微生物除臭劑應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖場的研究現(xiàn)狀

馬石霞，擺倩文，周 魏，馬咸瑩，田 攀，蔡新東，范思思，王曉航，馬忠仁，陳士恩，孫 娜 ，丁功濤，*

(1.西北民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)研究中心，甘肅 蘭州 730030； 2.西北民族大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124； 3.蘭州生物制品研究所有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730046)

畜禽養(yǎng)殖業(yè)是我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，2019年，我國生豬、羊、牛及家禽存欄量分別為3.1億頭、30.07億只、9.1億頭和65.22億只。畜禽養(yǎng)殖在給人們提供了豐富肉產(chǎn)品的同時也產(chǎn)生了大量的畜禽糞便、惡臭氣體等養(yǎng)殖場廢棄物和廢氣，對周邊土壤、水源、空氣和人們的生存環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[1-2]。因此，加強(qiáng)畜禽養(yǎng)殖場惡臭污染的控制與處理對畜禽的規(guī)?；B(yǎng)殖和可持續(xù)發(fā)展尤為重要[3]。

目前國內(nèi)外畜禽養(yǎng)殖場除臭主要采用物理、化學(xué)和微生物的方法[4]。相比于物理、化學(xué)法，微生物除臭法具有處理效率高、二次污染少、能耗低、運行費用低且便于操作等特點，已被國內(nèi)外廣泛地應(yīng)用于惡臭的防治中。1957年，美國科學(xué)家Paneray申請專利“利用土壤微生物處理硫化氫廢氣”，標(biāo)志著人類開始利用微生物進(jìn)行除臭研究[5]。20世紀(jì)70年代開始，微生物除臭法被各國廣泛研究并應(yīng)用于環(huán)境治理方面。20世紀(jì)80年代，德國、荷蘭、日本等國家從廢棄物中篩選除臭菌株生產(chǎn)微生物除臭劑，將其應(yīng)用于去除畜禽養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的惡臭氣體。

我國于20世紀(jì)90年代以后才開展這方面的實驗室研究工作[6]，研究內(nèi)容涉及畜禽養(yǎng)殖場惡臭氣體成分分析、惡臭氣體去除方法、實時監(jiān)測與控制、對人畜健康影響等領(lǐng)域[7-9]。本文從畜禽場臭氣來源及主要成分、常用除臭技術(shù)、微生物除臭機(jī)理和應(yīng)用進(jìn)展等方面進(jìn)行綜述。

1 畜禽養(yǎng)殖場臭氣主要成分及來源

畜禽養(yǎng)殖場的惡臭氣體來源于畜禽糞便、霉變墊料、動物皮膚、病死畜禽中土著微生物厭氧發(fā)酵等產(chǎn)生的不完全代謝物[10]。這些不完全代謝物是惡臭氣體的主要來源，主要分為3類：含氮化合物(主要為NH3)、含硫無機(jī)化合物(主要為H2S)和揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)(主要包括揮發(fā)性胺類化合物、含硫有機(jī)物、芳香族化合物)[11]。畜禽養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的惡臭氣體刺激性強(qiáng)、對人畜健康危害大、組成成分復(fù)雜，有學(xué)者在豬糞中檢測到惡臭成分有230種，主要是揮發(fā)性脂肪酸；雞糞中的惡臭成分有150種，主要是NH3和二甲基二硫，牛糞中的惡臭成分有94種，主要是低級脂肪酸[12-13]。

揮發(fā)性有機(jī)物中的糞臭素和吲哚類物質(zhì)對臭味的貢獻(xiàn)很大[24]，飼料中的蛋白質(zhì)在反芻動物瘤胃、單胃、大腸等厭氧條件下經(jīng)不完全消化后生成色氨酸[25]，色氨酸經(jīng)脫氨基作用后生成吲哚丙酮酸，然后轉(zhuǎn)化為吲哚[26]；吲哚在脫氫酶作用下生成的吲哚-3-乙酸轉(zhuǎn)化成糞臭素[27]。

表1為惡臭氣體的主要來源及危害。畜禽舍內(nèi)產(chǎn)生的有害氣體能夠影響動物的呼吸道黏膜，破壞呼吸道免疫屏障，可導(dǎo)致呼吸道疾病的發(fā)生[28]。此外，畜禽養(yǎng)殖過程產(chǎn)生的惡臭氣體散發(fā)到空氣中，對養(yǎng)殖場工作人員的呼吸道造成一定的損傷，降低黏膜免疫功能，導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)無法維持正常的生理功能[29]。

表1 畜禽養(yǎng)殖場惡臭氣體的主要來源及危害Table 1 Main sources and hazards of malodorous gases in livestock and poultry farm

2 常用的除臭技術(shù)及微生物除臭劑的作用機(jī)理

2.1 常用除臭方法

針對畜禽養(yǎng)殖場惡臭氣體的成分，逐漸形成了系統(tǒng)的治理方法。早期的除臭技術(shù)主要采用物理吸附、化學(xué)反應(yīng)和直接燃燒等方法，現(xiàn)在的除臭技術(shù)主要以生物法及化學(xué)法為主，物理法為輔[34]。

物理除臭法主要包括物理吸附法和高能離子除臭法等，其原理是利用除臭劑的物理性質(zhì)，在不改變惡臭氣體化學(xué)性質(zhì)的前提下，利用吸附劑的吸附作用將其在固、液、氣三相之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到消除惡臭氣體的目的。該方法未改變臭氣組分，只是降低其濃度，并未徹底消除惡臭氣體[35]，此外，隨著吸附劑的重復(fù)利用，其孔隙逐漸變小或結(jié)構(gòu)塌陷，導(dǎo)致惡臭氣體吸附量減少[36]?；瘜W(xué)除臭法主要包括活性氧氧化法和化學(xué)溶液吸收法等，其原理是利用噴灑在地面或糞池中的氧化鈣、磷酸氫鈣等除臭劑與臭味物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使臭味物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無臭物質(zhì)，達(dá)到除臭的效果[37]?；瘜W(xué)法雖能夠去除較多的臭味物質(zhì)，但反應(yīng)劇烈，容易生成有毒有害的副產(chǎn)物，造成二次污染[38]。

惡臭氣體的組分復(fù)雜，經(jīng)微生物降解后的產(chǎn)物也不盡相同[39]，與物理法和化學(xué)法相比，生物法在去除惡臭氣體時條件較溫和、持續(xù)作用時間長、應(yīng)用范圍廣、重復(fù)利用率高且對環(huán)境造成的二次污染小[40]。微生物對氨氮、硫化氫等有害物質(zhì)降解效果好，與化學(xué)法結(jié)合后可在短時間內(nèi)消除養(yǎng)殖場內(nèi)的臭味[41]。金華市金東區(qū)大堰河農(nóng)牧場采用生物法，通過在飼料和飲水中添加有益菌、定時噴灑化學(xué)除臭劑(氯化鈣、硫酸亞鐵)以及在動物糞液中添加復(fù)合菌等措施，能夠迅速去除硫化氫、氨、有機(jī)胺等惡臭氣體[42]。生物法處理惡臭氣體的優(yōu)缺點如表2所示。

表2 生物法處理惡臭氣體的優(yōu)缺點Table 2 Advantages and disadvantages of biological treatment of odor gas

2.2 微生物除臭劑作用機(jī)理

圖1 微生物除臭劑作用機(jī)理圖Fig.1 mechanism of microbial deodorant

3 畜禽養(yǎng)殖場惡臭氣體治理技術(shù)

養(yǎng)殖場惡臭氣體的處理主要分為源頭減量、過程控制和末端堆肥減排3個方面。

3.1 源頭減量

源頭減量是將微生物菌劑添加到畜禽飼料中，減少臭氣排放量的方法[58-59]。其原理是飼料中添加的微生物菌劑利用自身的生理代謝作用將動物體內(nèi)的NH3、H2S、CH4等有害氣體作為營養(yǎng)物質(zhì)吸收利用，提高畜禽對飼料中蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的利用率，調(diào)節(jié)腸道內(nèi)有益微生物菌群豐度，抑制土著菌群的繁殖，以達(dá)到減少惡臭氣體排放的目的[60]。在畜禽養(yǎng)殖過程中，微生物制劑的有益菌種尤其是乳酸桿菌，在促進(jìn)免疫器官發(fā)育的同時還能增加免疫細(xì)胞的數(shù)量，從而在動物機(jī)體內(nèi)形成一層保護(hù)膜，阻礙致病菌侵入，提高動物的免疫能力，起到預(yù)防疾病、促進(jìn)動物的健康生長的作用[61]。

惡臭氣體源頭減量的方法主要有在畜禽飼料中添加微生物制劑、植物提取物和可發(fā)酵碳水化合物等[62]。微生態(tài)制劑也叫活菌制劑或生菌劑，其具有降低脲酶、尿素氮、尿酸和膽固醇等惡臭氣體前體物質(zhì)含量的特點，能夠增加畜禽腸道內(nèi)有益菌群的數(shù)量，提高畜禽對飼料中營養(yǎng)成分的利用率[63]。植物提取物中的單寧、揮發(fā)性精油均存在一定的抗?fàn)I養(yǎng)作用，但添加過量會影響畜禽的采食量，降低畜禽對飼料中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收率?？砂l(fā)酵碳水化合物主要包括菊粉、纖維素、木質(zhì)素和果膠等低聚糖，這些物質(zhì)通過改變畜禽腸道和排泄物中的微生物及其發(fā)酵過程，從而減少臭氣的產(chǎn)生，但添加過量會影響畜禽的采食量和微生物的生長[64]。李曉剛[65]研究發(fā)現(xiàn)，巨大芽孢桿菌可以降低脲酶、尿酸酶和芳基硫酸酯酶活性，從而減少蛋雞排泄物中惡臭氣體的排放量。劉婕等[66]研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合除臭劑(乙酰氧肟酸(AHA)、啤酒酵母、枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和膨潤土按 40∶2∶2∶1∶20)中的AHA通過降低脲酶活性來降低豬舍內(nèi)的NH3濃度。查翹楚等[67]通過試驗證明，在蛋雞日糧中添加0.5%的枯草芽孢桿菌可以降低尿素氮、尿酸、血氨和膽固醇等臭氣前體物質(zhì)含量，提高飼料消化率，降低糞便中氮、磷的排放量。表3為飼料中添加微生物態(tài)制劑降低惡臭氣體的應(yīng)用實例。

表3 添加微生物制劑的飼料在降低畜禽養(yǎng)殖場惡臭氣體中的應(yīng)用Table 3 Application of feed with microbial preparation in reducing odor gas in livestock and poultry farms

3.2 過程控制

過程控制是一種降低畜禽舍空氣中惡臭氣體濃度的方法[75]，其原理是微生物在繁殖時能將氨、硫化物等惡臭氣體作為營養(yǎng)物質(zhì)吸收利用，從而降低畜禽舍內(nèi)外空氣中惡臭氣體的含量[76]。除臭方法主要有兩類：(1)噴灑在墊料、地面上的微生物菌劑中的有益菌群和有害菌群進(jìn)行競爭，能夠有效抑制有害菌群的生長繁殖，減少惡臭氣體的排放量；(2)噴灑的微生物除臭劑能夠結(jié)合空氣中的有害氣載微生物，抑制氣載病原菌的生長。

過程控制惡臭氣體的方法主要包括噴灑微生物除臭劑、放置除臭微生物滴濾器和改進(jìn)管理等[77]。噴灑微生物除臭劑方法簡單，能夠快速高效地降低畜禽舍內(nèi)惡臭氣體的濃度[78]。除臭微生物滴濾器是一種將物理除臭和生物除臭相結(jié)合的除臭技術(shù)[79]，利用附著在惰性填充料表面的微生物將惡臭氣體傳遞到生物膜后，與膜內(nèi)的微生物發(fā)生生化反應(yīng)，從而降解污染物[80]。改進(jìn)管理雖在一定程度上減少惡臭氣體，但并未從根本上消除惡臭氣體且前期投資和運行成本高[81]。羅佳等[82]研究了復(fù)合微生物菌劑Y30017對蛋雞舍內(nèi)有害氣體的凈化效果，研究發(fā)現(xiàn)，雞舍中噴灑的復(fù)合微生物菌劑Y30017能夠?qū)⑸l(fā)到空氣中的NH3、H2S等惡臭氣體轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)，28 d后，雞舍NH3濃度和H2S濃度分別下降了2.26 mg·kg-1和1.92 mg·kg-1。表4為噴灑微生物除臭劑降低畜禽舍惡臭氣體的應(yīng)用實例。

表4 微生物除臭劑在降低畜禽養(yǎng)殖場空氣中惡臭氣體的應(yīng)用Table 4 Application of microbial deodorant in composting fermentation to reduce odor gas in livestock and poultry farms

3.3 堆肥減排

堆肥減排是將微生物菌劑直接噴灑或添加到畜禽糞便中，減少惡臭氣體產(chǎn)生量的方法[87]，其原理是利用微生物之間的共生、繁殖及協(xié)同作用將糞便中的有機(jī)物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化成乳酸、乙酸等小分子酸性物質(zhì)[88-89]，從而抑制腐敗類微生物和病原菌的繁殖，達(dá)到減少惡臭氣體釋放的目的[90]。

畜禽養(yǎng)殖場堆肥減排的方法主要有糞便發(fā)酵、負(fù)壓風(fēng)機(jī)末端處理和生物發(fā)酵床等[91]。負(fù)壓機(jī)末端處理和生物發(fā)酵床雖能實現(xiàn)惡臭氣體的零排放量，但一次性投資成本高且操作復(fù)雜[92-93]，微生物除臭劑在堆肥過程中通過調(diào)控堆肥的碳氮代謝，將其降解為芳香小分子有機(jī)物，分解糞便中的有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)，減少氮類物質(zhì)揮發(fā)損失，減少惡臭氣體的排放量[94]。負(fù)壓風(fēng)機(jī)末端除臭是將物理除臭和生物除臭相結(jié)合的除臭技術(shù)，氣流中的多數(shù)顆粒物被擋網(wǎng)攔截后，噴灑在沉降室的除臭劑能夠利用附著于顆粒物上的惡臭氣體和病原微生物參與自身生理代謝，達(dá)到消除惡臭氣體的目的[95]。微生物發(fā)酵床技術(shù)是將微生物菌劑與木屑、秸稈等材料混合后，利用微生物降解、消化畜禽養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞尿排泄物，實現(xiàn)畜禽糞尿就地減量化處理[96]。上述兩種方法基本解決了畜禽養(yǎng)殖場對周邊環(huán)境的直接污染，但一次性投資成本和運營成本高且缺乏安全性評價。張生偉等[97]研究了微生物除臭劑對堆肥特性的影響，表明微生物除臭劑可縮短堆肥升溫時間，延長高溫持續(xù)時間，降低堆肥的pH、C/N和含水率。表5為堆肥發(fā)酵中微生物除臭劑降低畜禽養(yǎng)殖場惡臭氣體的應(yīng)用實例。

表5 堆肥發(fā)酵中微生物除臭劑在降低畜禽養(yǎng)殖場惡臭氣體中的應(yīng)用Table 5 Application of microbial deodorant in composting fermentation to reduce odor gas in livestock and poultry farms

4 小結(jié)

微生物除臭劑在畜禽養(yǎng)殖中具有明顯的優(yōu)勢，作為飼料添加劑時不僅可有效降低惡臭氣體的排放量，且能提高畜禽對飼料的利用率；作為發(fā)酵液添加到畜禽糞便中時不僅除臭效率高、污染少，且設(shè)備簡單、容易操作[39]。因此，被越來越多的國家用于治理畜禽養(yǎng)殖場各階段的惡臭氣體。相比于西方國家，我國的研究工作受時間和技術(shù)等方面的影響起步較晚，還有許多需要解決的問題，如高效除臭菌株和環(huán)境耐受菌株的篩選和分離；開發(fā)新型高效復(fù)合型除臭劑；探究并制定合理的綜合除臭技術(shù)等。此外，影響畜禽臭氣的主要因素，微生物除臭劑之間的具體關(guān)系、作用機(jī)制、代謝產(chǎn)物等方面還需進(jìn)一步探索。