Trifolium pratense), fueron cosechadas de dos parcelas en tres estados de madurez (joven, intermedio y maduro). Se midió la producción de gas in vitro a las 48 h y la proporción de metano en el gas por cromatografía de gases. Los datos se analizaron empleando un diseño de bloques completos al azar (parcelas) con un arreglo factorial 4×3 (4 especies × 3 estados de madurez) mediante el procedimiento GLM de SAS®. Resultados: El lotus produjo menos metano (p<0,01) que el ryegrass, trébol o kikuyo (35,5 vs 64,7, 55,7 o 51,4 mL/g materia orgánica degradada, respectivamente). Los forrajes jóvenes produjeron menos metano que aquellos de edad intermedia y madura (42,8 vs 56,3 y 56,4 mL/g materia orgánica degradada, respectivamente). La concentración de celulosa y la digestibilidad de la materia orgánica explicaron el 67% (p<0,01) de la producción de metano. Conclusión: La composición de la pastura, la concentración de taninos condensados y los cambios en los patrones de fermentación pueden explicar las diferencias en la producción de metano in vitro según la especie y madurez del forraje.

Resumo Antecedentes: As caraterísticas das forragens podem modificar a produção de metano. Existe pouca informação sobre a produção de metano de leguminosas e gramíneas em diferentes fases de maturidade nos sistemas de pastoreio de trópico alto. Objetivo: Avaliar o efeito da espécie e a maturidade das forragens sobre a produção de metano in vitro. Métodos: Quatro espécies de forragens de trópico alto colombiano, duas gramíneas: Capim quicuio (Cenchrus clandestinus), antigamente chamado Pennisetum clandestinum) e azevém (Lolium perenne var. Samsum) e duas leguminosas: Trevina (Lotus uliginosus var. Maku) y trevo (Trifolium pratense), foram colhidas de duas parcelas diferentes em três fases diferentes de maturidade (jovem, intermedia e madura). Foi avaliada a produção de gás in vitro às 48 h e a proporção de metano foi determinada por cromatografia de gases. Os dados foram analisados com um delineamento em blocos ao acaso (parcelas) com um arranjo fatorial 4×3 (4 espécies × 3 fases de maturidade) utilizando o procedimento GLM de SAS®. Resultados: Trevina produz menos metano (p<0,01) que azevém, trevo o capim quicuio (35,5 vs 64,7, 55,7 ou 51,4 mL/g matéria orgânica degradada, respetivamente). Forragens jovens produzem menos metano que forragens com idade intermedia e matura (42,8 vs 56,3 y 56,4 mL/g matéria orgânica degradada, respetivamente). A concentração de celulosa e a digestibilidade da matéria orgânica explicaram o 67% (p<0,01) da produção de metano. Conclusão: A composição da pastagem, a concentração de taninos condensados e as mudanças nos padrões de fermentação podem explicar as diferencias na produção de metano in vitro entre espécies e maturidade de forragens.

Bacterias anaerobias: procesos que realizan y contribuyen a la sostenibilidad de la vida en el planeta / Anaerobic bacteria: processes they perform and their contribution to life sustainability on the planet

Objetivo. Se realiza una revisión sobre los aspectos degradativos de materia orgánica, obtención de energía y nutrientes de las bacterias anaerobias. La importancia de estos microorganismos es el papel que desempeñan en los procesos que contribuyen al mantenimiento de la vida misma. Dentro del metabolismo para la descomposición de macromoléculas, estos microorganismos realizan varios procesos: hidrólisis, acetogénesis y metanogénesis, entre otros, cobija reacciones que se realizan dependiendo de las características particulares de la bacteria y de las funciones que cumplen dentro del ciclo degradativo, para la obtención de nuevos productos dependiendo de las rutas bioquímicas o procesos fermentativos que allí se desarrollan.

Objective. A review of the degradation aspects of organic matter, obtaining energy and nutrients from anaerobic bacteria is performed. The importance of these organisms is the role they play in the processes contributing to the maintenance of life itself. Within the metabolism for the decomposition of macromolecules, these microorganisms perform several processes: hydrolysis acetogenesis and methanogenesis, among others, it covers reactions performed depending on the particular characteristics of the bacteria and of the roles in the degradative cycle for development of new products depending on the biochemical pathways or fermentation processes that take place there.

Efecto del oxígeno y la glucosa en la metanogénesis y mineralización de resinas poliméricas / The effect of oxygen and glucose on polymeric resin methanogenesis and mineralisation

The effect of dissolved oxygen concentration and glucose on polymeric resin compounds’ methanogenesisand mineralisation was examined in batch cultures. They were inoculated with sludge from an upflow anaerobicsludge blanket reactor fed with polymeric resin compounds and 1.0 mg L-1 steady-state dissolved oxygen.All tests were carried out with 1,500 mg L-1 chemical oxygen demand (COD), at 30±2ºC, with 23.8 g L-1 volatile suspended solids (VSS) as inoculum and 1:1 COD/VSS ratio. The effect of different dissolved oxygen concentrations showed that COD efficiently removed glucose whilst methanogenic activity remained constant at low concentrations (0.6 and 1.0 mg L-1), but polymeric resin compounds’ COD removal efficiency increased 58.1±1% whilst methane yield decreased, due to the higher aerobic mineralisation of carbon to carbon dioxide. The result of different glucose/polymeric resin compound ratios in the presence of 0.6 mg L-1 dissolved oxygen showed that glucose did not improve polymeric resin compound removal. However, methanogenic activity decreased by 75% with polymeric resin compounds as substrate compared to methanogenic activity with glucose as sole carbon source, suggesting that the presence of glucose promotes conditions for highertolerance to oxygen. The presence of low dissolved oxygen concentrations therefore promotes polymeric resin compounds’ methanogenesis and mineralisation.

En el presente trabajo se evaluó el efecto de la concentración de oxígeno disuelto (OD) y la presencia de laglucosa en la metanogénesis y mineralización de los compuestos de resinas poliméricas, mediante cultivos en lote. El inóculo utilizado para los cultivos fueron lodos procedentes de un reactor de lecho de lodos con flujoascendente UASB (por sus siglas en inglés), alimentado con glucosa y aguas residuales de resinas poliméricas,y 1,0 mg L-1 d-1 de oxígeno disuelto en estado estacionario. Todas las pruebas fueron realizadas con 1500 mgL-1 de demanda química de oxígeno, a 30±2° C, con 23,8 g L-1 de sólidos suspendidos volátiles como inóculoy una relación demanda química de oxígeno / sólidos suspendidos volátiles de 1. El efecto de diferentesconcentraciones de oxígeno disuelto mostró que, para la glucosa, con bajas concentraciones (0,6 y 1,0 mgL-1) la eficiencia de remoción de la demanda química de oxígeno y la actividad metanogénicas permanecieronconstantes, pero la eficiencia de remoción de la demanda química de oxígeno para los compuestos de resinaspoliméricas aumentó 58,1±1% y el rendimiento de metano disminuyó, debido a que una mayor fracción delcarbono alimentado fue mineralizada a dióxido de carbono, posiblemente por una ruta aerobia. Los resultadoscon diferentes proporciones de glucosa / compuestos de resinas poliméricas (CRP) en presencia de 0,6 mg L-1 de oxígeno disuelto mostraron que la presencia de glucosa no mejoró la eliminación de los compuestosde resinas poliméricas. Sin embargo, la actividad metanogénica disminuyó en un 75% cuando solamente se usó a los compuestos de resinas poliméricas como sustrato, al compararla con la actividad metanogénica con glucosa como única fuente de carbono, sugiriendo que la glucosa no favorece la eliminación de los compuestosde resinas poliméricas, pero proporciona una mejor tolerancia al oxígeno..

Remoción de percloroetileno en dos tipos de sistemas anaerobios continuos

Se evaluó y comparó el desempeño de dos reactores mesofílicos metanogénicos de mezcla completa escala laboratorio (RMC1, RMC2) y un reactor metanogénico de lecho fluidizado (RANLEF, con carbón activado granular como soporte) para remoción de percloretileno (PCE) tras adicionar una moderada cantidad de metanol en el afluente. Los reactores fueron operados con cargas de 0,07 y 1gDQO·l-1·d-1, y tiempos de retención hidráulica de 15 y 1d, respectivamente. El diseño experimental consistió en tres períodos de operación: régimen metanogénico con metanol como fuente de C (periodo 1), igual con aclimatación a 20mgPCE·l-1 (periodo 2.1) o 40mgPCE·l-1 (2.2), e igual con 40mgPCE·l-1 en RANLEF y RMC1, y 20mgPCE·l-1 en RMC2 (periodo 3). La eficiencia de PCE y DQO fue más alta en RANLEF en el primer periodo; el CH4 en biogás y el incremento de cloro fueron similares en los tres reactores. Durante el periodo 2.2 la remoción de PCE alcanzó 81% en RANLEF, sugestivo de buena aclimatación a mayor entrada de PCE; la remoción de DQO se mantuvo alta, y el contenido de CH4 en biogás alcanzó un valor medio de 64% v/v, indicando un régimen metanogénico satisfactorio. Los RMCs experimentaron un deterioro drástico en su desempeño al aumentar PCE de 20 a 40mg·l-1, por lo que se regresó el RMC1 a 20mg·l-1. El desempeño de RMC2 se mantuvo bajo, sugiriendo un impacto negativo sobre la metanogénesis y remoción de PCE. En contraste, el RMC1 con 20mg·l-1 se recuperó del estado transitorio negativo, exhibiendo desempeño similar al RANLEF alimentado con 40mg·l-1. En el período 3, el RANLEF con 40mg·l-1 y el RMC1 con 20mg·l-1 mostraron desempeño similar, mientras que el RMC2 con 40mg·l-1 exhibió una disminución en la eficiencia de remoción de DQO, baja productividad de biogás y contenido de CH4 en biogás, pero la remoción de PCE estuvo cerca de RANLEF y RMC1. La eficiencia de descloración del RMC2 fue significativamente menor que la del RANLEF, el cual fue más robusto y estable en el proceso anaerobio de remoción de alta concentración de PCE.

Performance was evaluated and compared in two lab-scale mesophilic methanogenic complete mix reactors (RMC1, RMC2) and a methanogenic fluidized bed reactor (RANLEF) for removal of perchloroethylene (PCE) when fed a moderate concentration of methanol. The RMCs and RANLEF were operated at loading rates of 0.07 and 1gCOD·l-1·d-1, and hydraulic retention times of 15 and 1 day, respectively. The experimental design consisted of three periods of operation: methanogenic regime with methanol as carbon source (1); same with acclimation to 20 (2.1) or 40mgPCE·l-1 (2.2); and same with 40mgPCE·l-1 in RANLEF and RMC1 and 20 mgPCE·l-1 in RMC2 (3). In the first period both PCE and COD removals were higher in RANLEF; biogas CH4 content and chloride increase were similar in the three reactors. During period 2.2, PCE removal increased up to 81% in RANLEF, suggesting a good acclimation to the higher inflow PCE concentration; COD reduction remained high, and CH4 in biogas indicated a satisfactory methanogenic regime. The RMCs experienced drastic performance impairments upon increase of inflow PCE (20 to 40mg·l-1), and RMC1 was returned to operate with 20mgPCE·l-1. RMC2 performance remained poor, showing a drastic deterioration of methanogenesis and PCE removal. By contrast, RMC1 with 20mgPCE·l-1 recovered from the negative transient state and exhibited similar performance to that of RANLEF fed 40mg·l-1. In period 3, RANLEF with 40mg·l-1 and RMC1 with 20mg·l-1 showed similar performances, whereas RMC2 kept with 40mg·l-1 exhibited impaired COD removal, lower biogas productivity and CH4 biogas content, but a PCE removal very close to RANLEF and RMC1. The dehalogenation efficiency of RMC2 was significantly lower than that of the RANLEF, which appears to be a more robust and stable anaerobic process for the effective removal of high concentrations of PCE.

Avaliou-se e comparou-se o desempenho de dois reatores mesofílicos metanogênicos de mistura completa escala laboratório (RMC1, RMC2) e um reator metanogênico de leito fluidizado (RANLEF, com carvão ativado granular como suporte) para remoção de percloretileno (PCE) depois de adicionar uma moderada quantidade de metanol no afluente. Os reatores foram operados com cargas de 0,07 e 1gDQO·l-1·d-1, e tempos de retenção hidráulica de 15 e 1d, respectivamente. O projeto experimental consistiu em três períodos de operação: regime metanogênico com CH4 como fonte de carbono (1), igual com aclimatação a 20mgPCE·l-1 (2.1) ou 40mgPCE·l-1 (2.2), e igual com 40mgPCE·l-1 em RANLEF e RMC1, e 20mgPCE·l-1 em RMC2 (3). A eficiência de PCE e DQO foi mais alta em RANLEF no primeiro período; o CH4 em biogás e o incremento de cloro foram similares nos três reatores. Durante o período 2.2 a remoção de PCE alcançou 81% em RANLEF, sugestivo de boa aclimatação a maior entrada de PCE; a remoção de DQO se manteve alta, e o conteúdo de CH4 em biogás alcançou um valor médio de 64% v/v, indicando um regime metanogênico satisfatório. Os RMCs experimentaram um deterioro drástico no seu desempenho ao aumentar PCE de 20 a 40mg·l-1, pelo que se regressou o RMC1 a 20mg·l-1. O desempenho de RMC2 se manteve baixo, sugerindo um impacto negativo sobre a metanogênesis e remoção de PCE. Em contraste, o RMC1 com 20mg·l-1 se recuperou do estado transitório negativo, exibindo desempenho similar ao RANLEF alimentado com 40mg·l-1. No período 3, o RANLEF com 40mg·l-1 e o RMC1 com 20mg·l-1 mostraram desempenho similar, enquanto que o RMC2 com 40mg·l-1 exibiu uma diminuição na eficiência de remoção de DQO, baixa produtividade de biogás e conteúdo de CH4 em biogás, mas a remoção de PCE esteve perto de RANLEF e RMC1. A eficiência de descloração do RMC2 foi significativamente menor que a do RANLEF, o qual foi mais robusto e estável no processo anaeróbio de remoção de alta concentração de PCE.