Resumo
Esta tese é composta por dois estudos que objetivam simular processos biológicos inerentes a produção animal utilizando a abordagem da dinâmica de sistemas (DS). O primeiro estudo teve como objetivo utilizar a DS e equações mecanicistas de sistemas nutricionais atuais para descrever e simular as exigências de energia e proteína, a composição do ganho, a taxa de crescimento e a massa corporal de cordeiros confinados. O modelo desenvolvido foi avaliado com um conjunto de dados composto por 564 mensurações individuais de massa corporal final e concentração energética na dieta. A simulação fornece uma descrição gráfica e numérica dos requerimentos nutricionais, composição do ganho e estima o desempenho dos animais ao longo do tempo. As predições da massa corporal final apresentam uma raiz de erro quadrático médio de 3,11 kg, o que corresponde a 7,79 % da massa corporal final observada e um R2 de 0,89 indicando acurácia e precisão, respectivamente. O segundo estudo objetivou modelar, com base em equações empíricas e conceituais propostas na literatura científica, o consumo de matéria seca com base na demanda fisiológica de energia e na teoria da limitação física, as exigências nutricionais, a ingestão de energia metabolizável, a produção de leite possível e a produção de metano de origem entérica ou do esterco em função da composição da fibra. Com a informação simulada, calculouse a quantidade de cada variável por unidade de produto, fornecendo as eficiências de uso de alimentos e energia, e as intensidades de emissão. Uma simulação foi conduzida com dados de composição química de cinco estádios de maturidade de uma gramínea, Pennisetum purpureum Schum., aos 61, 82, 103,124 e 145 dias após o plantio, como dieta exclusiva para uma vaca de duplo propósito com 450 kg de massa corporal e um potencial de produção de 20 kgd-1, com 3,5% de gordura. O consumo de matéria seca foi limitado pelo enchimento ruminal em todos os estádios de maturidade da gramínea. O consumo foi diminuído conforme aumentava a concentração da fibra em detergente neutro com a maturidade da forragem, reduzindo o consumo de energia metabolizável, o consumo de substrato fermentável e a produção de leite. A produção de leite possível foi de 9,407 a 4,568 kgd-1 para as gramíneas mais novas e mais velhas, respectivamente. A produção de metano a partir da fermentação entérica reduz com a maturidade da forragem, os valores simulados variaram entre 103,8 e 74,5 gdia-1, para as gramíneas com 61 e 145 dias de crescimento, respectivamente. Uma redução da eficiência alimentar de 9,25% foi estimada para a forragem 82 dias comparada a de 61 dias, representando a redução do consumo e da concentração de energia metabolizável do alimento. A produção simulada de metano entérico por unidade de produto apresentou uma diferença de 32,33%, variando entre 11,0 e 16,3 gramas por quilograma de produto, para 61 e 145 dias de rebrota, respectivamente. Os modelos podem ser usados como uma ferramentas para a tomada de decisões e para a aprendizagem, ilustrando princípios práticos de nutrição animal, determinação das exigências nutricionais, mudanças na composição corporal, compreensão das implicações da massa corporal padrão, regulação do consumo de alimentos, desempenho de animais leiteiros em condições tropicais e eficiências alimentar e energética, além das emissões de metano a partir da fermentação entérica e do esterco em função da composição da fibra.
This thesis is composed by two studies that aim to simulate biological process of animal production using System Dynamics (SD) approach. The first study aimed to use SD and mechanistic equations from current nutritional systems to describe and simulate the energy and protein requirements, the composition of gain, growth rate, and body mass of feedlot lambs. The developed model was evaluated with a dataset of 564 individual measures of final body mass and diet energy concentration. The simulation provides a graphical and numerical description of the nutrient requirements, composition of gain, and estimates animal performance over time. The simulation of final body mass presents a root-mean-squared error of 3.11 kilograms (kg), which corresponds to 7.79% of observed final body mass and a R2 of 0.89 indicating accuracy and precision, respectively. Based on empirical and conceptual equations proposed on scientific literature, the second study aimed to model the dry matter intake based on physiological energy demand and on physical limitation theory, the nutritional requirements, metabolizable energy intake, milk yield allowed, and methane production from enteric and manure fermentation as a function of fiber composition. By using the simulated information, the amount of each variable required per unit of fat corrected milk, the efficiency of feed and energy use, and the emission intensity were calculated. A simulation was conducted with chemical composition data of five maturity stages Pennisetum purpureum Schum. grass (61, 82, 103,124 and 145 days after planting) as exclusive diet to a 450 kg double purpose cow with 20 kgd-1 of potential milk yield with 3.5% of fat. The dry matter intake was limited by rumen fill capacity to all grasses maturities and decreases as neutral detergent fiber composition increases with forage maturity, reducing metabolizable energy intake, fermentative substrate intake, and milk yield. Milk yield allowed was ranged from 9.407 to 4.568 kg d-1 to younger and older forage, respectively. Methane production from enteric fermentation reduces with forage maturity, simulated values range from 103.8 and 74.5 gday-1, to younger and older forage, respectively. A reduction of feed efficiency of 9.25% was estimated from 61 to 82 days of growing grass, accounting the reduction of feed intake and the metabolizable energy concentration. Simulated methane production per unit of product presents a difference of 32.33% ranging between 11.0 and 16.3 grams per kilogram of product to 61 and 145 days of regrowth, respectively. The models can be used as a support decision and as learning tools to illustrate practical principles of animal nutrition, nutrient requirement relationships, body composition changes, understanding of standard body mass implications, feed intake regulation, tropical dairy cattle performance, feed and energy efficiencies, and methane emissions from enteric and manure fermentation as function of fiber composition.