日粮淀粉对猪肠道微生物和臭气排放调控的研究进展

余 苗，陈卫东，邓 盾，李贞明，王 刚，马现永

(广东省农业科学院 动物科学研究所，农业部华南动物营养与饲料重点实验室，畜禽育种国家重点实验室，广东省动物育种与营养公共实验室，广东省畜禽肉品质量安全控制与评定工程技术研究中心，广东 广州 510640)

随着我国养猪业的快速发展，养殖过程中排放粪污臭气导致的环境污染问题日益凸显，并严重制约了养猪业的可持续发展。从20世纪80年代到2008年，我国畜禽粪便的产生量从6.9×108t增长到30×108t[1]。据2010年《第一次全国污染源普查公报》显示，畜禽养殖业排放的粪污已成为我国最主要的农业面源污染源之一，畜禽养殖排放的氨氮量达102.48×104t，占全国总排放量的21.7%，其中有大部分以氨气的形式排放到空气中。有研究报道指出，育肥猪饲养期间，平均每头猪的氨气排放量达107.18～424.42 mg/h[2]。另有统计表明，一个年出栏10.8万头猪的猪场，每小时可向环境中释放159.0 kg的氨和14.5 kg的硫化氢(H2S)气体[3]，而氨和H2S均属于养殖场臭气的重要组成部分。养殖过程中排放的这些臭气物质不仅降低动物的生产性能和免疫力，还易引发饲养员以及生活在养殖周边环境中的人患支气管炎等呼吸道疾病[4]。动物肠道微生物在臭气物质产生和减少的过程中起重要作用，因而通过营养手段调控肠道微生物，从源头上减少养猪业臭气物质的排放将是当前营养学和生态学研究的一个热点，对探索生猪生态健康养殖和环境友好型畜牧生产方式具有重要的科学意义。

淀粉是谷物饲料中最主要的碳水化合物来源，也是畜禽所需能量的重要来源[5]。在自然界中，天然淀粉主要有两种存在形式：支链淀粉和直链淀粉。其中支链淀粉属于快速消化淀粉，在肠道中易被快速消化吸收，而直链淀粉属于慢速消化淀粉，淀粉中直链淀粉含量越高，越难被消化酶降解，但在后肠可作为微生物的发酵底物，改变肠道微生物的发酵模式和肠道菌群结构，减少臭气物质的产生，进而从源头上减少环境污染。本文就养猪场臭气物质的组成、日粮淀粉对猪肠道微生物和臭气物质排放的调控等方面进行综述，为养猪场臭气减排提供参考。

1 猪场臭气物质的来源与组成

猪场的臭气来源多样化，其中粪污施肥过程、粪污贮存过程、畜禽舍内以及饲料生产和贮藏过程是产生臭气的主要来源[6]。有关恶臭方面的投诉大约有50%涉及粪污施肥过程，20%涉及粪污贮存场所，30%涉及到畜禽养殖舍[7]。随着施肥技术的改变，欧洲国家的恶臭投诉偏向于畜禽舍和粪污处理过程[8]。但有关各排放源对畜禽养殖臭气污染贡献率还需进一步系统研究。

臭气物质实质是肠道以及环境中的微生物在厌氧条件下发酵未消化完全的碳水化合物、含氮和含硫化合物而产生的一系列代谢产物，这些物质具有刺激人的嗅觉器官的感受作用。采用GC-MS技术分析发现，猪场中的臭气物质多达331种挥发性有机化合物和固定气体[9]，按照化学性质，这些物质主要分为四种：酚和吲哚类物质、含硫化合物、氨和挥发性生物胺类、挥发性脂肪酸类[6]。

1.1 酚和吲哚类物质

酚(苯酚、对甲酚、3-甲基苯酚和对-乙基苯酚)和吲哚(吲哚和粪臭素)是微生物在厌氧条件下代谢芳香族氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸)而产生的一类具有恶臭味的物质[10]。在此过程中，参与的微生物主要有Bacteroides、Clostridia、Lactobacillus、Bifidobacteria和Peptostreptococcus[11]。其中酪氨酸发酵主要生成苯酚和对甲酚，苯丙氨酸主要生成苯乙酸，而色氨酸既可在低pH条件下直接生成吲哚，又可在高pH条件下经过吲哚乙酸生成臭气阈值更低的粪臭素[12]。有研究发现，猪舍空气中的对甲酚浓度较高，占芳香族化合物的64%，同时对甲酚的臭味阈值最低，因而在该类物质中，对甲酚对恶臭的贡献率最高[13]。

1.2 含硫化合物

养殖臭气中的含硫化合物一般具有强烈的刺激性恶臭味，主要包含有H2S、硫醇类和硫醚类，而H2S和甲硫醇是猪粪中最令人感到不悦感的主要物质[14]，这两种物质占养殖中挥发性含硫恶臭物质的70%以上。猪粪便中散发出的H2S浓度达到90 μg/m3，猪舍内空气中甲硫醇的浓度可达3.6×104μg/m3，是其自身臭阈值的947～120×106倍[15]。这些含硫化合物的产生途径主要有三条：一是在微生物的作用下发酵含硫氨基酸(蛋氨酸和半胱氨酸)而来[16]；二是在硫还原菌(SRB)作用下还原日粮中添加的无机硫酸盐和亚硫酸盐而产生[17]；三是通过分解代谢肠道上皮硫粘蛋白而来[18]。微生物可在半胱氨酸脱硫酶的作用下，从半胱氨酸的碳链中获取能量产生硫化氢[19-20]，而蛋氨酸则可被微生物转换成α-酮丁酸、氨、甲硫醇和乙硫醇等含硫化合物[19]。参与此过程的微生物主要有Enterococci、Enterobacteria、Peptostreptococci、Fusobacteria和Eubacteria[19]。

1.3 氨和挥发性生物胺

氨和挥发性生物胺类物质是养殖过程中产生刺激臭味的主要含氮物质。其中氨主要来源于尿液中的尿素氮，小部分来源于肠道或排出后的粪便。氨排放到空气中是一个缓慢的过程，并受多种因素的影响，其中pH是影响氨排放最重要的一个因素，其浓度随着pH的升高而增加[21]。当动物肠道和粪肥处于偏酸性环境下，氨主要以NH4+形式存在，而当处于碱性条件时，微生物对氨基酸进行脱氨反应或者在微生物脲酶的作用下对尿素水解产生大量的氨[22]，其中尿素水解是氨气产生的最主要途径。有研究指出，粪便中诸多兼性厌氧微生物可分泌大量的脲酶，当尿中的尿素氮接触到粪便时会产生大量的氨气[23]。因此，在养殖生产过程中，实施粪尿分离是降低氨气排放的一个重要措施。

挥发性生物胺类物质是微生物对相应氨基酸进行脱羧反应而产生的一类具有臭味的物质。肠道食糜或者粪肥中生物胺的种类很多，主要有甲胺、组胺、色胺、尸胺、腐胺、精胺和亚精胺，其浓度受pH、微生物的种类以及前体氨基酸浓度的影响。当pH 5～6时，一些微生物如Bacteroides、Bifidobacterium、Enterobacteria、Selenomonas和Streptococcus能发酵利用氨基酸生成上述生物胺[24]。

1.4 挥发性脂肪酸

挥发性脂肪酸(VFAs)主要由乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸(Short-chain fatty acid，SCFA)组成，主要由肠道和粪污中微生物在厌氧条件下对未消化的膳食纤维或者复合碳水化合物发酵产生，同时，微生物也可发酵蛋白质或者氨基酸产生VFAs，如甘氨酸可通过Stickland反应生成乙酸，Clostridium可在苏氨酸脱氢酶的作用下发酵苏氨酸生成丙酸，也可通过丙烯酸途径代谢丙氨酸生成丁酸[25]。此外，日粮以及内源来源的支链氨基酸，如缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸也可在微生物的作用下经过脱氨反应分别生成异丁酸、异戊酸和2-甲基丁酸等臭气阈值更低的支链脂肪酸(Branched-chain fatty acids，BCFAs)[26]，参与该过程的微生物主要有Bacteroides、Propionibacterium、Streptococcus和Clostridium等菌属。由于BCFAs只由蛋白质发酵而来，因此常将其作为判定微生物发酵类型以及蛋白质发酵程度的一个指标[27]，其含量越高，表明有越多的含氮化合物被微生物分解供能。上述有机酸有66%以上能被大肠上皮细胞吸收供能，可为机体提供能量所需的10%～15%，因而对新排放的粪便引起的恶臭味程度不如在堆肥或粪污施肥过程中产生的影响大。

2 消化道微生物与臭气产生的关系

动物的消化道微生物不仅数量庞大，而且还具有潜在的生物活性，可以与宿主互补，通过代谢日粮中的营养物质以及与肠上皮细胞互作，对宿主的营养、代谢、免疫和健康产生重要的影响[28]。同时，消化道微生物的组成结构以及代谢活动对畜禽养殖臭气的形成也具有至关重要的作用。

为维持正常生长所需，消化道微生物需要在厌氧条件下代谢发酵碳水化合物和蛋白质来获取能量。按照底物的不同，微生物的发酵类型可分为碳水化合物型发酵和含氮化合物型发酵。其中，碳水化合物型发酵的终产物主要是乙酸、丙酸和丁酸等SCFAs。而日粮蛋白质首先在宿主和微生物所分泌的胃蛋白酶的作用下分解生成多肽，进一步在蛋白酶或者肽酶的作用下，消化分解为含有2到3个氨基酸的小肽或游离氨基酸，这些小分子物质被吸收进入细菌胞内后，可直接被细菌合成菌体蛋白，而当碳水化合物缺乏时，则进入分解代谢途径为细菌生长提供能量所需，发生脱羧或脱氨反应。与碳水化合物型发酵相比，含氮化合物型的发酵除了产生乙酸、丙酸和丁酸等SCFAs外，还伴随着长链(戊酸)/支链脂肪酸、H2S、硫醇、氨和挥发性生物胺类、酚和吲哚类等物质的产生[6]。上述许多物质(氨和挥发性胺类、酚和吲哚类、含硫化合物、长/支链脂肪酸)均为臭气成分，因而肠道微生物以含氮化合物型发酵进行的代谢活动是养殖臭气产生的主要途径。

碳水化合物型发酵产生的主要是4碳以下的SCFAs，且在肠道中大部分被吸收供能，对养殖臭气的贡献率不大。此外，消化道微生物发酵碳水化合物获取了充足的碳源，可进一步同化含氮物质合成菌体蛋白以满足自身生长所需，从而调控肠道菌群对含氮化合物的腐败发酵[29]，还可减少经脱氨反应代谢转移至尿液中的尿素氮含量。因此，当后肠碳水化合物增多时，肠道中的含氮物质更多的用于合成菌体蛋白有利于从源头上减少养殖臭气的排放。同时，碳水化合物型发酵产生的大量有机酸和SCFAs，可降低肠道内的pH，抑制蛋白质腐败发酵菌，如Clostridium等的生长[30]，从而减少对含氮物质的腐败发酵。因此，使肠道微生物偏向碳水化合物型发酵是减少畜禽养殖臭气产生的有效途径。

3 消化道微生物菌群结构与臭气物质

3.1 日粮淀粉对动物消化道微生物菌群结构的影响

微生物在消化道中的增殖主要依赖于日粮所提供的营养成分。因此，日粮结构是影响消化道微生物组成和功能的最主要因素之一[31]。日粮中营养素的变更可快速改变肠道微生物菌群的结构和功能，进而影响微生物的发酵模式和代谢。淀粉是机体重要的能量来源，其化学结构是影响其降解速率的一个重要因素。可消化淀粉在到达小肠时即可在α-淀粉酶、糊精酶以及葡萄糖苷酶的共同作用下被消化吸收，增加直链/抗性淀粉的含量，能降低其在小肠中被α-淀粉酶消化的速率，从而增加进入后肠可被微生物发酵利用的基底物质。

畜牧工作者针对不同类型淀粉日粮对畜禽肠道微生物菌群的影响做了一系列的研究。Bird等[32]给28日龄的仔猪饲喂含有高直链淀粉以及热水处理后的高直链淀粉日粮21 d后发现，两种高直链淀粉日粮均降低了结肠内容物和粪样中的pH，增加了总SCFA和单个挥发性脂肪酸的浓度，同时增加了Bifidobacteria和Lactobacilli的数量。给断奶仔猪饲喂含有淀粉中含有63%直链的日粮，促进了后肠微生物的发酵，增加了盲肠和结肠食糜中总SCFAs的浓度和Bifidobacteriaspp数量，而降低蛋白质腐败发酵菌Clostridiumclusters IV和Clostridiumclusters XIVa的数量[33]。饲喂含高直支比的淀粉日粮，改变了育肥猪肠道中微生物的菌群结构，增加回肠食糜中有益菌Lactobacillus的相对丰度，降低了潜在致病菌Gammaproteobacteria的相对丰度[34]。研究发现，给生长育肥猪长期饲喂生土豆淀粉(含较多直链淀粉)，改变了微生物的发酵模式，显著降低结肠食糜中蛋白质发酵终产物的浓度，如氨氮、色胺、酪胺、苯酚、对甲酚、吲哚、粪臭素以及BCFAs的浓度[35]。综上表明，增加日粮中直链淀粉的含量可调节肠道微生物菌群的组成和比例，促进肠道有益菌的增殖，抑制潜在致病菌的生长和繁殖，改变肠道微生物的发酵模式，增加SCFAs的浓度，降低肠道内的pH，减少蛋白质腐败发酵终产物的产生。

3.2 淀粉调控畜禽臭气物质产生的可能机制

畜禽养殖臭气物质主要是由后肠中Clostridium、Eubacterium等潜在致病菌经脱氨或者脱羧反应发酵未消化吸收的蛋白质、小肽、氨基酸等含氮化合物而来。因此，采用营养调控手段，减少大肠中微生物对含氮化合物的腐败发酵是实现从源头上减少畜禽养殖臭气产生的重要思路之一。日粮直链/抗性淀粉可作为一种营养干预手段应用于畜禽养殖臭气的减排过程中，其除臭的机理主要是直链/抗性淀粉可以抗小肠α-淀粉酶的消化，能较完整到达畜禽动物的大肠并成为肠道有益菌的发酵底物，进一步改变肠道中微生物菌群结构，使微生物发酵模式偏向于碳水化合物型发酵，而含氮化合物尽可能多地合成菌体蛋白和氨基酸而非腐败发酵，进而减少臭气物质的产生。

3.2.1 降低畜禽肠道内的pH 研究表明，高pH条件下有利于粪臭素的生成，而低pH条件下有利于吲哚的生成，改变微生物所处环境中的pH，可使色氨酸降解生成吲哚的浓度增加，而生成臭气阈值更低的粪臭素浓度降低[36]。Zhou等[35]的研究表明，给生长育肥猪饲喂生土豆淀粉，显著降低了结肠食糜中粪臭素的浓度。这是由于生土豆淀粉含有较多的直链淀粉，可进入后肠发酵产生大量的SCFAs，降低肠道和粪便中的pH，使肠道或粪便中的微生物处在一个偏酸性的环境，从而改变了色氨酸降解生成吲哚和粪臭素的相对产量。此外，pH的降低还会调节氨和NH4+之间的平衡，减少氨气的生成和挥发。这是因为pH是影响氨气挥发的一个重要因素，当pH高于9的时候，氨和NH4+处于一个相对平衡的状态，而当pH低于7的时候，主要以NH4+形式存在，从而减少氨气的产生[21]。

3.2.2 改变肠道微生物菌群结构 直链/抗性淀粉不易被小肠消化吸收而到达畜禽动物的后肠，可为微生物生长提供更多的能源物质，并改变肠道微生物的菌群结构。Regmi等[37]研究表明，给生长猪饲喂含有高直链淀粉的日粮，显著增加粪样中总SCFAs和丁酸的浓度，同时增加Bifidobacteriumspp的数量，有效地改善了生长猪的肠道菌群结构。另有研究发现，给生长育肥猪长期饲喂含有高直链淀粉的生土豆淀粉日粮，显著降低了结肠食糜中Clostridium的相对丰度，而增加了Ruminococcus和Turicibacter的相对丰度[38]。在断奶仔猪上的研究也得到了相似的结果，减少盲肠和结肠食糜中Clostridiumcluster IV和Clostridiumcluster XIVa的拷贝数，而增加了Bifidobacteriaspp的拷贝数[33]。Ruminococcus对保护肠道健康具有非常重要的作用，属于肠道中的有益菌[39]。Bifidobacteria作为肠道中的有益菌，能抑制有害病原微生物的生长，合成机体所需的维生素、氨基酸等有益于机体健康的物质[40-41]。而Clostridium属于蛋白降解菌，能降解赖氨酸、丝氨酸、天冬氨酸等产生SCFAs和生物胺，并影响肠道通透性[42]。含有高浓度的直链淀粉日粮改变了肠道微生物菌群结构，促进肠道有益微生物在碳水化合物相对缺乏的后肠环境中竞争获得碳源而增殖，并竞争性抑制潜在致病菌的生长，使整个肠道的菌群结构在数量上以有益菌占优势。

3.2.3 改变微生物的发酵模式 有研究表明，日粮中不易消化的碳水化合物，如非淀粉多糖、寡糖和抗性淀粉(含直链淀粉浓度高)不易被单胃动物胃和小肠的消化酶分解，大多数可直接进入后肠作为微生物发酵的底物，进而影响菌群的发酵模式[43]。直链淀粉属于在前肠不易消化，但易发酵的碳水化合物，当其进入后肠后可改变微生物的发酵模式。此外，易发酵的碳水化合物可使喜好碳水化合物的细菌活性增强，而减少含氮化合物分解菌的活性[44]。众多研究表明，给猪饲喂含有高直链/抗性淀粉的日粮，增加了盲肠和结肠食糜中总SCFAs、乙酸、丙酸和丁酸的浓度[45-46]，但降低了结肠食糜中粪臭素的浓度[47]，同时降低结肠食糜中其它含氮化合物发酵所生成物质的浓度，如氨态氮、生物胺、BCFA、酚和吲哚类物质[35]。以上结果表明，直链淀粉日粮可通过改变动物肠道微生物发酵模式，使肠道微生物偏向于碳水化合物型发酵，而减少微生物对含氮化合物的腐败发酵，从而减少臭气物质的产生。

4 小 结

猪场产生的臭气已成为养殖过程中不可忽视的一个问题，微生物在臭气的产生和控制中起着重要的作用，而通过营养手段来调控肠道微生物，对减少臭气产生做出相应的贡献。当前的营养方法中，给畜禽动物饲喂前肠不易消化、但在后肠易发酵的基底物质，如含直链/抗性淀粉较多的日粮，可通过调控肠道自身固有微生物的营养代谢来达到从源头上减少臭气产生的目的。但不同动物品种、生长阶段、淀粉类型以及添加量对肠道微生物菌群会产生不同的影响，因此确定不同淀粉类型日粮对不同动物品种及不同生长阶段适宜的添加比例，对改善动物肠道微生物菌群结构从而减少臭气的产生具有重要的意义。臭气物质来源于微生物的发酵过程，结合各种组学技术(微生物组学和代谢组学等)，从分子水平探索肠道及粪便中微生物菌群及臭气物质对日粮淀粉的动态响应规律，探寻参与调节及产生臭气物质的关键微生物，不仅有利于掌握淀粉调控畜禽臭气物质产生的作用机制，还可为开发其它有效的减少臭气排放的营养调控技术提供理论依据。