Сензори в животновъдството

Във втора част на статията, ще запознаем читателите с технологиите за разпознаване на антибиотици, анализ на потта, засичане на субклинична кетоза, пространствено разпределение, регистриране на еструса, засичане на патогени и нередни добавки, поведение и движение, микросензори за пчели и аквакултури. Също така ще бъдат засегнати темите за прецизното животновъдно фермерство и синергията в употребата на сензори, биосензори, носими технологии и комуникационни мрежи.
За справянето с всички тези предизвикателства, технологията може да бъде от голяма полза. В рамките на сектора на животновъдството, се наблюдава все по-засилена употреба на иновациите, наред с технологичния напредък за наблюдение здравето на добитъка, вредните емисии в околната среда, проследяване и идентификация на говедата във всеки един момент, за да създадат по-ефективно и по-устойчиво управление.

Прецизното животновъдно фермерство, накратко ПЖФ, е революция в животновъдството и допринася за хуманното отношение към животните. Това е система, която предлага много предимства и осигурява максимално използване на всички ресурси, като по този начин контролира здравословното състояние на животните. ПЖФ помага да се постигне максимална производителност чрез разумното използване на фуражите, водата, медикаментите, добавките.

Този подход прави управлението на веригата за доставки удобно и лесно в реално време в цялата животновъдна индустрия. Не на последно място спомага за намаляване на емисиите на парникови газове. Дава възможност за по-добра търговия с животински продукти и засилва икономическото развитие на селските райони. От своя страна по-надеждната статистика от фермите, в зависимост от обратната връзка от различните стопанства, могат да доведат до по-успешни стопанства и да помогнат за вземането на интелигентни бизнес решения за икономическо развитие.

Например здравето и хуманното отношение към животните са неразривно свързани с употребата на антибиотици и имат все по-голямо значение както за обществото, така и за фермерите. Следователно чрез този подход към иновации, се стремим към холистичен метод за подобряване здравето на добитъка, като същевременно се цели намаляване на антимикробната резистентност. За постигането на тази цел всички заинтересовани страни в сектора на животновъдството са интегрирани, за да предоставят на потребителите прозрачна информация и подкрепа.

Дигитализацията на моделите за прогнозиране и внедряването на сензори дава възможност за непрекъсната оценка на здравето чрез анализиране на данни, използвайки самостоятелно разработени алгоритми, базирани на машинно обучение и изкуствен интелект (IoT). Нещо повече, това предсказва болести и нарушения в ранен стадий, като дава възможност на земеделския стопанин да предприеме необходимите противодействия, за да поддържа стадото си здраво.

Резултати от проведени изследвания показват, че критерии като влажност, температура, шум, консумация на вода и фураж влияят значително на хуманното отношение към животните.

Технологиите представляват голям принос именно в анализа и отчитането на тези биологични и икономически параметри. Технологичния напредък обединява същевременно обществената грижа за употребата на антибиотици и здравето на добитъка чрез устойчива екосистема.

Биосензори за нива на антибиотиците
С безпрепятствената и честа употреба на антибиотици в животновъдството антибиотичната резистентност се превърна в основна заплаха за фермерите. Неконтролираната употреба на субтерапевтични антибиотици при концентрирано хранене на животните води до антибиотична резистентност при животните, което носи много тежки последствия. Има остра нужда фермерите да преминат към алтернативи, за да избегнат тази ситуация на невъзможност за антибиотично лечение на животните.

Количеството антибиотици, намирано в кръвния серум и мускулите на селскостопанските животни, трябва да се поддържа в определен диапазон и трябва да има подходяща система за откриване на нивата на антибиотиците в тялото на животните. Почти невъзможно е да се въведе забрана за употреба на антибиотици в управлението на здравето на животните, тъй като антибиотиците помагат за лекуване на най-често срещаните заболявания, като ентеритни и респираторни инфекции. Използването на антибиотици в субтерапевтични концентрации за увеличаване на развитието и растежа на селскостопанските животни също е признато.

За да се въведе поне частичен контрол, за антибиотиците се задават максимални граници на остатъчни вещества (МГОВ) - количество фармакологично активни вещества и техните производни метаболити, което е законосъобразно приемливо.

Биосензорите са особено ценни в това отношение. Те могат лесно да открият нивата на антибиотици и да предупредят фермера, ако нивото на антибиотиците надвишава пределно допустимото.

Биосензорите са в състояние да откриват антибиотичното съдържание още в храната на животните.

Най-новото развитие в технологията за биосенсиране е въвеждането на SPR устройства за „мобилно“ откриване на антибиотици. Този подход е много практичен, с висока чувствителност и дава изключително прецизни резултати при откриване на антибиотици в пилешки мускул / кръвен серум в кланиците.

Анализ на потта
Анализът на пот може да предаде полезна информация за здравето на дадено животно. Носимите анализатори на пот все още трудно биват комерсиализирани, главно поради ограниченията заради размера на оборудването. Въпреки това, в лаборатории са разработени евтини модели, годни за полево приложение.

Методите за събиране на пот включват използване на електрически ток като стимулант - йонофореза - но има нужда от методи, които не само събират, а и анализират и наблюдават потта през деня или според конкретни изисквания. Последните разработки, направени при анализаторите на пот, имат за цел да ограничат размера на системата, така че да е носима и лесна за работа. Разработени са модули за мониторинг на потта в реално време. В идеалния случай следва да се наблюдават нивата на натрий, калий, лактат, глюкоза, както и температурата на кожата.

Биомониторингът на потта при животни има голям потенциал за здравето на животните поради своята неинвазивна природа. Ако такава технология бъде въведена в стопанствата, промените в здравето на животните могат да бъдат проследявани по нов начин, за да се предотвратят значително здравето и икономическите загуби.

Засичане на субклинична кетоза
Редовният мониторинг на клинично важния β-хидроксибутират BHBA за осигуряване на ранна диагноза на субклинична кетоза е от съществено значение за управлението на здравето на млечните говеда. Ранното откриване на СКК помага да се намали рискът от развитие на болестта в клиничен стадий.

Доскоро литературата се фокусираше върху диагнозата на диабетната кетоацидоза, по-специално при хора. Този метод е неточен, тъй като не отчита множеството кръвни групи при кравите. Въпреки че и кравите, и хората са бозайници, те имат значителни различия в основната си физиология. У кравата има 11 основни системи от кръвни групи, докато при хората има само четири.

Поради различията в системата на кръвната група досегашните методи за изследване се възприемат вече за неподходящи. Надеждното измерване на β-HBA в животински проби е възможно само чрез високоспецифични и чувствителни сензори, които са изградени въз основа на микрофлуидни системи. Ранното и ефективно откриване на СКК може да бъде постигнато чрез използването на тези здрави и подвижни устройства. Това не само ще помогне за предотвратяване и контрол на кетозата, но значително ще допринесе за управлението на здравето на млечните животни.

Измерване на пулса
Подкожни биофотонни сензори могат да помогнат за проследяване на хемодинамичните параметри на животните. Използват се фотодетектори и повърхностни източници на светлина, като стъклени капсули, използвани за импланти с микрочип. Тези сензори използват измервания на импулсна оксиметрия на базата на отражателна способност за проследяване на пулса на животните.

Наскоро в научния свят бе съобщено дори за разработка на фетален кислороден монитор, който е в състояние да проследява кислородното насищане в кръвта на плода в утробата на майката. Това е от огромно значение за вземането на решение за медицинската намеса при усложнено раждане.

Пространствено разпределение
Системите за пространствен анализ позволяват наблюдение на животните в реално време, така че фермерите могат да предприемат незабавни действия в подкрепа на здравето на животните и по-добрия добив. Вече има различни решения за наблюдение на поведението на животните, например птиците, в помещенията. Пространственото разпределение позволява да се изчисли индексът за заетост на зоните и индексът на активност на зоните с помощта на камери. Наблюдението позволява разпознаване на характерни типове поведение, което на свой ред прави възможно ранното откриване на заболявания. Навременността означава намаляване на използването на антибиотици, което е по-здравословно както за самите животни, така и за хората.

Регистриране на еструса
Сензорни системи за измерване на съдържание на мазнини и протеини в млякото се използват често в стопанствата в днешно време. Използваната сензорна система се различава според доилните системи, използвани във всяка ферма. Тези сензори предоставят данни за здравето и плодовитостта на говедата. Възпроизводителните резултати в млечните стада могат да бъдат анализирани чрез откриване на еструс. Съобщава се, че сензорните системи откриват приблизително 80–85% от кравите в еструс.

В по-стари проучвания вече е доказано, че по-точното откриване на еструса води до по-кратък интервал на отелване, което впоследствие води до увеличаване на производството на мляко.

Засичане на патогени и нередни добавки
Набор от различни сензорни технологии помага за засичането на появата на различни вируси и болестотворни организми, а също и наличието на добавки, които не би трябвало да са там. Най-често става дума за устройства за анализ на база микрофлуиди. Така например наскоро бе разработен „полеви ефективен сензор“ за директен серологичен анализ. BHV-1, патогенът, причиняващ респираторно заболяване по говедата, може да бъде открит чрез този метод, който е по-бърз от ELISA и играе ефективна роля в борбата със заболяването.

По аналогичен начин могат да бъдат разкрити и останки от нелегални хранителни добавки. Например, дадени субстанции могат да бъдат открити чрез технологиите за флуоресцентно погасяване и имунохроматография като наличието на рактопамин и кленбутерол в свинските мускул и урина.

Поведение и движение
Движението и поведението на селскостопанските животни могат да представляват информация за активността и благосъстоянието на добитъка. В големите стопанства разчитането на наблюдение с просто око може да е трудно. Технологиите предлагат по-добри методи за мониторинг на стопанствата.

Например, камера за наблюдение от тавана отгоре може да се използва за анализ на движението на свинете и откриване на слабост при някои прасета. Автоматичното откриване на прасе с ниско тегло чрез този метод не изисква ръчна проверка от администратора на фермата и по този начин намалява труда за фермерите.

Звуков анализ
Звуковият анализ се разглежда като ценен за приложение при отглеждането на свине, където различните вариации на квиченето могат да разкриват подробности за благосъстоянието на животните, както и за оценка на термалния комфорт при селскостопански птици.

Съвременните алгоритми за обработка на звука позволяват много добро ниво на филтриране на фоновия шум. Така животинските звуци могат да бъдат анализирани доста прецизно.

Синергия
Повечето от сензорните технологии следва да бъдат съчетани, за да се постигне удобно ниво на технологична помощ в полза на фермера. Така например при отглеждане на крави нашийниците могат да бъдат оборудвани с няколко устройства едновременно: датчици за температура и движение, както и GPS транспондер със соларна клетка. През това време ушните марки могат да съдържат RFID чипове, а на портите да се постави четец за тях, така че да се извършва автоматично преброяване на животните при прибирането им всеки ден.

Синергичният ефект става все по-търсен и съответно все повече производители се стремят да предложат на фермерите цялостни системи за животновъдните стопанства. Така например не е необичайно да се предлага за птицефермите решение, което съчетава мониторинг на пространственото разпределение на бройлерите заедно с контрол на подаването на фураж, системно измерване на растежа чрез камери на тавана и постоянен мониторинг на околната среда – топлина, влажност, въздушна циркулация. За отглеждането на говеда се предлагат все по-сложни комбинирани системи, при които датчиците в яката на всяко животно водят пълен регистър на телесната температура, изминатото разстояние, преживянето, времетраенето на съня, а сензорни системи във фермата следят температурата на помещенията, подаването на фуража и други.

Според някои пазарни оценки, глобалният пазар на носима електроника за животновъдството ще достигне обем от 2,6 милиарда долара през 2025 година.