畜禽养殖臭气源头减排饲料添加剂的效果评估

朱 润,张誓育,张 宇,刘 朔,米见对,2*

(1. 华南农业大学 动物科学学院,广东 广州 510642;2. 兰州大学 动物医学与生物安全学院,甘肃 兰州)

改革开放以来,我国畜牧业取得了快速的发展。养殖业的迅速发展在满足市场需求的同时,也带来众多环境污染问题。研究发现,平均每头育肥猪(按100 kg体重计算)氨气(NH3)排放通量为88.94～312.86 mg/(AU·h)[1]。而一个年出栏1万头商品肉猪的猪场,平均每天氮的排放量达105 kg,其中很大一部分以NH3形式释放到大气中[2]。年出栏十万头左右的猪场,平均每小时向空气中排放14.5 kg硫化氢(H2S)[3]。养殖场臭气排放一方面会导致畜禽生长缓慢,影响生产性能和代谢能力,降低免疫力;另一方面会影响饲养人员和周边居民的身体健康[4],同时也会引发投诉,影响养殖场的正常运行。

养殖场臭气防控需要从源头减排、过程控制和末端除臭三方面进行综合治理,其中从源头减排是实现臭气防控的有效措施之一。在饲料中添加具有维持畜禽体肠道菌群平衡的饲料添加剂,不仅有利于改善机体健康,并且可以实现臭气减排的目的,受到人们的广泛关注。然而,如今市场上存在着多种类型的减排剂产品,究竟何种减排剂的效果最好?适用于哪种畜禽类型?最适添加剂量是多少等问题还不明确。因此,本文围绕以上问题,查阅了相关文献,利用meta分析,以期评估饲料添加剂的NH3和H2S减排效果,为养殖场臭气源头减排提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究方法

(1)确定研究对象为畜禽和饲料添加剂;(2)确定源头减排的影响因素,包括减排剂的种类和使用剂量、试验持续时间、畜禽类型、品种、生长阶段、体重、饲粮标准、能量水平、气体测量方法、气体测量时期等;(3)计算饲料添加剂在不同条件下(添加量、畜禽类型及其生长阶段)对NH3和H2S的减排率,经分析后评估其减排效果。

1.2 文献检索和选择标准

使用Web of Science(http://apps.webofknowledge.com/)、中国知网(CNKI, http://www.cnki.net/)和百度学术(https://xueshu.baidu.com/),在数据库的文章标题、摘要和关键字中,使用以下术语“gas emissions;additive;hydrogen sulfide;ammonia;probiotics;acids;bactericide;enzyme preparation;natural extract;sugars;pigs;broilers”进行组合,搜索2000-2020年关于NH3和H2S减排有关的中外文研究性文献。经排除综述性文献和灰色文献(即会议论文、学位论文和已注册而未发表的试验数据)[5],删除重复项、缺失项和不符合纳入标准的文章后,总共获得123篇文献,包含577项来自试验研究的有效观察结果,用于meta分析。

1.3 数据分析

数据分析流程具体包括:

(1)收集信息后,分别计算不同减排剂对NH3和H2S的减排率,取平均值用于整体分析。计算公式如下:

式中:Em为减排效率,ERtrt为添加减排剂的实验组的气体排放量,ERctrl为未添加减排剂的对照组的气体排放量。Em为负或正,分别表示所选减排剂可以减少或增加气体排放。

(2)每篇文献收录了28项内容用于制作检索库,选择其中的9项(作者、年份、减排剂类型、标准误、减排率、处理组和对照组的结果平均值及样本数)进行分析。

(3)整体分析:先使用Shapiro-Wilk检验测试数据的正态性。若呈正态分布,则选择平均值进行参数检验;若不呈正态分布,则选择中位数使用SPSS 20.0软件通过Wilcoxon符号秩检验(非参数检验)来评价是否存在显著差异[6]。之后进行异质性检验,据情况选择检验模型(I2<50%用固定效应模型,I2≥50%用随机效应模型),然后采用R(4.0.4)进行绘图,最后从95%置信区间内选取关键的具有减排效果的研究进行详细阐述。

(4)亚组分析:存在异质性时,进一步进行分类分析,以降低异质性,操作步骤同整体分析。

2 结果与分析

2.1 数据库总体分析情况

将收录入数据库的臭气源头减排剂按照其性质及特点分为7类,各类录入的文献数量为:(1)益生素52篇;(2)天然提取物38篇;(3)酶制剂13篇;(4)酸类9篇;(5)杀菌剂10篇;(6)糖类5篇;(7)其他添加剂19篇。

经分析得:2000-2020年,7类减排剂对NH3和H2S减排效果研究的占比情况如图1所示。由图1可知,都是益生素占比最大,天然提取物次之,说明这两类添加剂是研究的热门。

图1 2000-2020年7大类减排剂对NH3和H2S减排效果研究的占比情况Fig. 1 From 2000 to 2020, the proportion of researches on the effects of seven emission reduction agents on NH3 and H2S emission reduction

整体上NH3减排分析了340条数据,其中303条具有正向效果,35条具有负向效果,正向效果的相关研究占比更大。以“未使用和使用后差异的中位数等于0”为原假设进行Wilcoxon符号秩检验,结果显示,天然提取物(P=0.000)、益生素(P=0.000)、酶制剂(P=0.000)、糖类(P=0.003)和其他种类添加剂(P=0.001)对NH3减排具有显著性效果(P<0.05),而酸类(P=0.078)和杀菌剂(P=0.917)不存在显著减排效果(P>0.05),这是负向结果导致的,例如:Ahmed等[7]在肉鸡饲料中添加0.05%和0.1%的二氧化氯强力杀菌剂分别增加了13.33%和33.33%的NH3产量。

整体上H2S减排分析了237条数据,存在正向效果的有199条,负向效果的有27条。同样进行Wilcoxon符号秩检验,结果表明,天然提取物(P=0.000)、益生素(P=0.000)、酶制剂(P=0.003)对H2S减排具有显著性效果(P<0.05),而酸类(P=0.285)和杀菌剂(P=0.345)的H2S减排效果不显著(P>0.05),同样是受负向结果影响,例如:Cho等[8]在育肥猪日粮中添加0.5%苯甲酸,反而增加了5.07%～7.03%的H2S产生量。

7类减排剂对NH3和H2S减排率的异质性检验结果发现均是I2>50%,存在异质性,所以选用随机效应模型检验是否存在发表偏移,结果同样存在发表偏移,主要原因是数据库包括多类减排剂及多种畜禽品种,数据结果复杂多样,所以应该进一步进行细化的亚组分析来减少分析变量,以降低异质性。

2.2 畜禽生产中各类除臭剂对NH3的减排效果

7类臭气源头减排剂对NH3减排的总体效果如图2所示。天然提取物、益生素、酶制剂、糖类和其他种类添加剂对NH3减排均有显著效果(P<0.05),其中,益生素和天然提取物两类减排效果最优,总体减排效果分别为17.17%和17.01%(P<0.05)。虽然杀菌剂总体减排率达17.21%,但其存在增加NH3产量的情况。

图2 7类减排剂NH3减排率的箱线图Fig. 2 Box plot of NH3 emission reduction rates of seven emission reduction agents注:括号内的值表示用于统计分析的观测数据来源的研究数量以及观测数据数量;圆点表示异常值。下同。Notes: The values in parentheses indicate the number of studies and the number of observational data sources used for statistical analysis; round dots indicate outliers.The same below.

为降低异质性,从95%置信区间内选取对NH3活性和粘附性,能通过改善体内菌群平衡,减少臭气排放[9]。添加20 g/kg解淀粉芽孢杆菌能显著降低1日龄肉鸡粪便94.02%的NH3排放[10]。以0.2%和0.4%的复合益生菌(枯草芽孢杆菌PNG-4 +嗜酸乳杆菌 LAS)处理蛋鸡日粮,结果分别显著降低70.32%和73.57%的NH3排放量[11]。在畜禽生产中应用的益生元主要是非消化性的可发酵碳水化合物,包括低聚糖类和非淀粉多糖类。将500 mg/kg的枯草芽孢杆菌和粪肠球菌的复合菌添加到断奶仔猪饲料中,可显著降低粪便中29.56%的NH3量,若与200 mg/kg低聚木糖混合使用,减排效果提升到了33.58%[12]。综上所述,益生菌类减排剂对NH3普遍存在显著减排效果,多种益生菌复合或者与益生元复合使用可以得到更好的NH3减排效果。

同种添加剂等比例加到不同类型畜禽日粮中,对NH3的减排效果也会不同,原因可能是不同畜禽消化能力存在差异。如添加0.10%牛膝提取物对生长猪粪便的NH3排放量降低率达7.19%[13],而在肉鸡日粮中添加后减排率达9.94%[14]。黑胡椒具有抗感染、抗氧化和免疫调节等广泛的药理作用,对育肥猪补充0.4%的黑胡椒提取物,NH3排放量显著降低26.79%[15],若以0.2%的剂量添加在断奶仔猪日粮中,NH3减排率达27.66%[16]。《本草纲目》记载葫芦巴籽具有补阳、祛寒的功效,其提取物以0.2%的剂量添加可显著降低生长猪粪便17.6%的NH3排放量[17]。综上,牛膝、发酵大蒜、葫芦巴籽和黑胡椒的提取物均能有效降低NH3排放。

育肥猪日粮中添加0.2%的假交替单胞菌的蛋白酶,最佳可降低11.07%的NH3排放量[18]。蛋白酶和精油复合使用饲喂肉仔鸡后,NH3减排率达18.98%,比单独使用蛋白酶和精油产生了更好的效果[19]。而复合使用粪肠球菌和内生β-1,4-木聚糖酶,对育肥猪没有明显的NH3减排效果,减排率均低于1%[20]。说明添加方式和畜禽品种会对减排剂的作用效果产生重要影响。

酸类减排剂方面,对有机酸和中性链脂肪酸的研究占多数。有机酸对胃肠道粘膜能发挥一定的营养作用,但进入畜禽体内活性会受到限制,而中链脂肪酸有很强的抗菌活性并能对有机酸进行保护,两者合用可以改善畜禽体生产性能,减少臭气排放。0.2%的保护有机酸对断奶仔猪的粪便NH3排放显著减少25.35%[21],而同样将其添加到断奶仔猪料中,区别仅在于改变日粮密度,结果表明饲喂高密度日粮和低密度日粮对NH3没有明显减排效果[22]。由此,减排剂所处的添加环境是NH3减排效果的重要影响因素。

芬多精是从红松中提取的植物杀菌素,能抑制微生物活性,以1.0 g/kg的剂量饲喂肉鸡后,NH3减排率为21.49%[23]。将0.2%的黑云母粉添加到生长猪日粮中,NH3减排率可达40%[24]。沸石是由SiO4和AlO4四面体组成的三维骨架,是一种多孔材料,具备离子交换性质,能够吸附大约30%的气体。研究表明,添加0.5%人工沸石显著降低了育肥猪粪便的NH3排放量40.33 ppm,减排率高达66.11%[25]。

2.3 畜禽生产中各类除臭剂对H2S的减排效果

7类臭气源头减排剂对H2S减排效果总体分析如图3所示。综合异常值情况和观测数据来源的研究数量两方面考虑,7类源头减排剂中益生素、天然提取物和酶制剂的研究结果不存在异常值,总体减排率分别为15.82%、14.29%和11.69%,减排效果显著。

图3 7类减排剂对H2S减排率的箱线图Fig. 3 Box plot of H2S emission reduction rates of seven emission reduction agents

为降低异质性,从95%置信区间内选取对H2S具有明显减排效果且无异质性的研究进行叙述。以5 g/kg的剂量对1日龄肉鸡添加解淀粉芽孢杆菌,粪便H2S的排放显著降低93.34%[26]。对断奶仔猪添加0.1%的罗伊氏乳杆菌和植物乳杆菌复合体,粪便H2S减排率达到29.06%[27]。0.10%的牛膝提取物对生长猪粪便的H2S减排效果最佳可达17.99%[13],而在肉鸡日粮中添加后减排率达13.65%[14]。以0.2%的剂量在生长猪日粮中添加葫芦巴籽提取物,H2S减排率达20%[17]。黑云母粉以0.2%的剂量添加到生长猪日粮中,H2S的减排率可达60%[24],效果非常显著。为此,有减排潜力的添加剂可以尝试添加到不同类型及品种的畜禽,以凸显其减排效果。

研究表明,在育肥猪日粮中添加0.2%的假交替单胞菌的蛋白酶,对其排泄物H2S的减排效果最佳可达19.48%[18]。在蛋鸡产蛋早期日粮中添加0.1%的木聚糖酶、β-葡聚糖酶、半乳糖苷酶和半乳甘露聚糖酶复合物,H2S减排率达17.98%[28]。0.2%的保护有机酸对断奶仔猪的粪便H2S排放显著减少17.76%[21]。二氧化氯是一种有效的杀菌剂,能通过直接作用于细胞膜和破坏细胞过程杀死微生物[29],并且细菌不会对其产生耐药性,按0.1%的比例添加使肉鸡粪便的H2S排放量显著降低57.14%[7]。以1.0 g/kg剂量的芬多精饲喂肉鸡后,H2S减排率达15.43%[23]。添加0.5%的人工沸石显著降低了育肥猪粪便的H2S排放量1.62 ppm,减排率高达36.00%[25]。

3 结 论

本文列举了一些在畜禽养殖中可源头上减排臭气的饲料添加剂,对其减排NH3和H2S的效果进行了系统叙述。解淀粉芽孢杆菌、黑云母粉和沸石等具有显著的除臭效果;牛膝、发酵大蒜、葫芦巴籽、黑胡椒的提取物是近年内出现的新型优良减排剂;益生元的研究主要集中在低聚糖类,与益生素协同使用,会有更明显的减排效果;胡芦巴籽、红参、艾草、明矾、牛膝均等中药材,可调节肠道菌群平衡,不仅有利于畜禽健康,促进无抗养殖,而且有利于臭气减排。然而,仅在源头上进行臭气减排,其减排力度还远远不够,应综合过程控制和末端除臭,进行系统的臭气减排,以减少臭气排放对环境的污染,实现畜牧业绿色健康发展。