微生物治理畜禽糞便臭味的作用機(jī)理

宇 凌，宋 超，徐 梅，董翠梅，魏中鋒*

（1.山東省菏澤市動物疫病預(yù)防控制中心，山東 菏澤 274000；2.山東省成武縣畜牧局，山東 菏澤 274200）

隨著我國人民生活水平的日益提高，人們更加注重飲食的合理搭配，其中肉、蛋、奶的比重顯著提高，消耗量急劇增大，這就直接促進(jìn)了我國養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。自20 世紀(jì)末開始，我國的畜牧業(yè)養(yǎng)殖模式逐漸從傳統(tǒng)的飼養(yǎng)模式向集約化、區(qū)域化方向快速發(fā)展。隨之而來的是畜禽養(yǎng)殖與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益突出。據(jù)統(tǒng)計，山東省每年約產(chǎn)生畜禽糞便1.8億t，其化學(xué)需氧量（COD）為2.46億t，氨氮堆存量為24.6萬t。畜禽糞便對環(huán)境的污染主要表現(xiàn)在糞便中未被機(jī)體消化吸收的重金屬、病原菌、添加劑、氮磷及臭氣等幾個方面[1]。這些污染源進(jìn)入水體、土壤、大氣中，給養(yǎng)殖場附近的局部環(huán)境以及周圍輻射地區(qū)造成了很大的生態(tài)壓力。針對這種現(xiàn)象，2001 我國制定推出了《畜禽養(yǎng)殖污染防治管理辦法》《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染防治技術(shù)規(guī)范》，以期加強(qiáng)法規(guī)建設(shè)。其中的畜禽糞便污染解決辦法主要有3大類：物理的方法包括經(jīng)過適當(dāng)處理將可利用的營養(yǎng)成分轉(zhuǎn)化為飼料二次利用、直接燃燒作為能源發(fā)電；化學(xué)的方法即通過厭氧菌的分解將糞便中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣；生物的方法即在飼料中添加酶制劑微生物等提高飼料中氮磷的利用率，減少污染排放[1]。其中飼料中添加微生物的方法，是區(qū)別于前兩個方法的從源頭減排的有效途徑。

1 微生物治理畜禽糞便臭味的作用機(jī)理

微生物主要通過以下3個作用來治理畜禽糞便臭味：對畜禽糞便的降氨作用、促進(jìn)畜禽糞便中的氨硝化作用、減少畜禽糞便中的氨氣揮發(fā)作用。

1.1 微生物對畜禽糞便的降氨作用

畜禽生產(chǎn)中產(chǎn)生的糞便對環(huán)境造成一系列的問題，包括營養(yǎng)成分的過濾、污染物的表面流失和氨氣的揮發(fā)。禽舍糞便的氨氣揮發(fā)增加了空氣中的酸沉淀，增加地表水的泥土沉淀而導(dǎo)致養(yǎng)分富集以及土壤酸化。另一方面，硝酸鹽（NO3-）能浸入地表水中，嬰兒腸中的特定細(xì)菌把NO3-轉(zhuǎn)變成亞硝酸鹽（NO2-），隨后NO2-把Fe2+氧化成Fe3+，使血液中的血紅蛋白轉(zhuǎn)變成不能運(yùn)輸氧的高鐵血紅蛋白[2]。因此降低N 排放和NH3揮發(fā)對優(yōu)化環(huán)境、保持人畜健康有重要意義。

降低畜禽糞便中N排放的方法有多種，主要包括物理、化學(xué)、飼料調(diào)控、改良堆肥以及微生物調(diào)控等多種技術(shù)[3]。其中，基于硝化作用的微生物調(diào)控技術(shù)具有成本低、操作簡單、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)[4]。氨氣揮發(fā)前在糞便中的主要存在形式是NH4

+-N，利用微生物的硝化作用將糞中的NH4+-N 轉(zhuǎn)化為硝酸鹽或亞硝酸鹽，改變糞中NH4+→NH3+H+的動態(tài)平衡，是減少糞便氨氣揮發(fā)量的一條有效途徑[3]。Pan等將一個連續(xù)缺氧/好氧生物系統(tǒng)處理應(yīng)用到豬糞便污水中，通過微生物的異養(yǎng)硝化作用降低污水中NH4+-N 的含量，進(jìn)而降低氨氣排放，增加NO3-含量[5]。Kim等向肉雞糞便中添加硝化細(xì)菌，可加快NH4+和NH3向NO2-、NO3-的轉(zhuǎn)變，降低糞便中NH4+-N 的濃度，進(jìn)而降低氨氣的散發(fā)量[6]。

硝化細(xì)菌以無機(jī)氮為營養(yǎng)源，廣泛分布在土壤里。環(huán)境中存在幾種不同類的可用的硝化細(xì)菌，如亞硝化菌屬、亞硝化球菌屬、硝化桿菌屬和硝化球菌屬等。其中，亞硝化菌屬和硝化桿菌屬在土壤中最常見，特別是在栽培根瘤菌的土壤中[7]。這些硝化菌可以把NH3轉(zhuǎn)化成NO2-，隨后把NO2-轉(zhuǎn)化成NO3-。部分特定的細(xì)菌有助于土壤NO3-的生成[8]。然而，有報道稱并不是所有的土壤NO2-制造者都是硝化細(xì)菌[9]。一些能把銨離子（NH4+）氧化成NO2-的硝化細(xì)菌被稱為NH4+氧化劑。隨后，NO2-在另一組稱為NO2-氧化劑的硝化菌作用下被轉(zhuǎn)化成NO2-。最常見的NH4+氧化劑和NO2-氧化劑分別是亞硝化菌屬和硝化桿菌屬。

1.2 微生物促進(jìn)畜禽糞便中的氨硝化

為了對畜禽糞便進(jìn)行經(jīng)濟(jì)利用并為人畜保持良好的環(huán)境，需要對畜禽糞便高效管理。畜禽糞便中的NO3-氧化成NO2-對糞便管理有益。NH3在O2的作用下氧化成NO2-，隨后被NO2-氧化NO3-，這一生物過程稱為硝化。在這一過程中，土壤中的NO3-產(chǎn)物是自然界氮循環(huán)的重要組成部分。

利用土壤硝化細(xì)菌來促進(jìn)畜禽糞便中NH3的硝化對降低NH3蒸發(fā)有促進(jìn)作用。在糞便加到土壤中之前，N 最主要的存在形式是隨著pH 升高而轉(zhuǎn)變?yōu)镹H3和NH4+。禽舍中的NH3易蒸發(fā)。然而，糞便中的NH4+在應(yīng)用到土壤中后命運(yùn)會大不相同，大量的NH3被土壤硝化菌氧化成NO2-，最終轉(zhuǎn)變成NO3-。將NH3氧化成NO2-的兩種酶是將NH3氧化成羥胺的NH3加單氧酶（AMO）和進(jìn)一步把羥胺氧化成NO2-的羥胺氧化還原酶（HAO）[10]。硝化過程中硝化菌的能量產(chǎn)生效力比較低，這一過程具體的化學(xué)反應(yīng)細(xì)節(jié)如下：NH3氧化成NO2-時產(chǎn)生的4 個電子中，只有2個用來產(chǎn)生能量，因?yàn)榱硗?個被用來將NH3氧化成NO2OH。因此，硝化細(xì)菌生長的速度非常慢。NH3氧化以后，在NO2-氧化菌膜范圍內(nèi)，NO2-在NO2-氧化還原酶的作用下被氧化成NO3-。因此，硝化是N循環(huán)的重要步驟，其中高效的NH3氧化和硝化菌在這一過程中起重要作用。土壤硝化細(xì)菌用到禽舍糞便中以后，通過將NH3氧化成NO2-，最終變成NO3-，可以有效地減少NH3揮發(fā)。盡管禽舍糞便中有一些硝化細(xì)菌，配方強(qiáng)化可以加快NH3到NO3-的轉(zhuǎn)變，減少NH3的揮發(fā)[11]。禽舍中NH3的硝化有減少NH3揮發(fā)、降低禽舍管理成本、提升禽類健康水平等優(yōu)勢。然而，土壤中常見的細(xì)菌能否將NH3轉(zhuǎn)化成NO3-還需要大量的研究來證明，并且還要尋找出適合禽舍進(jìn)行有效的微生物硝化的硝化細(xì)菌。

1.3 利用微生物減少畜禽糞便中NH3揮發(fā)

畜禽糞便中產(chǎn)生大量氨氣的主要原因是禽舍環(huán)境和低效的氮喂養(yǎng)方法。隨著遺傳學(xué)的發(fā)展，目前商業(yè)畜禽喂養(yǎng)了大量的蛋白質(zhì)以保持其最佳的營養(yǎng)目標(biāo)。飼喂蛋白質(zhì)的最終新陳代謝產(chǎn)物是尿酸和尿素，而在糞便分解過程中，微生物作用將其中的NH3釋放到禽舍和空氣中。其中，＞50%的N以NH3的形式揮發(fā)掉，從而降低禽舍糞便作為肥料的效果[12]。因此，有研究人員開發(fā)了幾種從禽舍管理中控制NH3揮發(fā)的方法。很多管理方法都不能緩解這一揮發(fā)，然而少量通過固氮和NH3控制的方法可以在禽舍管理中有效的凈化環(huán)境。

氨是畜禽糞便中有機(jī)氮化合物分解過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，畜禽糞便中的微生物活動增加了NH3揮發(fā)。在NH3產(chǎn)生的過程中，糞便中最重要的N形式為被微生物尿酸酶轉(zhuǎn)化成尿囊素的尿酸，尿囊素分解成乙醛酸和尿素。隨著水的加入，尿素被尿囊酸酶分解成CO2和NH3，增加了禽舍糞便中的N 損失[13]。在有氧和無氧的條件下，NH3隨著糞便的微生物分解不斷生成。

近期Kim等的研究證明了經(jīng)硝基化合物處理的蛋雞糞便通過抑制尿素利用微生物成長獲得更多的N 保留。同時說明了可以采用硝基丙醇和硝基丙酸作糞便處理劑來降低NH3揮發(fā)[14]。早期研究證明在蛋雞糞便中采用不同水平的鋅處理可以抑制尿素利用微生物成長，降低NH3揮發(fā)和N 損失[16-17]。對肉雞的另一項(xiàng)研究表明，飼料中添加鋅可以通過抑制微生物尿酸酶的活動，有效降低總體N 損失。在蛋雞中，同一個課題組報道了向蛋雞飼料中補(bǔ)充鋅可以有效降低尿酸的分解，產(chǎn)生更大的糞便N保留，然而，添加過高的鋅容易降低采食量、生長速度和產(chǎn)蛋率[15]。無論在飼料或糞便中，添加鋅不僅可以通過減少尿酸分解抑制微生物尿酸酶的活動，也能降低其他參與糞便中尿酸有氧分解成NH3的微生物酶的活性。因此，通過抑制微生物的生長和將尿酸轉(zhuǎn)化成NH3的酶的活動，微生物酶抑制劑對降低NH3的產(chǎn)生和揮發(fā)起著明顯作用。

NH3的揮發(fā)受濕度、溫度、pH、糞便含N量等不同因素的影響。一般來說，糞便的pH 為7.5～8.5，在該pH 范圍內(nèi)，微生物很活躍并加快NH3的產(chǎn)生。Nakaue 等報道，當(dāng)pH＜7 時，NH3的產(chǎn)生速度下降，而當(dāng)pH＞8時，NH3的產(chǎn)生速度上升[16]。因此，酸化劑的應(yīng)用可以通過降低禽舍糞便的pH 減少NH3揮發(fā)，從而降低微生物含量和活性。另外，不同的干燥劑可以起到離子交換的作用，也能控制禽舍糞便中微生物的活性。在禽舍殘渣中用發(fā)沸石能夠通過控制微生物活性，從而將濕度和NH3降低15%。干燥劑和酸化劑降低NH3揮發(fā)的效果取決于禽舍和收益成本等幾個管理因素。而且，很多酸化劑是腐蝕性的，對畜禽和人類健康有害。

畜禽糞便殘渣中25%的細(xì)菌污染能夠通過將大部分尿酸轉(zhuǎn)化成尿素的尿酸分解來消除。將尿素轉(zhuǎn)化為NH3的下一步是利用棒狀桿菌、球狀細(xì)菌、產(chǎn)堿桿菌、無色菌和噬纖維菌的應(yīng)力完成的，這一過程對尿酸的水解沒有影響。微生物對尿酸進(jìn)行水解的最佳環(huán)境是溫度＞20 ℃，pH 5.5～9.0，濕度40%～60%，水活性＜0.625，微生物分解所需要水的量。然而，這一環(huán)境也適宜致病微生物的生長和繁殖，如糞便中的沙門氏菌和大腸桿菌[17]。因此這些條件只能作為禽舍管理和降低NH3損失的一個補(bǔ)充策略。

2 微生物治理畜禽糞便污染的發(fā)展方向

目前關(guān)于這方面的研究較多，但效果都不是很理想。未來微生物治理畜禽糞便污染將篩選出更有效的除臭菌株，在篩選出有兼性厭氧的NH4+-N 降解菌基礎(chǔ)上，繼續(xù)從中挑選出可以利用NO2--N、NO3--N 的降解菌2～3 種，減少NO3-對土壤的污染。利用篩選出的菌群降低雞糞中的氮含量，進(jìn)而降低氨氣的排放。另外結(jié)合我國傳統(tǒng)中草藥的健胃促消化功能，以提高飼料報酬、飼料中蛋白質(zhì)、含氮氨基酸的利用率，減少飼料中臭味前提物的含量，進(jìn)而降低糞便的臭味[18]。找出除臭菌與中草藥的合理配比，以達(dá)到最佳的降氨除臭效果，將是未來微生物治理畜禽糞便污染的發(fā)展方向。