益生素在减少畜禽粪便污染物中的作用

范小丫,高凤仙

(1.湖南农业大学 动物科学技术学院，湖南 长沙 410128；2.湖南畜禽安全生产协同创新中心，湖南 长沙 410128)

随着养殖业集约化程度加深，养殖规模扩大，由畜禽养殖带来的污染问题不断加剧，如何减轻畜禽养殖业对环境的污染日益受到重视。国内外对畜禽粪便污染物的处理方式主要分为产前、产中和产后治理。产前主要是通过一些营养调控举措改善饲料利用效率、减少畜禽排放粪便污染物的数量，如制定科学的饲料配方、平衡日粮蛋白、采用添加剂等；产中强化管理，使用合理清粪工艺；产后对畜禽粪尿进行无害化、资源化、市场化处理。很多学者极重视产后处理的研究，虽然这类方式效果较为明显，但也具有成本高、技术要求严格及易产生二次污染的特点。近年来，一些研究者将研究重点转移到产前处理，从源头减少畜禽粪便污染物的产生[1]。饲料添加剂由于成本低、运用灵活、能增强畜禽免疫力[2]、提高生产力[3]，受到广大养殖者的青睐。益生素作为新型的无公害饲料添加剂，具有减少畜禽粪便污染物含量的作用，正在被广泛应用于畜牧生产之中。本文就益生素调控畜禽粪便污染物产生的效果及作用机制进行综述，为从源头上缓解畜禽粪便污染环境的问题提供理论依据。

1 畜禽粪便的污染

1.1 恶臭物污染

畜禽场恶臭物的种类繁多，其成分、数量与畜禽种类、粪便含水量、pH、环境温度、通气量以及堆放时间有关[4]，主要包括挥发性含硫化合物、氨和挥发性胺、吲哚、酚、挥发性脂肪酸等[5]。猪粪臭气物的主要成分为挥发性低级脂肪酸[6]；鸡粪和尿同时间排出，含有较多的氨和二甲基二硫[7]；牛粪臭气的主要成分是低级脂肪酸，类型相对较少，含量相对较低[8]。恶臭物质不仅降低畜禽免疫力、危害畜禽健康、导致生产力下降，饲养员长期吸入恶臭气体也会引起呼吸道疾病，引发支气管炎、肺炎，危害人的健康。有研究表明即使恶臭物成分与数量减少90%，但人对其感觉只下降50%[9]，这加大了粪便恶臭物治理的难度。由于NH3和H2S在畜禽粪便中浓度较高、对人畜健康影响最大，现阶段国内普遍以其浓度作为畜禽粪便除臭指标[10]。

1.2 有害病原生物污染

畜禽粪便中存在大量的细菌、真菌、病毒以及寄生虫等不同类型的生物，其中的大肠杆菌、沙门氏菌、蛔虫卵等存在致病性特征[11]。病畜体内致病生物以粪便为载体，经过消化道排出体外，进入土壤、江河中危害农作物，通过食物链富集最终威胁人类健康[12]。有调查报告显示中国养殖场未经处理的污水中含有大量的有害微生物，其中含大肠杆菌33万个/mL，大肠球菌69万个/mL，每1 000 mL的沉淀池污水中含蛔虫卵和线虫卵的数量分别是190和100多个[13]。随粪便排出体外后如不加处理，多数致病菌及虫卵可长期生存。如粪便内大肠杆菌含量需要2～3个月才能下降到无害标准，沙门氏菌需要4～5个月，粪便内90%的蛔虫卵死亡则需10个月[14]。

1.3 重金属污染

随着促进畜禽生长的营养性饲料添加剂的广泛使用，饲料厂商在饲料中添加大量的矿物质添加剂来确保畜禽健康快速生长,导致饲料中的重金属元素过高，然而微量元素的利用率极低。根据相关报道可知，中国每年度的微量元素使用数量为15万～18万t，未被吸收利用的数量约10万t[15]。大量未消化利用的微量元素随畜禽粪便排出体外，污染土壤，经过农作物与水进入人体，并与体内的酶、蛋白质产生反应，继而导致其丧失生物活性，引起机体代谢混乱，造成中毒，危害人体健康[16]。重金属不能被微生物降解，存留在土壤中，对环境造成长期的污染。

1.4 氮磷污染

1.5 抗生素污染

现阶段，养殖场大量使用抗生素来治疗畜禽疾病，并且以亚治疗剂量添加在畜禽饲料中，用于防治畜禽疾病及促进其生长。但绝大部分抗生素不能被机体代谢吸收，约有90%的抗生素以原形或者代谢物形式经由畜禽的粪、尿排入环境[20]。而环境中残留的抗生素有着诱导耐药性细菌产生、影响微生物群落、影响植物生长发育等潜在的风险。因此，近年来学者致力于对替抗物质的研究，减少养殖业中抗生素的使用。而益生素作为一种高效绿色的替抗物质，受到了人们的广泛关注。

2 益生素定义及分类

“益生素”最早可追溯到希腊用语，其原本的意思为“活的”，被界定成“活的饲料添加剂”。经过多年发展，人们对益生素的研究程度不断加深，对益生素也有了更加清晰、完善的界定。20世纪60年代中期，有学者提出益生素是一种“由某类微生物分泌，可以促进他类微生物生长的物质”，其功能和抗生素截然相反；70年代中期，益生素被定义为是一种“可以促进肠道菌群均衡的微生物及其有关物质”；80年代末期，益生素定义进一步完善是指在协调肠道内微生物均衡情况的基础上，有效发挥其有利功能的微生物及其有关物质。如今，绝大多数学者指出，益生素是可以直接喂动物的活性微生物，其在动物肠道内对病原菌有竞争性抑制作用，从而生成优势菌群，产生抑制或消灭菌类物质，达到强化机体免疫能力、减小环境污染等作用[21]。

目前，我国允许在饲料中添加使用的益生素有乳酸菌类、酵母类真菌、芽孢杆菌类和光和细菌共12种[22]。其中，乳酸菌类是在饲料中最常添加的一类，主要包括乳酸杆菌、粪链球菌、双歧杆菌。酵母菌类主要有类假丝酵母、红色酵母、酿造酵母和啤酒酵母。芽孢杆菌类包括枯草芽孢杆菌、地农芽孢杆菌、腊样芽孢杆菌和东洋芽孢杆菌。光和细菌主要应用在水产养殖中作为培水饵料及饲料添加成分。

3 益生素作用机理

在饲料中添加益生素能够很好的优化养殖环境，减少粪便中恶臭物、病原微生物、氮磷及重金属等的排放量，缓解现阶段由于抗生素过量使用而对环境造成的威胁。

3.1 改善畜禽肠道微生态平衡，抑制有害病原微生物的生长

畜禽粪便恶臭物很大一部分是由有害菌所产生，益生素能够通过减少畜禽粪便中有害微生物的数量，从而进一步减少畜禽粪便中臭气物的产生。其主要作用途径：(1)争夺黏附位点。病原菌在畜禽肠道黏附定值是其发挥毒性的基础[23]。益生素进入畜体与宿主肠道黏膜发生非特异性结合，占据定值位点，在肠道表面形成一层“菌膜”[24]，阻碍有害菌在肠道内黏附定值与生存繁殖；(2)争夺营养物质。定值在畜禽肠道黏膜上皮细胞的益生素在位置与数量上占绝对优势，抢先吸收肠上皮细胞上的营养物质，从而抑制有害菌群在畜禽体内的增值[25]；(3)争夺铁离子。铁离子参与细胞电子传递与DNA合成等重要的生命过程[26]，是绝大多数微生物必须的营养物质。益生素抢先从宿主肠道内获取铁离子，抑制致病菌转运利用铁离子而降低其活性；(4)争夺氧气。益生菌如孢子菌在畜禽肠道内大量繁殖消耗肠道内氧气，在局部范围形成厌氧环境，抑制需氧致病菌的繁殖，维护肠道平衡[27]；(5)产生抑菌物质发挥抑菌作用。如乳酸菌等益生素进入畜禽机体内后发生代谢反应，并由此形成细菌素、有机酸等，可以抑制细菌生长[28]。

3.2 增强饲料中氮磷、重金属微量元素利用率，减少畜禽粪便中氮磷及重金属的排放量

饲喂益生素以后，动物肠道之中的乳酸菌等有益菌的数量增加，且其能够在机体肠道内生成维生素B族、K族[29]，继而加强动物机体内的营养代谢。并且有益微生物如芽孢类制剂进入机体后，可以形成脂肪酶、蛋白酶及淀粉酶等多种消化酶[28]，有提高饲料消化率的作用。

3.3 调节免疫反应，增强畜禽免疫力

Klaenhammer等[30]认为益生菌代谢产生的细菌性多糖，肽聚糖可通过信号传导产生通路刺激巨噬细胞、噬中性粒细胞产生免疫调节介质，参与调节机体非特异性免疫反应，增强机体免疫力, 从而减少抗生素的使用。

4 益生素减少粪便污染物的作用

4.1 抑制粪便恶臭物的产生

恶臭气体以NH3、H2S为指标，大量的研究证实，将益生素加至饲粮中，能够有效减少畜禽粪便恶臭气体的产生。廖新俤等[31]通过对两万头猪饲喂芽孢杆菌后发现，猪圈内氨含量，尿中氨氮含量显著降低，粪中NH3的含量有所下降，减少了恶臭物的产生。Cha等[32]研究结果显示植物乳杆菌可以有效减少肥育猪猪舍中NH3与H2S的浓度。马晓婷等[33]以蛋鸡为试验对象，在饲料中添加乳酸菌后发现鸡粪中NH3和H2S浓度比对照组低38.76%和20.17%。李海英等[34]研究加酶益生素对蛋鸡粪中NH3和H2S释放量的影响显示，试验组粪中NH3和H2S释放量显著降低。刘艳丰等[35]通过在育肥猪饲粮中分别添加植酸酶、复合酶、益生素、寡糖，发现与对照组相比，试验组猪粪便的NH3与H2S含量均成下降趋势。Chu等[36]指出添加0.2%的益生素可减少生长猪粪便中胺与NH3的排放。刘艳丰等[37]研究酶、益生素和寡糖对蛋鸡粪便中有害气体的影响指出，添加非营养性添加剂后，蛋鸡粪便中H2S含量最多下降达37.24%，尤以植酸酶+复合酶+益生素+果寡糖复合添加效果最好。在畜禽饲粮中添加益生菌添加剂可以减少畜禽粪便中有害气体的产生，并且与其他非营养性添加剂如酶制剂等混合使用效果更佳[38]。一方面是由于益生素抑制畜禽体内产生臭气的有害病菌的生长繁殖；另一方面当pH大于7时，NH3的释放加快[39]，益生菌在其生长代谢过程中产生的有机酸可降低肠道pH值[40-41]，使NH3的释放速率减慢，缓解臭气的产生。

4.2 减少粪便病原微生物的数量

粪便菌群的变化在一定程度上反应了肠道菌群变化。肖运才等[42]指出，丁酸梭菌对肠道致病菌有明显的抑制作用，对有益菌有促增殖的作用。杨清旺等[43]指出，益生菌的使用可提高肉鸡肠道乳酸菌/肠杆菌的比值，改善肠道菌群。李成[44]试验发现，添加微生物制剂的的肉鸡肠道双歧杆菌、乳酸杆菌数均显著提高，大肠杆菌、沙门杆菌数均显著降低。郭欣怡等[45]指出，日粮中添加乳酸菌、丁酸菌和复合菌均可改善肉鸡肠道菌群，增加盲肠内乳酸菌的数量，降低盲肠内大肠杆菌的数量，其中复合菌优于乳酸菌，复合菌协同共生、优势互补，应用效果比单一菌剂更显著。Bon等[46]研究发现，饲粮中添加酿酒酵母和乳酸片可显著减少仔猪粪便中大肠杆菌数量。Dong等[47]、巩振华等[48]学者的研究结果也显示乳酸菌可抑制仔猪肠道大肠杆菌的生长；张建梅等[49]报道复合微生态制剂可以显著促进肠道乳酸菌的增值，降低粪便中大肠埃希菌数量；白丽娟等[50]从马奶酒中分离出了一种植物性乳酸杆菌，发现该微生物可以较好地抑制金黄色葡萄球菌、沙门菌、单增李斯特氏菌、大肠杆菌、志贺氏菌等致病菌的生长繁殖；Otero等[51]研究证明益生菌能够在生长代谢时形成一些细菌素、有机酸等代谢产物，由此产生抗微生物活性的作用，产生的有机酸和过氧化氢成酸性，降低肠道pH，抑制有害菌群的生长，从而发挥抗菌作用[52]。另外饲料中添加益生菌能够对优势菌群进行补充，通过和有害菌群进行竞争，减少有害菌的侵入，限制有害菌的生长，继而确保肠道内环境的均衡，减少粪便中有害微生物。

4.3 降低粪便氮磷的含量

添加益生素可提高畜禽对营养物质的消化利用率，从而减少粪便中氮磷的排放量。席磊等[53]在樱桃谷肉鸭日粮中添加微生物制剂发现鸭粪便中氮、磷的排泄量显著降低，明显地改善了鸭场环境质量。刘均等[54]在蛋鸭饮水中加入枯草芽孢杆菌，池水中加入光合菌，发现益生素联用能够在一定程度上降低水中总氮以及总磷的含量。易中华等[55]指出，饲喂添加益生素的饲粮的肉鸡，其氮磷排放量和粪中有害气体散发量可显著减少。李瑞等[56]试验结果显示，微生态制剂组生长猪粪中氮含量分别较对照组和抗生素组低0.46%和24.87%，磷含量低3.56%和7.41%。潘淑惠等[57]指出添加复合益生素组鸡粪中氮含量降低56.69%，磷含量降低63.27%。益生素对于提高氮磷利用率的作用机理迄今为止只是一个笼统的概念，现阶段的研究只能指出添加芽孢杆菌等益生素能够形成数种消化酶，例如淀粉酶、蛋白酶及机体本身无法产生的酶等[58]，提高了饲料的消化吸收率，从而减少了粪便中氮磷的排出，而关于益生素如何在畜禽体内提高氮磷的吸收仍需要进一步研究论证。

4.4 降低粪便重金属含量

从源头上解决畜禽粪便金属污染，需要增加畜禽对微量矿物元素的消化吸收率。现今，添加在畜禽饲料中的微量矿物元素添加剂主要是无机盐的形式，如亚硒酸钠、三氯化铬等。但由于其普遍具有吸收利用率较低、毒性相对较大、污染环境等不足，现在很多国家开始采用有机形式的必需微量元素添加剂。赵玉鑫[59]在蛋鸡中添加富硒益生菌发现，相同水平的硒添加量富硒益生菌较亚硒酸钠更能显著提高蛋中硒含量，说明蛋鸡对以益生素为载体的硒消化吸收率更高，从而减少粪便中硒的排放量。Pan等[60]试验也得出富硒益生素可以显著提高蛋中硒含量，降低粪中硒含量。王金和等[61]使用产朊假丝酵母、嗜酸乳杆菌、凝结芽孢杆菌将无机锌转化为有机锌添加在蛋鸡饲料中发现，富锌益生菌不仅发挥锌的功效，并且保证了益生菌的生物学功能。Singh等[62]评估酵母菌蛋白质形式的铁、铜、锌、锰对肉仔鸡生长性能与排泄物的影响，结果表明酵母蛋白质形式替代无机形式的微量元素，可显著提高肉鸡的饲料转化率，并减少粪便中重金属元素的排泄量。Han等[63]比较抗生素、氧化锌、酵母锌对断奶仔猪生长性能与饲料消化率的影响，结果显示添加酵母锌饲料的干物质、粗蛋白、钙、磷和能量的消化率极显著的高于补充氧化锌饲料的消化率。益生菌生长周期相对较短、生长速度相对较快、对高浓度金属元素的适应力强，并且在进入动物身体之后，有益于宿主。所以，益生菌被视为微量元素有机化的理想载体[64]，这样不但能够保证益生菌所具备的生物学功能，还可以确保必需微量元素的消化吸收及生物学功能。因此，将微量元素以益生素为载体有机化，可提高微量元素的消化利用率，从而减少粪便中重金属的排放量，减轻畜禽粪污对环境的污染。

4.5 降低粪便抗生素含量

现有研究已证明，在畜禽饲料中添加益生素与抗生素有着类似甚至更优的效果。因此，益生素可作为一种优秀的替抗物质添加在饲料中，减少抗生素的使用，从而缓解畜禽粪便中抗生素对环境的污染。

5 小 结

益生素添加剂的使用能够有效的减少畜禽粪便污染物，但在使用益生素的过程中，也出现了一些亟待重视的问题：第一，实际可用的菌种相对较少。如对某种或数种益生菌进行长期、过量使用，将会导致其功效的降低，且会使微生态平衡受到破坏，所以在今后的产品开发中，应进一步丰富益生菌的种类。第二，无法确保益生素产品的稳定性，在加工、运输等环节中，产品的活菌数量可能会不断减少，进入机体后，对低pH的胃酸、胰酶等的耐受性差，因而需要寻找益生素最佳添加与保护方式。第三，益生素产品的具体作用机理依旧不明确，采用益生菌基因、代谢组学等领域的技术，继续深化对益生素和消化道之间微观关系的认知，仍是以后的研究方向。