生物質(zhì)炭在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

韓 杰 孟 軍

用農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)的生物質(zhì)炭具有微孔結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大、pH高、吸附力和抗分解能力強(qiáng)等獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)。生物質(zhì)炭的概念在20世紀(jì)末被提出后，將其應(yīng)用于土壤改良和環(huán)境治理等領(lǐng)域的研究迅速升溫。特別是近年來，生物質(zhì)炭潛在的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用空間被進(jìn)一步拓展，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)在畜禽飼糧、墊料或堆肥糞便中直接添加生物質(zhì)炭能起到改善動(dòng)物腸道健康、促進(jìn)畜禽生長、提高養(yǎng)分利用效率、降低飼糧毒性、調(diào)控反芻動(dòng)物瘤胃微生物發(fā)酵、減少畜禽糞便污染環(huán)境等有益作用。此作用已經(jīng)引起政府［1－2］、科研組織［3］及企業(yè)［4］等廣泛關(guān)注。本文綜述了國內(nèi)外學(xué)者在畜禽生產(chǎn)中應(yīng)用生物質(zhì)炭的最新研究成果，對當(dāng)前生物質(zhì)炭的應(yīng)用現(xiàn)狀提出建議，旨在為生物質(zhì)炭更好地服務(wù)于畜禽養(yǎng)殖業(yè)提供參考資料。

1 生物質(zhì)炭的概念及理化特性

1.1 概念

生物質(zhì)炭(biochar)也稱生物炭、生物焦炭，是生物質(zhì)在無氧或近無氧狀態(tài)下高溫(＜700℃)熱解炭化產(chǎn)生的一類穩(wěn)定的富碳物質(zhì)［1，5］，大多為粉狀顆粒。制備生物質(zhì)炭的原料主要為農(nóng)業(yè)活動(dòng)中產(chǎn)生的作物和森林殘茬、木材加工廢料、畜禽糞便等，工業(yè)和城鎮(zhèn)生活產(chǎn)生的有機(jī)固體廢棄物、工業(yè)廢水和生活污泥等也可作為原料來源［6］?？茖W(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中一般以原料名稱命名生物質(zhì)炭，如秸稈炭、玉米芯炭、稻稈炭、竹炭、木炭等。

1.2 理化特性

生物質(zhì)炭主要由芳香烴和單質(zhì)碳或具有類石墨結(jié)構(gòu)的碳組成，一般含有60%以上碳元素，還含有氫、氧、氮、磷、鉀、鈣、鈉、鎂等元素。其元素組成與制炭過程中的炭化溫度密切相關(guān)［7］，具體表現(xiàn)為在一定范圍內(nèi)炭化溫度越高，碳、磷含量越高，氧、氫含量越少。生物質(zhì)炭的礦物元素通常以氧化物或碳酸鹽形式存在，水溶液呈堿性(pH＞7)，且堿性隨熱解溫度升高而增強(qiáng)［8］。生物質(zhì)炭的可溶性極低，熔沸點(diǎn)極高，具有高度羧酸酯化、芳香化結(jié)構(gòu)和脂肪族鏈狀結(jié)構(gòu)［9］，使生物質(zhì)炭表現(xiàn)出一定的親、疏水特性和很高的生物化學(xué)和熱穩(wěn)定性［10］，還使其具備了極強(qiáng)的吸附能力和抗氧化能力［10］。此外，生物質(zhì)炭化后能保持其原有的良好孔隙結(jié)構(gòu)，使其具有較大的孔隙度和比表面積［11］。

1.3 與活性炭、黑炭的關(guān)系

生物質(zhì)炭與活性炭［12］、黑炭［13］同屬于生物質(zhì)高溫?zé)峤猱a(chǎn)物，具有相似的理化和生物學(xué)特性。活性炭是生物質(zhì)炭或黑炭在化學(xué)制劑激活下產(chǎn)生的，其比表面積(超過1 000 m2/g)遠(yuǎn)大于生物質(zhì)炭(300 m2/g)［12］，售 價(jià) 為 生 物 質(zhì) 炭 的 5 ～ 10倍［14］。黑炭涵蓋了生物質(zhì)略微炭化到燃燒后黑煙顆粒的炭化物質(zhì)，生物質(zhì)炭和活性炭均屬于廣義概念上黑炭的一種類型［15］。但它們在應(yīng)用范疇上不盡相同。生物質(zhì)炭更多被定位于農(nóng)業(yè)土壤、環(huán)境生態(tài)等領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)保護(hù)環(huán)境和固碳減排。而黑炭側(cè)重強(qiáng)調(diào)隨地質(zhì)年代變遷逐漸形成的自然產(chǎn)物，主要用于工業(yè)和能源領(lǐng)域。

2 生物質(zhì)炭在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

目前，生物質(zhì)炭影響家禽生產(chǎn)的研究在國內(nèi)還鮮見報(bào)道，國外研究主要表明生物質(zhì)炭可在飼糧、墊料或糞便中添加，其能提高家禽生長性能、改善飼糧利用效率和腸道健康、促進(jìn)養(yǎng)殖環(huán)境的改善等。

2.1.1 提高生長性能

國外很多研究表明，飼糧添加生物質(zhì)炭或其與木醋的混合物對提高肉雞、蛋雞和鴨的平均日增重(ADG)作用較大，而對平均日采食量(ADFI)影響趨于不顯著。Gerlach等［16］推薦家禽飼糧中生物質(zhì)炭使用量以0.2%～0.6%為宜，產(chǎn)蛋家禽應(yīng)每飼喂10～15 d暫停2～3 d。如果在家禽飼糧和墊料中同時(shí)使用生物質(zhì)炭時(shí)，應(yīng)酌情減少墊料中的用量。Kana 等［17］研究發(fā)現(xiàn)，0.2%、0.4%和0.6%的玉米芯炭或橄欖種子炭均能提高肉雞末重(FW)，0.2%添加量的2種炭均使肉雞取得了最佳的生長性能，添加量高于0.6%時(shí)對肉雞FW 和ADG有負(fù)面影響。Samanya等［18］在白來航雞飼糧中添加1%或3%的木炭與木醋液混合物(4∶1)取得了較高的ADG，但ADFI和飼糧利用效率不受影響。Ruttanavut等［19］發(fā)現(xiàn)飼糧添加 1%的竹炭與竹醋液混合物能顯著提高日本合鴨的ADG。

2.1.2 改善腸道健康

國外學(xué)者發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對改善蛋雞、鴨和肉雞的腸絨毛高度、腸絨毛細(xì)胞形態(tài)、面積等作用顯著。Watarai等［20］研究發(fā)現(xiàn)，飼糧添加活性炭能有效減少腸炎沙門氏菌(S.enteritidis)的數(shù)量并降低其對腸道的危害。Hsu［21］觀察到飼糧添加0.2%竹炭能提高肉仔雞空腸和回腸絨毛高度。Samanya等［22］發(fā)現(xiàn)飼糧添加1%木炭與木醋液混合物使來航雞十二指腸、空腸、回腸絨毛頂端上皮細(xì)胞輪廓清晰度顯著提高，細(xì)胞突起明顯，其效果比單獨(dú)添加1%木炭或0.1%木醋液對來航雞腸功能的激活作用明顯。Ruttanavut等［19］研究表明，1%竹炭與竹醋液混合物能顯著提高日本合鴨腸絨毛高度、面積、上皮細(xì)胞面積，促進(jìn)上皮細(xì)胞有絲分裂，使腸絨毛頂端出現(xiàn)了很多隆起的細(xì)胞，提示竹炭與竹醋液混合物能改善鴨的腸道功能。

2.1.3 降低飼糧毒素毒性

國外很多試驗(yàn)表明，生物質(zhì)炭能吸附飼糧中的黃曲霉毒素(AF)，降低飼糧毒素對機(jī)體的損傷。美國塔斯克基大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，飼糧添加0.1%活性炭能抑制黃曲霉毒素B1(AFB1)引起的肉仔雞ADG、ADFI以及肝臟微粒體細(xì)胞色素含量的下降，還能阻止AFB1引起的肉仔雞肝臟損傷［23］。Edrington等［24］發(fā)現(xiàn)活性炭能緩解AF引起的肉仔雞ADG、血液尿素氮(UN)和無機(jī)磷含量的下降、紅細(xì)胞容積率和肝臟重量的上升。Kana等［25］研究表明，飼糧添加玉米芯炭或橄欖種子炭(0.2%、0.4%和 0.6%)均能改善由 AFB1(22.02 μg/kg)引起的肉仔雞ADFI和腸比重下降。這提示生物質(zhì)炭在緩解AF對肉仔雞毒性效應(yīng)上起一定作用。

2.1.4 減少糞尿污染環(huán)境

家禽糞便在堆肥過程中，糞便中的氮會(huì)以氨氣(NH3)形式揮發(fā)污染環(huán)境，同時(shí)還造成糞便中氮、磷等損失。Steiner等［26］將家禽糞便同20%松針炭混合堆肥42 d，NH3排放減少了64%，總氮損失減少52%，這提示生物質(zhì)炭可以作為理想的富氮原料的堆肥劑。Doydora等［27］研究表明，酸化的松針炭或花生殼炭能使施入土壤后的家禽糞便中氮損失減少56%～60%。在肉仔雞墊料中添加竹炭能有效降低墊料中NH3濃度、球蟲卵數(shù)、水分和酸度值，從而改善家禽舍內(nèi)環(huán)境［21］。

2.1.5 改善胴體品質(zhì)

Kana等［17］試驗(yàn)指出，玉米芯炭或橄欖種子炭對肉仔雞屠宰率、肝臟重、腹脂率、腸長度和重量無顯著影響;但0.4%玉米芯炭能顯著降低肉仔雞肌胃重，0.8%橄欖種子炭顯著降低肉仔雞腸比重。Hsu［21］研究觀察到飼糧添加0.2%竹炭能顯著提高肉仔雞胸肌蛋白質(zhì)和腿肌粗灰分含量。這提示生物質(zhì)炭可用于改善肉仔雞的某些胴體品質(zhì)。

2.2 在家畜養(yǎng)殖中的應(yīng)用

歐洲90%的生物質(zhì)炭都應(yīng)用于家畜養(yǎng)殖中，養(yǎng)殖戶普遍認(rèn)為在使用生物質(zhì)炭1～4周內(nèi)即可看到明顯效果，包括減少家畜腹瀉率和死亡率，增進(jìn)家畜健康和活力，改善產(chǎn)奶家畜乳房狀況和乳品質(zhì)量，極大減少家畜蹄部疾病的發(fā)生［12］。而國內(nèi)的研究主要將生物質(zhì)炭用于減少家畜堆肥糞便對環(huán)境的污染。

2.2.1 提高生長性能

國外研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭在反芻動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用效果與其飼糧中非蛋白氮(NPN)種類有關(guān)。仔豬飼糧中應(yīng)用適宜劑量的生物質(zhì)炭可以取得與抗生素相似的效果。

Van等［28］發(fā)現(xiàn)在含豆科植物的飼糧中添加0.5 g/kg BW竹炭不影響山羊的ADFI，但使ADG顯著提高 20.45%。Leng等［29］發(fā)現(xiàn) NPN 為尿素(干物質(zhì)的1.83%)時(shí)，添加生物質(zhì)炭使黃牛ADG增加25%，而NPN為硝酸鉀(干物質(zhì)的6.00%)時(shí)有降低黃牛ADG的趨勢。Mekbungwan等［30］研究表明，飼糧添加3%木炭與木醋液混合物(4∶1)使仔豬的飼糧利用效率最佳。飼糧中添加0.3%或0.6%竹炭顯著提高了育肥豬的ADG和飼糧利用效率［31］。育肥豬飼糧中添加0.3%竹炭與添加0.3%抗生素取得的ADG和飼糧利用效率相當(dāng)，這提示竹炭可以作為抗生素的替代物促進(jìn)動(dòng)物生長［32］。蔣竹英等［33］研究發(fā)現(xiàn)，飼糧添加 2%竹炭對仔豬ADG、ADFI和飼糧利用效率影響不顯著，這提示2%竹炭可能對仔豬有毒害作用。

2.2.2 提高飼糧養(yǎng)分利用率

Van等［28］發(fā)現(xiàn)在山羊飼糧中添加竹炭(0、0.5、1.0、1.5 g/kg BW)對豆科灌木植物干物質(zhì)攝入量，中性、酸性洗滌纖維的消化率無顯著影響，但能顯著提高有機(jī)物和粗蛋白質(zhì)消化率;添加0.5和1 g/kg BW 的竹炭較對照組和1.5 g/kg BW 組有較高的氮保留率。Leng等［29］發(fā)現(xiàn)以尿素作為NPN時(shí)，飼糧添加生物質(zhì)炭能促進(jìn)飼糧干物質(zhì)的利用率。

2.2.3 保持正常腸道組織形態(tài)

生物質(zhì)炭對仔豬的腸絨毛細(xì)胞形態(tài)、面積也有積極的影響。Mekbungwan等［30］試驗(yàn)表明，飼喂3%木炭與木醋液混合物(4∶1)使仔豬十二指腸絨毛頂端細(xì)胞增大，輪廓清晰，向腸腔內(nèi)隆起，提示3%木炭與木醋液混合物對腸功能有激活作用。泰國梅州大學(xué)研究表明，添加木炭與木醋液混合物能緩解仔豬飼糧中生木豆種子粉對仔豬腸道功能的有害影響，從而使仔豬恢復(fù)正常的生長狀態(tài)［34］。

2.2.4 調(diào)控瘤胃微生物發(fā)酵

體內(nèi)外試驗(yàn)均表明，生物質(zhì)炭能有效減少反芻動(dòng)物瘤胃微生物有害氣體的產(chǎn)生量。臺(tái)灣國立宜蘭大學(xué)2011

年研究發(fā)現(xiàn)，飼喂竹炭對安裝瘺管的羊瘤胃液pH和NH3產(chǎn)生量無顯著影響，但可提升瘤胃乙酸、丙酸、丁酸百分比，降低瘤胃表面張力［3］。Leng 等［4］研究表明，在體外培養(yǎng)的瘤胃液中添加1%生物質(zhì)炭使甲烷(CH4)氣體通量減少12.0%;如NPN為硝酸鉀和尿素各50%時(shí)，1%生物質(zhì)炭能使瘤胃 CH4氣體通量減少 40.5%，而NPN全部為硝酸鉀時(shí)，瘤胃液CH4氣體通量可減少 49.0%。

2.2.5 減少糞便對環(huán)境的污染

生物質(zhì)炭降低家畜糞便有害氣體排放的作用已經(jīng)被國內(nèi)外很多試驗(yàn)所證實(shí)。黃向東［35］研究發(fā)現(xiàn)，在堆肥豬糞中添加3%、6%、9%竹炭及3%竹炭+0.2%竹醋液、3%竹炭+0.4%竹醋液和3%竹炭+0.6%竹醋液可使堆肥過程氮損失分別減少28%、61%、65%、66%、74%和 50%，這提示氮損失隨竹炭添加量提高而減少，且添加適當(dāng)比例的竹炭和竹醋液對氮損失具有協(xié)同控制效果。李麗劼［36］發(fā)現(xiàn)堆肥豬糞中添加3%竹炭可使NH3產(chǎn)生量減少6.1%，氮損失率降低10%;一氧化二氮(N2O)總排放量降低25.9%，有助于控制堆肥過程的溫室氣體排放。Chu等［31］在育肥豬飼糧中添加0.6%竹炭能顯著降低糞便中大腸桿菌、沙門氏菌數(shù)量，以及NH3、CH4和硫化氫(H2S)等排放。飼糧添加0.3%竹炭能降低育肥豬糞便中大腸型細(xì)菌和沙門氏菌數(shù)量，其增加糞便厭氧菌和乳酸菌的效果同添加0.3%抗生素效果相當(dāng)［32］。

3 小結(jié)

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)炭的原料來源十分廣泛且價(jià)格低廉，加之其生產(chǎn)工藝相對簡單，容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，且有助于我國龐大的農(nóng)業(yè)廢棄資源的有效利用。因此，在強(qiáng)調(diào)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的背景下，生物質(zhì)炭以其在畜禽養(yǎng)殖中發(fā)揮的有益作用必將成為一種重要的飼料添加劑資源和一項(xiàng)畜禽糞便資源化處理技術(shù)。未來在畜禽生產(chǎn)中應(yīng)用生物質(zhì)炭還應(yīng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究:1)由于生物質(zhì)炭在養(yǎng)殖生產(chǎn)中的作用與其理化特性密不可分，因此應(yīng)加強(qiáng)不同生物質(zhì)原料和生產(chǎn)工藝對生物質(zhì)炭理化特性的影響研究，逐漸建立原料、工藝條件與理化特性的關(guān)系模型。2)不同原料生產(chǎn)的生物質(zhì)炭在不同種類畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用效果差別較大，應(yīng)探討不同原料生物質(zhì)炭在畜禽飼糧、墊料和糞便中的有效添加量，并就畜禽種類及應(yīng)用途徑對生物質(zhì)炭原料配方和應(yīng)用技術(shù)給出合理化建議。3)加強(qiáng)生物質(zhì)炭與其制備過程的副產(chǎn)物木醋的聯(lián)合應(yīng)用效果研究。4)加強(qiáng)生物質(zhì)炭在畜禽生產(chǎn)中的作用機(jī)制研究，為生物質(zhì)炭在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論支持。5)生物質(zhì)炭在畜禽養(yǎng)殖中應(yīng)用的安全性研究尚屬空白領(lǐng)域，應(yīng)加強(qiáng)其潛在風(fēng)險(xiǎn)性的研究和探討。

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