微生物除臭技术在畜禽养殖臭气治理中的研究应用进展

韩昆鹏 杨凌 卞红春 陈静华 周姬 陈丽珠

微生物除臭技术在畜禽养殖臭气治理中的研究应用进展

韩昆鹏 杨凌 卞红春 陈静华 周姬 陈丽珠

（江苏省盐城市畜牧兽医站 224002）

近年来，随着畜禽规模化养殖快速发展，畜禽养殖场产生的氨气、硫化氢、挥发性有机物等臭气，严重影响了畜禽正常的生长、生产和养殖场区及周边环境，养殖场臭气污染治理问题亟待解决。目前，畜禽养殖场臭气除臭方法主要有物理法、化学法和微生物法，通过改变恶臭气体的物象和结构、减少产生量，从而达到减排除臭的效果。本文论述了畜禽场臭气来源、臭气主要成分、微生物除臭技术的研究和应用进展，以期为今后相关研究的开展提供借鉴和依据。

随着畜牧业规模化、集约化的发展，畜禽养殖规模逐步扩大，畜牧业已成为推动农民增收致富、助力乡村振兴的主导产业。但是畜禽规模化养殖产生的大量固液废弃物和臭气，既影响畜禽正常生产与生长，又影响畜禽养殖场区及周边农村生态环境，已成为农业面源污染主要污染源之一和制约畜牧业可持续发展的瓶颈。近年来，随着我国大力开展畜禽养殖废弃物治理工作，规模化养殖场固液废弃物在无害化处理和资源化利用方面已取得明显成效，但畜禽养殖场臭气污染问题却日益严重[1]。目前，畜禽养殖臭气治理难题已成为热点研究方向，国内外畜禽养殖场臭气除臭方法主要有物理法、化学法和微生物法，通过改变恶臭气体的物象和结构、减少产生量，从而达到减排除臭的效果[2]。其中微生物除臭技术于20世纪50年代发展起来[3]，是利用一种或者多种有益微生物的生理代谢活动降解恶臭物质，将其氧化成无臭、无害的最终产物，达到除臭的目的[4]。我国这方面工作的研究较其他国家起步较晚，20 世纪90 年代以后才开展这方面的实验室研究工作[5-6]，但近年来国内科研机构对于除臭微生物在畜禽养殖业中的应用开展了大量的研究工作，为此本文通过对畜禽场臭气来源、主要成分和微生物除臭技术研究应用进展三个方面进行综述，以期为今后相关研究和治理的开展提供借鉴和依据。

1 畜禽场臭气来源及主要成分

养殖场臭气来源于多个方面，如动物粪尿、霉变垫料、病死畜禽、饲料、皮肤和粉尘，但主要来源是动物排泄物中未消化的各类有机物，在粪便中土著微生物的厌氧发酵作用下产生的不完全代谢产物[7]。具有氨化作用、硝化作用、硫氧化作用的土著微生物菌群在畜禽场臭气的产生中发挥了重要的作用。但是臭气主要成分和数量又因物种、尿的混入量、水分、温度、通气量、pH值以及堆放时间等的不同而有很大的差异[8]。猪粪以挥发性脂肪酸类臭气物质为主，鸡粪中NH3和二甲基二硫的含量特别高，牛粪臭气成分以低级脂肪酸为主[9]。研究表明，与畜禽场臭气有关的恶臭成分种类繁多，其中猪粪有230种，鸡粪有150种，牛粪有94种[10]。目前，这些臭气物质主要被分为3类：一是含氮化合物(主要为NH3)；二是含硫化合物(主要为H2S)；三是挥发性有机物(主要包括挥发性胺类化合物、含硫有机物，芳香族化合物和脂肪酸类)[11]。

1.1 NH3NH3是一种具有强烈刺激性臭味的气体，水溶性强，主要来自于动物肠胃消化、粪尿、饲料残渣和垫料等有机物被细菌分解产生。NH3是畜禽养殖场恶臭的主要成分之一，同时也是参与大气氮循环的关键成分之一，大量NH3的排放会影响到大气中甲烷(CH4)的氧化，从而加剧温室效应[12]。高浓度氨气可以直接刺激畜禽的呼吸道黏膜、眼结膜和眼角膜，吸入体内的NH3可与血液中血红蛋白结合，使血红蛋白的携氧能力、血液碱储能力以及血红素的氧化性能降低，进而导致机体贫血、组织缺氧、抵抗力降低。据报道，高浓度的NH3可造成鸡角膜炎、结膜炎、皮肤炎的发生，呼吸系统黏膜损害，大肠杆菌的易感性增加，鸡新城疫和败血支原体病发生率升高[13]。一般情况下，畜禽舍内NH3浓度要求不高于15mg/m3(GB/T18407.3-2001)。

1.2 H2S H2S是一种无色、易挥发、具有腐败臭鸡蛋气味的毒性气体。H2S 主要是由新鲜粪便中含硫有机物经厌氧微生物降解产生。研究表明，硫化氢的毒性很强，硫化氢对机体黏膜有强烈的刺激作用，长期低浓度接触会引起结膜炎和角膜损害，造成体质变弱、抗病力下降、易诱发疾病，生产性能下降。高浓度H2S经肺泡进入血液与氧化型细胞色素氧化酶结合，致使酶失去活性，造成窒息症状并破坏中枢神经系统[14]。鸡舍内硫化氢浓度不应超过10 mg/m3(GB/T 18407.3-2001)。

1.3 挥发性有机物 臭气中挥发性有机物浓度较低，但对臭味贡献很大，且成分复杂，含硫有机物、胺类化合物、芳香族化合物和挥发性脂肪酸类是其中最主要的臭气成分[15]。此类挥发性有机物主要是由胃肠道中的各种微生物(例如乳酸菌属、梭菌属、拟杆菌属等)厌氧发酵产生。臭气中含硫有机物主要成分包括甲硫醇、乙硫醇、丙硫醇、丁硫醇、苄硫醇、甲硫醚、二甲基二硫醚、二甲基三硫醚和苯硫酚等，是最重要的致臭因子[16]。胺类化合物主要由甲胺、三甲胺和粪臭素组成。芳香族化合物主要包括吲哚类、甲酚、粪臭素等。挥发性脂肪酸主要包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸及其同分异构体[15]。挥发性有机物具有强烈的刺激性和腐败味，可引起动物食欲减退、免疫力下降，易引发呼吸道疾病，长时间处于高浓度挥发性有机物环境中的动物会出现呕吐现象，严重者呼吸困难、肺水肿和充血[17]。

2 微生物除臭技术的研究应用进展

微生物除臭技术在应用时，通常根据除臭阶段及除臭方式的不同，可分为源头除臭、过程除臭和堆肥除臭三等阶段。在不同的阶段选择不同种类的益生菌作为除臭微生物，在源头除臭和堆肥除臭阶段，通过添加有益微生物菌群与肠道或粪便内土著微生物菌群竞争，抑制土著菌等有害菌群的活动，从而达到提高饲料转化率，降解粪便中有机物和减少臭气物质排放的目的；在过程除臭阶段，通过除臭微生物滴滤器或喷洒除臭微生物，直接吸附降解臭气中的主要成分，从而达到除臭目的。

2.1 源头除臭研究应用进展 （1）源头除臭主要采用在饲料或者饮水中加入除臭微生物的形式，增加肠道内有益微生物数量，抑制产生臭气的土著菌落繁殖，改善畜禽肠道功能，提高肠道内饲料营养转化率，从源头减少臭气的排放。在除臭微生物作为饲料添加剂的应用研究中，Ahmed 等[18]在肉鸡饲料中添加解淀粉芽孢杆菌添加剂，研究发现：解淀粉芽孢杆菌对粪便中NH3和H2S的排放有明显的抑制作用，添加量为20g/kg时NH3的减排率可达90%以上，添加量为5g/kg时H2S 的减排率可达87%以上。李晓刚等[19]研究发现巨大芽孢杆菌可以降低蛋鸡排泄物中挥发性盐基氮、尿素氮、可溶性硫化物尿酸和总氮浓度，以及脲酶、尿酸酶和芳基硫酸酯酶活性，从而减少臭气物质排放量。查翘楚等[20]通过试验证明，在蛋鸡日粮中添加0.5%的枯草芽孢杆菌可以降低尿素氮、尿酸、血氨和胆固醇等臭气前体物质含量，提高饲料消化率，降低粪便中氮、磷的排放量。张露[21]在肉鸡中分别添加枯草芽孢杆菌和产朊假丝酵母，结果表明：枯草芽孢杆菌对粪便中氨气减排率达到61.7%，H2S减排率达到27.0%。产朊假丝酵母对粪便中氨气减排率达到56.6%，H2S减排率达到18.9%。（2）由于臭气成分复杂，单株菌除臭很难达到理想的效果。Ransbeeck等研究发现，每一种臭气都需要特定的微生物进行降解，单一菌株除臭效果明显低于多种微生物共同作用的效果[22]。在最初的复合微生物除臭研究中，日本琉球大学比嘉照夫教授[23]研制的EM微生物添加剂，主要由乳酸菌、光合菌、酵母菌和放线菌群等10个属80余种微生物菌群组成，用于饲料中能提高畜禽免疫力、改善舍内环境。据王军等[24]报道，在肉鸡中添加EM微生物添加剂能增强鸡对疾病的抵抗，能提高成活率和饲料报酬，明显降低鸡粪的臭味。杨桂琴[25]等在蛋鸡饲料中添加主要成分为蛋白质分解菌、脂肪分解菌、纤维分解菌和淀粉分解菌等的酵素菌制剂，结果表明: 添加酵素菌制剂的鸡粪中总有机酸含量、挥发酸含量、粪臭素含量、粪氨含量显著降低(P< 0.05)。Wang等[26]报道，添加0.05%~0.2%含有枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌的复合微生物制剂，可降低NH3的产生量达50%。诸多研究表明，在饲料中添加微生物除臭菌剂能够有效减少鸡粪中臭味物质的排出量，同时还可以提高饲料转化率和畜禽机体抵抗力，降低养殖成本[18-26]。

2.2 过程除臭研究应用进展 （1）微生物过程除臭技术是一种简单有效的除臭方式，主要包括养殖场喷洒除臭微生物和放置除臭微生物滴滤器两种方法。其原理是臭气物质中的氨、硫化物等物质溶于液相中，喷洒或者放置在过滤器的微生物能利用液相中的臭气物质参与菌体代谢，从而降低环境中臭气物质的含量，改善畜禽生活环境，提高畜禽生产性能。苟丽霞等[27]研究了喷洒微生物源抗菌除臭剂万洁芬对鸡舍内NH3和H2S的降解效果，结果表明可使鸡舍内NH3和H2S平均降解73.2%和81.6%，刘伟[28]等采用生物活菌除臭剂钮咳厉恶在蛋鸡舍内喷洒，试验结果表明，该除臭剂对鸡粪具有显著除臭效果，能够有效减少有害气体和粉尘浓度，增加有益气载微生物数量，减少有害气载微生物数量，提高蛋鸡舍内空气环境质量。路鹏等[29]研究发现生物型除臭剂对15种挥发性有机化合物也有较好的去除效果。这说明，生物活菌除臭剂不仅能有效减少NH3和H2S的浓度，而且能减少多种挥发性有机化合物的恶臭强度，为微生物除臭剂在生产环境中的广泛应用提供了更丰富的数据支持。（2）虽然在畜禽养殖中喷洒微生物除臭剂方法简单，但是喷洒次数、菌剂浓度必须满足一定的要求，不能达到长时间除臭的效果，且一定程度影响到畜禽舍内的动物的生活环境。除臭微生物滴滤器可以有效解决这些问题，该方法是一种将物理除臭和生物除臭相结合的除臭技术，除臭微生物滴滤器内部通常由多孔惰性物质填充，填充物始终保持潮湿的状态，微生物附着在填充物料表面形成一层膜，臭气流经填料时，通过扩散把臭气成分传递到生物膜，并与膜内的微生物接触发生生化反应，从而降解污染物[30]。Melse等[31]对于肉鸡舍和育肥猪舍实际应用的3种生物滴滤系统的NH3减排效果进行了1年的监测，发现NH3减排效率可以达到71%~86%。Kristiansen等[32]将微生物活性菌群运用到滴滤生物过滤器中，对臭气中有机硫化物和羧酸的去除率分别达到50%和70%。徐晓军等[33]在微生物滴滤反应器中，固定枯草芽孢杆菌、白曲霉菌和葡萄球菌等优势菌种，可将出气口的NH3和H2S分别处理至达到《恶臭污染物排放标准》(GB14554-93)中的一级和二级标准。叶芬霞等[34]利用从养猪场土壤中分离出具有除臭效能的3株微生物菌株：巨大芽孢杆菌CCW-Y1菌株、灰色链霉菌CCW-Y2菌株、热带假丝酵母CCW-Y3菌株，以米糠和陶瓷粒为吸附剂载体，制成复合微生物吸附除臭剂，复合微生物吸附除臭剂载体上微生物干细胞5.36 g/kg时对猪粪、鸡粪和牛粪中NH3、臭气的去除率可达80%以上，H2S的去除率达65%以上。目前，除臭微生物滴滤器处理模式是一种控制养殖场恶臭污染的有效方式，且对畜禽生长无负面影响。

2.3 堆肥除臭 堆肥除臭是一种针对传统堆肥处理法发酵时间长、臭味大、肥效低等缺点发展而来的技术，通过在畜禽粪便堆肥过程中添加微生物菌剂，利用微生物之间的共生、繁殖及协同作用分解转化粪便中的有机物质，有益微生物的代谢产物如乳酸、乙酸等形成酸性环境，抑制腐败类微生物和病原菌的繁殖，从而达到减少恶臭气体释放的目的[4]。刘春梅[35]等将畜禽粪便中筛选驯化获得的假单胞菌和链霉菌应用于牛粪堆肥过程中，整个堆肥过程中NH3总释放量降低61%~68.59%，而有机氮增加27.42%~28.99%；H2S总释放量较对照分别降低86.88%~89.69%和，硫酸盐增加36.49%~40.77%，表明添加除臭菌株可有效地控制牛粪堆肥NH3和H2S释放，保留氮素和硫素养分。Meng[36]等利用短乳杆菌在粪便发酵过程中去除粪臭素，试验表明在最优条件下短乳杆菌对粪臭素去除率是71.83%，菌株的发酵上清液对粪臭素的去除能力最强，去除率为17.25%(24h)。张生伟[37]等将前期筛选和优化后的数株高效除臭菌和纤维素分解菌群制备成复合微生物除臭剂并用于畜禽粪便堆肥试验，结果表明，复合微生物除臭剂在堆肥的前20d对NH3和H2S的去除率高达70%和60%以上，同时使堆肥的pH、含水率和C/N降低，堆体的温度上升时间加快，高温持续时间延长。梁军[38]等采用光合菌和复合菌处理的鸡粪。结果显示光合菌处理组中NH3含量降低了18.9%，复合菌处理组中NH3含量降低了61.56%；光合菌处理组中H2S含量降低了30.90%；复合菌处理组中H2S含量降低了46.35%。众多研究结果表明，微生物除臭剂在堆肥过程中具有高效稳定的除臭作用，并能减少堆肥肥效损失，促进堆肥腐熟，在资源化、无害化处理畜牧业废弃物和治理环境污染方面具有较大的应用潜力。

3 小结

综上所述，在国内外诸多微生物除臭理论研究中，分离出多种特定的除臭微生物菌种，通过实际应用证明微生物除臭技术具有处理效率高、操作简单、无二次污染、费用低廉等优点，同时在源头添加微生物菌剂还可以提高饲料中营养物质的利用率，降低养殖成本。但是微生物除臭技术的应用也存在一定的局限性，特定的微生物只能降解利用特定的臭气物质，而且脱臭效果还受菌剂添加量、外部环境、畜禽种类、粪便含水率等诸多因素的影响，如何保证微生物除臭菌剂接种后的生长优势、分离得到除臭效果好环境适应能力强的菌株以及复合微生物菌剂的合理搭配还需进一步研究和探索，相关研究成果将为畜禽养殖场臭气排放难题提供有效的解决方案。

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（2019–04–22）

江苏现代农业产业技术体系建设专项资金资助(项目编号JATS[2018]135、JATS[2018]132)

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