DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.121453
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38875988
تاريخ النشر: 2024-06-13
المؤلف: K. Haider وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحكم في الروائح والانبعاثات
نظرة عامة
تبحث الدراسة في المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) المنبعثة من أنواع مختلفة من روث الحيوانات، مع التركيز على دورها المزدوج كسماد عضوي ومساهم كبير في تلوث الهواء. استخدمت الدراسة غرف محاكاة جوية لتحليل عينات الروث من الأبقار والخيول والأغنام والماعز، مستخدمة تقنيات متقدمة مثل قياس الطيف الكتلي بتفاعل نقل البروتون-أيون رباعي القطب-زمن الطيران (PTR-QiTOF-MS) وقياس الطيف الكتلي بالكروماتوغرافيا الغازية-التحلل الحراري (TD-GC-MS). تم تحديد ما مجموعه 368 مركبًا من المركبات العضوية المتطايرة، مما يكشف عن مجموعة متنوعة من المجموعات الكيميائية، بما في ذلك المركبات المؤكسدة، والمركبات النيتروجينية، والكبريتية، والعطرية، والتربينات، والمركبات الهالوجينية.
أشارت النتائج إلى أن روث الأبقار أنتج أعلى تدفقات انبعاث المركبات العضوية المتطايرة، حيث كانت المركبات العضوية المتطايرة المؤكسدة هي المساهم الرئيسي عبر جميع العينات. ميزت التحليلات الإحصائية أيضًا انبعاثات روث الأبقار، التي تميزت بوجود أعلى من المركبات المؤكسدة والنيتروجينية، بينما أظهر روث الماعز انبعاثات فريدة من المركبات التي تحتوي على كل من الأكسجين والنيتروجين. تقدم هذه الدراسة جردًا شاملاً للمركبات العضوية المتطايرة وتدفقات انبعاثها من روث الحيوانات، مع تسليط الضوء على مركبات الرائحة المحددة والسابقة المحتملة للهباء الجوي الجوي. تؤكد النتائج على الحاجة إلى مزيد من البحث في طرق معالجة الروث لتعزيز الممارسات الزراعية المستدامة.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية الدور المزدوج لروث الحيوانات كسماد عضوي قيم وملوث بيئي كبير. في عام 2022، وصلت الانبعاثات العالمية من روث الحيوانات إلى 9.26 مليار طن، حيث يعزز محتواه من العناصر الغذائية – وخاصة النيتروجين، والفوسفور، والبوتاسيوم – خصوبة التربة عند إدارته بشكل صحيح. ومع ذلك، أدت الإنتاجية المكثفة لروث الحيوانات إلى مخاوف بيئية، خاصة في المناطق ذات الكثافة العالية من الماشية، حيث يؤدي سوء الإدارة إلى إطلاق ملوثات مثل غازات الدفيئة (GHGs)، والأمونيا، والمواد الجسيمية، مما يؤثر سلبًا على جودة الهواء.
تسلط الورقة الضوء على فعالية أنظمة الهضم اللاهوائي في معالجة روث الماشية، والتي لا تقلل من الرائحة فحسب، بل تزيد أيضًا من توافر العناصر الغذائية في المخلفات. تشير الدراسات الحديثة إلى أن تحويل روث الألبان مع الفحم الحيوي يمكن أن يقلل بشكل كبير من الميثان والانبعاثات الضارة الأخرى. على الرغم من التقدم في فهم الانبعاثات من الماشية، وخاصة المركبات العضوية المتطايرة (VOCs)، لا يزال هناك فجوة ملحوظة في البحث حول انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة من أنواع الماشية المختلفة بخلاف الخنازير والدواجن. تهدف هذه الدراسة إلى معالجة هذه الفجوة من خلال فحص انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة من عينات روث الأبقار والخيول والأغنام والماعز، باستخدام تقنيات تحليلية متقدمة لتجميع جرد شامل للمركبات العضوية المتطايرة المنبعثة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم جمع أربعة أنواع من عينات روث الحيوانات (الخيول، الأبقار، الأغنام، والماعز) من مزرعة في غرينجون، فرنسا، وتم تحليلها للمركبات العضوية المتطايرة (VOCs). تم تخزين العينات عند 4 °م قبل التجربة، التي أجريت في غرف بولي (ميثيل ميثاكريلات) ذات تحكم في درجة الحرارة بحجمين مختلفين (0.03 م³ و0.18 م³). خضعت كل عينة لثلاث تكرارات، مع الحفاظ على أوزان العينات ومساحات السطح المحددة لضمان سمك متسق أثناء التجارب. تم تحليل المركبات العضوية المتطايرة المنبعثة في الوقت الحقيقي باستخدام قياس الطيف الكتلي بتفاعل نقل البروتون-أيون رباعي القطب-زمن الطيران (PTR-QiTOF-MS) وتم التقاطها على خراطيش Tenax TA للتحليل اللاحق عبر قياس الطيف الكتلي بالكروماتوغرافيا الغازية-التحلل الحراري (TD-GC-MS).
شمل الإعداد التجريبي مراقبة تركيزات ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) والأمونيا (NH₃)، جنبًا إلى جنب مع الرطوبة النسبية، لضمان نتائج دقيقة. تضمنت معالجة البيانات إنشاء قوائم ذروات مع نسبة إشارة إلى ضوضاء أكبر من 3.0، واستبعاد الإشارات الخلفية، وتحديد الصيغ الجزيئية الكيميائية باستخدام برامج متخصصة. تم حساب متوسط تركيز الكتلة وتدفق انبعاث المركبات العضوية المتطايرة، وتم إجراء تحليلات إحصائية، بما في ذلك تحليل المكونات الرئيسية (PCA)، لتمييز الملفات الكيميائية للعينات. قدمت المنهجيات المشار إليها من Haider et al. (2022) إطارًا لكل من الإجراءات التجريبية وتقنيات تحليل البيانات المستخدمة في هذا البحث.
النتائج
استخدمت الدراسة تقنيتين تحليليتين، PTR-QiTOF-MS وTD-GC-MS، لتحليل المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) المنبعثة من أربعة أنواع من روث الحيوانات. سمح دمج هذه الطرق بإجراء تقييمات نوعية وكمية، مما أسفر عن تحديد 631 صيغة جزيئية. من الجدير بالذكر أنه تم تحديد 368 مركبًا باستخدام PTR-QiTOF-MS، بينما قدمت TD-GC-MS خصوصية إضافية، كاشفة عن مركبات إيزومرية لم تتمكن PTR-QiTOF-MS من تمييزها. على سبيل المثال، كان الأيون البروتوني عند m/z 127.112 يتوافق مع عدة إيزومرات من C$_8$H$_{14}$O تم تحديدها من خلال TD-GC-MS.
أشارت النتائج إلى أن روث الأبقار كان لديه أعلى تدفق انبعاث للمركبات العضوية المتطايرة بمعدل 66 ± 26 ميكروغرام م$^{-2}$ دقيقة$^{-1}$، تليه روث الماعز والأغنام والخيول. كانت المركبات العضوية المتطايرة المؤكسدة (OVOCs) هي السائدة عبر جميع العينات، مع تسليط التحليل الإحصائي الضوء على الملف الفريد لانبعاثات روث الأبقار، الذي كان غنيًا بكل من المركبات المؤكسدة والنيتروجينية. كانت انبعاثات روث الماعز مميزة بسبب ارتفاع انتشار المركبات التي تحتوي على كل من الأكسجين والنيتروجين. تؤكد الدراسة على فعالية دمج PTR-QiTOF-MS وTD-GC-MS لتوصيف شامل للمركبات العضوية المتطايرة في السياقات الزراعية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تحليل المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) المنبعثة من أنواع مختلفة من الروث باستخدام قياس الطيف الكتلي بتفاعل نقل البروتون-أيون رباعي القطب-زمن الطيران (PTR-QiTOF-MS) وقياس الطيف الكتلي بالكروماتوغرافيا الغازية-التحلل الحراري (TD-GC-MS). تم الكشف عن ما مجموعه 368 مركبًا عبر جميع العينات، مع 115 مركبًا مشتركًا بين الجميع. تم تصنيف المركبات العضوية المتطايرة إلى ست مجموعات كيميائية: الهيدروكربونات (HC)، المركبات المؤكسدة (OVOCs)، المركبات النيتروجينية (N-compounds)، المركبات الكبريتية، المركبات الهالوجينية، وأخرى. من الجدير بالذكر أن روث الأغنام أظهر أعلى تنوع في المركبات العضوية المتطايرة، مع 257 مركبًا تم الكشف عنها، بينما كان لدى روث الأبقار أعلى تدفق انبعاث للمركبات العضوية المتطايرة بمعدل 66 ± 26 ميكروغرام م⁻² دقيقة⁻¹. كانت المركبات العضوية المتطايرة المؤكسدة هي الأكثر وفرة، خاصة في روث الأبقار، الذي أظهر انبعاثًا كبيرًا من الكحوليات والأحماض الكربوكسيلية.
حددت الدراسة أيضًا مؤشرات انبعاث محددة لكل نوع من أنواع الروث، كاشفة أن روث الأبقار أطلق أعلى تركيزات من المركبات النيتروجينية، وخاصة الأمونيا (NH₃)، التي تعد مساهمًا كبيرًا في تلوث الغلاف الجوي. تتماشى النتائج مع الأدبيات الموجودة، مؤكدة على هيمنة المركبات العضوية المتطايرة المؤكسدة في انبعاثات الروث، وتسلط الضوء على أهمية فهم هذه الانبعاثات لتقييمات الكيمياء الجوية والأثر البيئي. تؤكد النتائج على الحاجة إلى مزيد من البحث في المصادر المحددة وآليات انبعاث المركبات العضوية المتطايرة من الممارسات الزراعية.
القيود
تقدم الدراسة جردًا شاملاً للمركبات العضوية المتطايرة وحسابات تدفقات الانبعاثات التي يمكن أن تُفيد السياسات واللوائح البيئية الهادفة إلى تحسين ممارسات إدارة الروث لتقليل الانبعاثات وآثارها على جودة الهواء والصحة العامة. ومع ذلك، تعترف الدراسة بالقيود الموجودة في البيئات المختبرية، والتي قد لا تعكس بدقة الظروف الواقعية. يمكن أن تؤثر المتغيرات مثل درجة الحرارة، والرطوبة، والنشاط الميكروبي في البيئات الطبيعية بشكل كبير على انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة، مما قد يغير النتائج.
علاوة على ذلك، تمتد آثار انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة من الروث إلى ما هو أبعد من جودة الهواء، مؤثرة على الكيمياء الجوية أيضًا. إن فهم العلاقة بين العوامل البيئية مثل درجة الحرارة والرطوبة وتأثيرها على تركيبة الانبعاثات أمر حيوي لتوقع الأثر البيئي لهذه الانبعاثات تحت سيناريوهات مناخية متغيرة. من خلال توضيح العلاقة بين إدراك الرائحة وانبعاثات المركبات العضوية المتطايرة، توفر الدراسة للمزارعين رؤى للتحكم بشكل أفضل في انبعاثات الرائحة من الروث، مما يعزز الممارسات الزراعية المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.121453
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38875988
Publication Date: 2024-06-13
Author(s): K. Haider et al.
Primary Topic: Odor and Emission Control Technologies
Overview
The research investigates the volatile organic compounds (VOCs) emitted from various types of animal manure, emphasizing their dual role as both organic fertilizers and significant contributors to air pollution. The study utilized atmospheric simulation chambers to analyze manure samples from cows, horses, sheep, and goats, employing advanced techniques such as Proton Transfer Reaction-Quadrupole ion guide-Time-of-Flight Mass Spectrometry (PTR-QiTOF-MS) and Thermal Desorption-Gas Chromatography-Mass Spectrometry (TD-GC-MS). A total of 368 VOCs were identified, revealing a diverse array of chemical groups, including oxygenated, nitrogenated, sulfur, aromatic, terpenes, and halogenated compounds.
Findings indicated that cow manure produced the highest VOC emission fluxes, with oxygenated VOCs being the predominant contributors across all samples. Statistical analyses further distinguished cow manure emissions, characterized by a higher presence of oxygenated and nitrogenated compounds, while goat manure exhibited unique emissions of compounds containing both oxygen and nitrogen. This study provides a comprehensive inventory of VOCs and their emission fluxes from animal manures, highlighting specific odorant compounds and potential atmospheric aerosol precursors. The results underscore the need for further research into manure treatment methods to enhance sustainable agricultural practices.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the dual role of animal manure as both a valuable organic fertilizer and a significant environmental pollutant. In 2022, global emissions of animal manure reached 9.26 billion tons, with its nutrient content—particularly nitrogen, phosphorus, and potassium—enhancing soil fertility when managed properly. However, the intensive production of animal manure has led to environmental concerns, particularly in regions with high livestock densities, where improper management results in the release of pollutants such as greenhouse gases (GHGs), ammonia, and particulate matter, adversely affecting air quality.
The paper highlights the effectiveness of anaerobic digestion systems in treating livestock manure, which not only reduces odor but also increases the availability of nutrients in the digestate. Recent studies indicate that composting dairy manure with biochar can significantly reduce methane and other harmful emissions. Despite advancements in understanding the emissions from livestock, particularly volatile organic compounds (VOCs), there remains a notable gap in research on VOC emissions from various livestock types beyond pigs and poultry. This study aims to address this gap by examining VOC emissions from manure samples of cows, horses, sheep, and goats, utilizing advanced analytical techniques to compile a comprehensive inventory of emitted VOCs.
Methods
In this study, four types of animal manure samples (horse, cow, sheep, and goat) were collected from a farm in Grignon, France, and analyzed for volatile organic compounds (VOCs). The samples were stored at 4 °C prior to experimentation, which was conducted in temperature-controlled poly(methyl methacrylate) chambers of two different volumes (0.03 m³ and 0.18 m³). Each sample underwent three replicates, with specific sample weights and surface areas maintained to ensure consistent thickness during the experiments. The emitted VOCs were analyzed in real-time using Proton Transfer Reaction-Quadrupole Time-of-Flight Mass Spectrometry (PTR-QiTOF-MS) and captured on Tenax TA cartridges for subsequent offline analysis via Thermal Desorption Gas Chromatography-Mass Spectrometry (TD-GC-MS).
The experimental setup included monitoring concentrations of sulfur dioxide (SO₂) and ammonia (NH₃), along with relative humidity, to ensure accurate results. Data processing involved generating peak lists with a signal-to-noise ratio greater than 3.0, excluding background signals, and identifying chemical molecular formulas using specialized software. The average mass concentration and emission flux of the VOCs were computed, and statistical analyses, including Principal Component Analysis (PCA), were performed to differentiate the chemical profiles of the samples. The methodologies referenced from Haider et al. (2022) provided a framework for both the experimental procedures and data analysis techniques employed in this research.
Results
The study employed two analytical techniques, PTR-QiTOF-MS and TD-GC-MS, to analyze volatile organic compounds (VOCs) emitted from four types of animal manure. The integration of these methods allowed for both qualitative and quantitative assessments, resulting in the identification of 631 molecular formulas. Notably, 368 compounds were identified using PTR-QiTOF-MS, while TD-GC-MS provided additional specificity, revealing isomeric compounds that PTR-QiTOF-MS could not distinguish. For instance, the protonated ion at m/z 127.112 corresponded to multiple isomers of C$_8$H$_{14}$O identified through TD-GC-MS.
The findings indicated that cow manure had the highest VOC emission flux at 66 ± 26 μg m$^{-2}$ min$^{-1}$, followed by goat, sheep, and horse manures. Oxygenated volatile organic compounds (OVOCs) were predominant across all samples, with statistical analysis highlighting the unique emission profile of cow manure, which was rich in both oxygenated and nitrogenated compounds. Goat manure emissions were distinct due to a higher prevalence of compounds containing both oxygen and nitrogen. The study underscores the effectiveness of combining PTR-QiTOF-MS and TD-GC-MS for comprehensive VOC characterization in agricultural contexts.
Discussion
In this study, volatile organic compounds (VOCs) emitted from various types of manure were analyzed using Proton Transfer Reaction-Quadrupole Time-of-Flight Mass Spectrometry (PTR-QiTOF-MS) and Thermal Desorption Gas Chromatography-Mass Spectrometry (TD-GC-MS). A total of 368 compounds were detected across all samples, with 115 compounds common to all. The VOCs were categorized into six chemical groups: hydrocarbons (HC), oxygenated compounds (OVOCs), nitrogenated compounds (N-compounds), sulfur compounds, halogenated compounds, and others. Notably, sheep manure exhibited the highest VOC diversity, with 257 detected compounds, while cow manure had the highest emission flux of VOCs at 66 ± 26 μg m⁻² min⁻¹. OVOCs were the most abundant class, particularly in cow manure, which showed a significant emission of alcohols and carboxylic acids.
The study further identified specific emission tracers for each manure type, revealing that cow manure emitted the highest concentrations of nitrogenated compounds, primarily ammonia (NH₃), which is a significant contributor to atmospheric pollution. The findings align with existing literature, confirming the dominance of OVOCs in manure emissions and highlighting the importance of understanding these emissions for atmospheric chemistry and environmental impact assessments. The results underscore the need for further research into the specific sources and mechanisms of VOC emissions from agricultural practices.
Limitations
The research presents a comprehensive VOC inventory and emission flux calculations that can inform environmental policies and regulations aimed at improving manure management practices to reduce emissions and their effects on air quality and public health. However, the study acknowledges limitations inherent in laboratory settings, which may not accurately reflect real-world conditions. Variables such as temperature, humidity, and microbial activity in natural environments can significantly affect VOC emissions, potentially skewing the findings.
Moreover, the implications of VOC emissions from manure extend beyond air quality, influencing atmospheric chemistry as well. A nuanced understanding of how environmental factors like temperature and humidity affect emission composition is crucial for predicting the environmental impact of these emissions under varying climate scenarios. By elucidating the relationship between odor perception and VOC emissions, the study provides agricultural managers with insights to better control odor emissions from manure, thereby fostering sustainable agricultural practices.