Estrategias nutricionales para mitigar la producción de gases en la porcicultura

A. Butrón.
E. Castañon
www.gponutec.com

1. Introducción

Cada día se pone mayor interés en la producción de desechos, entre ellos la producción de gases en las unidades de producción porcina debido al impacto que puede tener para el medio ambiente, la salud de los animales y las personas,  entre los gases que podemos encontrar se encuentran el amoníaco, sulfuro de hidrógeno, metano, dióxido de carbono y monóxido de carbono.

Es de suma importancia conocer cómo se da la producción de gases, el impacto que pueden tener en parámetros productivos y en la salud de animales y personas involucradas en los sistemas de producción, lo que nos servirá para generar estrategias que nos ayuden a disminuir su producción e impacto.

La gestión eficaz de las emisiones de gases en las unidades de producción porcina es crucial para la sostenibilidad ambiental y la mejora de la eficiencia general de la cría de cerdos. Esta descripción general analizará los tipos de gases producidos, su impacto en la salud, estrategias nutricionales y de manejo que se han investigado e implementado para mitigar la producción de gases en los cerdos, incluida su efectividad, ventajas y desventajas.

2. Contenido

   1. Amoníaco (NH₃)

El amoníaco es uno de los gases más estudiados en producción porcina, debido a que es uno de los que se producen en mayor proporción, es producido a partir de la degradación de las proteínas (ver figura 1) y excretado mediante orina y heces; otra parte es producida a través de la fermentación de heces y orina  dentro de la sala, donde los compuestos nitrogenados son utilizados por microorganismos, produciéndolo (ver figura 2); por lo que el uso de dietas con proteínas de fácil digestión, enzimas o el uso de aminoácidos cristalinos ayudan a una menor producción de amoníaco, minimizando el impacto en el medio ambiente y acidificación del suelo, así como un menor depósito en cuerpos de agua.

Efectos del amoníaco sobre ganancia de peso

Se estudiaron los efectos del amoníaco en cerdos de 8.4 kg, con concentraciones de 0, 50, 100 y 150 ppm durante cuatro semanas encontrando una disminución del crecimiento entre 12 y 30%, además se observó una reacción inflamatoria (Drummond et al., 1980). Aarnink et al., (1996) observaron que la concentración del gas es más alta durante el día, debido a que los cerdos orinan con mayor frecuencia entre las 15 y 18 h.  Drummond et al., (1981) realizaron un estudio en cerdos con cuatro tratamientos, en tres inocularon Bordetella, y dos de ellos estuvieron expuestos a concentraciones de amoníaco  50 ppm y 100 ppm, mientras el cuarto fue grupo control, el resultado fue una menor ganancia de peso en los cerdos con Bordetella vs. el grupo control en un 26% independientemente de la concentración de amoníaco, los cerdos en un ambiente con amoníaco presentaron rinitis, relacionada a la presencia del gas.

2. Sulfuro de hidrógeno.

También conocido como hidruro de azufre, hidrógeno sulfurado, ácido hidro sulfúrico (ATSDR, 2016), es un gas compuesto por dos moléculas de hidrógeno y una de azufre H₂S (EPA, 2014), es incoloro e inflamable a temperatura ambiente, de olor penetrante, irritante y asfixiante similar al de los huevos podridos, solo perceptible en bajas concentraciones; concentraciones mayores a 100 ppm causa fatiga del nervio olfatorio por lo que el olor se hace imperceptible (EPA, 2014). Se encuentra en el medio ambiente en concentraciones muy bajas que oscilan entre las 0.00071 y 0.066 ppm (The National Academies Press, NAP 2010), es más pesado que el aire por lo que se encuentra en las partes bajas, además es considerado altamente tóxico (ATSDR, 2016).

El sulfato y los aminoácidos azufrados en la dieta son absorbidos en su mayoría en intestino delgado y metabolizados en hígado produciendo sulfato, una parte del sulfato es llevado al riñón donde se excreta mediante la orina, el resto regresa al intestino delgado mediante una bomba de sulfatos y pasa al colon donde es asimilado y/o fermentado por las bacterias reductoras de sulfatos que habitan en el microbioma, (ver figura 3) (Roediger et al., 1997; Attene -Ramos et al., 2006). El sulfuro dietético, mucina y aminoácidos azufrados como la metionina, taurina, cistina y cisteína dan como resultado la formación de sulfuro de hidrógeno, por lo que la concentración de sulfuro fecal se correlaciona con la proteína dietaría (Windey et al., 2012; Yao et al., 2015). Este gas también es producto de la descomposición anaerobia del material orgánico (Murphy, T. 2012).

Concentración recomendada.

Se ha encontrado el gas en el medio ambiente en un rango de 0.0005-0.03 ppm (EPA, 2014), CIGR en 1984 establece un límite de 0.5 ppm para cerdos con periodos intermitentes máximos de 5 ppm. Curtis et al., (1977) determinan que concentraciones por debajo del 10 ppm no tienen efecto en los cerdos, sin embargo, el rango recomendado en humanos por The National Institute For Occupational Safety and Health (NIOSH, 1977) es de 10 ppm en un periodo de 10 minutos, 100 ppm inmediatamente ponen en riesgo la vida, mientras que la OSHA (2013) establece un límite de 20 ppm en 10 minutos.

Repercusiones de presencia de sulfuro de hidrógeno en producción.

Cui, et al en 2021 encontraron que la presencia de sulfuro de hidrógeno en lechones disminuye el consumo diario de alimento en un 3%, aumenta la conversión alimenticia en 23.8% lo que impacta hasta en 22% en ganancia diaria de peso, lo que representó una disminución de 2.37 kg en el periodo durante el cual se realizó el estudio (28 días). Al ser un gas que también se produce por la descomposición anaerobia del material orgánico, es común encontrarlo en altas cantidades (200-800 ppm) cuando se remueve las fosas o laguna de fermentación, por lo que es recomendable utilizar equipo especial al trabajar con las fosas  (Murphy, T. 2012).

Como es un gas altamente tóxico, en humanos concentraciones de 10 – 20 ppm causan irritación en ojos y tracto respiratorio, niveles de 50 – 100 vómito y diarrea, niveles mayores a 500 ppm potencialmente pueden causar inconsciencia y muerte (Donham, 1995), se han reportado múltiples muertes de personas y cerdos en Europa y Norte América (Banhazi et al 1995., Donham, 1995).

3. Monóxido de carbono.

Es un gas altamente tóxico, también llamado óxido de carbono,  con una estructura simple: una molécula de oxígeno y una de carbono, es un gas inodoro y sofocante, que puede provocar la muerte de animales o colaboradores cuando se encuentra en altas concentraciones, el causante de más de 500 mil muertes accidentales y más de 2 mil suicidios por intoxicación solo en Estados Unidos. Sin embargo, algunos autores no lo consideran un problema para la porcicultura, debido a que los cerdos no lo producen en altas cantidades (Bjarne, 2005). Sin embargo, se produce como resultado de una combustión incompleta de sustancias como: gas metano, gas natural, madera etc., además de ser producido como producto de la respiración en bajas cantidades.

Repercusiones de presencia de monóxido de carbono en producción.

La concentración recomendada para cerdos en producción es de 10 ppm (CGIR, 1984), concentraciones de 150 ppm disminuyen el crecimiento de los lechones y entre 200 – 250 ppm se observan menos activos (Bongers et al.,1987). Los cerdos expuestos a altas concentraciones  (200 ppm) tienen la capacidad de compensar el efecto del gas aumentando la concentración de hemoglobina en sangre, sin embargo, con concentraciones de 300 ppm la ganancia de peso disminuye hasta en 31% y reduce la eficiencia alimenticia en 20%, Castañon et al., 2018, encontraron un promedio de 82.5 ppm en área de destete, con una mayor concentración por la noche (117 ppm). En humanos la NOM-021-SSA1-1993 recomienda no sobrepasar las 11 ppm en periodos de 8 horas.

Este gas es peligroso de manera particular en sistemas de ventilación cerrada y calefacción con gas (Blanes-Vidal et al., 2008), sin embargo, en unidades de producción convencionales conlleva el mismo riesgo por las tardes y noches, debido a que dependiendo la etapa de producción las cortinas suelen estar cerradas.

Además, está relacionado a problemas respiratorios, estrés (National Pork Board, 2014), canibalismo (no se ha observado una correlación directa entre el monóxido), sin embargo, otras condiciones aunadas a una pobre calidad del aire influyen en el comportamiento además de que una menor perfusión de oxígeno provoca ansiedad, conductas agresivas y canibalismo (Fraser, D. 2008).

4. Dióxido de carbono

Gas considerado dentro de los denominados gases de efecto invernadero (GEI), el segundo más importante, detrás del vapor de agua (Ballesteros y Aristizabal, 2007). En las unidades de producción este gas es derivado de dos procesos, la respiración y descomposición de la materia orgánica; la primera donde el oxígeno ingresa al organismo a través de los pulmones, es transportado vía sanguínea a los tejidos donde se da el intercambio gaseoso produciendo CO₂, para continuar con la ruta y finalmente se expulsado al medio ambiente (Ganong 1994); la segunda se da por la degradación aeróbica de materia orgánica en tres maneras:  1)  por hidrólisis de la urea en NH₃ y CO₂ catalizada por la enzima ureasa, 2)  por fermentación anaeróbica de la materia orgánica en ácidos grasos volátiles (AGV) intermedios, CH₄ y CO₂ y 3) la  degradación aeróbica de la materia orgánica (Jeppsson, K. 2000). Durante mucho tiempo se pensó que la producción de CO² por materia orgánica era mínima, estudios recientes encontraron que la producción por este medio representa entre 10 – 30% de la producción mediante respiración y otros estudios demuestran hasta el 40% (Philippe y Nicks 2015). La producción diaria de este gas se puede estimar con base con el peso corporal, donde cerdos de 70 kg producen 1.55 kg por día de CO² (Aubry et al., 2004) (ver figura 4).

La CIGR recomienda no sobrepasar las 3000 ppm dentro de las instalaciones, Banhazi et al., 2011, realizaron un estudio en 160 unidades de producción porcina donde encontraron una media de 858 ppm, observaron una variación por el tipo de instalaciones, techo, época del año, tipo de ventanas y sistemas de ventilación; reportando que el nivel de CO₂ es más alto en invierno en comparación de verano, hay menores niveles en unidades de producción con sistema automático de ventilación,  siendo el destete el sitio donde se tienen los niveles más altos, seguido por la engorda y maternidad.

5. Metano (CH₄)

Su origen es biológico al  ser  producido  metabólicamente  por  microrganismos, una característica del gas metano es que se está acumulando en la atmósfera y tiene una propiedad de refracción de la luz solar 30 veces más alta que el CO₂,  ocasionando  un  incremento  en  la  tasa  del  calentamiento  atmosférico, aunque tiene una vida corta de 12 años (Feuchter, 2024).

La formación de CH₄, se da  a través de la hidrólisis de la materia orgánica (lípidos, proteínas y carbohidratos) por la  acción de enzimas hidrolíticas producidas por microorganismos, dando como resultado compuestos solubles como aminoácidos, alcoholes, azúcares y ácidos grasos, que son degradados por los microorganismos a productos intermedios como acetato, ácidos grasos volátiles de cadena corta, etanol, lactato, CO₂ y H₂,  posteriormente los microorganismos acetogénicos oxidan los ácidos grasos de cadena corta a acetato, H₂ y CO₂. Al final bacterias metanogénicas y acetoclásticas generan el CH₄ y CO₂  (ver figura 5).

Tan solo al controlar el biogás producido por las granjas del mundo, aprovechando la generación de energía, reciclando los desechos de aguas y orgánicos, se estima que bajará el calentamiento global -0.5°C en la próxima década (Feuchter, 2024).

Estrategias nutricionales para mitigar la producción de gases

1. Reducción de proteína cruda en la dieta

Una de las estrategias más estudiadas y efectivas para mitigar las emisiones de gases, particularmente de amoníaco (NH₃), es la reducción del contenido de proteína cruda (PB) en las dietas para cerdos, esto se puede lograr mediante la inclusión de aminoácidos sintéticos a la dieta, reduciendo la cantidad de pasta de soya u otras fuentes de proteína.

Actualmente en México es común utilizar L-Lisina, DL-Metionina, L-Treonina, L-Triptófano y L-Valina, si bien es posible conseguir otros aminoácidos como L-Isoleucina y L- Histidina, el alto costo que tienen éstos últimos no los hacen atractivos en la formulación de raciones para cerdos

Impacto de disminución de proteína cruda

• Las emisiones de amoníaco disminuyen aproximadamente un 8.9% por cada unidad de caída de proteína cruda (Trabue, et al., 2020).
• Reducir los niveles de proteína cruda en la dieta en un 1% en dietas para cerdos de engorda puede resultar en una reducción del 8 al 10% en la excreción de nitrógeno (Kay, 2018).
• Las emisiones de olores también disminuyeron un 4.2% por cada unidad de proteína cruda (Trabue, et al., 2020).

Ventajas:

• Reducción significativa de las emisiones de amoníaco, actualmente es una importante preocupación medioambiental en la cría de cerdos.
• Mejora de la eficiencia de utilización del nitrógeno, lo que lleva a una reducción de la excreción de nitrógeno en la orina y las heces.
• Potencial para reducir el impacto ambiental general y mejorar las prácticas de manejo del estiércol.
• Puede combinarse con otras estrategias para una reducción integral de emisiones, como la combinación con diferentes niveles de fibra y uso de aditivos.

Contras:

• El efecto sobre las emisiones de metano es menos pronunciado en comparación con la reducción de amoníaco.
• Requiere una formulación cuidadosa para garantizar que las dietas bajas en proteínas sigan satisfaciendo las necesidades nutricionales de los cerdos para evitar impactos negativos en el crecimiento y la salud.
• Puede requerir el uso de aminoácidos sintéticos para equilibrar la dieta, lo que podría aumentar los costos de alimentación.

2. Manipulación de la fibra dietética

La manipulación del contenido de fibra dietética en las dietas para cerdos ha mostrado resultados mixtos en términos de mitigación de emisiones de gases.

Impacto de fibra dietética

• Las dietas ricas en fibra aumentan significativamente la producción de metano, los cerdos con una dieta rica en fibra produjeron 12.5 litros de metano por día, en comparación con sólo 1.4 litros por día para aquellos con una dieta baja en fibra (Jensen y Jørgensen 1994).
• El tipo de fibra (soluble o insoluble) puede influir en el nivel de emisiones de metano.
• Los efectos sobre las emisiones de CO₂ son variables; algunos estudios muestran un aumento de las emisiones debido a una menor eficiencia alimenticia.

Ventajas:

• Dietas altas en fibra pueden mejorar la salud intestinal y la utilización de nutrientes en los cerdos.
• Dietas altas en fibra pueden ayudar a modular el microbioma intestinal y los patrones de fermentación.

Contras:

• Aumenta significativamente la producción de metano, que es un potente gas de efecto invernadero.
• Puede reducir la eficiencia alimenticia, lo que podría provocar un aumento de las emisiones de CO₂.

3. Aditivos alimentarios

Se han explorado varios aditivos alimentarios, incluidas enzimas, probióticos y aceites esenciales, por su potencial para mitigar la producción de gases en los cerdos.

Impacto de uso de aditivos

• Las enzimas pueden ayudar en la digestión de carbohidratos y proteínas complejos, reduciendo potencialmente la producción de gas al minimizar el material no digerido disponible para la fermentación (Hossain et al., 2014).
• Los probióticos han demostrado potenciar, mejorar la salud intestinal y el equilibrio del microbioma intestinal, lo que puede conducir a una digestión más eficiente y potencialmente reducir la producción de gases (Pandey et al., 2023).
• Los aceites esenciales tienen propiedades antimicrobianas que pueden ayudar a modular el microbioma intestinal y potencialmente reducir las bacterias productoras de gases (Zangaro, 2018).

Ventajas:

• Las enzimas y los probióticos han demostrado beneficios constantes para mejorar la digestión.
• Los probióticos pueden mejorar el equilibrio microbiano en los cerdos jóvenes, lo que mejora la salud y la eficiencia alimentaria.
• Los aceites esenciales pueden ofrecer beneficios adicionales, como un mejor rendimiento del crecimiento, una reducción de la diarrea en cerdos destetados.

Contras:

• • Falta de consistencia en el impacto directo de estos aditivos en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero
  • La eficacia puede variar según las condiciones específicas de la granja y las prácticas de gestión.
  • Los aceites esenciales requieren más investigación para comprender completamente sus mecanismos y su rentabilidad en concentraciones lo suficientemente altas como para afectar la salud o el rendimiento.

3. Otras estrategias para minimizar la producción de gases o el impacto en la salud de los cerdos y personas

• Sin duda la ventilación juega un papel crucial en la disminución del impacto en la salud, en el mejor escenario tener sistemas automáticos de ventilación disminuye eficazmente la concentración dentro de las instalaciones, sin embargo, pocas unidades cuentan con esta tecnología, o bien si se cuenta muchas veces solo es sensible a la temperatura ambiente, no cuenta con sensores para conocer la presencia y concentración de gases, por lo que se tiene que suplir a través de manejo.
• Tener un adecuado manejo de la fosa anegada, realizar recambios frecuentes y limpieza.
• Extraer material orgánico de manera recurrente en pisos de concreto.
• Contar con ventilas en la parte superior del techo.
• Realizar programas preventivos y correctivos si nuestro sistema de calefacción es de gas, si observamos flamas rojizas significa que no tenemos una buena mezcla y esto provoca mayor producción de monóxido de carbono.
• Tener adecuado manejo de desechos, con laguna de fermentación y separador de sólidos.
• Utilizar equipo de protección al manejar fosas y lagunas de fermentación.
• Transformar materia fecal en gas metano (CH₄), para su uso como biohidrocarburo

4. Conclusión

Mitigar la producción de gases en los cerdos mediante estrategias nutricionales es un desafío complejo que requiere un enfoque multifacético, si bien la reducción del contenido de proteína cruda en la dieta ha mostrado los resultados más consistentes en la reducción de las emisiones de amoníaco, su impacto sobre el metano es menos pronunciado. La manipulación de la fibra dietética, aunque beneficiosa para la salud intestinal, puede aumentar significativamente la producción de metano, lo que presenta un equilibrio entre la salud animal y el impacto ambiental.

Los aditivos para alimentos de cerdos son prometedores para la reducción de emisiones, pero su eficacia puede ser variable y depender del contexto. La alimentación de precisión combinada con dietas bajas en proteínas suplementadas con aminoácidos sintéticos presenta una estrategia integral que aborda tanto las necesidades nutricionales como los objetivos de reducción de emisiones.

A medida que la industria porcina continúe priorizando la sostenibilidad ambiental, la investigación y el desarrollo continuos en estas estrategias nutricionales serán cruciales. El enfoque ideal probablemente implicará una combinación de estas estrategias, adaptadas a sistemas de producción, condiciones ambientales y requisitos regulatorios específicos. Los esfuerzos futuros deberían centrarse en optimizar estas estrategias para equilibrar eficazmente el rendimiento animal, la salud y el impacto ambiental.

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