范小丫,高鳳仙
(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410128;2.湖南畜禽安全生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南 長沙 410128)
隨著養(yǎng)殖業(yè)集約化程度加深,養(yǎng)殖規(guī)模擴大,由畜禽養(yǎng)殖帶來的污染問題不斷加劇,如何減輕畜禽養(yǎng)殖業(yè)對環(huán)境的污染日益受到重視。國內(nèi)外對畜禽糞便污染物的處理方式主要分為產(chǎn)前、產(chǎn)中和產(chǎn)后治理。產(chǎn)前主要是通過一些營養(yǎng)調(diào)控舉措改善飼料利用效率、減少畜禽排放糞便污染物的數(shù)量,如制定科學(xué)的飼料配方、平衡日糧蛋白、采用添加劑等;產(chǎn)中強化管理,使用合理清糞工藝;產(chǎn)后對畜禽糞尿進行無害化、資源化、市場化處理。很多學(xué)者極重視產(chǎn)后處理的研究,雖然這類方式效果較為明顯,但也具有成本高、技術(shù)要求嚴(yán)格及易產(chǎn)生二次污染的特點。近年來,一些研究者將研究重點轉(zhuǎn)移到產(chǎn)前處理,從源頭減少畜禽糞便污染物的產(chǎn)生[1]。飼料添加劑由于成本低、運用靈活、能增強畜禽免疫力[2]、提高生產(chǎn)力[3],受到廣大養(yǎng)殖者的青睞。益生素作為新型的無公害飼料添加劑,具有減少畜禽糞便污染物含量的作用,正在被廣泛應(yīng)用于畜牧生產(chǎn)之中。本文就益生素調(diào)控畜禽糞便污染物產(chǎn)生的效果及作用機制進行綜述,為從源頭上緩解畜禽糞便污染環(huán)境的問題提供理論依據(jù)。
畜禽場惡臭物的種類繁多,其成分、數(shù)量與畜禽種類、糞便含水量、pH、環(huán)境溫度、通氣量以及堆放時間有關(guān)[4],主要包括揮發(fā)性含硫化合物、氨和揮發(fā)性胺、吲哚、酚、揮發(fā)性脂肪酸等[5]。豬糞臭氣物的主要成分為揮發(fā)性低級脂肪酸[6];雞糞和尿同時間排出,含有較多的氨和二甲基二硫[7];牛糞臭氣的主要成分是低級脂肪酸,類型相對較少,含量相對較低[8]。惡臭物質(zhì)不僅降低畜禽免疫力、危害畜禽健康、導(dǎo)致生產(chǎn)力下降,飼養(yǎng)員長期吸入惡臭氣體也會引起呼吸道疾病,引發(fā)支氣管炎、肺炎,危害人的健康。有研究表明即使惡臭物成分與數(shù)量減少90%,但人對其感覺只下降50%[9],這加大了糞便惡臭物治理的難度。由于NH3和H2S在畜禽糞便中濃度較高、對人畜健康影響最大,現(xiàn)階段國內(nèi)普遍以其濃度作為畜禽糞便除臭指標(biāo)[10]。
畜禽糞便中存在大量的細(xì)菌、真菌、病毒以及寄生蟲等不同類型的生物,其中的大腸桿菌、沙門氏菌、蛔蟲卵等存在致病性特征[11]。病畜體內(nèi)致病生物以糞便為載體,經(jīng)過消化道排出體外,進入土壤、江河中危害農(nóng)作物,通過食物鏈富集最終威脅人類健康[12]。有調(diào)查報告顯示中國養(yǎng)殖場未經(jīng)處理的污水中含有大量的有害微生物,其中含大腸桿菌33萬個/mL,大腸球菌69萬個/mL,每1 000 mL的沉淀池污水中含蛔蟲卵和線蟲卵的數(shù)量分別是190和100多個[13]。隨糞便排出體外后如不加處理,多數(shù)致病菌及蟲卵可長期生存。如糞便內(nèi)大腸桿菌含量需要2~3個月才能下降到無害標(biāo)準(zhǔn),沙門氏菌需要4~5個月,糞便內(nèi)90%的蛔蟲卵死亡則需10個月[14]。
隨著促進畜禽生長的營養(yǎng)性飼料添加劑的廣泛使用,飼料廠商在飼料中添加大量的礦物質(zhì)添加劑來確保畜禽健康快速生長,導(dǎo)致飼料中的重金屬元素過高,然而微量元素的利用率極低。根據(jù)相關(guān)報道可知,中國每年度的微量元素使用數(shù)量為15萬~18萬t,未被吸收利用的數(shù)量約10萬t[15]。大量未消化利用的微量元素隨畜禽糞便排出體外,污染土壤,經(jīng)過農(nóng)作物與水進入人體,并與體內(nèi)的酶、蛋白質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng),繼而導(dǎo)致其喪失生物活性,引起機體代謝混亂,造成中毒,危害人體健康[16]。重金屬不能被微生物降解,存留在土壤中,對環(huán)境造成長期的污染。
現(xiàn)階段,養(yǎng)殖場大量使用抗生素來治療畜禽疾病,并且以亞治療劑量添加在畜禽飼料中,用于防治畜禽疾病及促進其生長。但絕大部分抗生素不能被機體代謝吸收,約有90%的抗生素以原形或者代謝物形式經(jīng)由畜禽的糞、尿排入環(huán)境[20]。而環(huán)境中殘留的抗生素有著誘導(dǎo)耐藥性細(xì)菌產(chǎn)生、影響微生物群落、影響植物生長發(fā)育等潛在的風(fēng)險。因此,近年來學(xué)者致力于對替抗物質(zhì)的研究,減少養(yǎng)殖業(yè)中抗生素的使用。而益生素作為一種高效綠色的替抗物質(zhì),受到了人們的廣泛關(guān)注。
“益生素”最早可追溯到希臘用語,其原本的意思為“活的”,被界定成“活的飼料添加劑”。經(jīng)過多年發(fā)展,人們對益生素的研究程度不斷加深,對益生素也有了更加清晰、完善的界定。20世紀(jì)60年代中期,有學(xué)者提出益生素是一種“由某類微生物分泌,可以促進他類微生物生長的物質(zhì)”,其功能和抗生素截然相反;70年代中期,益生素被定義為是一種“可以促進腸道菌群均衡的微生物及其有關(guān)物質(zhì)”;80年代末期,益生素定義進一步完善是指在協(xié)調(diào)腸道內(nèi)微生物均衡情況的基礎(chǔ)上,有效發(fā)揮其有利功能的微生物及其有關(guān)物質(zhì)。如今,絕大多數(shù)學(xué)者指出,益生素是可以直接喂動物的活性微生物,其在動物腸道內(nèi)對病原菌有競爭性抑制作用,從而生成優(yōu)勢菌群,產(chǎn)生抑制或消滅菌類物質(zhì),達到強化機體免疫能力、減小環(huán)境污染等作用[21]。
目前,我國允許在飼料中添加使用的益生素有乳酸菌類、酵母類真菌、芽孢桿菌類和光和細(xì)菌共12種[22]。其中,乳酸菌類是在飼料中最常添加的一類,主要包括乳酸桿菌、糞鏈球菌、雙歧桿菌。酵母菌類主要有類假絲酵母、紅色酵母、釀造酵母和啤酒酵母。芽孢桿菌類包括枯草芽孢桿菌、地農(nóng)芽孢桿菌、臘樣芽孢桿菌和東洋芽孢桿菌。光和細(xì)菌主要應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖中作為培水餌料及飼料添加成分。
在飼料中添加益生素能夠很好的優(yōu)化養(yǎng)殖環(huán)境,減少糞便中惡臭物、病原微生物、氮磷及重金屬等的排放量,緩解現(xiàn)階段由于抗生素過量使用而對環(huán)境造成的威脅。
畜禽糞便惡臭物很大一部分是由有害菌所產(chǎn)生,益生素能夠通過減少畜禽糞便中有害微生物的數(shù)量,從而進一步減少畜禽糞便中臭氣物的產(chǎn)生。其主要作用途徑:(1)爭奪黏附位點。病原菌在畜禽腸道黏附定值是其發(fā)揮毒性的基礎(chǔ)[23]。益生素進入畜體與宿主腸道黏膜發(fā)生非特異性結(jié)合,占據(jù)定值位點,在腸道表面形成一層“菌膜”[24],阻礙有害菌在腸道內(nèi)黏附定值與生存繁殖;(2)爭奪營養(yǎng)物質(zhì)。定值在畜禽腸道黏膜上皮細(xì)胞的益生素在位置與數(shù)量上占絕對優(yōu)勢,搶先吸收腸上皮細(xì)胞上的營養(yǎng)物質(zhì),從而抑制有害菌群在畜禽體內(nèi)的增值[25];(3)爭奪鐵離子。鐵離子參與細(xì)胞電子傳遞與DNA合成等重要的生命過程[26],是絕大多數(shù)微生物必須的營養(yǎng)物質(zhì)。益生素?fù)屜葟乃拗髂c道內(nèi)獲取鐵離子,抑制致病菌轉(zhuǎn)運利用鐵離子而降低其活性;(4)爭奪氧氣。益生菌如孢子菌在畜禽腸道內(nèi)大量繁殖消耗腸道內(nèi)氧氣,在局部范圍形成厭氧環(huán)境,抑制需氧致病菌的繁殖,維護腸道平衡[27];(5)產(chǎn)生抑菌物質(zhì)發(fā)揮抑菌作用。如乳酸菌等益生素進入畜禽機體內(nèi)后發(fā)生代謝反應(yīng),并由此形成細(xì)菌素、有機酸等,可以抑制細(xì)菌生長[28]。
飼喂益生素以后,動物腸道之中的乳酸菌等有益菌的數(shù)量增加,且其能夠在機體腸道內(nèi)生成維生素B族、K族[29],繼而加強動物機體內(nèi)的營養(yǎng)代謝。并且有益微生物如芽孢類制劑進入機體后,可以形成脂肪酶、蛋白酶及淀粉酶等多種消化酶[28],有提高飼料消化率的作用。
Klaenhammer等[30]認(rèn)為益生菌代謝產(chǎn)生的細(xì)菌性多糖,肽聚糖可通過信號傳導(dǎo)產(chǎn)生通路刺激巨噬細(xì)胞、噬中性粒細(xì)胞產(chǎn)生免疫調(diào)節(jié)介質(zhì),參與調(diào)節(jié)機體非特異性免疫反應(yīng),增強機體免疫力, 從而減少抗生素的使用。
惡臭氣體以NH3、H2S為指標(biāo),大量的研究證實,將益生素加至飼糧中,能夠有效減少畜禽糞便惡臭氣體的產(chǎn)生。廖新俤等[31]通過對兩萬頭豬飼喂芽孢桿菌后發(fā)現(xiàn),豬圈內(nèi)氨含量,尿中氨氮含量顯著降低,糞中NH3的含量有所下降,減少了惡臭物的產(chǎn)生。Cha等[32]研究結(jié)果顯示植物乳桿菌可以有效減少肥育豬豬舍中NH3與H2S的濃度。馬曉婷等[33]以蛋雞為試驗對象,在飼料中添加乳酸菌后發(fā)現(xiàn)雞糞中NH3和H2S濃度比對照組低38.76%和20.17%。李海英等[34]研究加酶益生素對蛋雞糞中NH3和H2S釋放量的影響顯示,試驗組糞中NH3和H2S釋放量顯著降低。劉艷豐等[35]通過在育肥豬飼糧中分別添加植酸酶、復(fù)合酶、益生素、寡糖,發(fā)現(xiàn)與對照組相比,試驗組豬糞便的NH3與H2S含量均成下降趨勢。Chu等[36]指出添加0.2%的益生素可減少生長豬糞便中胺與NH3的排放。劉艷豐等[37]研究酶、益生素和寡糖對蛋雞糞便中有害氣體的影響指出,添加非營養(yǎng)性添加劑后,蛋雞糞便中H2S含量最多下降達37.24%,尤以植酸酶+復(fù)合酶+益生素+果寡糖復(fù)合添加效果最好。在畜禽飼糧中添加益生菌添加劑可以減少畜禽糞便中有害氣體的產(chǎn)生,并且與其他非營養(yǎng)性添加劑如酶制劑等混合使用效果更佳[38]。一方面是由于益生素抑制畜禽體內(nèi)產(chǎn)生臭氣的有害病菌的生長繁殖;另一方面當(dāng)pH大于7時,NH3的釋放加快[39],益生菌在其生長代謝過程中產(chǎn)生的有機酸可降低腸道pH值[40-41],使NH3的釋放速率減慢,緩解臭氣的產(chǎn)生。
糞便菌群的變化在一定程度上反應(yīng)了腸道菌群變化。肖運才等[42]指出,丁酸梭菌對腸道致病菌有明顯的抑制作用,對有益菌有促增殖的作用。楊清旺等[43]指出,益生菌的使用可提高肉雞腸道乳酸菌/腸桿菌的比值,改善腸道菌群。李成[44]試驗發(fā)現(xiàn),添加微生物制劑的的肉雞腸道雙歧桿菌、乳酸桿菌數(shù)均顯著提高,大腸桿菌、沙門桿菌數(shù)均顯著降低。郭欣怡等[45]指出,日糧中添加乳酸菌、丁酸菌和復(fù)合菌均可改善肉雞腸道菌群,增加盲腸內(nèi)乳酸菌的數(shù)量,降低盲腸內(nèi)大腸桿菌的數(shù)量,其中復(fù)合菌優(yōu)于乳酸菌,復(fù)合菌協(xié)同共生、優(yōu)勢互補,應(yīng)用效果比單一菌劑更顯著。Bon等[46]研究發(fā)現(xiàn),飼糧中添加釀酒酵母和乳酸片可顯著減少仔豬糞便中大腸桿菌數(shù)量。Dong等[47]、鞏振華等[48]學(xué)者的研究結(jié)果也顯示乳酸菌可抑制仔豬腸道大腸桿菌的生長;張建梅等[49]報道復(fù)合微生態(tài)制劑可以顯著促進腸道乳酸菌的增值,降低糞便中大腸埃希菌數(shù)量;白麗娟等[50]從馬奶酒中分離出了一種植物性乳酸桿菌,發(fā)現(xiàn)該微生物可以較好地抑制金黃色葡萄球菌、沙門菌、單增李斯特氏菌、大腸桿菌、志賀氏菌等致病菌的生長繁殖;Otero等[51]研究證明益生菌能夠在生長代謝時形成一些細(xì)菌素、有機酸等代謝產(chǎn)物,由此產(chǎn)生抗微生物活性的作用,產(chǎn)生的有機酸和過氧化氫成酸性,降低腸道pH,抑制有害菌群的生長,從而發(fā)揮抗菌作用[52]。另外飼料中添加益生菌能夠?qū)?yōu)勢菌群進行補充,通過和有害菌群進行競爭,減少有害菌的侵入,限制有害菌的生長,繼而確保腸道內(nèi)環(huán)境的均衡,減少糞便中有害微生物。
添加益生素可提高畜禽對營養(yǎng)物質(zhì)的消化利用率,從而減少糞便中氮磷的排放量。席磊等[53]在櫻桃谷肉鴨日糧中添加微生物制劑發(fā)現(xiàn)鴨糞便中氮、磷的排泄量顯著降低,明顯地改善了鴨場環(huán)境質(zhì)量。劉均等[54]在蛋鴨飲水中加入枯草芽孢桿菌,池水中加入光合菌,發(fā)現(xiàn)益生素聯(lián)用能夠在一定程度上降低水中總氮以及總磷的含量。易中華等[55]指出,飼喂添加益生素的飼糧的肉雞,其氮磷排放量和糞中有害氣體散發(fā)量可顯著減少。李瑞等[56]試驗結(jié)果顯示,微生態(tài)制劑組生長豬糞中氮含量分別較對照組和抗生素組低0.46%和24.87%,磷含量低3.56%和7.41%。潘淑惠等[57]指出添加復(fù)合益生素組雞糞中氮含量降低56.69%,磷含量降低63.27%。益生素對于提高氮磷利用率的作用機理迄今為止只是一個籠統(tǒng)的概念,現(xiàn)階段的研究只能指出添加芽孢桿菌等益生素能夠形成數(shù)種消化酶,例如淀粉酶、蛋白酶及機體本身無法產(chǎn)生的酶等[58],提高了飼料的消化吸收率,從而減少了糞便中氮磷的排出,而關(guān)于益生素如何在畜禽體內(nèi)提高氮磷的吸收仍需要進一步研究論證。
從源頭上解決畜禽糞便金屬污染,需要增加畜禽對微量礦物元素的消化吸收率。現(xiàn)今,添加在畜禽飼料中的微量礦物元素添加劑主要是無機鹽的形式,如亞硒酸鈉、三氯化鉻等。但由于其普遍具有吸收利用率較低、毒性相對較大、污染環(huán)境等不足,現(xiàn)在很多國家開始采用有機形式的必需微量元素添加劑。趙玉鑫[59]在蛋雞中添加富硒益生菌發(fā)現(xiàn),相同水平的硒添加量富硒益生菌較亞硒酸鈉更能顯著提高蛋中硒含量,說明蛋雞對以益生素為載體的硒消化吸收率更高,從而減少糞便中硒的排放量。Pan等[60]試驗也得出富硒益生素可以顯著提高蛋中硒含量,降低糞中硒含量。王金和等[61]使用產(chǎn)朊假絲酵母、嗜酸乳桿菌、凝結(jié)芽孢桿菌將無機鋅轉(zhuǎn)化為有機鋅添加在蛋雞飼料中發(fā)現(xiàn),富鋅益生菌不僅發(fā)揮鋅的功效,并且保證了益生菌的生物學(xué)功能。Singh等[62]評估酵母菌蛋白質(zhì)形式的鐵、銅、鋅、錳對肉仔雞生長性能與排泄物的影響,結(jié)果表明酵母蛋白質(zhì)形式替代無機形式的微量元素,可顯著提高肉雞的飼料轉(zhuǎn)化率,并減少糞便中重金屬元素的排泄量。Han等[63]比較抗生素、氧化鋅、酵母鋅對斷奶仔豬生長性能與飼料消化率的影響,結(jié)果顯示添加酵母鋅飼料的干物質(zhì)、粗蛋白、鈣、磷和能量的消化率極顯著的高于補充氧化鋅飼料的消化率。益生菌生長周期相對較短、生長速度相對較快、對高濃度金屬元素的適應(yīng)力強,并且在進入動物身體之后,有益于宿主。所以,益生菌被視為微量元素有機化的理想載體[64],這樣不但能夠保證益生菌所具備的生物學(xué)功能,還可以確保必需微量元素的消化吸收及生物學(xué)功能。因此,將微量元素以益生素為載體有機化,可提高微量元素的消化利用率,從而減少糞便中重金屬的排放量,減輕畜禽糞污對環(huán)境的污染。
現(xiàn)有研究已證明,在畜禽飼料中添加益生素與抗生素有著類似甚至更優(yōu)的效果。因此,益生素可作為一種優(yōu)秀的替抗物質(zhì)添加在飼料中,減少抗生素的使用,從而緩解畜禽糞便中抗生素對環(huán)境的污染。
益生素添加劑的使用能夠有效的減少畜禽糞便污染物,但在使用益生素的過程中,也出現(xiàn)了一些亟待重視的問題:第一,實際可用的菌種相對較少。如對某種或數(shù)種益生菌進行長期、過量使用,將會導(dǎo)致其功效的降低,且會使微生態(tài)平衡受到破壞,所以在今后的產(chǎn)品開發(fā)中,應(yīng)進一步豐富益生菌的種類。第二,無法確保益生素產(chǎn)品的穩(wěn)定性,在加工、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)中,產(chǎn)品的活菌數(shù)量可能會不斷減少,進入機體后,對低pH的胃酸、胰酶等的耐受性差,因而需要尋找益生素最佳添加與保護方式。第三,益生素產(chǎn)品的具體作用機理依舊不明確,采用益生菌基因、代謝組學(xué)等領(lǐng)域的技術(shù),繼續(xù)深化對益生素和消化道之間微觀關(guān)系的認(rèn)知,仍是以后的研究方向。