家禽排泄物臭气化合物的产生及降低途径研究进展

■刘吉喆 赵歆昀 杨桂芹

（沈阳农业大学畜牧兽医学院，辽宁沈阳110866）

近年来，我国家禽业发展很快，规模化养殖场越来越多。据统计，2016年我国牧业总产值31 703.2亿元，其中家禽业产值7 619.1亿元，占牧业总产值的24.03%。2017年我国禽蛋产量达3 070万吨，禽肉产量1 897万吨（国家统计局，2018）。家禽产业的飞速发展，在满足人们对肉、蛋等食品需求的同时，家禽所产生的臭气化合物对周围环境的污染也日渐严重。家禽业的发展与环境污染之间的矛盾日益凸显。新修订的《环境保护法》已于2015年1月1日起施行，该法不仅对畜禽养殖场（区）、饲料厂、屠宰场的选址、建设和管理提出了明确要求，也对畜禽排泄物、污水、废气等排放提出了限制。采取切实可行的措施，减少家禽排泄物污染已迫在眉睫。

1 家禽排泄物的化学组成及臭气化合物的产生

家禽消化道短（体长与消化道的长度比为1∶4），采食后24 h内可排泄不能消化利用的部分。据测算，家禽鲜排泄物的产量约为其采食量的110%～120%，其中含固形物约25%（杨宁，2010）。根据中国畜牧业协会统计（宫桂芬，2018），2017年我国蛋鸡存栏12.07亿只，肉鸡、白羽肉鸭、肉鸽出栏分别为78.9、28.97亿只和6.26亿只。由此推算，我国每年仅蛋鸡就产新鲜排泄物约5 503.92万吨。家禽粪尿不能分离的排泄方式导致其消化不完全、排泄物营养物质丰富，其中家禽排泄物有机物含量达26.5%（见表1）。

家禽种类、家禽饲料和生产阶段等不同，其排泄物的组成存在很大的差异。Van der Hoeven-hangoor等（2013）通过8个饲养试验，收集分析了肉仔鸡35日龄（少数样本为6、14、17日龄和28日龄）的354个排泄物样本，获得了肉仔鸡排泄物中主要化学组成的含量。由表2可知，肉仔鸡新鲜排泄物水分含量平均为74%，每千克干物质含粗蛋白质最高达43%，并含有钙、磷、镁等多种矿物元素。

表1 家禽排泄物的主要化学组成（%，鲜样基础）

表2 肉仔鸡排泄物化学组成的变动范围（%，干物质基础）

家禽排泄物中大量的有机物是微生物生长繁殖的主要营养源。在厌氧条件下，碳水化合物可分解生成醇、醛、酮和有机酸类化合物，脂肪水解生成脂肪酸和醇类。蛋白质经细菌的消化降解生成吲哚类、氨（NH3）、三甲胺等，也包括含硫化合物。这些营养素的一些代谢最终产物具有挥发性和难闻的气味（Sharma等，2017a）。家禽排泄物臭气化合物的浓度随日龄的增加而增大，6周龄时肉仔鸡排泄物吲哚、粪臭素、乳酸和乙酸的浓度分别为 19.91 μg/g、65.05 μg/g、59.85 mg/g和15.70 mg/g（张沛，2016），肉仔鸡肠道中吲哚、粪臭素浓度与菌群多样性、总菌数量之间具有显著的相关关系（Yang等，2019）。

2 家禽排泄物臭气化合物的种类及形成途径

家禽排泄物中的臭味化合物是由家禽肠道微生物分解有机物产生的，其成分多种多样，目前研究较多的主要包括吲哚类化合物、NH3、H2S、挥发性脂肪酸等。吲哚类化合物具有强烈不愉快的臭味。NH3有强烈的刺激气味，能灼伤皮肤、眼睛、呼吸器官的黏膜，吸入过多会导致死亡。低浓度的H2S具有臭鸡蛋气味，对呼吸道和视觉有刺激作用并引起头痛，当达到一定浓度时会有生命危险。挥发性脂肪酸主要与臭气化合物间存在显著的相关性（王琪等，2016），进而间接反映臭气化合物的产生量。

吲哚类化合物是色氨酸的主要代谢产物(见图1)。色氨酸在脱氨酶的作用下降解产生吲哚、吲哚丙酮酸和NH3，其中吲哚由吲哚丙酮酸脱去α-酮戊二酸形成，吲哚丙酮酸在多种微生物的作用下脱去羧基形成吲哚乙酸（景寒松等，2018）。吲哚乙酸是粪臭素的主要前体，它在特定微生物和一种尚未分离出的脱羧酶的作用下脱去羰基形成粪臭素（Deslandes等，2001）。

图1 吲哚类化合物的形成途径

NH3是由含氮（N）有机物分解而来。家禽排泄物中的NH3主要是由尿酸及未利用的蛋白质在尿酸酶和微生物限速酶的作用下分解而来，该类需氧菌生长所需最适相对湿度40%～60%，pH值为8.5(Applegate等，2008)（见图2）。尿液是家禽氮排放的主要途径，其中70%的含氮物质来自尿液，其余30%来自粪便。家禽氮排放包括60%～65%的尿酸、10%的铵盐和2%～3%的尿素和肌酐化合物等，其中尿酸会在微生物的作用下被迅速分解转化为NH3（Broucek，2015）。

图2 NH3的形成途径

NH3的产量因鸡舍环境、饲料和鸡种等的不同存在差异。环境温度和相对湿度是影响NH3释放的主要因素。在平均温度和相对湿度分别为23.9℃和57.96%的情况下，33日龄肉仔鸡（体重1.92 kg）鸡舍中NH3的产量为7.437 mg/(kg·h)。夏季和冬季，每只鸡的NH3释放率平均分别为19.7 mg/h和18.1 mg/h，并随着室内温度的提高而增加（夏季r2=0.51；冬季r2=0.42）（Calvet等，2011）。除此之外，通风量、鸡的活动状况和饲养密度等也影响NH3的释放（Walker等，2014）。

H2S主要通过含硫氨基酸（蛋氨酸、胱氨酸和半胱氨酸）的代谢和硫酸盐的还原而产生（见图3）。Shar⁃ma等(2017b)研究表明，体外条件下产气荚膜梭菌（Clostridium perfringens）在硫化合物（如甲硫醇、乙硫醇、1-丙硫醇、二甲基硫化物、羰基硫化物和H2S）的产生过程中起着重要作用。

3 家禽排泄物臭气化合物的危害

3.1 对生态环境的危害

家禽排泄物如果没有及时清除或清除后没有及时处理，排泄物中的蛋白质、碳水化合物等有机物质就会发酵分解，产生NH3、H2S、挥发性有机酸、吲哚、粪臭素等具有恶臭的气体，对人和动物产生有害作用和使人嗅觉产生厌恶感，同时对环境产生一定影响。在美国和日本大约70%的居民对空气质量投诉与恶臭有关，引起研究者对恶臭公害的极大关注（Gustafs⁃son，2013）。动物生产所产生的大量含氮化合物排放也是导致酸雨的重要原因，对地表水和地下水质量也产生了严重的影响。集约化家禽养殖场是NH3的主要排放源之一。Broucek等（2015）报告显示，在美国80.9%的NH3排放来自畜牧业，其中26.7%来自家禽业。需要指出的是，NH3危害人体健康，挥发到大气中的H2S，还可引起酸雨，毁坏作物，在PM2.5形成过程中扮演了重要角色（Cambra-López，2010)。持续增加的NH3会增加大气中PM2.5的浓度（薛文博等，2016）。家禽臭气化合物排放也是温室气体排放重要来源之一，至少占全球总排放的51%。可见家禽养殖场产生的臭气化合物对居民生活、土壤、空气质量和气候变化的危害巨大。

图3 H2S的形成途径

3.2 对家禽生产的危害

冬春季节气温较低，养殖户通常采用封闭鸡舍来提高舍内温度，以达到鸡的正常生产性能要求，但这样会造成舍内通气量减少。随着鸡的呼吸、排泄物的腐败分解，会产生臭气化合物中的NH3、H2S、CH4等有害气体。臭气化合物经复杂的相互作用会影响畜禽的呼吸机能、血压及脉搏，导致体质变弱，抗病力下降，生产性能下降（Barrasa，2012）。其中，对畜禽危害最大的恶臭物质主要是NH3和H2S。特别是NH3是家禽生产的主要污染物之一，高浓度的NH3对家禽的生产性能、福利和人类的健康均有不利的影响（Costa等，2012）。Koca⁃man等(2006)研究表明，禽舍中NH3的浓度为10.5～16.46 mg/kg，H2S的浓度为 1.75～7.0 mg/kg时，随着浓度的增加显著降低蛋鸡的饲料转化率（料蛋比从1.79增加到2.18）。依据畜禽场环境质量标准（NY/T388—1999），雏鸡、成鸡舍NH3浓度限量分别为10、15 mg/kg。

早在1978年，Klentz等就研究了白来航鸡对不同浓度H2S的反应(0、0.05%、0.2%、0.3%、0.4%)，研究表明，当H2S的浓度为0.2%和0.3%时，鸡的呼吸频率显著增加，但鸡舍H2S排出后30 min，呼吸会恢复到正常水平。当H2S浓度为0.4%时，鸡只在15 min内全部死亡。高浓度的H2S（12 mg/kg）还会降低肉仔鸡的胴体品质。显著增加胸肌、腿肌的滴水损失，降低pH值。因此推荐有利于肉仔鸡健康生产的鸡舍H2S浓度的高限：0～3周龄和4～6周龄分别为2 mg/kg和6 mg/kg（Wang等，2011）。不过，鸡对H2S的敏感性比哺乳动物要低得多，当H2S的浓度达到0.05%～0.1%即可导致哺乳动物死亡（Saksrithai等，2018）。

4 家禽排泄物臭气化合物的降低途径

4.1 家禽养殖场的科学管理

家禽养殖场的选址和规划要合理。以肉鸡为例，肉鸡鸡舍必须符合肉鸡生产中防疫措施的全部要求，同时养殖场周边土地要具有鸡粪便的消纳能力，以达到国家的标准和要求。肉鸡鸡舍可分为开放式鸡舍、封闭式鸡舍和塑膜大棚鸡舍等，要根据当地的气候、建筑材料价格、鸡场规格和通风换气等要求来决定。鸡舍朝向以坐北朝南为最佳，这样冬天可以用光照取暖，夏天也可以避免阳光直射，以避免对家禽产生应激效应。在实际生产过程中，养殖垫料的情况也可以影响家禽粪便中臭气化合物的排放，Sharma等（2017c）试验结果表明，垫料含水量和排泄物臭气化合物排放浓度之间存在显着相关性。垫料中水分浓度的增加，提高了含硫化合物、吲哚和粪臭素的排放。所以可通过改善饲料和有效控制垫料中水分含量来控制家禽养殖过程中的气味排放；另外，家禽场要具有绿化和净化的能力，如鸡场周边种植乔木、灌木等，如果是原生态鸡场，鸡舍周围可以种植果树，结合养殖场周边环境条件，从源头上解决鸡场养殖废水污染，实行“鸡—沼—果”的生态养殖方式（王清良，2014）。

4.2 家禽日粮的科学配制

鸡排泄物臭气化合物的产生量与饲料配比有很大的关系，如果没有平衡的营养，未被消化的营养物质就会排出，造成环境污染。采用低蛋白日粮、合理使用饲料原料和确定适宜的能量蛋白比等是实现饲料资源高效利用与低碳氮排放畜牧业的重要途径（李德发，2010）。

由于臭气化合物主要是含氮和含硫化合物，所以调整日粮蛋白质和含硫氨基酸含量是减少臭气化合物产生的主要途径。Powers等（2006）研究表明，与含有0.2%Met的日粮相比较，饲喂0.1%Met日粮的21周龄蛋鸡H2S的排放量减少了42%。杨桂芹等（2006）报道，海兰蛋种鸡采食了氨基酸平衡的低蛋白质（降低2个百分点）日粮，显著降低了排泄物吲哚、粪臭素和NH3的含量。Liu等（2011）研究表明，与NRC（1994）推荐的日粮蛋白水平相比，蛋白质提高110%，会显著增加火鸡NH3和H2S的排放量，同时与平衡两种氨基酸（Lys、Met）相比，平衡三种氨基酸（Lys、Met和Thr）会显著降低氮的排泄。饲粮适宜的代谢能和可消化赖氨酸水平也有利于减少肉仔鸡排泄物N、P、挥发性盐基氮等主要臭气化合物含量（杨桂芹等，2014）。Sharma等（2015）研究表明，在可消化蛋氨酸和半胱氨酸含量分别为7.3 g/kg和7.0 g/kg的小麦-豆粕型日粮中添加60 g/kg的油菜籽，显著降低了42日龄肉公鸡排泄物甲基硫醇的含量。在玉米-豆粕型日粮中添加3%的大豆油可显著降低排泄物中H2S、NH3和SO2等有害气体的排放（Bostami等，2017）。不过，由于在技术上，对于家禽生产性能和氮减排的追求存在某种程度的矛盾，如果能够接受生产性能少许的下降，氮减排将会有较大的空间（刘国华等，2015）。

4.3 合理使用饲料添加剂

由于臭气化合物的产生主要受营养物质的利用率及微生物的组成和活力等的影响，因此提高养分的利用率及调整微生物的组成会降低臭气化合物的产生。而饲料添加剂作为配合饲料的重要微量活性成分，在完善配合饲料的营养、提高饲料利用率、减少饲料养分损失等方面起着重要的作用（李德发，2010）。目前应用较多的饲料添加剂有酶制剂、微生物制剂、寡糖类和植物提取物等。

4.3.1 酶制剂

饲用酶制剂能够补充内源酶不足，破碎植物细胞壁，降低食糜黏度、消除抗营养因子等，进而提高饲料资源的利用率，减轻环境污染。不过要针对饲料原料的组成采用相应的酶制剂。如在蛋鸡日粮中添加0.1%的纤维素酶、β-葡聚糖酶和蛋白酶，显著提高了蛋鸡对饲料蛋白质的利用率；肉仔鸡日粮中添加胃蛋白酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶、木聚糖酶等显著提高了增重，降低了料重比。复合酶制剂、纤维素酶等在鸭、鹅生产上也有诸多正向效果（蔡辉益等，2016）。Sharma等（2016）研究表明，饲料添加植酸酶，显著提高了肉仔鸡排泄物评分，降低了水分含量。而高含水量的排泄物会促进NH3、H2S和吲哚类等多种臭气化合物的产生量。不过，饲用酶的添加方式（体外预消化、体内）、添加规律和复合酶制剂拮抗关系等还需进行大量的研究工作。

4.3.2 微生物制剂

微生物制剂是指由许多有益微生物及其代谢产物构成的可以直接饲喂动物的活菌制剂。其在发酵或代谢过程中会产生多种生物活性物质，有助于营养物质的消化吸收，促进代谢，进而提高饲料利用率。杨桂芹等（2010）在海兰褐蛋鸡日粮中添加酵素菌制剂，可使鸡排泄物NH3浓度减少25.33%，粪臭素减少24.6%。Jeong等（2014）在基础日粮中分别补充300、600 mg/kg的枯草芽孢杆菌显著降低了肉鸡肠道产气荚膜梭菌、沙门氏菌和大肠杆菌等有害菌数量和NH3的排放量。Zhang等(2013)在1～35日龄的肉仔鸡日粮中添加用105CFU/kg的枯草芽孢杆菌，发现NH3和H2S浓度降低了26.9%和37.9%。Sharma等(2017c)研究中发现，在高蛋白水平日粮（CP水平为27%）中加入150 mg/kg的枯草芽孢杆菌，排泄物中H2S浓度显著降低了29.9%。Borowski等（2016）在家禽粪便的体外发酵试验中使用混合微生物制剂（荧光假单胞菌、屎肠球菌、枯草芽孢杆菌）发酵除臭2 d后，排出的NH3和H2S分别减少了94%和60%。日粮中粪肠球菌添加量与排泄物大肠杆菌数量呈显著线性负相关，同时排泄物中乳杆菌呈增加趋势，补充0.2%粪肠球菌可显著减少排泄物中NH3、H2S和总硫醇排放量。张露（2015）表明，在饲粮中添加产朊假丝酵母、枯草芽孢杆菌等能够有效减少肉鸡排泄中NH3和H2S的含量。赵建文（2011）将一种新型的活菌制剂PRO-JY制剂（主要成分为嗜酸乳酸菌、酿酒酵母、芽孢杆菌等）添加到饮水中，检测到鸡舍NH3浓度显著降低。

4.3.3 寡糖类

寡糖类由于不能被家禽消化酶分解，直接进入到盲肠进而被后肠有益菌选择性发酵利用，有利于肠道的微生态平衡（侯瑞等，2015）。Zhao等（2013）表明，日粮添加0.25%和0.50%的果聚糖可显著降低肉鸡排泄物中NH3浓度。Ahmed等（2015）研究表明，日粮添加0.05%的二氧化氯，显著减少肉鸡回肠和盲肠大肠杆菌和盲肠鼠伤寒沙门氏菌的数量，排泄物中H2S排放量减少62.50%，而未对肉鸡的生长性能产生影响。Cho等（2014）在日粮中添加0.2%的半乳糖苷果糖，显著降低了肉仔鸡排泄物中NH3、H2S和乙酸的排放，其中H2S排放量减少52.9%。Yang等（2016）在肉鸡日粮中分别添加3 g/kg（以总糖含量计）的菊糖、大豆寡糖、甘露寡糖和果寡糖均能显著降低排泄物吲哚和粪臭素的浓度，显著降低pH值。不过寡糖类的减排效果也存在一定的剂量效应，王琪等（2016）表明，日粮添加0.5%的菊糖显著降低了肉仔鸡排泄物及肠道内容物中吲哚和粪臭素的浓度。寡糖主要通过调控菌群结构和数量，降低肉仔鸡盲肠、直肠粪臭素和吲哚的产生量（Liu等，2018）。可见，寡糖类添加剂的减排效果主要与其能够调控微生物菌群的结构和数量有关。

4.3.4 植物提取物

程志斌等(2012)研究证明，丝兰提取物(120 mg/kg)和枯草芽孢杆菌（5×1011CFU/kg）能显著降低鸡舍NH3和H2S的浓度。也能显著提高肉鸡对饲料蛋白质的利用率（程志斌等，2013）。樟科提取物具有抑制脲酶活性，减少猪舍NH3、H2S的生成的效果，也具有降低尿酸酶活性，降低肉鸡排泄物中尿酸含量的作用（李泽政等，2014）。周霞等（2012）还发现，一串红和桂花提取物均能很好地抑制肉鸡排泄物脲酶活性，降低NH3、尿酸和氨态氮含量，其中桂花提取物对减少氨态氮的排放效果最明显。近些年来，螺旋藻粉作为绿色天然的饲料添加剂具有提高家禽的生产性能，消化率等功效。Park等（2018）研究表明，随着日粮中螺旋藻添加量的增加（0.25%～1.0%），肉鸡盲肠乳酸杆菌数量呈线性增加，排泄物中NH3排放量呈显著线性下降趋势。赵宇等（2017）发现10%浓度的除臭剂对鸡粪中NH3、H2S的12 h消除率可达78%。

5 小结

随着家禽养殖业的发展，环境污染问题愈发严重。家禽场产生的臭气化合物对生态环境、家禽生产和人类的健康都有很大影响。探索低碳发展之路，是实现家禽业可持续发展的关键所在，也是人类社会应对气候变化的重要选择。通过养殖场的科学管理、家禽日粮的科学配制、合理使用饲料添加剂等，能够在一定程度上降低家禽排泄物臭气化合物的产生量，但由于臭气化合物组成的复杂性，实现理想的减排效果仍需要进行大量的研究工作。未来研究将主要关注：①构建家禽净能体系，研究低蛋白质日粮适宜的蛋白能量比，实现日粮精准配制；②研究与臭气化合物产生相关的代谢通路及有效降解臭气化合物的靶细菌的筛选等。总之，从养殖源头（饲料）科学实现家禽排泄物臭气化合物的减排是最根本的方法。