微生物制剂在畜禽舍有害气体减排中的应用研究进展

李盛，沈丹，张杰，刘俊泽，李春梅

(南京农业大学动物科技学院，江苏 南京 210095)

近年来，随着畜禽养殖业的快速发展，集约化、规模化的现代养殖模式对畜禽舍空气质量提出了更高的要求。然而由于集约化养殖模式养殖密度大、笼架空间结构狭窄、空气流动性差以及通风不畅等特点，容易导致畜禽舍中有害气体聚集。畜禽舍中的有害气体包括NH3、H2S、CO2、CH4、N2O和粪臭素等，其中NH3、CO2和H2S是最主要的有害气体。据我国NY/T 388—1999《畜禽场空气环境质量标准》，NH3、CO2和H2S浓度在成年禽舍不应超过15、1 500和10 mg/m3，猪舍不应超过25、1 500和10 mg/m3。在实际生产中，Ni等[1]监测了粪坑式(粪便直接落入笼架下方粪坑中并储存长达1年或更长时间)和粪带式(粪便收集在每层笼网下方粪带上，经由粪带输送到粪便干燥隧道中处理)2种叠层笼养蛋鸡养殖舍中的有害气体水平，发现舍内NH3浓度分别达到21.8～23.2 mg/m3和5.8～5.9 mg/m3，CO2平均浓度分别达到1 724～1 772 mg/m3和2 244～2 254 mg/m3。沈丹等[2]对笼养肉鸡舍进行监测发现，NH3和CO2的最高浓度分别达到1.2 mg/m3和3 000 mg/m3。Wathes等[3]报道了肉鸡舍内NH3的平均浓度在4.11～4.38 mg/m3之间，而在冬季通风不足的条件下肉鸡舍的NH3浓度能够达到14～36 mg/m3。Guarrasi等[4]总结了其他研究的相关报道，指出禽舍内H2S浓度范围为0～9.16 ppm(0～13.89 mg/m3)，加权平均值为0.33 ppm(约0.5 mg/m3)，猪舍中H2S浓度范围为0～97 ppm(0～147.15 mg/m3)，加权平均值为0.01 ppm(约0.015 mg/m3)。 Ni等[5]报道了猪舍中 H2S 的平均浓度为 30.54×10-3～430.71×10-3mg/m3。由此可见，在集约化、规模化的现代养殖模式下，舍内有害气体水平往往接近或超过限值。因此，了解有害气体的来源及危害，并且探寻高效改善畜禽舍的空气质量的方法是当前健康养殖发展亟待解决的问题。

1 畜禽舍有害气体的来源和危害

1.1 NH3

NH3是一种具有刺激性味道的无色气体，也是养殖生产中最常见的有害气体之一。畜禽舍中NH3排放主要来自于含氮有机物的分解和发酵，例如畜禽胃肠道中摄入的饲料蛋白经由消化道蛋白酶和微生物酶分解成氨基酸和多肽，而没有被吸收利用的蛋白质和氨基酸会经脱氨基作用分解产生NH3，但因为肉鸡的消化道比较短，食物在消化道内停留的时间并不长，所以在肉鸡消化道中产生的NH3量较少。另一方面，畜禽舍中饲料残渣、垫料以及粪尿堆积在微生物的作用下将其中的含氮有机物降解产生大量NH3。据报道，畜牧生产中NH3的排放占据总排放量的75%，畜禽舍中NH3的大量积聚降低了空气质量并严重威胁了动物及工作人员的健康。有研究表明，连续30 d的NH3暴露[(89.8±0.6) mg/m3，8 h/d)]会破坏猪呼吸道的黏膜屏障，诱发氧化应激和炎症反应，从而破坏气管组织功能[6]。低水平的NH3(约5.32 mg/m3)暴露14 d足以引起肉鸡生长性能下降[7]。当舍内NH3浓度高于11.38 mg/m3时，肉鸡眼部受到刺激，挠头行为增加[8]。NH3浓度达到18.97 mg/m3以上时，家禽的肺组织形态严重损伤，炎症浸润水平增加[9]。Miles等[10]的研究同样证实鸡舍内NH3浓度超过11.16 mg/m3时能够导致鸡生产性能下降，死亡率升高。此外，NH3能够入侵动物和人的免疫系统，引发免疫细胞凋亡，进而降低机体的抗病能力[11]。

1.2 CO2

CO2是一种无色无味的温室气体，密度比空气大，因此容易沉积在畜禽舍下方。畜禽舍中CO2排放主要来源于动物自身的呼吸作用以及粪便、饲料中有机物的分解。在肉鸡养殖过程中，CO2排放量随着日龄的增加直线上升[12]。猪舍中的CO2排放量主要受外界环境、猪的数量和种类、猪舍体积以及粪便存储时间等因素影响[13]。CO2本身没有明显毒性，并且正常浓度范围内的CO2对畜禽生长没有不利影响，但是当CO2浓度过高时会导致舍内氧气含量降低。畜禽长期处于缺氧环境中容易导致精神不振，食欲下降，生产性能降低以及免疫功能障碍等症状。陈春林等[14]的研究指出，当鸡舍CO2浓度达到8 000、12 000、15 000 mg/m3时，死亡率分别升高50%、150.32%和100.32%。戴荣国等[15]的研究同样表明，舍内CO2浓度超过约12 000 mg/m3时，肉鸡的日增重和饲料转化率即受到一定的抑制作用，鸡出现明显的呼吸性酸中毒表现，并且伴随有呼吸系统和循环系统损伤。另一项试验中评估了肉鸡在育雏期接收渐进浓度梯度(约5 490.82、10 981.64和16 472.46 mg/m3)的CO2暴露后的肉鸡生长性能和生理变量，发现随着CO2浓度增加肉鸡的死亡率逐渐提升[16]。此外，高浓度的CO2将导致致死后的猪出现瘀斑，肌肉pH值、乳酸含量以及滴水损失发生明显变化，极大影响猪肉的品质[17]。

1.3 H2S

H2S易溶于水和乙醇，是一种无色易燃、具有臭鸡蛋气味的有害气体。畜禽舍内H2S主要由粪便、饲料和垫料中的含硫有机物在厌氧微生物的作用下分解产生。其次，当畜禽无法充分消化饲料中的蛋白质，其消化道中可排出大量的H2S。对于家禽而言，禽舍中破损的鸡蛋也是H2S产生的来源之一。H2S的毒性较强，对黏膜具有刺激和腐蚀作用。低浓度的H2S即可引起肉鸡角膜炎、结膜炎、呼吸道黏膜损伤、气管炎等相关疾病。高浓度的H2S可诱发神经系统功能紊乱、呼吸中枢神经麻痹并进一步导致窒息。据报道，暴露于8～12 ppm(12～18 mg/m3)H2S条件下的肉鸡表现出更低的生长性能和受损的体液免疫功能和细胞免疫功能[18]。在其他研究中，15 mg/m3H2S短时间内即能够引起断奶仔猪肝功能和心功能损伤，长时间暴露还会导致肺部炎症性损伤，死亡率升高[19]。

畜禽舍内有害气体来源广、易蓄积、危害大，舍内有害气体的减排防控对于养殖业绿色安全可持续发展至关重要。为此，养殖生产过程中需要提高饲养管理水平，加强舍内通风，及时清除粪便以及霉变饲料、垫料。除此之外，根据有害气体的来源和聚集特点，采用有害气体吸附剂、微生物制剂等方法降低舍内有害气体浓度逐渐成为畜禽舍环境改良的重要手段。

2 微生物制剂种类

微生物制剂又被称益生素、益生菌和活菌制剂等。根据不同菌株的功能和生理特性，微生物制剂具有促进畜禽生长、防治胃肠道疾病、增强机体免疫能力和减少有害气体排放等多种作用。按照微生物的种类可分为单一微生物制剂(如芽胞杆菌、乳酸杆菌、酵母菌等)以及复合微生物制剂。

2.1 单一微生物制剂

芽胞杆菌在自然界以及动物胃肠道中均有广泛分布，具有耐高温、耐酸、抗逆性强等特点，在有氧和无氧条件下都能够存活。此外，研究表明芽胞杆菌对人畜均无明显毒性作用[20]，对环境也没有污染，这些特点使其能够作为良好的微生物制剂[21]。据报道，芽胞杆菌能够产生多种抗生素和酶，不仅能够提高生产性能[22]，还能够调节畜禽肠道中含硫有机物的分解，从而降低有害气体的排放[23]。

乳酸杆菌是一种革兰阳性菌，能够在厌氧条件下将碳水化合物代谢为乳酸。乳酸杆菌在自然界、动物口腔和胃肠道中大量存在，对人无害，也是生产中应用最早的微生物制剂之一，在食品生产、青贮饲料、畜牧养殖等过程广泛使用。饲用乳酸杆菌可以改善畜禽机体代谢，提高动物的免疫能力，维护肠道的菌群平衡[24]。除此之外，乳酸杆菌具有抑制氨合成的能力，能够有效降低猪舍NH3的含量[25]。

酵母菌是单细胞真菌，属于兼性厌氧微生物，在有氧和无氧条件下都能够存活。酵母菌由于其自身有益特性并且培养、制备方便快捷，被广泛用于食品生产加工过程。研究表明，酵母菌能够分泌多种类型的消化酶类，能够协同分解肠道的营养物质，促进机体消化吸收，提高畜禽生产性能[26]。

2.2 复合微生物制剂

复合微生物制剂由两种或以上的益生菌复合加工而成。相比于单一菌种，复合微生物制剂能够融合多种益生菌的特点，对环境具有更强的适应性，并且能够通过优势菌群、生物拮抗等作用改善肠道微生物环境，增强免疫能力，促进营养物质的消化吸收，起到促生长和防病的作用。Kalavathy等[27]通过将12种乳酸杆菌复合添加到肉鸡饲料中，发现这种微生物制剂能够明显提高肉鸡的生产性能。高新磊等[28]将乳酸杆菌与枯草芽胞杆菌加工成为复合微生物制剂并在舍内进行喷洒，结果指出复合微生物制剂能够提高肉鸡生长性能，增强免疫力，并有效改善舍内的空气质量水平。与单一微生物制剂相比，复合微生物制剂中各种益生菌之间存在的互作效应能够增强整体效果，因此不同搭配的微生物组合往往能够发挥不同的作用。蒙琦等[29]比较了不同配比的复合微生物制剂的有害气体减排功效，发现各组合微生物制剂均能够有效降低粪便中NH3和H2S水平，尤其以酵母菌+枯草芽胞杆菌+乳酸片球菌+双歧杆菌(2∶2∶2∶1)配比组合效果最为显著。在实际生产中，根据畜禽种类、年龄、环境等因素进行复合微生物制剂的动态配比对于实现其最大功效具有重要意义。

3 微生物制剂在有害气体减排中的作用

目前，针对于畜禽舍有害气体的减排防控主要从源头减量、末端减排和堆肥发酵3个方面进行控制。微生物制剂依赖微生物本身对于含氮、含硫有机物的降解以及微生物之间共生、竞争和拮抗关系，具有抑制腐败菌生长、减少有害气体释放的作用，因此在有害气体减排的3种途径中均发挥重要作用。

3.1 微生物制剂在源头减量中的作用

微生物制剂的有害气体源头减量作用是在畜禽饲料中添加微生物制剂，通过降低脲酶、尿素氮、尿酸等有害气体前体物质含量，减少有害气体的排放。微生态制剂的饲喂还可以增加畜禽胃肠道内有益菌的丰度，提高畜禽对摄入养分的消化吸收能力，从而减少排泄物中有机物含量，发挥有害气体减排的作用。此外，部分微生物还具有代谢有害气体的作用，利用胃肠道中代谢产生的NH3、H2S和CH4等合成菌体蛋白作为畜禽养分，不仅增加了饲料利用率，还能够减少废气排放。在目前无抗养殖的大背景下，饲用微生物制剂在源头减排中的作用和优势愈发突显。诸多研究表明，饲粮中添加枯草芽胞杆菌对改善畜禽舍空气质量，减少有害气体排放具有重要作用。枯草芽胞杆菌能够促进肠道内有益菌增殖，提高NH3的有效利用率，从而减少舍内NH3的排放[30]。王建斌等[31]研究发现，添加枯草芽胞杆菌能够显著降低排泄物中总氮和尿素氮含量，从而抑制含氮有机物分解产生NH3的过程。另据研究报道，在肉鸡日粮中分别补充添加粪肠球菌[32]、枯草芽胞杆菌不同菌株[33]或者淀粉样芽胞杆菌[34]对粪便中NH3和H2S合成和排放具有明显抑制作用，并且这种抑制作用呈剂量依赖性增加。相比之下，复合微生物制剂由于各种微生物之间具有优势互补、协同促进的作用，往往比单一微生物的使用效果更佳[35]。据报道，饲料中添加由乳酸菌、酵母菌和芽胞杆菌组成的复合微生物制剂能够提高断奶仔猪的消化率，降低腹泻率和粪便中有害气体H2S的排放[36]。Liu等[37]在断奶仔猪饲粮中添加包含枯草芽胞杆菌和粪肠球菌的复合微生物制剂，发现微生物制剂增加了营养物质的表观消化率，并且显著降低了粪便中NH3的浓度。Lan等[38]的研究结果同样指出，饲料补充双歧杆菌、地衣芽胞杆菌、枯草芽胞杆菌和丁酸梭菌混合物对断奶仔猪生长性能和营养消化率均有积极作用，并且混合微生物制剂改变了粪便中乳酸菌和大肠杆菌的比例，进而降低粪便中NH3、H2S和总硫醇排放量。刘辉等[39]在鸡的基础日粮中添加由芽胞杆菌、酵母菌和曲霉菌等益生菌组成的复合菌，舍内空气质量得到明显的改善，其中NH3减少了73.5%。Zhang等[40]报道了嗜酸乳杆菌、枯草芽胞杆菌和酪酸梭菌的复合制剂改善了肉鸡的生产性能和氨基酸消化率，降低了其排泄物中NH3水平。在饮水中添加以乳酸菌和芽胞杆菌为主的复合微生物制剂能够将鸭舍内NH3浓度下调50%左右，CO2浓度也有一定程度的降低[41]。

3.2 微生物制剂在末端减排中的作用

有害气体的末端减排主要通过对饲养过程中所产生的排泄物、废水和腐败饲料等发酵处理，达到将氨、硫化物等恶臭气体吸收利用或控制减排的效果，从而改善空气环境质量。粪便和污水中有害菌的繁殖是畜禽舍内有害气体的主要原因之一，将微生物制剂喷洒至畜禽舍内，利用微生物制剂中的有益菌群和有害菌群进行竞争，抑制畜禽舍内有害菌的生长、增殖，从而减少有害气体的排放。而面对畜禽舍内复杂的环境，复合微生物制剂适应性强的特点使其能够更好地发挥作用。已有研究指出，喷洒含有枯草芽胞杆菌、乳酸杆菌、乳球菌等制成的复合微生物制剂喷雾，短时间内显著降低了粪便中NH3和CO2浓度，而长时间的喷洒处理进一步降低了粪便H2S、甲基硫醇浓度[42]。规模化肉鸡舍内每日喷洒10 mL/m2以枯草芽胞杆菌和植物乳杆菌为主要成分的复合微生物能够显著降低舍内空气中大肠杆菌的比例，减少NH3和H2S的浓度，并且研究指出在喷洒后5 h舍内有害气体浓度最低[28]。本实验室前期研究评估了肉鸡舍内NH3的排放规律，并以此为基础探究了喷洒微生物制剂对冬季肉鸡舍内NH3浓度的影响，发现微生物制剂的喷洒即时地降低了舍内的NH3浓度，并且在1 d时间内形成先降低后升高的循环变化规律[43]。张刚等[44]通过舍内雾化设备喷洒由乳酸菌、芽胞杆菌、酶制剂、酵母菌制成的复合微生物产品，评估了微生物制剂对猪舍空气环境质量参数的影响，发现随着微生物制剂使用时间的增加，舍内NH3和H2S浓度逐渐降低。席磊等[45]比较了由枯草芽胞杆菌、乳酸杆菌和酵母菌组成的复合微生物制剂与传统的苯扎溴铵消毒剂的功效，结果表明，喷洒复合微生物制剂较苯扎溴铵能更有效地降低鸭舍中NH3浓度与活菌数。与上述报道相似，陈静等[46]研究表明由放线菌、乳酸菌和芽胞杆菌为主要成分的微生物制剂较化学消毒剂聚维酮碘能显著降低鸡舍内H2S水平，但是对舍内CO2含量没有明显的影响。崔艳等[47]在蛋鸡饲粮中添加微生物制剂(包括枯草芽胞杆菌、纳豆芽胞菌、乳酸菌和酵母菌)，并结合环境喷雾处理(主要成分为光合细菌、酵母菌、乳酸菌和丝状真菌)，结果指出在整个试验期内舍内NH3和CO2浓度分别降低了90%和50%，而微生物制剂对舍内CO2排放的差异影响可能与微生物制剂使用方式、复合微生物制剂的组成、气体测定时间和方法存在关联性。由此可见，选择适宜的菌株以及将源头减量和末端减排相结合似乎能够更有成效地发挥微生物制剂的有害气体减排作用。

3.3 微生物制剂在堆肥发酵中的作用

堆肥发酵处理是利用畜禽粪便中自然存在的细菌、真菌和放线菌等微生物，有控制地促进固体废弃物中可生物降解的有机物向稳定的类腐殖质转化的微生物学过程。然而，在自然堆肥过程中有害菌的滋生和繁殖会延长堆体腐熟时间并产生大量有害气体，如NH3、SO2、H2S和有机胺化合物。在堆肥发酵中添加微生物制剂不仅能够将部分气体吸收作为营养物质分解，加速堆体腐熟，还能够通过微生物之间的共生、繁殖及协同作用抑制腐败微生物及病原菌的繁殖，并将粪便中的有机物分解为乳酸、乙酸等小分子酸性物质，从而实现有害气体减排的目的。与畜禽生产过程中利用的菌株不同，堆肥过程产生高温、强酸环境并不利于所有菌生长，因此筛选可用于堆肥发酵的高效菌株是减少有害气体排放的重要手段。Ma等[48]从猪粪中筛选出与有害气体产生相关的菌株反硝化副球菌、地衣芽胞杆菌和酿酒酵母，其组合成的复合微生物制剂具有高效的发酵减排效率，其中NH3和H2S气体去除率最高可达58.99%和74.85%。Kuroda等[49]通过分析粪便堆肥中的微生物组成，筛选并分离出嗜热芽胞杆菌TAT105，具有极高的氨氮耐受性并且可以将堆肥中NH3的排放量降低20%以上。Park等[50]从猪粪浆样品中筛选分离出植物乳杆菌菌株，孵育5 h后NH3的去除效率最高达到50.19%。陈书安等[51]从菜园、果园、山坡土壤、河底湖底污泥和堆肥中分别分离得到的中温细菌、放线菌、酵母菌和耐高温细菌，可以减少鸡粪NH3释放量 64%以上和H2S释放量50%以上。有研究指出，在堆肥中添加微生物制剂能够加速堆体升温，延长堆体在高温阶段的持续时间，充分杀灭堆体中有害微生物和芽胞，从而减少有害气体的释放[52]。张智等[53]在鸡粪好氧堆肥中加入不同微生物制剂，发现不仅提高了堆肥温度，加速了堆体的腐熟，而且不同的微生物制剂均显著降低了堆体中NH3、SO2和脂肪胺类气体的排放。卢彬等[54]对比了正常稻壳牛粪堆肥和添加复合微生物制剂的牛粪堆肥中各物理、化学指标有害气体的排放量，结果表明，接种复合微生物制剂能够加速堆体升温，减少CH4和N2O气体含量。

整体来看，微生物制剂主要是通过调节畜禽体内以及粪便排泄物中微生物的组成从而发挥其功能作用，而复合微生物制剂由于其优异的促生长作用和有害气体减排能力，具有广阔的应用前景。究其原因，一方面复合微生物制剂的源头添加能够更加有效改变畜禽消化道微生物的定植和组成，通过调整有益菌的比例以及代谢物和后生元的水平，改善畜禽的肠道健康，并增加养分的消化、吸收[55]。消化道微生物对于机体摄入养分的二次利用减少了含硫、含氮等成分的流失，减少了粪便排泄物中有机成分的含量，从而降低有害气体的产生[38]。另一方面，复合微生物制剂对于环境具有更强的适应性，使其无论在畜禽舍内或高温发酵堆体中都能够有效发挥作用，通过微生物制剂中的有益菌群和有害菌群进行竞争，抑制产生有害气体的细菌生长、增殖，从而实现有害气体减排的目的[49]。

4 微生物制剂面临的挑战和发展方向

近年来，随着畜禽养殖业的发展以及无抗养殖理念的推广，微生物制剂逐渐进入大众的视野，针对微生物试剂的开发与应用也日益增加。微生物制剂在畜牧产业中的优点和效用已经被广泛报道，除了提高生产性能[56]，增强免疫能力[57]，对畜禽舍中有害气体的减排也具有一定的积极作用[35]。然而，不可否认的是微生物制剂的应用效果存在一定的不稳定性和可变性。不同环境条件、饲养管理方式以及动物种类等因素会对微生物制剂的作用产生影响，因此需要进一步研究和优化微生物制剂的配方和应用方式，以提高其稳定性和适应性。其次，微生物制剂的应用成本较高。生产、存储和应用微生物制剂需要一定的技术和设备支持，增加了养殖成本。因此，需要开展经济性评估和成本效益分析，探索降低微生物制剂应用成本的途径，以促进其在畜禽舍有害气体减排中的广泛应用。此外，到目前为止，国内可用于畜禽舍有害气体控制减排的微生物制剂种类较少，菌株品种单一，并且微生物制剂的制作和加工工艺手段落后，尚需进一步优化从开发到应用的全套产业体系。

微生物制剂在有害气体减控方面的未来发展方向应注重多学科交叉，以畜牧产业需求为基础，运用现代分子生物学和生化技术开发高效、稳定的微生物制剂。针对不同的有害气体，可以选择具有特定功能的菌株进行筛选和优化，以开发精准、高效的微生物制剂。同时，优化微生物制剂的配方和培养条件，提高其存活率和适应性，以应对复杂的养殖环境。探索微生物制剂与其他减排技术的联合应用，将微生物制剂与其他减排技术(如通风设备、废气处理系统等)相结合，形成协同效应，进一步提高有害气体减排效果。此外，还可以与饲料添加剂、饲养管理措施等相结合，综合实施多种减排措施，实现更好的环境保护和生产效益。

5 结论

综上所述，在畜禽养殖业高标准、大规模发展的同时，对舍内空气环境质量的要求逐渐增加，畜禽养殖过程中舍内有害气体来源广、危害大，而微生物制剂能够通过源头减量、末端减排和堆肥发酵3种方式在畜禽舍有害气体减排中发挥重要作用，为畜牧业安全、健康、绿色可持续发展提供有力保障。