日糧淀粉對豬腸道微生物和臭氣排放調(diào)控的研究進展

余 苗，陳衛(wèi)東，鄧 盾，李貞明，王 剛，馬現(xiàn)永

(廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 動物科學(xué)研究所，農(nóng)業(yè)部華南動物營養(yǎng)與飼料重點實驗室，畜禽育種國家重點實驗室，廣東省動物育種與營養(yǎng)公共實驗室，廣東省畜禽肉品質(zhì)量安全控制與評定工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510640)

隨著我國養(yǎng)豬業(yè)的快速發(fā)展，養(yǎng)殖過程中排放糞污臭氣導(dǎo)致的環(huán)境污染問題日益凸顯，并嚴(yán)重制約了養(yǎng)豬業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。從20世紀(jì)80年代到2008年，我國畜禽糞便的產(chǎn)生量從6.9×108t增長到30×108t[1]。據(jù)2010年《第一次全國污染源普查公報》顯示，畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放的糞污已成為我國最主要的農(nóng)業(yè)面源污染源之一，畜禽養(yǎng)殖排放的氨氮量達102.48×104t，占全國總排放量的21.7%，其中有大部分以氨氣的形式排放到空氣中。有研究報道指出，育肥豬飼養(yǎng)期間，平均每頭豬的氨氣排放量達107.18～424.42 mg/h[2]。另有統(tǒng)計表明，一個年出欄10.8萬頭豬的豬場，每小時可向環(huán)境中釋放159.0 kg的氨和14.5 kg的硫化氫(H2S)氣體[3]，而氨和H2S均屬于養(yǎng)殖場臭氣的重要組成部分。養(yǎng)殖過程中排放的這些臭氣物質(zhì)不僅降低動物的生產(chǎn)性能和免疫力，還易引發(fā)飼養(yǎng)員以及生活在養(yǎng)殖周邊環(huán)境中的人患支氣管炎等呼吸道疾病[4]。動物腸道微生物在臭氣物質(zhì)產(chǎn)生和減少的過程中起重要作用，因而通過營養(yǎng)手段調(diào)控腸道微生物，從源頭上減少養(yǎng)豬業(yè)臭氣物質(zhì)的排放將是當(dāng)前營養(yǎng)學(xué)和生態(tài)學(xué)研究的一個熱點，對探索生豬生態(tài)健康養(yǎng)殖和環(huán)境友好型畜牧生產(chǎn)方式具有重要的科學(xué)意義。

淀粉是谷物飼料中最主要的碳水化合物來源，也是畜禽所需能量的重要來源[5]。在自然界中，天然淀粉主要有兩種存在形式：支鏈淀粉和直鏈淀粉。其中支鏈淀粉屬于快速消化淀粉，在腸道中易被快速消化吸收，而直鏈淀粉屬于慢速消化淀粉，淀粉中直鏈淀粉含量越高，越難被消化酶降解，但在后腸可作為微生物的發(fā)酵底物，改變腸道微生物的發(fā)酵模式和腸道菌群結(jié)構(gòu)，減少臭氣物質(zhì)的產(chǎn)生，進而從源頭上減少環(huán)境污染。本文就養(yǎng)豬場臭氣物質(zhì)的組成、日糧淀粉對豬腸道微生物和臭氣物質(zhì)排放的調(diào)控等方面進行綜述，為養(yǎng)豬場臭氣減排提供參考。

1 豬場臭氣物質(zhì)的來源與組成

豬場的臭氣來源多樣化，其中糞污施肥過程、糞污貯存過程、畜禽舍內(nèi)以及飼料生產(chǎn)和貯藏過程是產(chǎn)生臭氣的主要來源[6]。有關(guān)惡臭方面的投訴大約有50%涉及糞污施肥過程，20%涉及糞污貯存場所，30%涉及到畜禽養(yǎng)殖舍[7]。隨著施肥技術(shù)的改變，歐洲國家的惡臭投訴偏向于畜禽舍和糞污處理過程[8]。但有關(guān)各排放源對畜禽養(yǎng)殖臭氣污染貢獻率還需進一步系統(tǒng)研究。

臭氣物質(zhì)實質(zhì)是腸道以及環(huán)境中的微生物在厭氧條件下發(fā)酵未消化完全的碳水化合物、含氮和含硫化合物而產(chǎn)生的一系列代謝產(chǎn)物，這些物質(zhì)具有刺激人的嗅覺器官的感受作用。采用GC-MS技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，豬場中的臭氣物質(zhì)多達331種揮發(fā)性有機化合物和固定氣體[9]，按照化學(xué)性質(zhì)，這些物質(zhì)主要分為四種：酚和吲哚類物質(zhì)、含硫化合物、氨和揮發(fā)性生物胺類、揮發(fā)性脂肪酸類[6]。

1.1 酚和吲哚類物質(zhì)

酚(苯酚、對甲酚、3-甲基苯酚和對-乙基苯酚)和吲哚(吲哚和糞臭素)是微生物在厭氧條件下代謝芳香族氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸)而產(chǎn)生的一類具有惡臭味的物質(zhì)[10]。在此過程中，參與的微生物主要有Bacteroides、Clostridia、Lactobacillus、Bifidobacteria和Peptostreptococcus[11]。其中酪氨酸發(fā)酵主要生成苯酚和對甲酚，苯丙氨酸主要生成苯乙酸，而色氨酸既可在低pH條件下直接生成吲哚，又可在高pH條件下經(jīng)過吲哚乙酸生成臭氣閾值更低的糞臭素[12]。有研究發(fā)現(xiàn)，豬舍空氣中的對甲酚濃度較高，占芳香族化合物的64%，同時對甲酚的臭味閾值最低，因而在該類物質(zhì)中，對甲酚對惡臭的貢獻率最高[13]。

1.2 含硫化合物

養(yǎng)殖臭氣中的含硫化合物一般具有強烈的刺激性惡臭味，主要包含有H2S、硫醇類和硫醚類，而H2S和甲硫醇是豬糞中最令人感到不悅感的主要物質(zhì)[14]，這兩種物質(zhì)占養(yǎng)殖中揮發(fā)性含硫惡臭物質(zhì)的70%以上。豬糞便中散發(fā)出的H2S濃度達到90 μg/m3，豬舍內(nèi)空氣中甲硫醇的濃度可達3.6×104μg/m3，是其自身臭閾值的947～120×106倍[15]。這些含硫化合物的產(chǎn)生途徑主要有三條：一是在微生物的作用下發(fā)酵含硫氨基酸(蛋氨酸和半胱氨酸)而來[16]；二是在硫還原菌(SRB)作用下還原日糧中添加的無機硫酸鹽和亞硫酸鹽而產(chǎn)生[17]；三是通過分解代謝腸道上皮硫粘蛋白而來[18]。微生物可在半胱氨酸脫硫酶的作用下，從半胱氨酸的碳鏈中獲取能量產(chǎn)生硫化氫[19-20]，而蛋氨酸則可被微生物轉(zhuǎn)換成α-酮丁酸、氨、甲硫醇和乙硫醇等含硫化合物[19]。參與此過程的微生物主要有Enterococci、Enterobacteria、Peptostreptococci、Fusobacteria和Eubacteria[19]。

1.3 氨和揮發(fā)性生物胺

氨和揮發(fā)性生物胺類物質(zhì)是養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生刺激臭味的主要含氮物質(zhì)。其中氨主要來源于尿液中的尿素氮，小部分來源于腸道或排出后的糞便。氨排放到空氣中是一個緩慢的過程，并受多種因素的影響，其中pH是影響氨排放最重要的一個因素，其濃度隨著pH的升高而增加[21]。當(dāng)動物腸道和糞肥處于偏酸性環(huán)境下，氨主要以NH4+形式存在，而當(dāng)處于堿性條件時，微生物對氨基酸進行脫氨反應(yīng)或者在微生物脲酶的作用下對尿素水解產(chǎn)生大量的氨[22]，其中尿素水解是氨氣產(chǎn)生的最主要途徑。有研究指出，糞便中諸多兼性厭氧微生物可分泌大量的脲酶，當(dāng)尿中的尿素氮接觸到糞便時會產(chǎn)生大量的氨氣[23]。因此，在養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中，實施糞尿分離是降低氨氣排放的一個重要措施。

揮發(fā)性生物胺類物質(zhì)是微生物對相應(yīng)氨基酸進行脫羧反應(yīng)而產(chǎn)生的一類具有臭味的物質(zhì)。腸道食糜或者糞肥中生物胺的種類很多，主要有甲胺、組胺、色胺、尸胺、腐胺、精胺和亞精胺，其濃度受pH、微生物的種類以及前體氨基酸濃度的影響。當(dāng)pH 5～6時，一些微生物如Bacteroides、Bifidobacterium、Enterobacteria、Selenomonas和Streptococcus能發(fā)酵利用氨基酸生成上述生物胺[24]。

1.4 揮發(fā)性脂肪酸

揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)主要由乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸(Short-chain fatty acid，SCFA)組成，主要由腸道和糞污中微生物在厭氧條件下對未消化的膳食纖維或者復(fù)合碳水化合物發(fā)酵產(chǎn)生，同時，微生物也可發(fā)酵蛋白質(zhì)或者氨基酸產(chǎn)生VFAs，如甘氨酸可通過Stickland反應(yīng)生成乙酸，Clostridium可在蘇氨酸脫氫酶的作用下發(fā)酵蘇氨酸生成丙酸，也可通過丙烯酸途徑代謝丙氨酸生成丁酸[25]。此外，日糧以及內(nèi)源來源的支鏈氨基酸，如纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸也可在微生物的作用下經(jīng)過脫氨反應(yīng)分別生成異丁酸、異戊酸和2-甲基丁酸等臭氣閾值更低的支鏈脂肪酸(Branched-chain fatty acids，BCFAs)[26]，參與該過程的微生物主要有Bacteroides、Propionibacterium、Streptococcus和Clostridium等菌屬。由于BCFAs只由蛋白質(zhì)發(fā)酵而來，因此常將其作為判定微生物發(fā)酵類型以及蛋白質(zhì)發(fā)酵程度的一個指標(biāo)[27]，其含量越高，表明有越多的含氮化合物被微生物分解供能。上述有機酸有66%以上能被大腸上皮細(xì)胞吸收供能，可為機體提供能量所需的10%～15%，因而對新排放的糞便引起的惡臭味程度不如在堆肥或糞污施肥過程中產(chǎn)生的影響大。

2 消化道微生物與臭氣產(chǎn)生的關(guān)系

動物的消化道微生物不僅數(shù)量龐大，而且還具有潛在的生物活性，可以與宿主互補，通過代謝日糧中的營養(yǎng)物質(zhì)以及與腸上皮細(xì)胞互作，對宿主的營養(yǎng)、代謝、免疫和健康產(chǎn)生重要的影響[28]。同時，消化道微生物的組成結(jié)構(gòu)以及代謝活動對畜禽養(yǎng)殖臭氣的形成也具有至關(guān)重要的作用。

為維持正常生長所需，消化道微生物需要在厭氧條件下代謝發(fā)酵碳水化合物和蛋白質(zhì)來獲取能量。按照底物的不同，微生物的發(fā)酵類型可分為碳水化合物型發(fā)酵和含氮化合物型發(fā)酵。其中，碳水化合物型發(fā)酵的終產(chǎn)物主要是乙酸、丙酸和丁酸等SCFAs。而日糧蛋白質(zhì)首先在宿主和微生物所分泌的胃蛋白酶的作用下分解生成多肽，進一步在蛋白酶或者肽酶的作用下，消化分解為含有2到3個氨基酸的小肽或游離氨基酸，這些小分子物質(zhì)被吸收進入細(xì)菌胞內(nèi)后，可直接被細(xì)菌合成菌體蛋白，而當(dāng)碳水化合物缺乏時，則進入分解代謝途徑為細(xì)菌生長提供能量所需，發(fā)生脫羧或脫氨反應(yīng)。與碳水化合物型發(fā)酵相比，含氮化合物型的發(fā)酵除了產(chǎn)生乙酸、丙酸和丁酸等SCFAs外，還伴隨著長鏈(戊酸)/支鏈脂肪酸、H2S、硫醇、氨和揮發(fā)性生物胺類、酚和吲哚類等物質(zhì)的產(chǎn)生[6]。上述許多物質(zhì)(氨和揮發(fā)性胺類、酚和吲哚類、含硫化合物、長/支鏈脂肪酸)均為臭氣成分，因而腸道微生物以含氮化合物型發(fā)酵進行的代謝活動是養(yǎng)殖臭氣產(chǎn)生的主要途徑。

碳水化合物型發(fā)酵產(chǎn)生的主要是4碳以下的SCFAs，且在腸道中大部分被吸收供能，對養(yǎng)殖臭氣的貢獻率不大。此外，消化道微生物發(fā)酵碳水化合物獲取了充足的碳源，可進一步同化含氮物質(zhì)合成菌體蛋白以滿足自身生長所需，從而調(diào)控腸道菌群對含氮化合物的腐敗發(fā)酵[29]，還可減少經(jīng)脫氨反應(yīng)代謝轉(zhuǎn)移至尿液中的尿素氮含量。因此，當(dāng)后腸碳水化合物增多時，腸道中的含氮物質(zhì)更多的用于合成菌體蛋白有利于從源頭上減少養(yǎng)殖臭氣的排放。同時，碳水化合物型發(fā)酵產(chǎn)生的大量有機酸和SCFAs，可降低腸道內(nèi)的pH，抑制蛋白質(zhì)腐敗發(fā)酵菌，如Clostridium等的生長[30]，從而減少對含氮物質(zhì)的腐敗發(fā)酵。因此，使腸道微生物偏向碳水化合物型發(fā)酵是減少畜禽養(yǎng)殖臭氣產(chǎn)生的有效途徑。

3 消化道微生物菌群結(jié)構(gòu)與臭氣物質(zhì)

3.1 日糧淀粉對動物消化道微生物菌群結(jié)構(gòu)的影響

微生物在消化道中的增殖主要依賴于日糧所提供的營養(yǎng)成分。因此，日糧結(jié)構(gòu)是影響消化道微生物組成和功能的最主要因素之一[31]。日糧中營養(yǎng)素的變更可快速改變腸道微生物菌群的結(jié)構(gòu)和功能，進而影響微生物的發(fā)酵模式和代謝。淀粉是機體重要的能量來源，其化學(xué)結(jié)構(gòu)是影響其降解速率的一個重要因素。可消化淀粉在到達小腸時即可在α-淀粉酶、糊精酶以及葡萄糖苷酶的共同作用下被消化吸收，增加直鏈/抗性淀粉的含量，能降低其在小腸中被α-淀粉酶消化的速率，從而增加進入后腸可被微生物發(fā)酵利用的基底物質(zhì)。

畜牧工作者針對不同類型淀粉日糧對畜禽腸道微生物菌群的影響做了一系列的研究。Bird等[32]給28日齡的仔豬飼喂含有高直鏈淀粉以及熱水處理后的高直鏈淀粉日糧21 d后發(fā)現(xiàn)，兩種高直鏈淀粉日糧均降低了結(jié)腸內(nèi)容物和糞樣中的pH，增加了總SCFA和單個揮發(fā)性脂肪酸的濃度，同時增加了Bifidobacteria和Lactobacilli的數(shù)量。給斷奶仔豬飼喂含有淀粉中含有63%直鏈的日糧，促進了后腸微生物的發(fā)酵，增加了盲腸和結(jié)腸食糜中總SCFAs的濃度和Bifidobacteriaspp數(shù)量，而降低蛋白質(zhì)腐敗發(fā)酵菌Clostridiumclusters IV和Clostridiumclusters XIVa的數(shù)量[33]。飼喂含高直支比的淀粉日糧，改變了育肥豬腸道中微生物的菌群結(jié)構(gòu)，增加回腸食糜中有益菌Lactobacillus的相對豐度，降低了潛在致病菌Gammaproteobacteria的相對豐度[34]。研究發(fā)現(xiàn)，給生長育肥豬長期飼喂生土豆淀粉(含較多直鏈淀粉)，改變了微生物的發(fā)酵模式，顯著降低結(jié)腸食糜中蛋白質(zhì)發(fā)酵終產(chǎn)物的濃度，如氨氮、色胺、酪胺、苯酚、對甲酚、吲哚、糞臭素以及BCFAs的濃度[35]。綜上表明，增加日糧中直鏈淀粉的含量可調(diào)節(jié)腸道微生物菌群的組成和比例，促進腸道有益菌的增殖，抑制潛在致病菌的生長和繁殖，改變腸道微生物的發(fā)酵模式，增加SCFAs的濃度，降低腸道內(nèi)的pH，減少蛋白質(zhì)腐敗發(fā)酵終產(chǎn)物的產(chǎn)生。

3.2 淀粉調(diào)控畜禽臭氣物質(zhì)產(chǎn)生的可能機制

畜禽養(yǎng)殖臭氣物質(zhì)主要是由后腸中Clostridium、Eubacterium等潛在致病菌經(jīng)脫氨或者脫羧反應(yīng)發(fā)酵未消化吸收的蛋白質(zhì)、小肽、氨基酸等含氮化合物而來。因此，采用營養(yǎng)調(diào)控手段，減少大腸中微生物對含氮化合物的腐敗發(fā)酵是實現(xiàn)從源頭上減少畜禽養(yǎng)殖臭氣產(chǎn)生的重要思路之一。日糧直鏈/抗性淀粉可作為一種營養(yǎng)干預(yù)手段應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖臭氣的減排過程中，其除臭的機理主要是直鏈/抗性淀粉可以抗小腸α-淀粉酶的消化，能較完整到達畜禽動物的大腸并成為腸道有益菌的發(fā)酵底物，進一步改變腸道中微生物菌群結(jié)構(gòu)，使微生物發(fā)酵模式偏向于碳水化合物型發(fā)酵，而含氮化合物盡可能多地合成菌體蛋白和氨基酸而非腐敗發(fā)酵，進而減少臭氣物質(zhì)的產(chǎn)生。

3.2.1 降低畜禽腸道內(nèi)的pH 研究表明，高pH條件下有利于糞臭素的生成，而低pH條件下有利于吲哚的生成，改變微生物所處環(huán)境中的pH，可使色氨酸降解生成吲哚的濃度增加，而生成臭氣閾值更低的糞臭素濃度降低[36]。Zhou等[35]的研究表明，給生長育肥豬飼喂生土豆淀粉，顯著降低了結(jié)腸食糜中糞臭素的濃度。這是由于生土豆淀粉含有較多的直鏈淀粉，可進入后腸發(fā)酵產(chǎn)生大量的SCFAs，降低腸道和糞便中的pH，使腸道或糞便中的微生物處在一個偏酸性的環(huán)境，從而改變了色氨酸降解生成吲哚和糞臭素的相對產(chǎn)量。此外，pH的降低還會調(diào)節(jié)氨和NH4+之間的平衡，減少氨氣的生成和揮發(fā)。這是因為pH是影響氨氣揮發(fā)的一個重要因素，當(dāng)pH高于9的時候，氨和NH4+處于一個相對平衡的狀態(tài)，而當(dāng)pH低于7的時候，主要以NH4+形式存在，從而減少氨氣的產(chǎn)生[21]。

3.2.2 改變腸道微生物菌群結(jié)構(gòu) 直鏈/抗性淀粉不易被小腸消化吸收而到達畜禽動物的后腸，可為微生物生長提供更多的能源物質(zhì)，并改變腸道微生物的菌群結(jié)構(gòu)。Regmi等[37]研究表明，給生長豬飼喂含有高直鏈淀粉的日糧，顯著增加糞樣中總SCFAs和丁酸的濃度，同時增加Bifidobacteriumspp的數(shù)量，有效地改善了生長豬的腸道菌群結(jié)構(gòu)。另有研究發(fā)現(xiàn)，給生長育肥豬長期飼喂含有高直鏈淀粉的生土豆淀粉日糧，顯著降低了結(jié)腸食糜中Clostridium的相對豐度，而增加了Ruminococcus和Turicibacter的相對豐度[38]。在斷奶仔豬上的研究也得到了相似的結(jié)果，減少盲腸和結(jié)腸食糜中Clostridiumcluster IV和Clostridiumcluster XIVa的拷貝數(shù)，而增加了Bifidobacteriaspp的拷貝數(shù)[33]。Ruminococcus對保護腸道健康具有非常重要的作用，屬于腸道中的有益菌[39]。Bifidobacteria作為腸道中的有益菌，能抑制有害病原微生物的生長，合成機體所需的維生素、氨基酸等有益于機體健康的物質(zhì)[40-41]。而Clostridium屬于蛋白降解菌，能降解賴氨酸、絲氨酸、天冬氨酸等產(chǎn)生SCFAs和生物胺，并影響腸道通透性[42]。含有高濃度的直鏈淀粉日糧改變了腸道微生物菌群結(jié)構(gòu)，促進腸道有益微生物在碳水化合物相對缺乏的后腸環(huán)境中競爭獲得碳源而增殖，并競爭性抑制潛在致病菌的生長，使整個腸道的菌群結(jié)構(gòu)在數(shù)量上以有益菌占優(yōu)勢。

3.2.3 改變微生物的發(fā)酵模式 有研究表明，日糧中不易消化的碳水化合物，如非淀粉多糖、寡糖和抗性淀粉(含直鏈淀粉濃度高)不易被單胃動物胃和小腸的消化酶分解，大多數(shù)可直接進入后腸作為微生物發(fā)酵的底物，進而影響菌群的發(fā)酵模式[43]。直鏈淀粉屬于在前腸不易消化，但易發(fā)酵的碳水化合物，當(dāng)其進入后腸后可改變微生物的發(fā)酵模式。此外，易發(fā)酵的碳水化合物可使喜好碳水化合物的細(xì)菌活性增強，而減少含氮化合物分解菌的活性[44]。眾多研究表明，給豬飼喂含有高直鏈/抗性淀粉的日糧，增加了盲腸和結(jié)腸食糜中總SCFAs、乙酸、丙酸和丁酸的濃度[45-46]，但降低了結(jié)腸食糜中糞臭素的濃度[47]，同時降低結(jié)腸食糜中其它含氮化合物發(fā)酵所生成物質(zhì)的濃度，如氨態(tài)氮、生物胺、BCFA、酚和吲哚類物質(zhì)[35]。以上結(jié)果表明，直鏈淀粉日糧可通過改變動物腸道微生物發(fā)酵模式，使腸道微生物偏向于碳水化合物型發(fā)酵，而減少微生物對含氮化合物的腐敗發(fā)酵，從而減少臭氣物質(zhì)的產(chǎn)生。

4 小 結(jié)

豬場產(chǎn)生的臭氣已成為養(yǎng)殖過程中不可忽視的一個問題，微生物在臭氣的產(chǎn)生和控制中起著重要的作用，而通過營養(yǎng)手段來調(diào)控腸道微生物，對減少臭氣產(chǎn)生做出相應(yīng)的貢獻。當(dāng)前的營養(yǎng)方法中，給畜禽動物飼喂前腸不易消化、但在后腸易發(fā)酵的基底物質(zhì)，如含直鏈/抗性淀粉較多的日糧，可通過調(diào)控腸道自身固有微生物的營養(yǎng)代謝來達到從源頭上減少臭氣產(chǎn)生的目的。但不同動物品種、生長階段、淀粉類型以及添加量對腸道微生物菌群會產(chǎn)生不同的影響，因此確定不同淀粉類型日糧對不同動物品種及不同生長階段適宜的添加比例，對改善動物腸道微生物菌群結(jié)構(gòu)從而減少臭氣的產(chǎn)生具有重要的意義。臭氣物質(zhì)來源于微生物的發(fā)酵過程，結(jié)合各種組學(xué)技術(shù)(微生物組學(xué)和代謝組學(xué)等)，從分子水平探索腸道及糞便中微生物菌群及臭氣物質(zhì)對日糧淀粉的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，探尋參與調(diào)節(jié)及產(chǎn)生臭氣物質(zhì)的關(guān)鍵微生物，不僅有利于掌握淀粉調(diào)控畜禽臭氣物質(zhì)產(chǎn)生的作用機制，還可為開發(fā)其它有效的減少臭氣排放的營養(yǎng)調(diào)控技術(shù)提供理論依據(jù)。