Validation of ZELP Sense™ against Respiration Chambers: The Future of Scalable Methane Measurement
这项试点研究验证了 ZELP Sense 可穿戴设备作为测量牛甲烷排放量替代呼吸室的可扩展性，证明了其具有快速的动物适应性，并与参考方法具有中度至强度的符合度，同时成功追踪了由饮食引起的排放水平变化。
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牛类对人类生活至关重要，提供了食物和材料，但它们也在气候变化中扮演着重要角色。像所有反刍动物一样，牛在消化食物的过程中会产生甲烷，这是一种强效的温室气体。这种气体捕捉大气热量的能力远高于二氧化碳，因此减少牲畜排放是限制全球变暖的关键目标。几十年来，科学家一直依靠被称为呼吸室的大型密封房间来精确测量单头牛产生的气体量。这些呼吸室被视为“金标准”，因为它们能捕捉到动物呼出的几乎所有气体。然而，它们造价昂贵、难以建造，且需要将动物长时间限制在狭小的空间内，这可能会改变它们的自然行为和进食习惯。由于这些局限性，研究人员长期以来一直在寻找一种在现实世界中、在农场上测量甲烷的方法，而无需将动物关进盒子里。
一项新研究通过测试一种旨在直接测量自由移动的牛口中甲烷的佩戴式设备，向这一目标迈出了重要一步。该设备被称为 ZELP Sense，是一种安装在项圈上的装置，它采样动物鼻部周围的空气，并利用计算机模型计算每日排放量。为了验证这一新工具是否有效，新西兰生物经济科学研究所（Bioeconomy Science Institute）的研究人员将该设备的读数与传统的呼吸室进行了对比。他们与六头奶牛一起工作，为它们佩戴了该设备并观察动物的反应。其目标有两个：一是确保设备不会使牛感到痛苦或改变它们的进食习惯；二是观察它产生的数值是否与受信任的呼吸室测量值相匹配。结果表明，虽然该设备在每一天的精度上尚未完全达到与呼吸室一致的水平，但在牛的饮食发生变化时，它能非常出色地追踪排放量的变化，为实现可扩展的现实世界监测提供了一条充满希望的路径。
这段旅程始于一个仔细的适应期，以确保牛能够适应这项新技术。六头牛佩戴了非功能性的设备版本，这些设备看起来和感觉起来都与真品无异，但内部不含传感器，仅有配重块。研究人员密切观察是否有压力或烦躁的迹象。大多数牛在第一次佩戴设备时表现出短暂的兴奋或困惑，持续时间不到九十分钟。它们可能会甩头或转圈，但这种行为很快就停止了。不到一小时，动物就开始像往常一样进食和反刍。到五天适应期结束时，牛已经变得平静，且皮肤或毛发未发现物理性刺激。这种快速恢复正常行为的过程至关重要；它证明了该设备不会造成持久的疼痛或压力，从而避免了因压力导致进食减少或活动改变而使数据失真的情况。
一旦牛适应了设备，研究人员便选择了其中的四头进行主要实验。这些动物佩戴了正式的设备，并被安置在呼吸室内进行两次独立的测量阶段。第一个阶段允许牛尽可能多地食用新鲜牧草。第二个阶段是一个敏感性测试，研究人员故意减少了提供给牛的食物量，以观察设备能否检测到由此导致的甲烷下降。在这些阶段中，呼吸室和佩戴式设备同时记录了气体排放量。研究人员还追踪了牛的摄食量以及体重变化，因为这些因素与牛产生多少甲烷直接相关。
结果显示，该佩戴式设备对牛的饮食变化具有高度响应性。当牛正常进食时，呼吸室和设备记录的甲烷水平相似，尽管设备的每日数值波动稍大。当食物受到限制时，两种方法都捕捉到了排放量的急剧下降。呼吸室显示下降了约一半，而设备记录的减少量约为三分之一。更重要的是，该设备追踪了逐日的下降趋势，镜像反映了呼吸室的行为。这是一个至关重要的发现，因为它证明了该设备可以检测饮食策略的影响，而对于农民和政策制定者来说，这往往比知道某一天的确切数字更为重要。
当研究人员将设备的每日总量与呼吸室测量值进行对比时，发现两者存在中度的吻合度。设备倾向于估算比呼吸室略低的甲烷量，尤其是在排放量较高时。然而，随着牛进食减少且排放量下降，两种方法的一致性变得更高。研究还注意到在第一个测量阶段的一个特定技术问题：设备的采样臂偶尔会被堵塞，这可能导致了数据的高变异性。一旦在第二个阶段通过人工清理了该问题，数据变得更加一致。尽管存在这些细微差异，但总体趋势是清晰的：该设备成功识别出甲烷产量随食物减少而下降。
研究结论认为，ZELP Sense 设备是现实环境中监测甲烷的可行工具，前提是需了解其局限性。它目前还不能取代用于对单头动物在单日进行最精确、绝对测量的呼吸室。然而，它追踪趋势和响应饮食变化的能力表明，它可以用于评估不同农场和环境下的各类牛群。研究人员强调，该设备没有对动物造成持久伤害，且牛几乎立即适应了它。虽然仍需通过更大规模的牛群和不同类型的饲料进行进一步测试来完善这项技术，但这项工作证明，我们正朝着能够连续、准确且无需将动物限制在实验室环境中测量甲烷排放量的未来迈进。
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