Sensores aplicados a la monitorización de la actividad ruminal

Sensores aplicados a la monitorización de la actividad ruminal

Durante los últimos años ha aumentado el interés por el uso de nuevas tecnologías en la producción ganadera, especialmente en el sector vacuno lechero.

Convencionalmente, los sensores utilizados en el ganado se han utilizado fundamentalmente en granjas de investigación, sin embargo, durante los últimos años, la comercialización de nuevas tecnologías, como robots o sensores, se está expandiendo también a granjas comerciales.

Las principales ventajas del uso de sensores son:

• Permiten limitar el contacto físico con los animales sin alterar su comportamiento natural.
• Suponen una alternativa a la medición convencional de variables que conllevan elevados costes de tiempo y trabajo.

Estos sensores permiten medir de forma precisa parámetros fisiológicos o de comportamiento. Concretamente, existen sensores que pueden obtener información acerca del comportamiento ruminal, siendo de gran utilidad para evaluar la productividad, la salud o el bienestar de los animales.

Además, al estar en contacto con el entorno exterior, obtienen información del ambiente que puede interferir con la información de las variables a medir.

Este tipo de sensores obtienen una gran precisión de medida, ya que no se producen distorsiones con el medio externo, aunque existen limitaciones, como la recuperación de ciertos sensores, imposible hasta el sacrificio del animal. Otro factor limitante es la dificultad añadida para establecer la conectividad inalámbrica.

BOLOS INTRARUMINALES

Inicialmente, los bolos intraruminales se emplearon en la identificación de los animales. Actualmente, se desarrollan para incorporar diferentes sensores que recogen una gran cantidad de información acerca del ambiente ruminal.

Con las adecuadas dimensiones, materiales y técnicas de instalación, el bolo se retiene en el rumen, normalmente en la zona del retículo, sin causar perjuicios al animal. Las dimensiones de estos dispositivos deben estar adaptadas a la morfología digestiva de cada especie, siendo de forma cilíndrica en la mayoría de los casos.

• La mayoría de los productos comerciales están diseñados para vacas mayores de 18 meses, con unas dimensiones aproximadas de 145 mm de longitud y 35 mm de diámetro (Wang, 2019).
• Para pequeños rumiantes, las dimensiones no deberían ser superiores a los 100 mm de longitud y 20 mm de diámetro (Caja et al., 2020).

Los principales sensores que se instalan en los bolos intraruminales miden:

• pH
• Temperatura
• Motilidad ruminal
• Potencial redox, concentración de amoniaco, conductividad eléctrica, etc. (a menor escala)

La gran ventaja de utilizar sensores dentro del rumen es que permiten realizar una medición continua y en alta resolución de variables ruminales que varían considerablemente en periodos cortos de tiempo. Además, esta tecnología supone una alternativa a la intubación o a la ruminocentesis, permitiendo ahorrar en labor y tiempo, y mejorando las condiciones del animal.

1. Medición de pH

El pH del rumen es resultado de la regulación ácidobase. Los ácidos se pueden acumular y reducir el pH ruminal si los ritmos de absorción y regulación son inferiores a la tasa de síntesis de estos.

Cuando el pH baja y aumenta la concentración de ácidos grasos volátiles, se produce un daño epitelial que puede dar lugar a la entrada de toxinas, y producir una inflamación ruminal y sistémica.

Los datos obtenidos necesitan una interpretación, ya que el pH ruminal puede variar en función de la localización del sensor en el mismo, del individuo, del momento de medición o de la composición de la dieta.

El pH no es homogéneo a lo largo de todo el material ruminal. El material fibroso situado en el saco dorsal actúa como barrera reteniendo ácidos grasos volátiles. Por ello, el líquido en esta zona posee un pH inferior al correspondiente en el saco ventral y en el retículo.

Normalmente, los bolos intraruminales se sitúan en el retículo. Las diferencias entre localizaciones se pueden comparar en el valor medio de pH durante 24 horas, o en los niveles mínimos de pH.

• En la media de pH, las diferencias entre diferentes localizaciones suponen entre 0,2 y 0,9 unidades.
• En los niveles mínimos de pH, las diferencias entre regiones ruminales varían entre 0,4 y 1,1 unidades de pH. Además, se han observado correlaciones significativas entre el pH de diferentes áreas del rumen (Dijkstra et al., 2020; Klevenhusen et al., 2014).

La medida del pH en el rumen puede variar entre diferentes individuos. Las interacciones sociales afectan a la prioridad para el acceso al alimento, por ello, animales muy dominantes y subordinados tienen un mayor riesgo a alcanzar niveles bajos de pH.

No existe un consenso científico para determinar el límite crítico para la determinación de la acidosis ruminal, puesto que diferentes tipos de dietas pueden dar lugar a similares valores mínimos de pH, pero posteriormente provocar diferentes signos de acidosis.

Un parámetro de interés para poder detectar problemas de acidosis mediante la medición del pH puede ser la cantidad de tiempo por debajo de un determinado límite de pH.

Este parámetro no considera el pico mínimo de pH, ni la intensidad de la caída de este, en cambio, el cálculo del área situada por debajo de la curva, que representa el tiempo transcurrido a un pH ruminal inferior a un determinado límite, sí tiene en cuenta dichos parámetros.

El fluido ruminal se introduce en el interior del sensor de forma gradual, afectando al electrodo, por ello, sería necesario realizar una calibración antes y después de las mediciones, aunque en animales no canulados esto no es posible. Este inconveniente, junto con el elevado coste unitario de cada bolo intraruminal, limitan la aplicación generalizada de esta tecnología a todos los animales en granjas comerciales (Knight, 2020).

2. Medición de temperatura

La temperatura ruminal está estrechamente relacionada con la medida de la temperatura rectal, siendo ligeramente superior en el rumen (Adams et al., 2013). Además, la temperatura en el rumen está negativamente relacionada con el pH en este órgano.

Los datos obtenidos de temperatura ruminal deben ser interpretados, puesto que varía con la temperatura ambiental, la producción de leche y la raza (Liang et al., 2013).

Este parámetro es de gran utilidad para evaluar la composición de la dieta, por ejemplo, en situaciones de estrés por calor, y para la detección temprana de enfermedades subclínicas como mastitis o neumonías (Adams et al., 2013).

3. Medición de motilidad ruminal

Convencionalmente, la motilidad ruminal se determina mediante la auscultación de la fosa paralumbar izquierda. El uso de acelerómetros triaxiales se destina a obtener información acerca del animal, como el nivel de actividad o la detección de laminitis.

El acelerómetro triaxial, incorporado en el bolo intraruminal, se sitúa en la base del retículo detectando y almacenando la información acerca del movimiento provocado por las ondas contráctiles de las paredes del rumen.

En condiciones normales, se producen entre 3 y 4 contracciones cada dos minutos (Choi et al., 2020), en cambio, cuando el animal sufre algún tipo de problema digestivo o patología, este ritmo tiende a disminuir.

Para la validación de este sistema se administra al animal una dosis de xilacina, que produce una relajación de las paredes ruminales y reduce la motilidad del rumen. La precisión de la medida del acelerómetro se determina comparando sus observaciones con las obtenidas a través de una auscultación.

MEDICIÓN DEL TIEMPO DE RUMIA

La rumia consiste en la regurgitación, masticación y re-ingestión del material ruminal, con el objetivo de reducir el tamaño de partícula y mejorar la digestión de la fibra. Este proceso está caracterizado por series repetitivas de masticación interrumpidas por pausas cortas debidas a la regurgitación.

La masticación está influenciada por factores nutricionales como:

• Digestibilidad de la dieta
• Nivel de Fibra Neutro Detergente (FND)
• Proporción de alimentos concentrados en la dieta

El tiempo dedicado por el animal para la rumia es un parámetro de gran utilidad para:

• Determinación y evaluación de la adecuada composición de la dieta
• Riesgo de acidosis subclínica
• Determinación del momento del parto
• Niveles de estrés
• Detección temprana de patologías subclínicas

Convencionalmente, la medición del tiempo dedicado para rumiar se realiza mediante observación directa o por grabaciones de vídeo, con importantes costes de tiempo y esfuerzo. Actualmente, existen sensores y algoritmos que obtienen y procesan esta información de una forma automatizada.

1. Medida del sonido

Durante la regurgitación y la masticación, el animal produce una serie de sonidos característicos que son capturados por un micrófono instalado en un collar. Estas grabaciones son procesadas y reconocidas mediante algoritmos de clasificación. Los sonidos del entorno pueden producir interferencias y aumentar la tasa de error.

• En vacas de leche estabuladas, el tiempo de rumia determinado mediante observación directa y mediante el tratamiento del sonido guarda una correlación de 0,96 y 0,92 (Schirmann et al., 2009).
• La precisión de este sistema fue baja cuando se utilizó en animales en pastoreo, animales jóvenes y en ganado vacuno de carne (Burfeind et al., 2011; Goldhawk et al., 2013).

2. Medida de la presión nasal

Consiste en la colocación de una banda rellena de silicona por encima de los orificios nasales sostenida mediante una cabezada. En el lado interno de esta banda, se sitúa un sensor de presión.

La clasificación y la cuantificación de la masticación está basada en la frecuencia de picos máximos de presión, donde cada pico situado por encima de un determinado límite, por ejemplo 28 mbar (Zehner et al., 2017), se considera como una masticación.

Por norma general, estos límites no están bien definidos debido a las diferencias en el tamaño de la cabeza y en la fuerza de masticación en función de la raza y la edad.

Existen tres patrones de actividad definidos y diferenciables de los movimientos mandibulares a partir de la información obtenida:

• Ingestión de alimentos: ritmos irregulares de masticación con interrupciones heterogéneas.
• Rumia: fases homogéneas de masticación con interrupciones periódicas debidas a la regurgitación.
• Consumo de agua: picos constantes y homogéneos de presión nasal correspondientes a cada acto de ingestión (Ilustración 5).

En la validación de este sistema, basada en la comparación entre observaciones visuales y la medición del sensor, se obtuvo una gran precisión para la medida del tiempo de rumia (r = 0,942) y del consumo de alimento, pero no para el tiempo de consumo de agua (Ruuska et al., 2016; Shen et al., 2020).

OTROS SENSORES

Debido a que el desarrollo de nuevos sensores está en constante evolución, existen tecnologías que todavía no se han extendido comercialmente, pero merecen ser citadas para su futura consideración.

• Neubauer et al. (2018) han desarrollado un sistema capaz de medir el grosor de la mucosa ruminal mediante el uso de ultrasonidos, pudiendo detectar casos de acidosis ruminal subclínica sin contacto con el animal, y evitando también la necesidad de instalar un dispositivo a cada uno. En cambio, las mediciones no se realizan de forma continua como sucede con los sensores expuestos anteriormente.
• Song et al. (2019) han empleado el uso de visión 3-D en combinación con técnicas de Machine Learning para poder determinar y analizar la motilidad ruminal, y así cumplir los mismos objetivos que la aplicación de acelerómetros instalados en el interior del rumen.