Closing loops in intensive livestock systems: innovative strategies for nutrient recycling and emissions reduction

Abstract

(English) The exponential growth of world population is leading to a high demand of food products and, consequently, to the development of intensive agricultural and livestock systems. In this sense, synthetic fertilizers are being used in a non-sustainable way to produce food and feedstock, requiring massive amounts of energy and depleting mineral resources, with a volatile fluctuation of their prices due to geopolitical conflicts. At the same time, intensive livestock production is still inefficient in terms of nutrient use and contributes to a half of the amount of greenhouse gases and most of ammonia emissions of agriculture. In this context, the recovery of biobased fertilizers and bioenergy from animal manure to partially replace synthetic mineral fertilizers and fossil fuels, as well as strategies to reduce emissions along the manure management chain, should be considered as a key approach to move towards a more sustainable and resilient agriculture and livestock production. This doctoral thesis has looked to contribute to this aim by developing different innovative strategies at two main levels: (i) At animal production level, precision feeding tools have been used to adjust diets in dairy cows based on individual animal requirements, reducing the amount of nitrogen present on the excreta, and the potential volatilization of ammonia. Nitrogen was reduced in urine and manure by 28% and 19% respectively without affecting milk production, and a reduction trend on ammonia emission of 20% during manure storage was observed. Besides, samples of dairy cow ruminal fluid were obtained to isolate and identify hyper ammonia-producing bacteria that highly contributes to ammonia production in cows’ metabolism. After the identification of Clostridium sporogens, Terrisporobacter glycolicus (Clostridium glycolicum), Megasphaera elsdenii, Clostridium argentinense, Streptococcus sp., Prevotella ruminicola, and Acidaminococcus fermentans, an in vitro study using bacteriophages isolated from the same ruminal fluid were inoculated as a population reduction strategy. Unfortunately, none of the bacteriophages present in the rumen was able to interact with the bacteria. (ii) At manure treatment and valorization level, agro-industrial anaerobic digestate, the solid fraction of the digestate, and a mixture of the solid fraction with a low nitrogen stream from a stripping/scrubbing unit were dried in a solar drying greenhouse system, in some cases combined with acidification with sulfuric acid, to produce organic NPK fertilizers, while reducing ammonia and greenhouse gas emissions during the process. All dried products, both acidified and non-acidified, meet the current European Regulation for solid NPK fertilizers with some exceptions due to the zinc content. Moreover, acidification proved to reduce up to 94% ammonia emissions during the process when comparing the acidified to the non-acidified products. In addition, the resulting products were tested for phytotoxicity with germination and plant pot trials with lettuce. Except for the acidified dried digestate, the rest of the products did not produce any toxicity effect on germination, and the dried acidified digestate showed a biostimulator effect (Germination index > 120%). During the pot trials, the fertilizers showed an efficient performance, always lower than the synthetic fertilizer, but similar in the case of the acidified products, and better than the negative control. All of them fit the current regulations on heavy metals and potential toxic elements in soil and edible parts of the plant.

(Català) El creixement exponencial de la població mundial està portant a una gran demanda de productes alimentaris i, en conseqüència, al desenvolupament de sistemes agrícoles i ramaders intensius. En aquest sentit, els fertilitzants sintètics s'estan utilitzant de manera no sostenible per produir aliments i matèries primeres, que requereixen quantitats massives d'energia i esgoten els recursos minerals, amb una fluctuació volàtil dels seus preus per conflictes geopolítics. Al mateix temps, la ramaderia intensiva és encara ineficient pel que fa a l'ús de nutrients i contribueix a la meitat de la quantitat de gasos d'efecte hivernacle i a la majoria de les emissions d'amoníac de l’agricultura. En aquest context, la recuperació de fertilitzants biològics i de bioenergia a partir de dejeccions animals per substituir parcialment els fertilitzants minerals sintètics i els combustibles fòssils, així com les estratègies per reduir les emissions al llarg de la cadena de gestió de les dejeccions, s'haurien de considerar com un enfocament clau per avançar cap a un sistema més sostenible, i una agricultura i una producció ramadera resilients. Aquesta tesi doctoral ha volgut contribuir a aquest objectiu desenvolupant diferents estratègies innovadores a dos nivells principals: (i) A nivell de producció animal, s'han utilitzat eines d'alimentació de precisió per ajustar les dietes de les vaques lleteres en funció de les necessitats individuals dels animals, reduint la quantitat de nitrogen present a les excretes i la possible volatilització de l'amoníac. El nitrogen es va reduir en l'orina i les dejeccions en un 28% i un 19%, respectivament, sense afectar la producció de llet, i es va observar una tendència de reducció de les emissions d'amoníac del 20% durant l'emmagatzematge de les dejeccions. A més, es van obtenir mostres de líquid ruminal de vaques lleteres per aïllar i identificar bacteris híper-productors d’amoníac que contribueixen substancialment a la producció d'amoníac en el metabolisme de les vaques. Després de la identificació de Clostridium sporogens, Terrisporobacter glycolicus (Clostridium glycolicum), Megasphaera elsdenii, Clostridium argentinense, Streptococcus sp., Prevotella ruminicola i Acidaminococcus fermentans, es va fer un estudi in vitro en el que es va inocular bacteriòfags del mateix líquid ruminal com a estratègia de reducció de població. Malauradament, cap dels bacteriòfags presents al nostre rumen va poder interactuar amb els bacteris. (ii) A nivell de tractament i valorització de les dejeccions, es van assecar digestat agroindustrial, la fracció sòlida del digestat i una barreja de la fracció sòlida amb una corrent baixa en nitrogen procedent d’una unitat de stripping en un sistema d’assecat solar, en alguns casos combinats amb acidificació amb àcid sulfúric, per produir fertilitzants orgànics NPK, alhora que es reduïen les emissions d’amoníac i gasos d’efecte hivernacle durant el procés. Tots els productes secs, tant acidificats com no acidificats, compliren amb el Reglament europeu vigent per a fertilitzants sòlids NPK amb algunes excepcions pel contingut de zinc. A més, l’acidificació va demostrar reduir fins a un 94% les emissions d’amoníac durant el procés en comparar els productes acidificats amb els no acidificats. Els productes resultants van ser provats amb un experiment de germinació i assajos en test amb enciam per determinar la seva fitotoxicitat. Excepte el digestat sec acidificat, la resta de productes no van produir cap efecte de toxicitat en la germinació, i el digestat sec acidificat va mostrar un efecte bioestimulador (índex de germinació > 120%). Durant les proves en test, els fertilitzants van mostrar un rendiment eficient, sempre inferior al sintètic, però similar en el cas dels productes acidificats, i millor que el control negatiu. Tots ells s’ajustaren a la normativa vigent sobre metalls pesants i elements potencialment tòxics al sòl i a les parts comestibles de la planta.

(Español) El crecimiento exponencial de la población mundial está potenciando una gran demanda de productos alimenticios y, en consecuencia, al desarrollo de sistemas agrícolas y ganaderos intensivos. En este sentido, los fertilizantes sintéticos se están utilizando de forma no sostenible para producir alimentos y materias primas, que requieren cantidades masivas de energía y agotan los recursos minerales, con una fluctuación volátil de sus precios por conflictos geopolíticos. Al mismo tiempo, la ganadería intensiva es todavía ineficiente en lo que se refiere al uso de nutrientes y contribuye a la mitad de la cantidad de gases de efecto invernadero ya la mayoría de las emisiones de amoníaco de la agricultura. En este contexto, la recuperación de fertilizantes biológicos y de bioenergía a partir de estiércoles animales para sustituir parcialmente los fertilizantes minerales sintéticos y los combustibles fósiles, así como las estrategias para reducir las emisiones a lo largo de la cadena de gestión de estiércol, se deberían considerar como un enfoque clave para avanzar hacia un sistema más sostenible y una agricultura y una producción ganadera resilientes. Esta tesis doctoral ha querido contribuir a este objetivo desarrollando diferentes estrategias innovadoras a dos niveles principales: (i) A nivel de producción animal, se han utilizado herramientas de alimentación de precisión para ajustar las dietas de las vacas lecheras en función de las necesidades individuales de los animales, reduciendo la cantidad de nitrógeno presente en las excretas y la posible volatilización del amoníaco. El nitrógeno se redujo en la orina y en las heces en un 28% y un 19%, respectivamente, sin afectar a la producción de leche, y se observó una tendencia de reducción de las emisiones de amoníaco del 20% durante el almacenamiento del estiércol. Además, se obtuvieron muestras de con líquido ruminal de vacas lecheras para aislar e identificar bacterias híper-productoras de amoníaco que contribuyen sustancialmente a la producción de amoníaco en el metabolismo de las vacas. Tras la identificación de Clostridium sporogens, Terrisporobacter glycolicus (Clostridium glycolicum), Megasphaera elsdenii, Clostridium argentinense, Streptococcus sp., Prevotella ruminicola y Acidaminococcus fermentans, se realizó un estudio in vitro en el que se inocularon bacteriófagos del mismo líquido ruminal. Desgraciadamente, ninguno de los bacteriófagos presentes en nuestro rumen pudo interactuar con las bacterias. (ii) A nivel de tratamiento y valorización de estiércol, se secaron digestato agroindustrial, la fracción sólida del digestato y una mezcla de la fracción sólida con una corriente baja en nitrógeno procedente de una unidad de stripping en un sistema de secado solar, en algunos casos combinados con acidificación con ácido sulfúrico, para producir fertilizantes orgánicos NPK, al tiempo que se reducían las emisiones de amoníaco y gases de efecto invernadero durante el proceso. Todos los productos secos, tanto acidificados como no acidificados, cumplieron con el Reglamento europeo vigente para fertilizantes sólidos NPK con algunas excepciones por el contenido de zinc. Además, la acidificación demostró reducir hasta en un 94% las emisiones de amoníaco durante el proceso al comparar los productos acidificados con los no acidificados. Los productos resultantes fueron probados con un experimento de germinación y ensayos en maceta con lechuga para determinar su fitotoxicidad. Excepto el digestato seco acidificado, el resto de los productos no produjeron ningún efecto de toxicidad en la germinación y el t seco acidificado mostró un efecto bioestimulador (índice de germinación > 120%). Durante las pruebas en test, los fertilizantes mostraron un rendimiento eficiente, siempre inferior al sintético pero similar en el caso de los productos acidificados, y mejor que el control negativo. Todos ellos se ajustaron a la normativa vigente sobre metales pesados y elementos potencialmente tóxicos.