畜禽養(yǎng)殖臭氣源頭減排飼料添加劑的效果評估

朱 潤,張誓育,張 宇,劉 朔,米見對,2*

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510642;2. 蘭州大學(xué) 動物醫(yī)學(xué)與生物安全學(xué)院,甘肅 蘭州)

改革開放以來,我國畜牧業(yè)取得了快速的發(fā)展。養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展在滿足市場需求的同時,也帶來眾多環(huán)境污染問題。研究發(fā)現(xiàn),平均每頭育肥豬(按100 kg體重計算)氨氣(NH3)排放通量為88.94～312.86 mg/(AU·h)[1]。而一個年出欄1萬頭商品肉豬的豬場,平均每天氮的排放量達105 kg,其中很大一部分以NH3形式釋放到大氣中[2]。年出欄十萬頭左右的豬場,平均每小時向空氣中排放14.5 kg硫化氫(H2S)[3]。養(yǎng)殖場臭氣排放一方面會導(dǎo)致畜禽生長緩慢,影響生產(chǎn)性能和代謝能力,降低免疫力;另一方面會影響飼養(yǎng)人員和周邊居民的身體健康[4],同時也會引發(fā)投訴,影響?zhàn)B殖場的正常運行。

養(yǎng)殖場臭氣防控需要從源頭減排、過程控制和末端除臭三方面進行綜合治理,其中從源頭減排是實現(xiàn)臭氣防控的有效措施之一。在飼料中添加具有維持畜禽體腸道菌群平衡的飼料添加劑,不僅有利于改善機體健康,并且可以實現(xiàn)臭氣減排的目的,受到人們的廣泛關(guān)注。然而,如今市場上存在著多種類型的減排劑產(chǎn)品,究竟何種減排劑的效果最好?適用于哪種畜禽類型?最適添加劑量是多少等問題還不明確。因此,本文圍繞以上問題,查閱了相關(guān)文獻,利用meta分析,以期評估飼料添加劑的NH3和H2S減排效果,為養(yǎng)殖場臭氣源頭減排提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究方法

(1)確定研究對象為畜禽和飼料添加劑;(2)確定源頭減排的影響因素,包括減排劑的種類和使用劑量、試驗持續(xù)時間、畜禽類型、品種、生長階段、體重、飼糧標準、能量水平、氣體測量方法、氣體測量時期等;(3)計算飼料添加劑在不同條件下(添加量、畜禽類型及其生長階段)對NH3和H2S的減排率,經(jīng)分析后評估其減排效果。

1.2 文獻檢索和選擇標準

使用Web of Science(http://apps.webofknowledge.com/)、中國知網(wǎng)(CNKI, http://www.cnki.net/)和百度學(xué)術(shù)(https://xueshu.baidu.com/),在數(shù)據(jù)庫的文章標題、摘要和關(guān)鍵字中,使用以下術(shù)語“gas emissions;additive;hydrogen sulfide;ammonia;probiotics;acids;bactericide;enzyme preparation;natural extract;sugars;pigs;broilers”進行組合,搜索2000-2020年關(guān)于NH3和H2S減排有關(guān)的中外文研究性文獻。經(jīng)排除綜述性文獻和灰色文獻(即會議論文、學(xué)位論文和已注冊而未發(fā)表的試驗數(shù)據(jù))[5],刪除重復(fù)項、缺失項和不符合納入標準的文章后,總共獲得123篇文獻,包含577項來自試驗研究的有效觀察結(jié)果,用于meta分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析流程具體包括:

(1)收集信息后,分別計算不同減排劑對NH3和H2S的減排率,取平均值用于整體分析。計算公式如下:

式中:Em為減排效率,ERtrt為添加減排劑的實驗組的氣體排放量,ERctrl為未添加減排劑的對照組的氣體排放量。Em為負或正,分別表示所選減排劑可以減少或增加氣體排放。

(2)每篇文獻收錄了28項內(nèi)容用于制作檢索庫,選擇其中的9項(作者、年份、減排劑類型、標準誤、減排率、處理組和對照組的結(jié)果平均值及樣本數(shù))進行分析。

(3)整體分析:先使用Shapiro-Wilk檢驗測試數(shù)據(jù)的正態(tài)性。若呈正態(tài)分布,則選擇平均值進行參數(shù)檢驗;若不呈正態(tài)分布,則選擇中位數(shù)使用SPSS 20.0軟件通過Wilcoxon符號秩檢驗(非參數(shù)檢驗)來評價是否存在顯著差異[6]。之后進行異質(zhì)性檢驗,據(jù)情況選擇檢驗?zāi)Ｐ?I2<50%用固定效應(yīng)模型,I2≥50%用隨機效應(yīng)模型),然后采用R(4.0.4)進行繪圖,最后從95%置信區(qū)間內(nèi)選取關(guān)鍵的具有減排效果的研究進行詳細闡述。

(4)亞組分析:存在異質(zhì)性時,進一步進行分類分析,以降低異質(zhì)性,操作步驟同整體分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)庫總體分析情況

將收錄入數(shù)據(jù)庫的臭氣源頭減排劑按照其性質(zhì)及特點分為7類,各類錄入的文獻數(shù)量為:(1)益生素52篇;(2)天然提取物38篇;(3)酶制劑13篇;(4)酸類9篇;(5)殺菌劑10篇;(6)糖類5篇;(7)其他添加劑19篇。

經(jīng)分析得:2000-2020年,7類減排劑對NH3和H2S減排效果研究的占比情況如圖1所示。由圖1可知,都是益生素占比最大,天然提取物次之,說明這兩類添加劑是研究的熱門。

圖1 2000-2020年7大類減排劑對NH3和H2S減排效果研究的占比情況Fig. 1 From 2000 to 2020, the proportion of researches on the effects of seven emission reduction agents on NH3 and H2S emission reduction

整體上NH3減排分析了340條數(shù)據(jù),其中303條具有正向效果,35條具有負向效果,正向效果的相關(guān)研究占比更大。以“未使用和使用后差異的中位數(shù)等于0”為原假設(shè)進行Wilcoxon符號秩檢驗,結(jié)果顯示,天然提取物(P=0.000)、益生素(P=0.000)、酶制劑(P=0.000)、糖類(P=0.003)和其他種類添加劑(P=0.001)對NH3減排具有顯著性效果(P<0.05),而酸類(P=0.078)和殺菌劑(P=0.917)不存在顯著減排效果(P>0.05),這是負向結(jié)果導(dǎo)致的,例如:Ahmed等[7]在肉雞飼料中添加0.05%和0.1%的二氧化氯強力殺菌劑分別增加了13.33%和33.33%的NH3產(chǎn)量。

整體上H2S減排分析了237條數(shù)據(jù),存在正向效果的有199條,負向效果的有27條。同樣進行Wilcoxon符號秩檢驗,結(jié)果表明,天然提取物(P=0.000)、益生素(P=0.000)、酶制劑(P=0.003)對H2S減排具有顯著性效果(P<0.05),而酸類(P=0.285)和殺菌劑(P=0.345)的H2S減排效果不顯著(P>0.05),同樣是受負向結(jié)果影響,例如:Cho等[8]在育肥豬日糧中添加0.5%苯甲酸,反而增加了5.07%～7.03%的H2S產(chǎn)生量。

7類減排劑對NH3和H2S減排率的異質(zhì)性檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)均是I2>50%,存在異質(zhì)性,所以選用隨機效應(yīng)模型檢驗是否存在發(fā)表偏移,結(jié)果同樣存在發(fā)表偏移,主要原因是數(shù)據(jù)庫包括多類減排劑及多種畜禽品種,數(shù)據(jù)結(jié)果復(fù)雜多樣,所以應(yīng)該進一步進行細化的亞組分析來減少分析變量,以降低異質(zhì)性。

2.2 畜禽生產(chǎn)中各類除臭劑對NH3的減排效果

7類臭氣源頭減排劑對NH3減排的總體效果如圖2所示。天然提取物、益生素、酶制劑、糖類和其他種類添加劑對NH3減排均有顯著效果(P<0.05),其中,益生素和天然提取物兩類減排效果最優(yōu),總體減排效果分別為17.17%和17.01%(P<0.05)。雖然殺菌劑總體減排率達17.21%,但其存在增加NH3產(chǎn)量的情況。

圖2 7類減排劑NH3減排率的箱線圖Fig. 2 Box plot of NH3 emission reduction rates of seven emission reduction agents注:括號內(nèi)的值表示用于統(tǒng)計分析的觀測數(shù)據(jù)來源的研究數(shù)量以及觀測數(shù)據(jù)數(shù)量;圓點表示異常值。下同。Notes: The values in parentheses indicate the number of studies and the number of observational data sources used for statistical analysis; round dots indicate outliers.The same below.

為降低異質(zhì)性,從95%置信區(qū)間內(nèi)選取對NH3活性和粘附性,能通過改善體內(nèi)菌群平衡,減少臭氣排放[9]。添加20 g/kg解淀粉芽孢桿菌能顯著降低1日齡肉雞糞便94.02%的NH3排放[10]。以0.2%和0.4%的復(fù)合益生菌(枯草芽孢桿菌PNG-4 +嗜酸乳桿菌 LAS)處理蛋雞日糧,結(jié)果分別顯著降低70.32%和73.57%的NH3排放量[11]。在畜禽生產(chǎn)中應(yīng)用的益生元主要是非消化性的可發(fā)酵碳水化合物,包括低聚糖類和非淀粉多糖類。將500 mg/kg的枯草芽孢桿菌和糞腸球菌的復(fù)合菌添加到斷奶仔豬飼料中,可顯著降低糞便中29.56%的NH3量,若與200 mg/kg低聚木糖混合使用,減排效果提升到了33.58%[12]。綜上所述,益生菌類減排劑對NH3普遍存在顯著減排效果,多種益生菌復(fù)合或者與益生元復(fù)合使用可以得到更好的NH3減排效果。

同種添加劑等比例加到不同類型畜禽日糧中,對NH3的減排效果也會不同,原因可能是不同畜禽消化能力存在差異。如添加0.10%牛膝提取物對生長豬糞便的NH3排放量降低率達7.19%[13],而在肉雞日糧中添加后減排率達9.94%[14]。黑胡椒具有抗感染、抗氧化和免疫調(diào)節(jié)等廣泛的藥理作用,對育肥豬補充0.4%的黑胡椒提取物,NH3排放量顯著降低26.79%[15],若以0.2%的劑量添加在斷奶仔豬日糧中,NH3減排率達27.66%[16]?！侗静菥V目》記載葫蘆巴籽具有補陽、祛寒的功效,其提取物以0.2%的劑量添加可顯著降低生長豬糞便17.6%的NH3排放量[17]。綜上,牛膝、發(fā)酵大蒜、葫蘆巴籽和黑胡椒的提取物均能有效降低NH3排放。

育肥豬日糧中添加0.2%的假交替單胞菌的蛋白酶,最佳可降低11.07%的NH3排放量[18]。蛋白酶和精油復(fù)合使用飼喂肉仔雞后,NH3減排率達18.98%,比單獨使用蛋白酶和精油產(chǎn)生了更好的效果[19]。而復(fù)合使用糞腸球菌和內(nèi)生β-1,4-木聚糖酶,對育肥豬沒有明顯的NH3減排效果,減排率均低于1%[20]。說明添加方式和畜禽品種會對減排劑的作用效果產(chǎn)生重要影響。

酸類減排劑方面,對有機酸和中性鏈脂肪酸的研究占多數(shù)。有機酸對胃腸道粘膜能發(fā)揮一定的營養(yǎng)作用,但進入畜禽體內(nèi)活性會受到限制,而中鏈脂肪酸有很強的抗菌活性并能對有機酸進行保護,兩者合用可以改善畜禽體生產(chǎn)性能,減少臭氣排放。0.2%的保護有機酸對斷奶仔豬的糞便NH3排放顯著減少25.35%[21],而同樣將其添加到斷奶仔豬料中,區(qū)別僅在于改變?nèi)占Z密度,結(jié)果表明飼喂高密度日糧和低密度日糧對NH3沒有明顯減排效果[22]。由此,減排劑所處的添加環(huán)境是NH3減排效果的重要影響因素。

芬多精是從紅松中提取的植物殺菌素,能抑制微生物活性,以1.0 g/kg的劑量飼喂肉雞后,NH3減排率為21.49%[23]。將0.2%的黑云母粉添加到生長豬日糧中,NH3減排率可達40%[24]。沸石是由SiO4和AlO4四面體組成的三維骨架,是一種多孔材料,具備離子交換性質(zhì),能夠吸附大約30%的氣體。研究表明,添加0.5%人工沸石顯著降低了育肥豬糞便的NH3排放量40.33 ppm,減排率高達66.11%[25]。

2.3 畜禽生產(chǎn)中各類除臭劑對H2S的減排效果

7類臭氣源頭減排劑對H2S減排效果總體分析如圖3所示。綜合異常值情況和觀測數(shù)據(jù)來源的研究數(shù)量兩方面考慮,7類源頭減排劑中益生素、天然提取物和酶制劑的研究結(jié)果不存在異常值,總體減排率分別為15.82%、14.29%和11.69%,減排效果顯著。

圖3 7類減排劑對H2S減排率的箱線圖Fig. 3 Box plot of H2S emission reduction rates of seven emission reduction agents

為降低異質(zhì)性,從95%置信區(qū)間內(nèi)選取對H2S具有明顯減排效果且無異質(zhì)性的研究進行敘述。以5 g/kg的劑量對1日齡肉雞添加解淀粉芽孢桿菌,糞便H2S的排放顯著降低93.34%[26]。對斷奶仔豬添加0.1%的羅伊氏乳桿菌和植物乳桿菌復(fù)合體,糞便H2S減排率達到29.06%[27]。0.10%的牛膝提取物對生長豬糞便的H2S減排效果最佳可達17.99%[13],而在肉雞日糧中添加后減排率達13.65%[14]。以0.2%的劑量在生長豬日糧中添加葫蘆巴籽提取物,H2S減排率達20%[17]。黑云母粉以0.2%的劑量添加到生長豬日糧中,H2S的減排率可達60%[24],效果非常顯著。為此,有減排潛力的添加劑可以嘗試添加到不同類型及品種的畜禽,以凸顯其減排效果。

研究表明,在育肥豬日糧中添加0.2%的假交替單胞菌的蛋白酶,對其排泄物H2S的減排效果最佳可達19.48%[18]。在蛋雞產(chǎn)蛋早期日糧中添加0.1%的木聚糖酶、β-葡聚糖酶、半乳糖苷酶和半乳甘露聚糖酶復(fù)合物,H2S減排率達17.98%[28]。0.2%的保護有機酸對斷奶仔豬的糞便H2S排放顯著減少17.76%[21]。二氧化氯是一種有效的殺菌劑,能通過直接作用于細胞膜和破壞細胞過程殺死微生物[29],并且細菌不會對其產(chǎn)生耐藥性,按0.1%的比例添加使肉雞糞便的H2S排放量顯著降低57.14%[7]。以1.0 g/kg劑量的芬多精飼喂肉雞后,H2S減排率達15.43%[23]。添加0.5%的人工沸石顯著降低了育肥豬糞便的H2S排放量1.62 ppm,減排率高達36.00%[25]。

3 結(jié) 論

本文列舉了一些在畜禽養(yǎng)殖中可源頭上減排臭氣的飼料添加劑,對其減排NH3和H2S的效果進行了系統(tǒng)敘述。解淀粉芽孢桿菌、黑云母粉和沸石等具有顯著的除臭效果;牛膝、發(fā)酵大蒜、葫蘆巴籽、黑胡椒的提取物是近年內(nèi)出現(xiàn)的新型優(yōu)良減排劑;益生元的研究主要集中在低聚糖類,與益生素協(xié)同使用,會有更明顯的減排效果;胡蘆巴籽、紅參、艾草、明礬、牛膝均等中藥材,可調(diào)節(jié)腸道菌群平衡,不僅有利于畜禽健康,促進無抗養(yǎng)殖,而且有利于臭氣減排。然而,僅在源頭上進行臭氣減排,其減排力度還遠遠不夠,應(yīng)綜合過程控制和末端除臭,進行系統(tǒng)的臭氣減排,以減少臭氣排放對環(huán)境的污染,實現(xiàn)畜牧業(yè)綠色健康發(fā)展。