UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS ANIMAIS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA ANIMAL
PRODUÇÃO, PERDA E GANHO DE CALOR EM CAPRINOS NO AMBIENTE TROPICAL: UM ESTUDO DO EQUILIBRIO TÉRMICO
VALDIR MARTINS DA FONSÊCA FILHO
MOSSORÓ, RN 2015
VALDIR MARTINS DA FONSÊCA FILHO
PRODUÇÃO, PERDA E GANHO DE CALOR EM CAPRINOS NO AMBIENTE TROPICAL: UM ESTUDO DO EQUILIBRIO TÉRMICO
Tese apresentada à Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA), como exigência final para obtenção do título de Doutor no Curso de Pós- Graduação em Ciência Animal.
Orientador: Dr Alex Sandro Campos Maia - UNESP
MOSSORÓ, RN 2015
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Biblioteca Central Orlando Teixeira (BCOT)
Setor de Informação e Referência
F676p Fonsêca Filho, Valdir Martins da
Produção, perda e ganho de calor em caprinos no ambiente tropical: um estudo do equilibrio térmico associado à emissão de CH4/ Valdir Martins da Fonseca Filho -- Mossoró, 2015.
72f.: il.
Orientador: Prof. Dr. Alex Sandro Campos Maia
Tese (Doutorado em Ciência Animal) – Universidade Federal Rural do Semi-Árido. Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós- Graduação.
1. Caprinos. 2. Calorimetria indireta. 3. Efeito estufa -
Gases. 4. Ruminantes. I. Título.
RN/UFERSA/BCOT /167-15 CDD: 636.39 Bibliotecária: Vanessa Christiane Alves de Souza Borba
CRB-15/452
DADOS CURRICULARES DO AUTOR VALDIR MARTINS DA FONSÊCA FILHO
Graduado em Engenharia Agronômica pela Escola Superior de Agricultura de Mossoró, atual Universidade Federal Rural do Semi-Árido - UFERSA (1975) e mestre em Produção Animal pela Universidade Federal da Paraíba (1982). Atualmente é professor adjunto IV da UFERSA, lotado no Departamento de Ciências Animais. Tem experiência na área de Agronomia, com ênfase em Produção Animal.
À memória do meu avô Luís Severino dos Santos e da minha mãe Eloísa Soares da Fonsêca, pela contribuição decisiva na minha formação.
Ao Professor Alex Sandro Campos Maia, grande amigo, mestre, parceiro e mentor inconteste da presente vitória, pela fé e sólido apoio em todas as horas desta jornada..
Aos meus filhos Amanda Kelly, Luís Antônio, e Eloisa Maria, que se constituem nas três melhores e maiores razões para lutar e ...
VENCER.
D E D I C O
AGRADECIMENTOS
A Deus pela vida, pelas bênçãos recebidas e, por me guiar e me amparar em todas as horas, principalmente nas mais difíceis.
Ao Sgto Valdir e D. Mocinha (postumamente), os grandes responsáveis por esta vitória que agora alcançamos.
A Amanda Kelly, Luís Antônio e Eloisa Maria que são os motivos maiores para nunca esmorecer na busca da vitória.
Aos meus irmão Walter, Socorro, Fátima, Waldefran e Claudio pelo apoio inconteste em todos os momentos.
Ao Professor Alex Sandro Campos Maia pela fé, atenção, paciência sugestões valiosas e orientação segura.
À Universidade Federal Rural do Semiárido – UFERSA instituição à qual tenho imenso orgulho em pertencer, pela oportunidade.
Aos meus filhos Magdiel Gleyberth e Walesca Luz pelo amor sincero e grande carrinho com que sempre me brindaram.
Aos meus “outros filhos” Didier Pirroni, Rafael Donega e Steferson Lucas pela amizade e lealdade incondicional que sempre me dedicaram.
Ao velho amigo Professor Pedro Fernandes Pereira que me ensinou a insistir, persistir e nunca desistir em busca daquilo que quero.
Ao dileto amigo e mestre Professor Silvio Carneiro Leitão que me iniciou no tortuoso e árduo caminho que culminou nesta vitória.
Ao Professor Josivan Barbosa de Meneses pela amizade, atenção, confiança e apoio nas horas mais difíceis desta jornada.
Ao Vice-Reitor da UFERSA Professor Francisco Odolberto de Araújo pela amizade, atenção e respeito que sempre me dispensou.
Ao amigo e mestre Professor Roberto Gomes da Silva de quem sou fã incondicional, a quem aprendi a conhecer e admirar.
Aos amigos e ex-colegas do antigo DZ/ESAM Emanoel de Souza Costa e Raimundo Rocha Matos pela amizade sincera que sempre me dedicaram.
Aos velhos colegas Professores Alexandre de Paula Braga, Marcelo Pedrosa e Sérvulo Weber, do DECAN pela paciência que tiveram comigo ao longo dos anos.
Ao velho mestre Fernando Albuquerque pela amizade e tolerância que sempre teve comigo desde meu Curso de Mestrado na UFPB.
Aos caros colegas e diletos amigos Eraldo, Domingues, Gustavo e Leonardo Lelis, professores do DECAN, pelo apoio e sincera amizade.
Às Professoras e colegas do DECAN, Liz Carolina e Silvia Ahide pela amizade e carinho com que me brindam e honram
Aos professores do Programa de Pós-Graduação em Ciência Animal da UFERSA pelos inestimáveis ensinamentos.
Aos colegas que formam o colegiado do DECAN pela convivência agradável e troca de experiências ao longo de todos estes anos.
Aos colegas Professores Antônio Jorge e Roberto Pequeno pela sincera amizade, sólido apoio e grande incentivo que sempre me deram.
A todos os colegas do Curso pela amizade, cooperação e agradável convivência ao longo de todo este período.
Aos ex-alunos e amigos sinceros Amarelão (Ewerton), Vigário (Emiliano), Dentinho (Ketson) e Gustavo (Claudia Raya) pela amizade e lealdade.
A Dra. Marciane Maia pesquisadora da EMPARN na Estação Experimental de Cruzeta pela atenção e apoio que sempre me dispensou.
Aos irmãos Everardo Praça, Vicente Neto, Arthur Fontes (CEF) e Telmo Pinheiro (CEF) pela amizade sincera e sólido apoio que sempre me deram em todas as horas.
Aos meninos da Casa 17, na Vila Acadêmica da UFERSA pela fé incondicional que sempre depositaram neste velho amigo e Professor.
A Carol (Joãozinho), Aparecida (Espoleta) e Carmen (Carmencita) pela sincera amizade, atenção e grande carinho que sempre me dispensaram.
A querida amiga Letsandra Dias, Secretária do Programa de Pós-Graduação em Ciência Animal da UFERSA pela paciência e presteza com que sempre me atendeu.
Aos casais Everardo/Dita e Leonardo Lelis/Ivana pela sua amizade sincera e apoio inconteste com que sempre me honraram.
Aos funcionários do Departamento de Ciências Animais – DECAN da Universidade Federal Rural do Semiárido - UFERSA, pela presteza que sempre me dispensaram.
A D. Lucia pela paciência e pelos cafezinhos que sempre estavam á minha disposição todos os dias, ao longo desta caminhada.
A todos os meus alunos e ex-alunos dos Cursos de Agronomia, Zootecnia e Medicina Veterinária da UFERSA, por quem decidi fazer esta jornada que agora termina.
A Cintia Carol de Melo Costa (Cacheadinha), minha ex-aluna e agora colega doutoranda (FCAV/UNESP), pela paciência e apoio que me deu.
A Carolina Nagib Cardoso Nascimento e Sheila Tavares Nascimento doutorandas da FCAV/UNESP pelo apoio na condução deste estudo.
A Marcos Davi de Carvalho, mestrando da FCAV/UNESP pelo sólido apoio inestimável na condução deste estudo.
A Ângela Regina Arduino, técnica do Laboratório de Bioclimatologia da FCAV/UNESP, pelo apoio para viabilizar o experimento.
A todos os funcionários do Laboratório de Bioclimatologia da FCAV que contribuíram direta ou indiretamente com este estudo.
Aos amigos Toinho de Baia, Martins Coelho e Dalvirene Eloy pela singela amizade e pelos momentos semanais de descontração.
Ao Nego Candidus, D. Rosália sua esposa e seus filhos Oscar, Elano e Samuel pela amizade sincera e grande incentivo.
A você Goreti, que me deu Amanda Kelly e Luís Antônio, as maiores razões que tive para lutar e vencer mais esta batalha.
A Neguinha pelo apoio incondicional e pela paciência que tem tido comigo ao longo de todos estes anos.
A sutileza do pensamento consiste em descobrira semelhança das coisas diferentes e a diferença das coisas semelhantes
Montesquieu
PRODUÇÃO, PERDA E GANHO DE CALOR EM CAPRINOS NO AMBIENTE TROPICAL: UM ESTUDO DO EQUILIBRIO TÉRMICO
RESUMO: Com objetivo estudar o equilíbrio térmico associado à emissão de CH4 em caprinos em ambiente tropical, o presente trabalho utilizou nove fêmeas da raça Anglo Nubiano com peso corporal médio de 53,89 kg, que foram observadas durante nove dias consecutivos entre às 08:00 até 17:00 horas. Um sistema de calorimetria indireta aberta com auxílio de máscara facial ajustada ao focinho dos animais foi utilizado para determinar o volume de O2, CO2, CH4 e H2O (vapor) no ar inspirado e expirado. Simultaneamente a esses volumes também foram determinados nos animais à frequência e volume respiratório, além das temperaturas do ar expirado, retal, superfície da pele e pelame, enquanto no ambiente foram determinados a temperatura do ar e umidade, além da temperatura do globo negro. Os resultados mostraram para uma temperatura do ar inferior a 26°C as trocas de calor por radiação de ondas longas e convecção foram eficazes para manter o equilíbrio térmico dos animais, pois frequencia respiratória e volume respiratório, além da temperatura retal e produção de calor metabólico não se alteraram, mas quando a temperatura do ar passou de 28
°C, ocorreu uma leve alteração nas respostas fisiológicas e acima 30 °C essa alteração foi bem significativa. Esses resultados demonstraram que o equilíbrio térmico dos caprinos da raça Anglo Nubiano protegidos da radiação solar direta para uma faixa de temperatura do ar entre 20 a 25 °C é mantido basicamente pela perda de calor sensível e, após 30 °C, somente pode ser conseguido via perda de calor latente à custa de alterações significativas na frequência e volume respiratório, consequentemente sua faixa de zona de conforto térmico estaria variando entre 20 a 27 °C aproximadamente quando manejados protegidos da radiação solar. Nestas condições sua emissão de CH4 é da ordem de cerca de 8,41 kg ano-1 animal-1, sendo essa emissão não correlacionada de forma significativa com as variáveis fisiológicas e ambientais avaliadas e sim com características individuais de cada animal, como seu peso corporal.
Palavras-chave: ruminantes, calorimetria indireta, equilíbrio térmico, gases do efeito estufa.
HEAT PRODUCTION, GAIN AND HEAT LOSS IN GOATS IN A TROPICAL ENVIROMENT: STUDY OF THERMAL BALANCE
ABSTRACT: To study the thermal balance associated to methane emission in goats in a tropical environment, it was used nine Anglo Nubian females weighing in average 53.89 kg.
The animals were observed during nine consecutive days from 08:00 to 17:00. An indirect open calorimetry system was used with a facial mask adjusted on the animal’s muzzle and the volume of O2, CO2, CH4 and water vapor in the inspired and expired air were determined as well as the respiratory rate, respiratory volume and the temperature of expired air. Several parameters were also collected such as rectal temperature, body surface and hair coat temperature, air temperature and humidity and black globe temperature.
The results showed that when the air temperature was below 26 °C the heat exchange for long-wave radiation and convection were effective to maintain the thermal equilibrium of the animals, since respiratory rate, respiratory volume, rectal temperature and metabolic heat production parameters did not change. When the air temperature increased to 28 °C, there was a slight change in physiological responses. When air temperature was higher then 30°C the variation in the physiological parameters was significant. These results demonstrated that the thermal balance in Anglo Nubian goats protected from direct solar radiation for an air temperature between 20 and 25 °C is maintained primarily by the sensible heat loss and when these temperature reaches values higher then 30 °C can only be maintained by latent heat loss for a cost of significant changes in respiratory rate and volume, hence thermal comfort zone was varying from 20 to 27 °C. In this environment, methane emission from enteric fermentation was in average 8.41 kg year-1 animal-1. There was no significant correlation between the methane emission and with physiological and environmental parameters but with individual characteristics of each animal, such as body weight.
Key words: ruminants, indirect calorimetry, thermal equilibrium, greenhouse gases
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Emissão de metano entérico em ruminantes de acordo com os resultados de pesquisas de diferentes autores ... 34 Tabela 2 - Média e valores mínimos e máximos da temperatura do ar (TA), pressão parcial de vapor da atmosfera (PV), umidade relativa (%) e temperatura do globo negro (TG), observadas durante as coletas de dados dos caprinos da raça Anglo Nubiano ... 49
Tabela 3 - Quadrado médio da temperatura retal (TR), da superfície da pele (Tep), da superfície do pelame (TS) e do ar expirado (Texp); frequência respiratória (FR), volume respiratório (Vm), emissão entérica de metano (eCH4), produção de calor metabólico (qmet) e perda de calor por evaporação respiratória (qer) de caprinos da raça Anglo Nubiano ... 51 Tabela 4 - Média geral e estimadas por quadrados mínimos (± erro padrão da média) para o dia de coleta da temperatura retal (TR), da superfície da epiderme (Tep), da superfície do pelame (TS) e do ar expirado (Texp); frequência respiratória (FR), fluxo respiratório (VR), emissão entérica de metano (eCH4), produção de calor metabólico (qmet) e perda de calor por evaporação respiratória (qer) de caprinos da raça Anglo Nubiano ... 55 Tabela 5 - Coeficientes de correlação entre a temperatura do ar (TA), umidade relativa (UR), temperatura do globo negro (TG) e frequência respiratória (FR) com a produção de calor metabólico (qmet), emissão de metano (eCH4 ), volume respiratório (Vm), temperatura da superfície do pelame (TS), temperatura da superfície da pele (Tep), temperatura retal (TR), temperatura do ar expirado (Texp), perda de calor por evaporação respiratória (qer), fluxo de calor por convecção (qconv), fluxo de calor por radiação de ondas longas (qrl), porcentagem de O2 no ar expirado (O2exp) e porcentagem de CO2 no ar expirado (CO2exp) observadas durante a coleta de dados... 61
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Concentração de CO2 na atmosfera de acordo com o tempo ... 22 Figura 2 – Concentração de CH4 na atmosfera de acordo com o tempo ... 23 Figura 3 - As anomalias da temperatura desde 1850 ... 23
Figura 4 - Componentes do fluxo de calor e resistências do modelo de Turnpenny et al (2000) ... 28 Figura 5 - Componentes do fluxo de calor e resistências do modelo de McGovern e Bruce (2000) ... 30 Figura 6 - Equivalente elétrico do fluxo de calor sensível e de calor latente entre o organismo e o ambiente ... 31 Figura 7 - Estimativas brasileiras de emissões antrópicas por fontes e remoções por sumidouros ... 32 Figura 8 - Sistema de medidas fisiológicas do Laboratório de Bioclimatologia Animal... 38 Figura 9 - Animais durante as coletas de dados com Sistema de medidas fisiológicas do Laboratório de Bioclimatologia Animal ... 39 Figura 10 - Animal usando a máscara facial do Sistema de medidas fisiológicas do Laboratório de Bioclimatologia Animal ... 40
Figura 11 - Animal usando a máscara facial do Sistema de medidas fisiológicas do Laboratório de Bioclimatologia Animal ... 41
Figura 12 - Máscara facial desenvolvida para caprinos pelo Núcleo de Inovação em Biometeorologia Animal (INOBIO) ... 45 Figura 13 - Máscara facial desenvolvida para caprinos pelo Núcleo de Inovação em Biometeorologia Animal ... 45
Figura 14 - Médias (± erro padrão) estimados por quadrados mínimos para frequência respiratória ... 48
Figura 15 - Médias (± erro padrão) estimadas por quadrados mínimos da temperatura do ar (C) e umidade relativa do ar (%)... 50 Figura 16 - Médias (± erro padrão) estimadas por quadrados mínimos da superfície da pele (°C) e da superfície do pelame em caprinos da raça Anglo Nubiano ... 52 Figura 17 - Médias (± erro padrão) estimadas por quadrados mínimos da perda de calor por evaporação respiratória (W m-2) e temperatura do ar expirado (oC) em caprinos da raça Anglo Nubiano de acordo com a hora do dia (graus decimais) ... 53 Figura 18 - Médias (± erro padrão) estimadas por quadrados mínimos da frequência respiratória e do volume respiratório corrente em caprinos da raça Anglo Nubiano de acordo com a hora do dia (graus decimais) ... 53 Figura 19 - Médias (± erro padrão) estimadas por quadrados mínimos da temperatura retal e produção de calor metabólico (W m-2) em caprinos da raça Anglo Nubiano de acordo com a hora do dia (graus decimais) ... 54
Figura 20 - Médias (± erro padrão) estimadas por quadrados mínimos da produção de calor ... 55 Figura 21 - Médias (± erro padrão) estimadas por quadrados mínimos da emissão de metano entérico (g h-1 animal-1) em caprinos da raça Anglo Nubiano de acordo com a hor ado dia (graus decimais) ... 58 Figura 22 - Médias (± erro padrão) e valores mínimos e máximos da temperatura do ar (oC) e umidade relativa do ar (%) de acordo com o dia de coleta ... 59
Figura 23 - Médias (± erro padrão) da temperatura retal (TR), temperatura da superfície da pele ... 60
Figura 24 - Valores observados da frequência respiratória (resp. min.-1) em função da temperatura do ar (°C) em caprinos da raça Anglo Nubiano ... 62 Figura 25 - Valores observados do volume respiratório (L s-1) em função da frequência respiratória (resp. min.-1) em caprinos da raça Anglo Nubiano ... 63 Figura 26 - Valores observados da porcentagem de O2 consumido e CO2 produzido no ar expirado em função da frequência respiratória (resp. min.-1) em caprinos da raça Anglo Nubiano ... 64 Figura 27 - Valores observados da produção de calor metabólico (W m-2) em função do volume respiratório (L s-1) em caprinos da raça Anglo Nubiano... 65 Figura 28 - Valores observados da temperatura retal, da superfície da pele e do pelame; e ar expirado (°C) em função da temperatura do ar (°C) em caprinos da raça Anglo Nubiano ... 66
Figura 29 - Valores observados da perda de calor por evaporação respiratória (W m-2), fluxo de calor sensível (convecção+radiação de ondas longas) (W m-2) em função da frequência respiratória (resp. min.-1) em caprinos da raça Anglo Nubiano ... 67 Figura 30 - Valores observados da porcentagem de CH4, CO2 e O2 no ar expirado do animal 2 no quinto dia de coleta, realizada entre as 08:00 horas até as 09:00 horas ... 68 Figura 31 - Médias estimadas por quadrados mínimos (± erro padrão) para frequência respiratória, produção de calor metabólico, volume respiratório e emissão de CH4 em função da classe de peso vivo em caprinos da raça Anglo Nubiano ... 69
LISTA DE SIGLAS
A - Área do corpo do animal (m2) CCA – Centro de Ciências Agrárias CH4 - Metano
CH4A - Metano inspirado (L h-1)
CH4E - Metano liberado no sistema respiratório (L h-1) CH4ent - Metano entérico
CO2 - Dióxido de carbono (%)
CO2A - Proporção de CO2 na atmosfera (%) CO2E - Proporção de CO2 no ar expirado (%) d - dimensão característica da superfície (m) DECAn – Departamento de Ciências Animais
Dv - Difusividade do vapor de água na atmosfera (m2 s-1) DZ – Departamento de Zootecnia
ECH4 - Emissão de metano (L s-1) ER - Evaporação respiratória (W m-2)
FAO - Organização das Nações Unidas para Alimentação e Agricultura FCAV - Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinária
FR - Frequência respiratória (resp. min-1) hC - Coeficiente de convecção (W m-2 K-1)
hG - Coeficiente de convecção do globo negro (W m-2 K-1) INOBIO - Núcleo de Inovação em Biometeorologia Animal k - Condutividade térmica do ar (W m-1 °C-1)
m - Massa molecular
MOHC - United Kingdom Meteorological Office Hadley Centre n - Número de moles
NAPEL – Nacional Planejamento Ltda Nu - Número adimensional de Nusselt.
O2 - Oxigênio (%)
O2A - Proporção de oxigênio na atmosfera (%) O2E - Proporção de oxigênio do ar expirado (%)
OCDE – Organização de Cooperação e Desenvolvimento Econômico ONU – Organização das Nações Unidas
P - Pressão atmosférica local
PP{TA} - Pressão parcial de vapor a temperatura do ar (kPa) PS{TEXP} - Pressão de saturação do ar expirado (kPa)
PS{TS} - Pressão parcial de saturação da temperatura da superfície (kPa) QCO2 - Coeficiente calórico do dióxido de carbono (J L-1)
qconv - Fluxo de calor por convecção
qER - Perda de calor por evaporação respiratória
qes - Perda de calor por evaporação da superfície do animal (W m-2) qmet - Metabolismo (W m-2)
QO2 - Coeficiente calórico do oxigênio (J L-1) qrl - Fluxo de calor por radiação
R - Constante gasosa Sh - Número de Sherwood TA - Temperatura do ar (°C)
TEP - Temperatura da epiderme (°C) TEXP - Temperatura do ar expirado (°C) TG - Temperatura do globo negro (K) TP - Temperatura do pelame (°C) TR - Temperatura retal (°C)
TRM - Temperatura radiante média (°C) TS - Temperatura da superfície (°C) UFAL – Universidade Federal de Alagoas
UFERSA – Universidade Federal Rural do Semiárido UFPb – Universidade Federal da Paraíba
UNESP - Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho UR - Umidade relativa do ar (%)
VRC - Volume respiratório corrente (L resp.-1) εG - Emissividade do globo negro
λ - Calor latente de vaporização (J g-1)
σ - Constante de Stefan-Boltzman (W m-2 K-4)
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 22
2 OBJETIVO GERAL ... 26
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 26
3 REVISÃO DE LITERATURA ... 27
4 MATERIAL E MÉTODOS ... 36
4.1 LOCAL E ANIMAIS ... 36
4.2 MEDIDAS FISIOLÓGICAS ... 36
4.2.1 Equipamentos do Sistema de Medidas Fisiológicas (SMF) ... 36
4.2.2 Funcionamento do Sistema de Medidas Fisiológicas (SMF) ... 37
4.2.3 Temperaturas Corporais ... 41
4.2.4 Produção de calor metabólico ... 42
4.2.5 Emissão de metano ... 42
4.3 CALOR SENSÍVEL ... 43
4.3.1 Radiação de ondas longas ... 43
4.3.2 Convecção ... 43
4.4 CALOR LATENTE ... 44
4.5 CONDICIONAMENTO DOS ANIMAIS... 44
4.6 COLETAS E ANÁLISE DOS DADOS ... 46
4.7. DADOS METEOROLÓGICOS ... 47
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES... 48
6 CONCLUSÃO ... 70
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 71
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1 INTRODUÇÃO
A Organização das Nações Unidas (ONU) estima para o ano de 2050 uma população mundial de 11 bilhões de seres humanos. Por outro lado, a Organização para Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE) aponta que, até o ano de 2020, a oferta de alimentos necessita de um acréscimo de 20%, para que a fome não aumente no mundo.
Por outro lado, a Organização das Nações Unidas para Alimentação e Agricultura (FAO), aleta para o fato de que, para isto, os países deverão investir aproximadamente US$
44 bilhões por ano na produção e distribuição de alimentos, cinco vezes mais do que os US$
7,9 bilhões investidos atualmente, para que a produção de alimentos venha crescer 60%, Para atender essa demanda, o Brasil precisa aumentar sua produção de alimentos em cerca de 40% segundo a OCDE ao longo dos próximos dez anos. Trata-se, portanto, de um grande desafio para o País, ter que elevar sua produção sem, no entanto, aumentar a poluição ambiental, pois a atividade agropecuária tem uma grande responsabilidade na emissão de gases do efeito estufa, como CO2, N2O e CH4.
Análises do ar encapsulado das calotas polares mostraram que a partir do século IX com o início da Revolução Industrial, a concentração de CO2 (Figura 1), CH4 (Figura 2) e N2O atmosférico tem aumentado sem apresentar qualquer sinal de estabilização. Sabemos que estes gases exercem um forte impacto sobre o efeito estufa.
Figura 1 Concentração de CO2 na atmosfera de acordo com o tempo (Institution of Oceanography, UC San Diego, 2014).
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Figura 2 Concentração de CH4 na atmosfera de acordo com o tempo (Institution of Oceanography, UC San Diego, 2014)
Desse modo, é de se esperar que, dentre as consequências previstas, esteja um aumento gradativo do aquecimento da superfície da Terra, o que já está ocorrendo durante este século, uma vez que sua temperatura já se elevou 0,74 ºC em média, conforme os dados apresentados pela United Kingdom Meteorological Office Hadley Centre para o ano de 2014 (Figura 3), o que impacta de modo direto na atividade agropecuária.
Figura 3 As anomalias da temperatura desde 1850
O grande desafio da agropecuária mundial, será produzir nos próximos 35 anos, a mesma quantidade de alimentos produzida nos últimos 8.000 anos. Sabemos que a partir da Revolução Industrial, a geração de novas tecnologias permitiu que se produzisse mais por
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hectare, assim sendo, a ONU estima que, a expansão na produção de alimentos se dará principalmente pelo aumento na efetividade dos campos.
Uma pergunta oportuna a ser feita é: “será possível conciliar o crescimento das atividades humanas com a não destruição do ambiente natural”? Obrigatoriamente a resposta será: “a intensificação da produção de alimentos se faz necessária para atender o incremento da população mundial”. O que nos conduz a um segundo questionamento:
“como fazer isso de forma sustentável”? Pois dependendo da forma como venha a ser processado este aumento na produção de alimentos, ele certamente irá trazer impactos negativos a médio e longo prazo para o meio ambiente, e neste caso: “quem irá pagar o passivo ambiental”? Não podemos omitir que a produção de alimentos de origem animal é indutora do aquecimento global, porém em contraste, ela também é afetada por este, pois a elevação da temperatura afeta diretamente a vida, a produção, a reprodução e a produtividade dos animais.
Sabemos que o Brasil tem um dos maiores agronegócios do mundo, obviamente essa atividade exerce uma importância impar na economia do país. Entretanto, não se tem ainda uma dimensão adequada das consequências da elevação da temperatura média global sobre o desempenho dos animais e o mais importante, “qual o seu impacto financeiro nessa cadeia econômica”. Diante deste cenário, é fundamental aumentar e canalizar todos os esforços no sentido de aprofundar essa avaliação. Nesse sentido, buscar o entendimento de como ocorre à transferência de calor e de massa entre esses animais e com o seu meio criatório, seria um primeiro passo nesta jornada. Nessa direção, o desenvolvimento de pesquisas na área de calorimetria que descrevam a transferência de calor e massa dos animais, e o seu equilíbrio térmico com o meio, visando o desenvolvimento de modelos que possam vir a predizer os possíveis efeitos dos eventos meteorológicos e climáticos, se constitui numa ferramenta valiosa, sendo atualmente o grande desafio na área de Bioclimatologia Animal.
Como resultado, surgem as seguintes questões: “como um animal ganha e perde calor e massa para o meio”? e “qual o ambiente térmico ideal para os animais poderem expressar seu potencial produtivo”? Na busca por respostas para tais questionamentos, o conceito da primeira Lei da Termodinâmica (conservação de energia) pode ser muito útil.
Essa Lei diz que a taxa de aumento da quantidade de energia térmica acumulada (EA) em um volume de controle deve ser igual à taxa na qual a energia térmica entra no volume de controle (EE), menos a taxa na qual a energia térmica deixa o volume de controle (ES), mais a
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taxa na qual a energia é gerada no interior do volume de controle (Eg). Assim, esse enunciado pode ser escrito como:
E E E -
EE S g A
Observando esse enunciado percebemos que, a termoregulação não se constitui em uma condição tão simples de ser atendida pelo animal, pois o seu equilíbrio térmico é resultante do somatório do seu desempenho fisiológico, de sua produção, de sua reprodução, do seu comportamento, e principalmente da interação do animal como seu ambiente criatório, tendo em vista que, a radiação, a velocidade do vento, a umidade e a temperatura do ar tendem a se modificar no tempo e no espaço. Observa-se que estas variáveis interagem entre si e com as diversas características dos organismos, de modo que a alteração de uma única destas variáveis, ambientais, pode vir a alterar consideravelmente todos os fatores envolvidos no equilíbrio térmico dos animais.
Portanto, conhecer como se processa o equilíbrio térmico dos animais, possibilita descrever qual a melhor condição de temperatura, umidade e radiação em que o animal pode ser manejado para que o máximo da energia proveniente dos alimentos venha a ser utilizada para aspectos tais como, produção, crescimento e reprodução e o mínimo dela, para sua termoregulação. No entanto, atualmente existem poucos dados na literatura que descrevam o equilíbrio térmico e a emissão de CH4 em animais de produção, manejados em ambiente tropical, especificamente para caprinos, são raros até o momento trabalhos que descrevam o seu equilíbrio térmico de forma simultânea e continua assim possibilitando a compreensão de qual ou quais seriam as melhores condições de temperatura e umidade para o seu manejo.
Como consequência, tais informações assumem papel de fundamental importância como ferramentas a serem inseridas em um programa de melhoramento ambiental e genético, visando melhorar a produtividade desses animais e, consequentemente, a competitividade da caprinocultura no Brasil. Com a ressalva de que, para o trópico semiárido, onde impera um ambiente adverso e inóspito, a caprinocultura se constitui em opção natural como atividade pecuária,
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2 OBJETIVO GERAL
Estudar o equilíbrio térmico e sua associação com a emissão de CH4 através da mensuração simultânea e contínua das trocas gasosas que ocorrem na respiração (O2, CO2, CH4 e H2O), das funções respiratórias (volume respiratório corrente, fluxo respiratório e frequência respiratória), e das temperaturas corporais (pele, pelame, retal e ar expirado) em caprinos da raça Anglo Nubiano associados com as variações nas condições meteorológicas do meio criatório.
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Mensurar continuamente a emissão entérica de CH4 no sistema respiratório destes animais manejados em ambiente tropical;
• Estudar a influência das variáveis meteorológicas (temperatura e umidade do ar) sobre seu equilíbrio térmico;
• Estudar o efeito da variação da temperatura e umidade do ar sobre a perda de calor latente e sua associação com a emissão entérica de CH4;
• Estudar o efeito da variação da temperatura e umidade do ar sobre a produção de calor metabólico e sua associação com a emissão entérica de CH4;
• Estudar o efeito da variação da temperatura e umidade do ar sobre o fluxo de calor sensível e sua associação com a emissão entérica de CH4;
• Desenvolver modelos empíricos (equações de regressão) que possam prever o equilíbrio térmico e a emissão entérica de CH4 nestes animais em função das respostas fisiológicas e meteorológicas.
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3 REVISÃO DE LITERATURA
Sabemos que todo organismo biológico vive em um ambiente térmico. Para que possamos ter uma pequena ideia da complexidade do problema, raciocinemos que num simples organismo, sua temperatura interior difere daquela do seu tecido de pele, que por sua vez difere da temperatura observada no interior da sua capa de cobertura (pelos, penas e lã) se houver. Essa não uniformidade de temperaturas se deve principalmente às variações das fontes de calor no tempo e espaço, além dos sumidouros. Essa diferença de temperatura induz a troca de calor, tanto internamente quanto através da sua interface com seu ambiente térmico afetando diretamente a temperatura do organismo, consequentemente o transporte de energia em um tecido vivo, na realidade, é um complexo processo envolvendo múltiplos mecanismos.
O comportamento térmico, ou seja a transferência de calor, no interior de um organismo vivo é principalmente uma condução de calor associada a um complicado processo fisiológico, incluindo a circulação de sangue, a sudação, a geração de calor metabólico e dependendo do animal, algumas vezes, a dissipação de calor via pelos, plumagem, penas, etc., acima da superfície da pele (Xu e Lu, 2011).
Para o estudo de sistemas biológicos, a modelagem matemática que descreve o equilíbrio térmico vem sendo cada vez mais utilizada, pois é uma ferramenta que apresenta muitas vantagens em relação aos métodos experimentais, principalmente de custos e em situações nas quais a realização de um experimento não seria possível. Modelos do sistema térmico para humanos vem sendo desenvolvidos hoje, de modo cada vez mais realísticos (Albuquerque Neto, 2010; Ferreira e Yanagihara, 2009; Xu e Lu 2011). Atualmente, os modelos térmicos que são desenvolvidos por fisiologistas para animais (Cena e Monteith 1975 abc; Cena e Clark 1978; McAthur 1987; Arkin et al., 1991; Ehrlemark e Sallvik, 1996;
Gebremedhin e Wu, 2003 e 2001; Silva, 2000b; Turnpenny et al., 2000; McGovern e Bruce, 2000) são trabalhos de modelagem ainda iniciais, que apresentam inúmeras questões não resolvidas.
Por exemplo, o modelo desenvolvido por Turnpenny et al., (2000) é baseado em princípios físicos de transferência de calor, de massa e processos fisiológicos. A Figura 4 representa os componentes de fluxo de calor e as resistências térmicas do modelo, que é significativamente melhor do que o modelo empírico apresentado por Mount e Brown, (1982) e apresenta vantagem quando comparado com aquele apresentado por McArthur, (1987) permitindo a avaliação de animais no campo por ser mais tratável. No entanto, o modelo de
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Turnpenny et al., (2000) assumiu que a radiação é uniformemente distribuída sobre a superfície corporal.
Figura 4 Componentes do fluxo de calor e resistências do modelo de Turnpenny et al. (2000) Este modelo considera as trocas por radiação de ondas longas (RL), convecção (C) e evaporação na superfície cutânea (ES), além do ganho de calor por radiação de ondas curtas (RC), sendo a temperatura profunda (Tb), a temperatura da superfície da epiderme (TS), a temperatura da superfície do pelame (TC), a temperatura da atmosfera (TA), a temperatura
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radiante média do ambiente (TR) e a pressão parcial de vapor da atmosfera (ea). Os valores rR, rH e rV são as resistências à transferência de calor por radiação, por convecção e por evaporação na superfície do corpo, respectivamente, sendo rS a resistência térmica dos tecidos e rCH a resistência total a transferência de calor através do pelame, enquanto o fluxo de calor através do tecido corporal (GS), do pelame (GC) e para o ambiente (Ge).
Em outra mão a absorção da radiação solar nesse modelo foi assumida ocorrer somente na superfície da capa de cobertura, sendo a radiação absorvida no interior dessa massa desconsiderada. Este fato não reflete os resultados de Cena e Monteith, (1975a) e Gebremedhin et al., (1983). Por último este modelo considerou o fluxo de calor constante entre as diferentes regiões do corpo do animal, assim desconsiderando que possa ocorrer estoque de calor o que não concorda com os resultados de Schmidt-Nielsen, (2002); McLean et al., (1983) e Finch et al., (1982).
Em contraste o modelo desenvolvido por McGovern e Bruce (2000) apresentado na Figura 5 contempla o estoque de calor, uma vez que esse mecanismo é extremamente útil em condições de alta temperatura, apesar de que animais homeotérmicos em geral não suportam uma elevação da temperatura interna mais do que 2 ou 3°C (McLean et al., 1983).
No entanto, este modelo igualmente o de Turnpenny et al., (2000) considera que a absorção da radiação solar ocorre somente na superfície da capa, sendo a radiação absorvida no interior dessa massa desconsiderada, consequentemente limitando sua acuracia (Cena e Monteith, 1975a).
O modelo apresentado por Silva (2000b) mostrado na Figura 6 considera a produção de calor metabólico em função da massa corporal. Se considerarmos dois animais com mesmo peso, mas com níveis produtivos diferentes ou submetidos a diferentes ambientes, um a sombra e outro ao sol, a taxa metabólica neste modelo será a mesma. Isso não é verdade. Se considerarmos animais de diferentes aptidões, mas com a mesma massa, a produção de calor metabólico será a mesma estimada pelo modelo. Isso não é o que acontece.
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Figura 5 Componentes do fluxo de calor e resistências do modelo de McGovern e Bruce (2000). Onde Mb é a produção de calor metabólico; ∆Mr é o aumento da produção de calor metabólico durante a ofegação; Gb é o estoque de calor armazenado nos tecidos corporais; Qb, Qr, QC,1, e QC,2 são os fluxos de calor do interior do corpo, do sistema respiratório, da epiderme para o pelame e do pelame para o ar, respectivamente; Tb, TS, TC, TA e TR são a temperatura profunda, da superfície da epiderme, da superfície do pelame (TC), da atmosfera (TA) e a radiante média do ambiente.
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Figura 6 Equivalente elétrico do fluxo de calor sensível e de calor latente entre o organismo e o ambiente, considerando as trocas por radiação (R), convecção (CS) e evaporação (VS) cutâneas, convecção (CR) e evaporação (VR) respiratórias, a temperatura profunda (TB), a temperatura da superfície (TS),a temperatura do ar expirado (TEXP), a temperatura da atmosfera (TA), a temperatura radiante média do ambiente (TRM), a pressão de saturação de vapor na superfície (pv*{TS}), a pressão de saturação do ar expirado(pv*{TEXP} e a pressão parcial de vapor da atmosfera (pv). Os valores rR, rH e rVs são as resistências à transferência de calor por radiação, por convecção e por evaporação na superfície do corpo, respectivamente, sendo rT a resistência térmica dos tecidos e rHr e rVr as resistências às trocas respiratórias por convecção e evaporação, respectivamente.(Conforme Silva, 2000b).
Claramente, esses modelos requerem validação usando-se dados de animais de diferentes raças, diferentes tamanhos e principalmente de diferentes ambientes, porém eles não foram colocados à prova contra dados mensurados diretamente nos animais sobre diferentes condições ambientais. “Poderia esses modelos descrever de forma eficiente o balanço térmico em um caprino”? Acreditamos que não, pois até na aplicação simulada eles tem serias limitações. Para responder esses questionamentos, somente com o desenvolvimento de pesquisas cientificas que abordem de forma eficiente e ampla o assunto, mas inexistem
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estudos a respeito no nível de complexidade requerida ao problema em questão. Por outro lado, atualmente quantificar a emissão de gases que afetam o efeito estufa em sistemas de produção animal, especificamente em ruminantes tem sido de grande importância para fins de inventário e posteriores politicas de mitigação dessas emissões, mas inexistem trabalhos a respeito que relacionem o equilíbrio térmico de caprinos com suas emissões entérica de CH4.
Por exemplo, o CH4 responde por 28,29% das emissões brasileiras de gases do efeito estufa e são oriundas de diversas atividades, onde o setor Agropecuário se sobressai, respondendo por 78,22 % do total da emissão desse gás, com uma estimativa de emissão de 275,8 Tg CO2eq de CH4 (Brasil, 2013), onde se destaca a fermentação entérica nos ruminantes, que corresponde a 70,0% das emissões brasileiras (246,57 Tg CO2eq de CH4), enquanto que os sistemas de manejo de dejetos de animais são responsáveis pela emissão de aproximadamente 21,28 Tg CO2eq de CH4, aproximadamente 6,0% do total (Figura 7).
Figura 7 Estimativas brasileiras de emissões antrópicas por fontes e remoções por sumidouros de CH4 convertidas por meio da métrica Potencial de Aquecimento Global (GWP) em unidades de Tg de CO2eq, conforme Brasil (2013).
352,6
275,8
246,57
21,28 0
50 100 150 200 250 300 350 400
Estimativas da Emissões brasileiras antrópicas de metano (Tg de CO2eq)
Emissão antrópica de metano
Total
Agropecuário
Fermentação entérica Dejetos de animais
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Esses números revelam que a atividade de produção animal é diretamente responsável pela liberação na atmosfera de aproximadamente 267,85 Tg CO2eq de CH4, contribuindo com 21,49% do total das emissões brasileiras de gases do efeito estufa (Brasil, 2013). Diante deste cenário, o Brasil instituiu a sua Política Nacional sobre Mudança do Clima (PNMC), por meio da Lei no 12.187/2009, que definiu o compromisso nacional voluntário da adoção de ações de mitigação visando à redução das emissões de gases de efeito estufa (GEE) entre 36,1% e 38,9% em relação às emissões projetadas até 2020. O Decreto no 7.390/2010 de Dezembro de 2010, que regulamenta os Arts. 6, 11 e 12 da Lei no 12.187/2009, publicou em seu anexo uma estimativa das emissões de gases de efeito estufa para 2020 em 3,236 Gt CO2eq. Dessa forma, a redução correspondente aos percentuais estabelecidos encontra-se entre 1,168 Gt CO2eq e 1,259 Gt CO2eq, respectivamente, para o ano de 2020.
A fim de acompanhar o cumprimento do compromisso nacional voluntário para a redução das emissões (Art. 12 da Lei no 12.187/2009) até o ano de 2020, foi estabelecido no Art. 11 do Decreto no 7.390/2010 que a partir do ano de 2012, o Brasil passaria a desenvolver e atualizar estimativas anuais de emissões de gases de efeito estufa a serem publicados em inventários nacionais. Esse compromisso passou a ser honrado a partir de 2013 com a publicação pelo MCTI das Estimativas Anuais (Brasil 2013) que foram baseadas no II Inventário Nacional (Brasil 2010). No entanto, as estimativas apresentadas em ambas às publicações apresentam incertezas devido a diversas causas.
No caso da emissão de CH4 pela fermentação entérica essa incerteza nas estimativas é da ordem de 34%. Entre as causas desse elevado grau de incerteza, se destaca a imprecisão de dados básicos utilizados devido à inadequação de parâmetros default do Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 2011) utilizados na ausência de valores apropriados às condições nacionais, ou seja, o número de pesquisas desenvolvidas no Brasil não são suficientes e muitos dados utilizados são oriundos de pesquisas desenvolvidas fora do país em condições ambientais totalmente diferentes. Por exemplo, a Tab. 1 mostra que a emissão de CH4 pelos ruminantes, varia devido a diversos fatores, entre eles, idade, peso, categoria, manejo alimentar, sistema de produção e condições climáticas, entre outras.
Os dados das pesquisas apresentados na Tab. 1 são uma amostra das pesquisas sobre a emissão de CH4 realizadas até o momento, e mostram que não há uma preocupação por parte dos autores em avaliar qual o impacto das condições meteorológicas na emissão de CH4 nos animais e sua associação com o equilíbrio térmico dos mesmos. Esses resultados levantam a seguinte questão: “dados coletados em condições meteorológicas de ambiente
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temperado são adequados para serem extrapolados para condições meteorológicas tropicais registradas no Brasil? No entanto, não existe informação sobre a flutuação circadiana na resposta da produção, perda e ganho de calor em caprinos e sua associação com outras respostas fisiológicas em função da variação ao longo do dia e das condições de temperatura ar e umidade.
Tabela 1 Emissão de metano entérico em ruminantes de acordo com os resultados de pesquisa de diferentes autores.
Autor País Animal Peso Metodolog
ia
1TA
(ºC)
Emissão de CH4 (kg ano-1
animal) Dengel et al.,
(2011)
Escócia ovinos Eddy
covariance
10 7,4
Wang et al., (2007)
Mongoli a
ovinos 38,4 Máscara facial
19 12,33
Lockyer (1997) Inglaterr a
ovinos 52,7 5
Calorímetr o de campo
10 4,85
Lockyer and
Champion (2001) Inglaterr a
ovinos 90
Calorímetr o de campo
10 7,41
Veneman et al., (2013)
Nova Zelandia
Vacas Holandesa
s
533 Câmara respiratóri
a
- 143,8
Fraser et al., (2013)
Inglaterr a
ovinos 77,6 Câmara respiratóri
a
- 9,64
Fraser et al., (2013)
Inglaterr a
ovinos 45,8 Câmara respiratóri
a
- 7,70
Fraser et al., (2013)
Inglaterr a
Limousin 458 SF6 - 79,2
Lage et al., (2013) Brasil Nelore 374, 1
SF6 - 62,4
Berndt, et al., (2013)
Brasil Nelore 265, 2
SF6 - 60,4
Berndt, et al., (2013)
Brasil Vaca Holandesa
570 SF6 - 171,33
Boadi et al., (2002)
Canada Yearling bovinos
400 SF6 16 28,97
Primavesi et al., (2004)
Brasil Vacas Holandesa
605 SF6 - 101,47
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s secas Primavesi et al.,
(2004)
Brasil Vacas Holandesa s lactantes
572 SF6 - 147,10
Pinares-Patiño et al., (2003)
França Bovinos Charolês
712 SF6 - 87,6
1TA é a temperatura do ar.
Assim, em um primeiro momento o presente trabalho, será uma primeira tentativa de estudar o equilíbrio térmico em caprinos, uma vez que, sabemos da grande importância da caprinocultura na região nordeste do Brasil, onde encontramos aproximadamente 93% do rebanho nacional, assim, remover o empirismo que ainda permanece em nossas condições na análise do conforto térmico desses animais, é contribuir para melhoria do seu bem estar, consequentemente para eficiência econômica do sistema. Em um segundo momento, fornecer informações precisas sobre a emissão de CH4 entérica desses animais, associada ao seu equilíbrio térmico e com outros gases respiratórios. Desta forma, estaremos contribuindo para os levantamentos de emissões de gases do efeito estufa no Brasil.
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4 MATERIAL E MÉTODOS
4.1 LOCAL E ANIMAIS
O presente trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Bioclimatologia da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (UNESP), Campus de Jaboticabal (FCAV). Essa região está localizada entre os paralelos: 21° 8’ de latitude e 48° 11’ de longitude, com uma altitude de 583 metros.
Foram utilizados nove caprinos da raça Anglo Nubiano (fêmeas), selecionados com idade de aproximadamente três anos e com uma média de peso corporal entre 50 a 80 kg.
Todos os animais foram alimentados com uma dieta de concentrado (a base de milho, soja e ureia) e volumoso (silagem de milho) numa proporção de 70:30. O consumo diário por animal foi de aproximadamente 2% do peso vivo. Essa dieta era fornecida duas vezes por dia e com água e sal mineral foram disponibilizados à vontade.
4.2 MEDIDAS FISIOLÓGICAS
Nas coletas de dados foram mensurados os gases respiratórios (oxigênio, O2; dióxido de carbono, CO2; vapor de água, H2O; e metano, CH4), as funções respiratórias (volume respiratório e frequência respiratória) além das temperaturas corporais (da superfície da pele, do pelame, retal e do ar expirado). Todas essas variáveis foram mensuradas através do Sistema de Medidas Fisiológicas (SMF), processo desenvolvido pelo Núcleo de Inovação em Biometeorologia Animal (INOBIO) do Laboratório de Bioclimatologia da FCAV – UNESP (Figura 8).
4.2.1 Equipamentos do Sistema de Medidas Fisiológicas (SMF)
Esse sistema é composto pelos seguintes equipamentos e componentes:
1. Máscara facial:
Consiste em um recipiente de plástico ou alumínio, envolto por uma folha de
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alumínio vedado com látex sintético e acoplado ao animal por meio de um garrote também de látex. A máscara possui duas válvulas de entrada e de saídas de ar;
2. Analisador de O2 (modelo FMS-1201-05, Field Metabolic System);
3. Analisador de CO2 (modelo FMS-1201-05, Field Metabolic System);
4. Analisador de CH4 (modelo MA-10 Methane Analyzer, Sable System);
5. Dois analisadores de vapor de H2O (modelo RH-300, Sable System);
6. Duas bombas (modelo SS4 sub-sample, Sable System);
7. Um tubo de dissecante (Perclorato de Magnesio);
8. Um espirômetro (modelo ML141 da ADInstruments);
9. Uma câmara misturadora de gases (modelo MLA246, ADInstruments);
10. Um cabeçal de fluxo (modelo MLT1.000, ADInstruments);
11. Um sensor de temperatura nasal (modelo MLT415/AL, ADInstruments);
12. Um sensor de temperatura retal (Modelo MLT1407, ADInstruments);
13. Dois sensores de temperaturas da superfície corporal (Modelo MLT22/A, ADInstruments);
14. Sistema de aquisição de dados (Modelo PowerLab 16/30 e LabChart Pro, ADInstruments);
15. Terminal para termistores (Modelo Thermistor Pod ML309, ADInstruments);
16. Computador;
4.2.2 Funcionamento do Sistema de Medidas Fisiológicas (SMF)
As Figuras 8, 9, 10 e 11 mostram o esquema de funcionamento do SMF durante o experimento. Inicialmente a máscara facial foi ajustada ao focinho do animal de forma que a cada movimento respiratório, o ar da atmosfera entrava pela válvula de entrada de ar da máscara, enquanto o ar expirado saia pela válvula de saída de ar e seguia para a câmara misturadora de gases, onde continuamente uma alíquota desse ar era aspirada para o analisador de vapor de H2O que realizava a leitura da pressão de saturação do ar expirado (Pexp, kPa). Em seguida, essa amostra de ar passava pelo dissecante (Perclorato de magnésio - Mg(ClO4)2) e seguia para os analisadores de CO2, O2 e CH4 que realizavam a leitura da porcentagem (%) desses gases no ar expirado do animal (CO2E, O2E e CH4E, respectivamente).
Por outro caminho, o ar expirado do animal após passar pela câmara misturadora de gases era
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direcionado para o cabeçal de fluxo, que estava conectado ao espirômetro onde era realizada a leitura digital da frequência respiratória (FR, resp min-1) e do volume respiratório (Vm, L s-1).
Os sensores de temperatura foram fixados sobre as superfícies da pele e do pelame, enquanto que o sensor de temperatura retal foi inserido no reto do animal e o sensor de temperatura do ar expirado foi colocado no interior da máscara, à frente das narinas do animal. Esses sensores ficaram conectados diretamente a um terminal de termistores, e estes por sua vez, foram conectados ao sistema de aquisição de dados, desse modo, medindo continuamente a temperatura da superfície da epiderme (Tep, °C), do pelame (TS, °C), a temperatura retal (TR, °C) e do ar expirado (Texp, °C), respectivamente.
No SMF as leituras das porcentagens (%) de O2, CO2 e CH4 da atmosfera (O2A, CO2A e CH4A, respectivamente) foram feitas sempre que a máscara era retirada do focinho do animal. O tempo que esse ar levava para ser lido sem haver ainda amostras de ar expirado variou entre 5 e 10 minutos, ou seja, este intervalo pode vir a ser considerado como o tempo de “lavagem” do sistema.
A pressão parcial de vapor da atmosfera (PV, kPa) foi registrada continuamente por um analisador de vapor de H2O conectado a uma bomba que aspirava uma alíquota de ar da atmosfera próximo ao animal.
Figura 8 Sistema de medidas fisiológicas do Laboratório de Bioclimatologia Animal.
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Todas as leituras fisiológicas foram registradas de forma continua e simultânea, com uma taxa de uma observação por segundo, pelo sistema de aquisição de dados (PowerLab) conectado a um computador e nele armazenadas, de modo que possibilitasse uma posterior extração destes dados.
Figura 9 Animais durante as coletas de dados com Sistema de medidas fisiológicas do Laboratório de Bioclimatologia Animal.
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Figura 10 Animal usando a máscara facial do Sistema de medidas fisiológicas do Laboratório de Bioclimatologia Animal.
41
Figura 11 Animal usando a máscara facial do Sistema de medidas fisiológicas do Laboratório de Bioclimatologia Animal.
4.2.3 Temperaturas Corporais
Essas temperaturas foram todas mensuradas pelo SMF, sendo que a temperatura da superfície do pelame (TS, °C) foi aferida por meio de um sensor (modelo MLT 422A) colocado na região dorsal do animal sobre a superfície do pelame. Um sensor (modelo MLT 422A) foi usado para medir a temperatura da superfície da pele (Tep, °C) que foi colocado na
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região dorsal dos animais, porém sobre a superfície da epiderme previamente tricotomizada.
Esses sensores foram acoplados a uma placa de plástico, que por sua vez, foi fixada à pele do animal. A temperatura retal (TR, °C) foi aferida continuamente ao longo das coletas por um sensor retal (MLT 1404, ADInstruments) inserido no reto do animal.
4.2.4 Produção de calor metabólico
A produção de calor metabólico (qmet, W m-2) foi determinada pela diferença na proporção de O2 e CO2 entre o ar inspirado e o expirado, de acordo com Silva e Maia (2013) utilizando o SMF. Sabendo que o oxigênio e o gás carbônico contribuem respectivamente com 75 e 25%, aproximadamente, para a produção total de calor, enquanto que o CH4 e o N contribuem apenas com 1% (Brouwer 1965; Kleiber, 1972), consequentemente qmet pode ser dada pela seguinte equação:
)]
CO (CO
0,25Q )
O (O [0,75Q V
F A
qmet 1 R RC O 2A 2E CO 2E 2A
2
2
onde A (m2) é a área de superfície corporal do animal; VRC é o volume respiratório corrente (VRC = (Vm/(FR/100)) L resp.-1); FR é a frequência respiratória (resp s-1); O2A e O2E são as proporções de O2 na atmosfera e no ar expirado, respectivamente; CO2A e CO2E são as proporções de CO2 na atmosfera e no ar expirado, respectivamente;
O2
Q e
CO2
Q são, respectivamente, os coeficientes calóricos do O2 e do CO2 (J L-1), que variam de acordo com o quociente respiratório, conforme Schmidt-Nielsen (2002).
4.2.5 Emissão de metano
O metano entérico (L h-1) liberado no sistema respiratório foi estimado de acordo com Silva e Maia (2013):
) CH (CH
V 3600F
CH4ent R RC 4E 4A
onde CH4E e CH4A são as proporções de metano no ar expirado e inspirado, respectivamente.
A conversão da unidade L h-1 para g h-1 foi feita utilizando a Lei dos Gases (PV=nRTA), sendo P=0,93 atm. (pressão atmosférica local de Jaboticabal, considerada igual a 94 kPa), R=0,082 atm L mol-1 K-1 (constante gasosa), n=1,0 mol (número de moles) e TA (K) era o valor da
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temperatura da atmosfera (mensurada pela estação meteorológica portátil). Sabendo que a massa da molécula de mCH4=16g, consequentemente,
/RTA
PmCH4
4E
4 CH
eCH
4.3 CALOR SENSÍVEL
4.3.1 Radiação de ondas longas
O fluxo de calor por radiação de ondas longas (W m-2) foi determinado de acordo com Silva e Maia (2013), como mostra a equação a seguir,
onde ε é a emissividade da superfície, σ (W m-2 K-4) é a constante de Stefan-Boltzmann, TS
(K) é a temperatura da superfície e a TRM (K) é a temperatura radiante média.
4.3.2 Convecção
O fluxo de calor por convecção (W m-2) foi determinado usando a lei do resfriamento de Newton, de acordo com Incropera et al. (2008).
) T - (T h
qconv C S A
onde hC é o coeficiente de convecção (W m-2 K), TS é a temperatura da superfície (K) e TA é a temperatura do ar (K). O hC foi determinado considerando o animal um cilindro horizontal de acordo com Silva e Maia (2013).
) εσ(T T
qrl S4 RM4
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4.4 CALOR LATENTE
O fluxo de calor latente no processo respiratório foi estimado pelo produto entre a taxa de ventilação pulmonar e a diferença no conteúdo de umidade do ar expirado com aquela do ar inspirado (Silva e Maia, 2013). Este resultado foi multiplicado pelo calor latente de vaporização da água, e dividido pela área de superfície corporal do animal (qer, W m-2):
A Ψ ) - (Ψ λV F
qer RC R E A
onde A (m2) é a área de superfície corporal do animal; λ é o calor latente de vaporização da água (J g-1); A (g m-3) é umidade absoluta da atmosfera; E (g m-3) é a umidade absoluta do ar expirado que foram determinados de acordo com Silva e Maia (2013).
4.5 CONDICIONAMENTO DOS ANIMAIS
Para estudo de calorimetria indireta utilizada no Sistema de Medidas Fisiológicas (SMF) é fundamental o condicionamento dos animais ao uso da máscara facial (Figuras 12 e 13), através do condicionamento operante (Skinner, 1989) antes da execução das coletas de dados. Neste caso foi utilizado o concentrado como reforço positivo. A máscara facial para caprinos foi desenvolvida pelo Núcleo de Inovação em Biometeorologia Animal (INOBIO).
Esse condicionamento foi realizado durante quatro meses (julho a outubro), onde na primeira fase os animais gradualmente foram submetidos à rotina de coleta similar as condições experimentais. Nas primeiras semanas do condicionamento os caprinos foram submetidos ao uso da máscara facial durante o período de 15 minutos, com o passar das semanas o tempo de permanência do animal com a máscara foi aumentado gradualmente para 30 mintos na segunda semana, 45 minutos naterceira e 60 minutos na quarta semana.
45
Figura 12 Máscara facial desenvolvida para caprinos pelo Núcleo de Inovação em Biometeorologia Animal (INOBIO). Desenho Msc Bruno Rodrigo Simão.
Figura 13 Máscara facial desenvolvida para caprinos pelo Núcleo de Inovação em Biometeorologia Animal (INOBIO). Desenho em 3D mostrando os detalhes interno das válvulas. Desenho Msc Bruno Rodrigo Simão.
