家禽排泄物臭氣化合物的產(chǎn)生及降低途徑研究進(jìn)展

■劉吉喆 趙歆昀 楊桂芹

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)畜牧獸醫(yī)學(xué)院，遼寧沈陽110866）

近年來，我國家禽業(yè)發(fā)展很快，規(guī)?；B(yǎng)殖場越來越多。據(jù)統(tǒng)計，2016年我國牧業(yè)總產(chǎn)值31 703.2億元，其中家禽業(yè)產(chǎn)值7 619.1億元，占牧業(yè)總產(chǎn)值的24.03%。2017年我國禽蛋產(chǎn)量達(dá)3 070萬噸，禽肉產(chǎn)量1 897萬噸（國家統(tǒng)計局，2018）。家禽產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，在滿足人們對肉、蛋等食品需求的同時，家禽所產(chǎn)生的臭氣化合物對周圍環(huán)境的污染也日漸嚴(yán)重。家禽業(yè)的發(fā)展與環(huán)境污染之間的矛盾日益凸顯。新修訂的《環(huán)境保護(hù)法》已于2015年1月1日起施行，該法不僅對畜禽養(yǎng)殖場（區(qū)）、飼料廠、屠宰場的選址、建設(shè)和管理提出了明確要求，也對畜禽排泄物、污水、廢氣等排放提出了限制。采取切實(shí)可行的措施，減少家禽排泄物污染已迫在眉睫。

1 家禽排泄物的化學(xué)組成及臭氣化合物的產(chǎn)生

家禽消化道短（體長與消化道的長度比為1∶4），采食后24 h內(nèi)可排泄不能消化利用的部分。據(jù)測算，家禽鮮排泄物的產(chǎn)量約為其采食量的110%～120%，其中含固形物約25%（楊寧，2010）。根據(jù)中國畜牧業(yè)協(xié)會統(tǒng)計（宮桂芬，2018），2017年我國蛋雞存欄12.07億只，肉雞、白羽肉鴨、肉鴿出欄分別為78.9、28.97億只和6.26億只。由此推算，我國每年僅蛋雞就產(chǎn)新鮮排泄物約5 503.92萬噸。家禽糞尿不能分離的排泄方式導(dǎo)致其消化不完全、排泄物營養(yǎng)物質(zhì)豐富，其中家禽排泄物有機(jī)物含量達(dá)26.5%（見表1）。

家禽種類、家禽飼料和生產(chǎn)階段等不同，其排泄物的組成存在很大的差異。Van der Hoeven-hangoor等（2013）通過8個飼養(yǎng)試驗，收集分析了肉仔雞35日齡（少數(shù)樣本為6、14、17日齡和28日齡）的354個排泄物樣本，獲得了肉仔雞排泄物中主要化學(xué)組成的含量。由表2可知，肉仔雞新鮮排泄物水分含量平均為74%，每千克干物質(zhì)含粗蛋白質(zhì)最高達(dá)43%，并含有鈣、磷、鎂等多種礦物元素。

表1 家禽排泄物的主要化學(xué)組成（%，鮮樣基礎(chǔ)）

表2 肉仔雞排泄物化學(xué)組成的變動范圍（%，干物質(zhì)基礎(chǔ)）

家禽排泄物中大量的有機(jī)物是微生物生長繁殖的主要營養(yǎng)源。在厭氧條件下，碳水化合物可分解生成醇、醛、酮和有機(jī)酸類化合物，脂肪水解生成脂肪酸和醇類。蛋白質(zhì)經(jīng)細(xì)菌的消化降解生成吲哚類、氨（NH3）、三甲胺等，也包括含硫化合物。這些營養(yǎng)素的一些代謝最終產(chǎn)物具有揮發(fā)性和難聞的氣味（Sharma等，2017a）。家禽排泄物臭氣化合物的濃度隨日齡的增加而增大，6周齡時肉仔雞排泄物吲哚、糞臭素、乳酸和乙酸的濃度分別為 19.91 μg/g、65.05 μg/g、59.85 mg/g和15.70 mg/g（張沛，2016），肉仔雞腸道中吲哚、糞臭素濃度與菌群多樣性、總菌數(shù)量之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系（Yang等，2019）。

2 家禽排泄物臭氣化合物的種類及形成途徑

家禽排泄物中的臭味化合物是由家禽腸道微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生的，其成分多種多樣，目前研究較多的主要包括吲哚類化合物、NH3、H2S、揮發(fā)性脂肪酸等。吲哚類化合物具有強(qiáng)烈不愉快的臭味。NH3有強(qiáng)烈的刺激氣味，能灼傷皮膚、眼睛、呼吸器官的黏膜，吸入過多會導(dǎo)致死亡。低濃度的H2S具有臭雞蛋氣味，對呼吸道和視覺有刺激作用并引起頭痛，當(dāng)達(dá)到一定濃度時會有生命危險。揮發(fā)性脂肪酸主要與臭氣化合物間存在顯著的相關(guān)性（王琪等，2016），進(jìn)而間接反映臭氣化合物的產(chǎn)生量。

吲哚類化合物是色氨酸的主要代謝產(chǎn)物(見圖1)。色氨酸在脫氨酶的作用下降解產(chǎn)生吲哚、吲哚丙酮酸和NH3，其中吲哚由吲哚丙酮酸脫去α-酮戊二酸形成，吲哚丙酮酸在多種微生物的作用下脫去羧基形成吲哚乙酸（景寒松等，2018）。吲哚乙酸是糞臭素的主要前體，它在特定微生物和一種尚未分離出的脫羧酶的作用下脫去羰基形成糞臭素（Deslandes等，2001）。

圖1 吲哚類化合物的形成途徑

NH3是由含氮（N）有機(jī)物分解而來。家禽排泄物中的NH3主要是由尿酸及未利用的蛋白質(zhì)在尿酸酶和微生物限速酶的作用下分解而來，該類需氧菌生長所需最適相對濕度40%～60%，pH值為8.5(Applegate等，2008)（見圖2）。尿液是家禽氮排放的主要途徑，其中70%的含氮物質(zhì)來自尿液，其余30%來自糞便。家禽氮排放包括60%～65%的尿酸、10%的銨鹽和2%～3%的尿素和肌酐化合物等，其中尿酸會在微生物的作用下被迅速分解轉(zhuǎn)化為NH3（Broucek，2015）。

圖2 NH3的形成途徑

NH3的產(chǎn)量因雞舍環(huán)境、飼料和雞種等的不同存在差異。環(huán)境溫度和相對濕度是影響NH3釋放的主要因素。在平均溫度和相對濕度分別為23.9℃和57.96%的情況下，33日齡肉仔雞（體重1.92 kg）雞舍中NH3的產(chǎn)量為7.437 mg/(kg·h)。夏季和冬季，每只雞的NH3釋放率平均分別為19.7 mg/h和18.1 mg/h，并隨著室內(nèi)溫度的提高而增加（夏季r2=0.51；冬季r2=0.42）（Calvet等，2011）。除此之外，通風(fēng)量、雞的活動狀況和飼養(yǎng)密度等也影響NH3的釋放（Walker等，2014）。

H2S主要通過含硫氨基酸（蛋氨酸、胱氨酸和半胱氨酸）的代謝和硫酸鹽的還原而產(chǎn)生（見圖3）。Shar?ma等(2017b)研究表明，體外條件下產(chǎn)氣莢膜梭菌（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）的產(chǎn)生過程中起著重要作用。

3 家禽排泄物臭氣化合物的危害

3.1 對生態(tài)環(huán)境的危害

家禽排泄物如果沒有及時清除或清除后沒有及時處理，排泄物中的蛋白質(zhì)、碳水化合物等有機(jī)物質(zhì)就會發(fā)酵分解，產(chǎn)生NH3、H2S、揮發(fā)性有機(jī)酸、吲哚、糞臭素等具有惡臭的氣體，對人和動物產(chǎn)生有害作用和使人嗅覺產(chǎn)生厭惡感，同時對環(huán)境產(chǎn)生一定影響。在美國和日本大約70%的居民對空氣質(zhì)量投訴與惡臭有關(guān)，引起研究者對惡臭公害的極大關(guān)注（Gustafs?son，2013）。動物生產(chǎn)所產(chǎn)生的大量含氮化合物排放也是導(dǎo)致酸雨的重要原因，對地表水和地下水質(zhì)量也產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。集約化家禽養(yǎng)殖場是NH3的主要排放源之一。Broucek等（2015）報告顯示，在美國80.9%的NH3排放來自畜牧業(yè)，其中26.7%來自家禽業(yè)。需要指出的是，NH3危害人體健康，揮發(fā)到大氣中的H2S，還可引起酸雨，毀壞作物，在PM2.5形成過程中扮演了重要角色（Cambra-López，2010)。持續(xù)增加的NH3會增加大氣中PM2.5的濃度（薛文博等，2016）。家禽臭氣化合物排放也是溫室氣體排放重要來源之一，至少占全球總排放的51%?？梢娂仪蒺B(yǎng)殖場產(chǎn)生的臭氣化合物對居民生活、土壤、空氣質(zhì)量和氣候變化的危害巨大。

圖3 H2S的形成途徑

3.2 對家禽生產(chǎn)的危害

冬春季節(jié)氣溫較低，養(yǎng)殖戶通常采用封閉雞舍來提高舍內(nèi)溫度，以達(dá)到雞的正常生產(chǎn)性能要求，但這樣會造成舍內(nèi)通氣量減少。隨著雞的呼吸、排泄物的腐敗分解，會產(chǎn)生臭氣化合物中的NH3、H2S、CH4等有害氣體。臭氣化合物經(jīng)復(fù)雜的相互作用會影響畜禽的呼吸機(jī)能、血壓及脈搏，導(dǎo)致體質(zhì)變?nèi)?，抗病力下降，生產(chǎn)性能下降（Barrasa，2012）。其中，對畜禽危害最大的惡臭物質(zhì)主要是NH3和H2S。特別是NH3是家禽生產(chǎn)的主要污染物之一，高濃度的NH3對家禽的生產(chǎn)性能、福利和人類的健康均有不利的影響（Costa等，2012）。Koca?man等(2006)研究表明，禽舍中NH3的濃度為10.5～16.46 mg/kg，H2S的濃度為 1.75～7.0 mg/kg時，隨著濃度的增加顯著降低蛋雞的飼料轉(zhuǎn)化率（料蛋比從1.79增加到2.18）。依據(jù)畜禽場環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（NY/T388—1999），雛雞、成雞舍NH3濃度限量分別為10、15 mg/kg。

早在1978年，Klentz等就研究了白來航雞對不同濃度H2S的反應(yīng)(0、0.05%、0.2%、0.3%、0.4%)，研究表明，當(dāng)H2S的濃度為0.2%和0.3%時，雞的呼吸頻率顯著增加，但雞舍H2S排出后30 min，呼吸會恢復(fù)到正常水平。當(dāng)H2S濃度為0.4%時，雞只在15 min內(nèi)全部死亡。高濃度的H2S（12 mg/kg）還會降低肉仔雞的胴體品質(zhì)。顯著增加胸肌、腿肌的滴水損失，降低pH值。因此推薦有利于肉仔雞健康生產(chǎn)的雞舍H2S濃度的高限：0～3周齡和4～6周齡分別為2 mg/kg和6 mg/kg（Wang等，2011）。不過，雞對H2S的敏感性比哺乳動物要低得多，當(dāng)H2S的濃度達(dá)到0.05%～0.1%即可導(dǎo)致哺乳動物死亡（Saksrithai等，2018）。

4 家禽排泄物臭氣化合物的降低途徑

4.1 家禽養(yǎng)殖場的科學(xué)管理

家禽養(yǎng)殖場的選址和規(guī)劃要合理。以肉雞為例，肉雞雞舍必須符合肉雞生產(chǎn)中防疫措施的全部要求，同時養(yǎng)殖場周邊土地要具有雞糞便的消納能力，以達(dá)到國家的標(biāo)準(zhǔn)和要求。肉雞雞舍可分為開放式雞舍、封閉式雞舍和塑膜大棚雞舍等，要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂颉⒔ㄖ牧蟽r格、雞場規(guī)格和通風(fēng)換氣等要求來決定。雞舍朝向以坐北朝南為最佳，這樣冬天可以用光照取暖，夏天也可以避免陽光直射，以避免對家禽產(chǎn)生應(yīng)激效應(yīng)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，養(yǎng)殖墊料的情況也可以影響家禽糞便中臭氣化合物的排放，Sharma等（2017c）試驗結(jié)果表明，墊料含水量和排泄物臭氣化合物排放濃度之間存在顯著相關(guān)性。墊料中水分濃度的增加，提高了含硫化合物、吲哚和糞臭素的排放。所以可通過改善飼料和有效控制墊料中水分含量來控制家禽養(yǎng)殖過程中的氣味排放；另外，家禽場要具有綠化和凈化的能力，如雞場周邊種植喬木、灌木等，如果是原生態(tài)雞場，雞舍周圍可以種植果樹，結(jié)合養(yǎng)殖場周邊環(huán)境條件，從源頭上解決雞場養(yǎng)殖廢水污染，實(shí)行“雞—沼—果”的生態(tài)養(yǎng)殖方式（王清良，2014）。

4.2 家禽日糧的科學(xué)配制

雞排泄物臭氣化合物的產(chǎn)生量與飼料配比有很大的關(guān)系，如果沒有平衡的營養(yǎng)，未被消化的營養(yǎng)物質(zhì)就會排出，造成環(huán)境污染。采用低蛋白日糧、合理使用飼料原料和確定適宜的能量蛋白比等是實(shí)現(xiàn)飼料資源高效利用與低碳氮排放畜牧業(yè)的重要途徑（李德發(fā)，2010）。

由于臭氣化合物主要是含氮和含硫化合物，所以調(diào)整日糧蛋白質(zhì)和含硫氨基酸含量是減少臭氣化合物產(chǎn)生的主要途徑。Powers等（2006）研究表明，與含有0.2%Met的日糧相比較，飼喂0.1%Met日糧的21周齡蛋雞H2S的排放量減少了42%。楊桂芹等（2006）報道，海蘭蛋種雞采食了氨基酸平衡的低蛋白質(zhì)（降低2個百分點(diǎn)）日糧，顯著降低了排泄物吲哚、糞臭素和NH3的含量。Liu等（2011）研究表明，與NRC（1994）推薦的日糧蛋白水平相比，蛋白質(zhì)提高110%，會顯著增加火雞NH3和H2S的排放量，同時與平衡兩種氨基酸（Lys、Met）相比，平衡三種氨基酸（Lys、Met和Thr）會顯著降低氮的排泄。飼糧適宜的代謝能和可消化賴氨酸水平也有利于減少肉仔雞排泄物N、P、揮發(fā)性鹽基氮等主要臭氣化合物含量（楊桂芹等，2014）。Sharma等（2015）研究表明，在可消化蛋氨酸和半胱氨酸含量分別為7.3 g/kg和7.0 g/kg的小麥-豆粕型日糧中添加60 g/kg的油菜籽，顯著降低了42日齡肉公雞排泄物甲基硫醇的含量。在玉米-豆粕型日糧中添加3%的大豆油可顯著降低排泄物中H2S、NH3和SO2等有害氣體的排放（Bostami等，2017）。不過，由于在技術(shù)上，對于家禽生產(chǎn)性能和氮減排的追求存在某種程度的矛盾，如果能夠接受生產(chǎn)性能少許的下降，氮減排將會有較大的空間（劉國華等，2015）。

4.3 合理使用飼料添加劑

由于臭氣化合物的產(chǎn)生主要受營養(yǎng)物質(zhì)的利用率及微生物的組成和活力等的影響，因此提高養(yǎng)分的利用率及調(diào)整微生物的組成會降低臭氣化合物的產(chǎn)生。而飼料添加劑作為配合飼料的重要微量活性成分，在完善配合飼料的營養(yǎng)、提高飼料利用率、減少飼料養(yǎng)分損失等方面起著重要的作用（李德發(fā)，2010）。目前應(yīng)用較多的飼料添加劑有酶制劑、微生物制劑、寡糖類和植物提取物等。

4.3.1 酶制劑

飼用酶制劑能夠補(bǔ)充內(nèi)源酶不足，破碎植物細(xì)胞壁，降低食糜黏度、消除抗?fàn)I養(yǎng)因子等，進(jìn)而提高飼料資源的利用率，減輕環(huán)境污染。不過要針對飼料原料的組成采用相應(yīng)的酶制劑。如在蛋雞日糧中添加0.1%的纖維素酶、β-葡聚糖酶和蛋白酶，顯著提高了蛋雞對飼料蛋白質(zhì)的利用率；肉仔雞日糧中添加胃蛋白酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶、木聚糖酶等顯著提高了增重，降低了料重比。復(fù)合酶制劑、纖維素酶等在鴨、鵝生產(chǎn)上也有諸多正向效果（蔡輝益等，2016）。Sharma等（2016）研究表明，飼料添加植酸酶，顯著提高了肉仔雞排泄物評分，降低了水分含量。而高含水量的排泄物會促進(jìn)NH3、H2S和吲哚類等多種臭氣化合物的產(chǎn)生量。不過，飼用酶的添加方式（體外預(yù)消化、體內(nèi)）、添加規(guī)律和復(fù)合酶制劑拮抗關(guān)系等還需進(jìn)行大量的研究工作。

4.3.2 微生物制劑

微生物制劑是指由許多有益微生物及其代謝產(chǎn)物構(gòu)成的可以直接飼喂動物的活菌制劑。其在發(fā)酵或代謝過程中會產(chǎn)生多種生物活性物質(zhì)，有助于營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，促進(jìn)代謝，進(jìn)而提高飼料利用率。楊桂芹等（2010）在海蘭褐蛋雞日糧中添加酵素菌制劑，可使雞排泄物NH3濃度減少25.33%，糞臭素減少24.6%。Jeong等（2014）在基礎(chǔ)日糧中分別補(bǔ)充300、600 mg/kg的枯草芽孢桿菌顯著降低了肉雞腸道產(chǎn)氣莢膜梭菌、沙門氏菌和大腸桿菌等有害菌數(shù)量和NH3的排放量。Zhang等(2013)在1～35日齡的肉仔雞日糧中添加用105CFU/kg的枯草芽孢桿菌，發(fā)現(xiàn)NH3和H2S濃度降低了26.9%和37.9%。Sharma等(2017c)研究中發(fā)現(xiàn)，在高蛋白水平日糧（CP水平為27%）中加入150 mg/kg的枯草芽孢桿菌，排泄物中H2S濃度顯著降低了29.9%。Borowski等（2016）在家禽糞便的體外發(fā)酵試驗中使用混合微生物制劑（熒光假單胞菌、屎腸球菌、枯草芽孢桿菌）發(fā)酵除臭2 d后，排出的NH3和H2S分別減少了94%和60%。日糧中糞腸球菌添加量與排泄物大腸桿菌數(shù)量呈顯著線性負(fù)相關(guān)，同時排泄物中乳桿菌呈增加趨勢，補(bǔ)充0.2%糞腸球菌可顯著減少排泄物中NH3、H2S和總硫醇排放量。張露（2015）表明，在飼糧中添加產(chǎn)朊假絲酵母、枯草芽孢桿菌等能夠有效減少肉雞排泄中NH3和H2S的含量。趙建文（2011）將一種新型的活菌制劑PRO-JY制劑（主要成分為嗜酸乳酸菌、釀酒酵母、芽孢桿菌等）添加到飲水中，檢測到雞舍NH3濃度顯著降低。

4.3.3 寡糖類

寡糖類由于不能被家禽消化酶分解，直接進(jìn)入到盲腸進(jìn)而被后腸有益菌選擇性發(fā)酵利用，有利于腸道的微生態(tài)平衡（侯瑞等，2015）。Zhao等（2013）表明，日糧添加0.25%和0.50%的果聚糖可顯著降低肉雞排泄物中NH3濃度。Ahmed等（2015）研究表明，日糧添加0.05%的二氧化氯，顯著減少肉雞回腸和盲腸大腸桿菌和盲腸鼠傷寒沙門氏菌的數(shù)量，排泄物中H2S排放量減少62.50%，而未對肉雞的生長性能產(chǎn)生影響。Cho等（2014）在日糧中添加0.2%的半乳糖苷果糖，顯著降低了肉仔雞排泄物中NH3、H2S和乙酸的排放，其中H2S排放量減少52.9%。Yang等（2016）在肉雞日糧中分別添加3 g/kg（以總糖含量計）的菊糖、大豆寡糖、甘露寡糖和果寡糖均能顯著降低排泄物吲哚和糞臭素的濃度，顯著降低pH值。不過寡糖類的減排效果也存在一定的劑量效應(yīng)，王琪等（2016）表明，日糧添加0.5%的菊糖顯著降低了肉仔雞排泄物及腸道內(nèi)容物中吲哚和糞臭素的濃度。寡糖主要通過調(diào)控菌群結(jié)構(gòu)和數(shù)量，降低肉仔雞盲腸、直腸糞臭素和吲哚的產(chǎn)生量（Liu等，2018）?？梢?，寡糖類添加劑的減排效果主要與其能夠調(diào)控微生物菌群的結(jié)構(gòu)和數(shù)量有關(guān)。

4.3.4 植物提取物

程志斌等(2012)研究證明，絲蘭提取物(120 mg/kg)和枯草芽孢桿菌（5×1011CFU/kg）能顯著降低雞舍NH3和H2S的濃度。也能顯著提高肉雞對飼料蛋白質(zhì)的利用率（程志斌等，2013）。樟科提取物具有抑制脲酶活性，減少豬舍NH3、H2S的生成的效果，也具有降低尿酸酶活性，降低肉雞排泄物中尿酸含量的作用（李澤政等，2014）。周霞等（2012）還發(fā)現(xiàn)，一串紅和桂花提取物均能很好地抑制肉雞排泄物脲酶活性，降低NH3、尿酸和氨態(tài)氮含量，其中桂花提取物對減少氨態(tài)氮的排放效果最明顯。近些年來，螺旋藻粉作為綠色天然的飼料添加劑具有提高家禽的生產(chǎn)性能，消化率等功效。Park等（2018）研究表明，隨著日糧中螺旋藻添加量的增加（0.25%～1.0%），肉雞盲腸乳酸桿菌數(shù)量呈線性增加，排泄物中NH3排放量呈顯著線性下降趨勢。趙宇等（2017）發(fā)現(xiàn)10%濃度的除臭劑對雞糞中NH3、H2S的12 h消除率可達(dá)78%。

5 小結(jié)

隨著家禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴(yán)重。家禽場產(chǎn)生的臭氣化合物對生態(tài)環(huán)境、家禽生產(chǎn)和人類的健康都有很大影響。探索低碳發(fā)展之路，是實(shí)現(xiàn)家禽業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在，也是人類社會應(yīng)對氣候變化的重要選擇。通過養(yǎng)殖場的科學(xué)管理、家禽日糧的科學(xué)配制、合理使用飼料添加劑等，能夠在一定程度上降低家禽排泄物臭氣化合物的產(chǎn)生量，但由于臭氣化合物組成的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)理想的減排效果仍需要進(jìn)行大量的研究工作。未來研究將主要關(guān)注：①構(gòu)建家禽凈能體系，研究低蛋白質(zhì)日糧適宜的蛋白能量比，實(shí)現(xiàn)日糧精準(zhǔn)配制；②研究與臭氣化合物產(chǎn)生相關(guān)的代謝通路及有效降解臭氣化合物的靶細(xì)菌的篩選等。總之，從養(yǎng)殖源頭（飼料）科學(xué)實(shí)現(xiàn)家禽排泄物臭氣化合物的減排是最根本的方法。