[发明专利]监控和减少反刍动物甲烷产量的方法和系统

说明书

相关申请

本申请要求美国临时专利申请61/055,933(于2008年5月23日提交)、美国临时专利申请61/209,179(于2009年3月4日提交)和美国专利申请12/469,882(于2009年5月21日提交)的优先权，将三个专利的全部内容引入本文作为参考。

技术领域

本发明涉及监控反刍动物的气体排放和利用信息从而减少反刍动物甲烷排放和提高反刍动物生产效率(production efficiency)的方法。

背景技术

甲烷是重要的温室气体。在使全球变暖的潜力方面，一吨甲烷相当于大约21～22吨二氧化碳。结果是，减少排放一吨甲烷相当于减少21吨或更多的二氧化碳，并且在温室气体(GHG)市场中可以带来约21吨的碳信用额(carbon credit)(以二氧化碳计)。另外，在大气中甲烷的半衰期约为12年，并且在全世界范围内大气中的甲烷以年约0.5％的速率逐年增加。因此，减少当前向大气中释放的过量甲烷是非常迫切的。

普遍认为牛和其他的反刍动物排放的包括甲烷在内的温室气体(GHG)是导致全球变暖的重要原因。一些科学家估计家畜类排放的甲烷占全球甲烷(CH₄)预算的37％。牛排放的甲烷大部分是通过嗳气引起的，这种甲烷可以通过改变牛的饮食而得到明显地减少。减少甲烷排放的尝试通常涉及使用营养块(nutrient block)或其他的饲料补充物(supplement)，同时另外的努力则集中在改变动物群的遗传组成。到目前为止，测量和潜在地补偿反刍动物的GHG源的方法并不可行或尚不能广泛地实行，造成这种现象的原因部分是因为在对使用的补充物进行测量的同时监控反刍动物的CH₄排放量的方案费用较高。

反刍动物在其消化过程中生成大量的甲烷。反刍动物内的多级消化系统包含大量的微生物聚生体(substantial microbial consortia)，微生物聚生体通过厌氧消化将食物成分分解成小分子量的脂肪酸、醇和微生物蛋白质，这些物质经过消化道并被重吸收。该过程排放甲烷，并且其导致的能量损失相当于每头肉牛每天可能增加的重量中的1/3磅～约0.5磅(one half a pound)。特别的反刍动物例如奶牛的能量损失甚至可能高于上述估计值。瘤胃中所生成的二氧化碳和甲烷通过动物的鼻孔和口喷出或嗝出。平均来说，动物约每40秒打一次嗝。甲烷排放除了引起GHG忧虑以外，反刍动物产生的甲烷和嗳气引起的甲烷损失意味着在反刍动物的生产效率方面存在大量的能量损失。当饮食质量降低时，作为总摄入能量的一部分的甲烷的排放会增加且饮食效率会降低。因此，监控反刍动物的甲烷产量的变化的技能提供了一种监控和诊断消化效率并且监控GHG排放水平的工具。一些近期的研究表明甲烷产量与动物遗传学、动物饮食以及其他影响瘤胃微生物菌群的因素有关。在实地条件(field condition)下容易地对甲烷产量变化进行监控的技能表明动物管理能力得到明显提高。

甲烷损失是动物重要的能量损失。全球范围内，这等同于损失上万亿美元的饮食生产能力。动物营养学家已知可以通过饮食来改变瘤胃中的代谢路径从而减少甲烷产量以及更为有效地利用饲料。一些饮食的补充物是可获得的，并且在很多情况中，动物重量的增加很容易超过营养补充物的成本，这使得对于反刍动物生产者例如家畜的生产者来说，使用补充物变得很有吸引力。相应地，反刍动物减少的甲烷排放可以增加单位草料或饲料所生产的动物同时也可以减少不期望的甲烷排放。当动物进食低质量的草料时，低质量的草料实际上需要更长的时间来经过动物的消化道。因此，草料的质量越差，动物需要越长的时间来消化草料，这将使重量的增长变得更慢并且甲烷的产量会更大。然而，由于在实际实地条件下监控甲烷的变化是很困难的或在过去是几乎不可能实现的，且改变草料组合物以减少甲烷损失以及监控和改变影响反刍动物甲烷产量的遗传因素是不可行的。因此可以监控相对的甲烷排放量的变化的系统可以给反刍动物生产者提供关于最佳草料和放牧(graze)条件的重要信息。另外，因为喂养了高能量食物的动物会更快地处理这些饲料，所以它们在每单位时间会生成更多的甲烷但是生产一单位的肉或奶则会生成更少的甲烷。因此测量来自瘤胃的甲烷和二氧化碳以及来自动物呼吸作用的二氧化碳也是较为重要的，这样以便用来区分瘤胃过程与分解代谢和呼吸作用，并且测量它们各自相对于动物生产的排放量-例如相对于动物重量的增加和/或动物奶的产量的排放量。