家禽粪污除臭技术研究进展

家禽养殖过程中,粪污中氨气、硫化氢(H2S)等气味物质的释放不仅对环境造成污染,还会对人和动物的健康造成危害。越来越多研究致力于提升粪污除臭技术的效果及经济适用性。本文综述了家禽粪污气味物质的种类、危害及目前除臭技术的研究进展,以期为家禽粪污除臭的研究提供新思路。

随着全球对禽类及禽类产品的消耗增加,家禽养殖的集约化发展越来越快。在家禽的集约化养殖过程中,所产生的大量的粪污会对环境产生污染,包括:氮(N)和磷(P)对水资源的污染;氨气和其他气味物质对养殖厂及周边的空气污染等。随着人们对健康和动物福利的关注度的提高,越来越多研究致力于探索集约化养殖过程中,粪污除臭技术的提升,本文就家禽粪污气味物质的危害以及目前家禽养殖过程中,除臭技术的研究进展做一简要综述。

1、家禽粪污气味物质的种类及危害

养殖厂的气味物质主要是由粪便中未被消化吸收的营养物质的降解而产生。目前研究发现,这些气味物质多达 160 种,这些物质分为四大类:含氮化合物、含硫化合物、挥发性脂肪酸和芳香化合物 [1] 。这些物质可刺激呼吸道,引起过敏、哮喘和头疼等问题,长期接触对身体健康有重大危害。另外,气味物质对家禽自身的健康、生长性能及肉质也有较大的影响,并进一步影响家禽养殖的经济效益。

家禽粪污所产生的气味物质主要为:氨、二甲胺(DMA)、三甲胺(TMA)、吲哚、苯酚和丁酸 [2] 。其中,氨是主要污染性气体。氨是由微生物分解粪便中的含氮有机化合物以及尿酸水解产生。据报道,100 只鸡每年的氮排放量为 81.3~128.9 kg,这其中就有 25%~35%以氨的形式排放 [3] 。氨会影响家禽的采食量,使产蛋量和体重下降,给养殖户造成经济损失。另外,研究发现,长时间暴露高于 20×10 -6 水平的氨即会损害鸡的免疫系统和呼吸系统,使其易感染细菌(尤其是大肠杆菌)[4] 。另外,高浓度的氨还引起鸡眼结膜的炎症并损伤眼角膜 [4] 。养殖厂胺的排放量比氨低两到三个数量级,但同样对动物和人类健康造成较大危害。据报道,DMA 和 TMA 对肝脏和肺均有不同程度的损伤 [5] 。苯酚和吲哚是芳香族氨基酸的降解产物,这 2 种物质可提高细胞癌变的概率(通过增强仲胺的亚硝化)[5] 。丁酸可能引起人和动物眼睛灼烧感,咳嗽,呼吸困难,呼吸急促,喉咙痛,眼睛发红和疼痛等症状 [5] 。目前,关于气味物质对家禽的细胞毒性的研究较少。Nowak 等(2016)采用 PrestoBlue 细胞毒性分析,对比了氨、DMA、TMA、吲哚、苯酚和丁酸对鸡肝癌细胞的细胞损伤程度,结果发现:氨、DMA 和 TMA 对鸡肝癌细胞的细胞损伤较大 [5] 。该团队进一步采用彗星实验研究了这几种气味物质对鸡肝癌细胞 DNA 的损伤程度,结果发现:氨、DMA、TMA 和丁酸以剂量依赖性方式增加 DNA 损伤,最高可达 73.2%的基因毒性,苯酚和吲哚引起广泛的 DNA 损伤,且与所用浓度无关,另外,这些气味物质还抑制 DNA 修复系统对受损 DNA 的修复 [6] 。以上研究结果表明,家禽粪便气味物质对细胞的损伤是多层面的,不仅可引起细胞破损、细胞膜损坏,还可诱导DNA 损伤。在以人的细胞为模型的实验中,同样有类似发现 [7-8]

2、家禽粪污除臭技术

2.1 提高饲料利用率

家禽粪污气味产生的源头是由饲喂不当所造成的粪便中过多的氨基酸、蛋白质和脂肪等营养物质的排泄。据报道,家禽日粮中,大约三分之一的氮进入组织和卵中,其余三分之二则被排泄出来 [4] ,粪便中的尿酸和未消化的动物脂肪、蛋白质等物质的耗氧生物降解过程便产生胺和挥发性脂肪酸等气味物质。因此,除臭的第一个方法就是提高家禽对饲料营养物质的利用率,降低相关物质在粪便中的含量。研究发现,以复合氨基酸替代饲料中的蛋白质,可降低肉鸡 10%~27%以及小鸡和产蛋鸡 18%~35%的氮的排放 [9-10] 。另外,饲料中添加酶制剂可提高饲料中部分营养物质的利用率,从而降低肉鸡粪便中 12%~15%氮的排放 [11] 。饲料中添加膳食纤维可降低氨的排放,这是因为,纤维可促进动物大肠中微生物的生长和代谢,肠道微生物可将尿酸转化为菌体蛋白,菌体蛋白的稳定性比尿酸高,可在粪便中长时间稳定存在,从而降低氨的排放 [12-13] 。Roberts 等(2006)研究发现,饲料中添加 10%玉米干酒糟及可溶物、7.3%小麦粉和 4.8%大豆壳可分别降低来航母鸡 50%、46%和 40%氨的排放 [14] 。另外,由于含硫气味物质是由微生物对粪便中的含硫氨基酸如蛋氨酸和胱氨酸的降解产生,因此饲料中的蛋氨酸的存在形式及水平,可以影响家禽粪便中的含硫气味物质的含量及粪便所散发出的气味的特征 [15] 。例如,饲料中添加 DL- 蛋氨酸,可使粪便中的二甲基三硫醚(CH3 SSSCH3 )水平升高,同时粪便氨的气味和尿的气味值升高 [16] 。除此之外,通过饲喂方式的优化,来提高家禽对饲料中营养物质的利用率,也可达到一定的除臭效果。例如:饲料颗粒度的改变,可降低粪便中气味物质的水平。

2.2 非生物类添加剂

利用物理(掩蔽和稀释扩散等)或化学(氧化和吸附等)原理,直接向粪便或动物饲料中添加各种非生物类添加剂,可部分达到除臭的目的。例如,沸石有高表面积和阳离子交换性能,而具有降低家禽粪便氨和 H2S 水平的能力 [17] 。目前,非生物类除臭的添加剂主要有 4 类 [18] :(1)气味氧化剂; (2)除臭剂:可与恶臭化合物反应并且中和它们或抑制它们的释放;(3)掩蔽剂:具有令人愉快的气味的化合物;(4)杂项化学品:杀菌剂和消毒剂可破坏家畜粪便中负责形成气味物质的微生物的酶活性;植物提取物,如丝兰提取物可促进尿素的快速降解,并降低氨的排放。另外,近期研究发现,丝兰提取物具有抗菌能力,这可能也是其具有除臭能力的原因之一 [19] 。另外,矿物添加剂也已成功应用于家禽,如向家禽粪便中添加 5%~25%的氢氧化镁和碳酸钙,可降低粪便 90%氨的排放 [19] 。另外,有研究发现,向家禽粪便中添加明矾可显著降低氨的排放 [20]

2.3 微生物添加剂

在许多国家,生物吸附已经被成功运用于臭味、挥发性有机物以及其他刺激性气体的控制。据报道,合理的生物过滤系统的除臭效率可高达 90% [21] 。目前,主要有 2 种生物吸附装置:生物滤池和生物洗涤器,这 2 种吸附装置在养猪厂应用广泛,但由于家禽养殖厂粉尘高,会堵塞风扇,所以限制其在家禽养殖厂的应用 [22]

目前,在家禽上利用微生物除臭主要是通过直接向家禽粪便、饲料或饮水中添加有效微生物(Effective Microorganisms,EM)来达到除臭目的。添加的途径不同,除臭的方式也不同。向粪便中添加微生物是以控制家禽排泄后粪便的臭味为主要目的。而直接向饲料或饮水中添加微生物,则是以增加饲料中营养物质的消化吸收以及抑制产气微生物的生长繁殖的方式来达到除臭目的。目前在家禽上,相关研究还较少。Gutarowska 等(2014)研究了 7 种菌株(枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、假单孢菌、粪嗜冷杆菌、明串珠菌、紫红链霉菌、平常假丝酵母)对家禽粪便除臭的能力,结果发现,这 7 种菌株均能有效地降低气味物质异丁酸的水平(效率从 37%到 75.6%),平常假丝酵母和粪嗜冷杆菌可使粪便中二甲胺的含量分别降低 48.6%和 44.9%,粪嗜冷杆菌可使三甲胺的水平降低 34.7%,平常假丝酵母和明串珠菌可使氨水平分别降低42.5%和 42.1%,平常假丝酵母和粪嗜冷杆菌可使 H2S 分别降低 42.4%和 37.1% [23] 。近年来,还有不少研究将 EM 菌与常规除臭物质进行组合,进一步提升其除臭能力。这其中包括常规吸附剂和植物提取物等。Matusiak 等(2016)研究发现,先使用丝兰萃取物处理粪便 48 h,再用 6种菌株混合物(荧光假单孢菌、屎肠球菌、枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、明串珠菌、鲁地链霉菌)对粪便进行处理可达到较好的除臭效果,气味物质含量下降程度分别为:氨 -72.3%,二甲胺 -72.29%,三甲胺 -70.4%,异丁酸 -56.15%,H2S-37.95% [19] 。 Matusiak 等(2015)研究了一种微生物 – 矿物质生物制剂对小鸡以及来航鸡粪便的除臭能力,结果显示,该生物制剂可使粪便中的氨、二甲胺、三甲胺和异丁酸的水平下降45%~56% [24] 。利用 6 种菌株混合物(荧光假单孢菌、屎肠球菌、枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、明串珠菌、鲁地链霉菌)与珍珠岩 – 膨润土矿物质载体按 20∶80 比例制成的微生物 – 矿物质生物制剂,对家禽粪便的挥发性有机化合物有良好的去除能力,其所研究的挥发性有机化合物包括氨、H2S、甲硫醇、二甲硫醚和丁酮等 17 种,其下降水平在 9%~96%之间 [25]

目前研究认为,EM 菌除臭的机制有以下几方面 [23] :(1)EM 菌混合物中,某些微生物具有将 NH 4+ -N 转化为 NO3 -N 的能力,从而降低挥发性 N 的水平;(2)通过向饲料或饮水添加 EM菌时,部分有益菌可抑制家禽肠道中产气味物质微生物的生长;(3)部分 EM 菌的细胞膜上有矿物质载体,这些载体本身可以吸附部分挥发性气体;(4)某些 EM 菌的代谢可降低粪便中的蛋白质和氨基酸含量,尤其是胱氨酸和蛋氨酸的含量,进而达到除臭目的。

2.4 昆虫幼虫的消化

随着对环境保护认识水平的提升,越来越多的研究致力于采用可持续发展的方法来处理粪便。利用昆虫幼虫的消化作用来达到粪便除臭的目的便是一种绿色又经济的方法。早在1983 年,Sheppard(1983)研究就发现,光亮扁角水虻的幼虫可使家禽粪便中的 N 含量下降62% [26] ,Oonincx 等(2015)也有相似的研究发现,光亮扁角水虻幼虫可使小鸡粪便中的 N 含量下降 80% [27] 。目前,关于昆虫幼虫对家禽粪便除臭效果的研究还较少。Beskin 等(2018)研究发现,光亮扁角水虻幼虫的消化可降低来航鸡粪便中的苯酚、4- 甲基苯酚、吲哚、3- 甲基吲哚、2- 甲基丙酸、丁酸、3- 甲基丁酸和戊酸含量,其中,2- 甲基丙酸的水平直接降为零 [28]

3、小结

家禽养殖所产生的粪便对环境造成的污染是一个亟待解决的问题,粪污除臭是其中重要的一个研究方向。目前,国内对畜禽粪污除臭的关注比国外少,但随着人们对环境保护意识的增强,以及对粪污气味物质危害的认识增加,相信这一问题会得到越来越多的关注。由于具有绿色及可持续发展的特点,利用 EM 菌以及昆虫幼虫的消化作用对家禽粪便进行除臭,将是未来除臭技术研究的重点方向。EM 菌与常规除臭剂的结合将会得到越来越多的应用。目前,关于 EM 菌除臭机制的了解还不够全面,同时,所筛选出的高效菌株的种类也非常有限,未来应加强相关研究,以利于 EM 菌在畜禽粪污除臭上的更好应用。

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作者:陈晓春、齐慧、王利琴、李素蓉(成都农业科技职业学院,四川温江 611130)

基金项目:2018 年四川省科技厅课题:四川省不同规模家禽养殖场粪污处理方式的调查与 分析(18RKX0041) 作者简介:陈晓春(1973-),女,副教授,博士。研究方向:饲料生产,健康养殖。

责任编辑:聂庆华

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