生物炭對動物生長性能、腸道健康影響的研究進展

李金鴻 李 翔 陳 冰 曹俊明

(1.廣東海洋大學(xué),湛江 524088;2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院動物科學(xué)研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南動物營養(yǎng)與飼料重點實驗室,廣東省畜禽育種與營養(yǎng)研究重點實驗室,廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水產(chǎn)研究中心,廣州 510640;3.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,廣州 510640)

生物炭(biochar)是指通過將糞污、稻殼、木材、秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物或工業(yè)廢料等在低氧或無氧環(huán)境下以350～800 ℃的溫度進行熱解,高溫炭化制備的顆粒小、質(zhì)地輕、可溶性極低的黑色蓬松物質(zhì),具有較高的孔隙結(jié)構(gòu)[1]。生物炭中特殊的微孔結(jié)構(gòu)和豐富的含氧官能團,使其具有獨特的吸附能力,能有效地去除動物體內(nèi)和養(yǎng)殖環(huán)境中的污染物和毒素[2-3]。目前,國內(nèi)外已有學(xué)者將生物炭作為飼料添加劑應(yīng)用于動物養(yǎng)殖中,研究發(fā)現(xiàn)生物炭可有效改善動物的飼料轉(zhuǎn)化率[4]、生長性能[5-6]、血液狀況[7]、腸道狀態(tài)[8],并能抵抗病原體[9]和減少反芻動物的廢氣產(chǎn)量[10],具有極大的開發(fā)價值。本文對目前已有的生物炭對動物生長性能和腸道健康影響方面的研究進行總結(jié),為生物炭飼料添加劑的研發(fā)及其在動物養(yǎng)殖中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 生物炭概述

1.1 生物炭的分類

我國現(xiàn)行生物炭標準以有機碳、粒徑、總碳、灰分、比表面積、pH、孔容積、碘吸附度等檢測指標為分級標準[11-12]。生物炭的制備方法有慢速熱解、快速熱解、水熱炭化、熱解氣化和閃蒸炭化,各種方法在生物炭的產(chǎn)率和質(zhì)量上各不相同[13-17]?，F(xiàn)有方法中,慢速熱解是目前最經(jīng)濟便利且能滿足多種應(yīng)用的制備生物炭的方式。根據(jù)炭化溫度可將生物炭分為高溫(>500 ℃)裂解法制備和低溫(<500 ℃)熱解法制備;按照物理狀態(tài)可將生物炭分為顆粒狀、片狀、無定形、蜂窩狀及多孔狀;按照原料來源可將生物炭分為秸稈類、殼類、木質(zhì)類、糞污類等[18-21]。

1.2 生物炭的結(jié)構(gòu)

生物炭的結(jié)構(gòu)與煤炭類似,是一種由含碳物質(zhì)組成的混合物,主要成分為炭和少量有機質(zhì)。從性質(zhì)上看,生物炭是一種高有機質(zhì)、低灰分的混合物,呈黑色(或褐色)粉末狀或者顆粒狀。生物炭主要組成元素為碳、氫、氧、氮等[22],碳含量較高,一般為60%～80%,在動物飼料中應(yīng)用可提高飼料的碳含量和碳氮比,總灰分含量一般在10%～30%[23]。

在熱解制備生物炭的過程中,原料中大分子炭化形成的炭骨架相互交錯形成介孔結(jié)構(gòu)(2～50 nm),小分子則由內(nèi)向外擴散形成孔徑微孔結(jié)構(gòu)(<2 nm)[1,24]。生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪等,經(jīng)熱解炭化后在生物炭表面及內(nèi)部形成一些特殊官能團,如羥基和羧基等[25-27]。熱穩(wěn)定分析表明,高溫制備的生物炭具有較高的熱穩(wěn)定性,比表面積減小且孔隙結(jié)構(gòu)更加發(fā)達[28]。趙世翔[29]研究表明,隨著熱解溫度(300～600 ℃)增加,生物炭的產(chǎn)率、揮發(fā)性組分、酸性官能團及總官能團的含量降低,固定態(tài)碳及礦質(zhì)元素[鉀(K)、磷(P)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、鈣(Ca)和鎂(Mg)]的含量增加。當炭化溫度過高時,隨著溫度的升高比表面積反而減小。以小麥秸稈為例,熱解溫度在300～400 ℃時,生物炭原料的纖維素和半纖維素間的氫鍵發(fā)生脫氫反應(yīng),快速脫水并形成孔隙;熱解溫度在400～600 ℃時,木質(zhì)素分解,內(nèi)部羰基(C=O)、芳醚(C-O-C)、甲氧基(O-CH3)等含氧基團化學(xué)鍵斷裂重組,以氣體的形態(tài)揮發(fā)且在內(nèi)部形成更小的孔隙;熱解溫度≥600 ℃時,生物炭表面邊緣熔融,孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌[30]。

1.3 生物炭的功能

生物炭具有離子交換、靜電吸附和沉淀作用等多種吸附污染物手段[31]。在降解多種污染物反應(yīng)(如脫氯、氮還原等),吸附去除抗生素、重金屬和有機化合物等方面有積極效果[27,32-35]。隨著熱解時間的延長,生物炭表面的含氧官能團更加豐富,但炭化溫度過高會使官能團分解,pH提高[36]。絕大部分生物炭呈偏堿性,pH在5～12,對改善酸性土壤、調(diào)節(jié)水體pH、堆糞發(fā)酵都有較好的效果[37-39]。

生物炭的特殊孔隙結(jié)構(gòu)具有去除有毒物質(zhì)的高吸附能力,能有效維持機體及環(huán)境的穩(wěn)定。生物炭的物理特性如孔徑、直徑和比表面積是決定吸附效果的關(guān)鍵因素[40]。有研究發(fā)現(xiàn),生物炭的吸附能力并不僅僅只受炭孔隙大小的影響,還受比表面積、官能團等因素影響。Burchacka等[41]在電子顯微鏡觀察到細菌主要黏附在生物炭孔隙的表面,生物炭水溶液與細菌接觸6 h后,山毛櫸生物炭對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌的吸附水平最佳(分別為90%和80%),山毛櫸生物炭含氧基團豐富度(14.05%)為同處理方式的椰子殼生物炭、硬煤、藥用炭的2倍。Pereira等[42]發(fā)現(xiàn),當生物炭與黑麥草青貯飼料混合使用時,可以減少霉菌毒素的形成、抑制丁酸的形成并增加乳酸菌的數(shù)量。Rao等[43]向受黃曲霉毒素B1污染的飼糧中添加生物炭,飼喂山羊后山羊奶中毒素含量減少且不影響羊奶的成分和產(chǎn)量。給山羊和牛喂食生物炭還可以降低寄生蟲的發(fā)生率[44]。生物炭作為吸附劑的孔徑(2～50 nm)小于病毒顆粒的直徑(20～200 nm)[45],對病毒的吸附可能是其表面離子與病毒外殼蛋白的非特異性結(jié)合,因此能大量吸附飼料及環(huán)境中的病毒,減少病毒進入動物消化道,抑制病毒在腸道中獲取營養(yǎng)而增殖。飼糧中添加生物炭對養(yǎng)殖動物生長性能、抑制霉菌毒素、殺蟲劑和病原體等能力取決于生物炭的吸附特性,這些特性又受生物炭原料、熱解溫度、熱解時間等因素影響。

2 生物炭對動物生長性能的影響

2.1 生物炭對增重和飼料利用的影響

綜合目前已有的研究發(fā)現(xiàn),生物炭在動物飼糧中的適宜添加量在0.2%～4.0%,其可提高動物的平均日增重、終末體重,降低飼料系數(shù)。不同來源的生物炭在動物飼糧中的最適添加量及應(yīng)用效果見表1。

表1 不同來源的生物炭在動物飼糧中的最適添加量及應(yīng)用效果Table 1 Optimum adding amount and application effect of biochar from different sources in diets of animals

2.2 生物炭對攝食的影響

生物炭在制備過程中不可避免攜帶焦味,使動物對生物炭的接受程度并不一致。Kana等[51]分別將0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%的生物炭添加到肉雞飼糧中,結(jié)果發(fā)現(xiàn),生物炭添加量超過0.6%時顯著降低了飼料的適口性,肉雞攝食量下降。McAvoy等[4]將不添加生物炭的對照飼糧和添加不同劑量生物炭試驗飼糧供綿羊自由選擇,發(fā)現(xiàn)綿羊?qū)ι锾刻砑恿吭?.2%以內(nèi)飼糧的攝食量較為一致,對適口性無影響。韓杰等[54-55]將水稻秸稈生物炭和木醋液(8∶1)混合物加入到斷奶仔豬飼糧中,結(jié)果顯示,添加3%的混合物顯著降低了仔豬的采食量。也有研究發(fā)現(xiàn),在沒有添加生物炭的情況下,羊羔拒絕食用有苦味的新鮮苦艾草飼料,每天將0.5～1.5 g/kg的生物炭直接混入飼糧可提高苦艾草飼料的攝入量[56]。

2.3 生物炭對機體營養(yǎng)成分的影響

Boonanuntanasarn等[57]發(fā)現(xiàn),結(jié)束試驗前2～4周,在羅非魚飼料中添加0、10、20和30 g/kg生物炭,隨著生物炭添加量的升高,魚體營養(yǎng)成分中蛋白質(zhì)含量增加,水分含量降低;試驗結(jié)束時,10、20和30 g/kg生物炭組魚肉中土臭素含量較對照組顯著降低。劉秀玲等[48]研究發(fā)現(xiàn),飼糧中添加0.2%、0.4%和0.6%的玉米秸稈生物炭能夠降低肉雞的腹脂率,改善胴體品質(zhì),其中0.4%生物炭組肉雞的胴體率、胸肉率和腿肉率等指標最好。朱魁夫等[49]研究發(fā)現(xiàn),飼糧中添加0.3%、0.6%或1.2%玉米秸稈生物炭均可以提高櫻桃谷肉鴨的生產(chǎn)性能,提高腿肌率、胸肌率,降低腹脂率,改善胴體品質(zhì)。Yunana等[50]在飼糧中分別添加0、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%的木質(zhì)生物炭飼喂育肥期肉雞,結(jié)果顯示,2.5%木質(zhì)生物炭組肉雞腹部脂肪沉積量較對照組增加了51.85%。上述研究結(jié)果顯示生物炭對肉雞腹脂沉積率的調(diào)節(jié)作用與肉鴨不一致,可能是由于不同試驗所用生物炭的種類、添加量以及養(yǎng)殖環(huán)境存在差異,具體原因仍需進一步研究。

3 生物炭對動物腸道健康的影響

飼糧中添加適量的生物炭可以提高動物的生產(chǎn)性能和改善健康狀況,但生物炭本身并不能直接提供維持機體健康所需的營養(yǎng)物質(zhì)和微生物群。腸道是營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收的重要部位,添加生物炭后產(chǎn)生的特定功效普遍認為是在腸道環(huán)境中發(fā)揮作用的結(jié)果。生物炭在調(diào)節(jié)腸道菌群、維持腸黏膜屏障的完整性和減少腸道廢氣排放等改善腸道健康方面具有良好效應(yīng)。

3.1 生物炭對腸道結(jié)構(gòu)的影響

炭類是中醫(yī)常用的一類經(jīng)典藥材,在治療腹瀉、嘔吐等腸胃疾病上發(fā)揮積極作用,可以刺激小腸和大腸生長、發(fā)育、成熟和修復(fù),促進營養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)消化吸收,改善腸道組織結(jié)構(gòu),提升腸黏膜屏障功能[58-59]。生物炭可通過調(diào)節(jié)腸黏膜組織中激素水平來維持動物體內(nèi)的內(nèi)分泌平衡。Goiri等[8]研究表明,在肉雞飼糧中添加3%的生物炭可增加盲腸段乙酸、己酸等短鏈脂肪酸含量,促進結(jié)腸細胞增殖,有助于刺激胃腸激素生成[60]。生物炭的特殊孔隙結(jié)構(gòu)可刺激腸道絨毛末端的發(fā)育,使腸道的消化能力和吸收效率提高。Thaib等[61]研究顯示,在尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)飼料中添加3%的魚骨生物炭可使其腸道絨毛長度顯著增加71.11 μm,并顯著提高了80.3%的飼料利用效率。

3.2 生物炭對腸道通透性的影響

生物炭的吸附能力與腸道通透性相互作用,能通過透析吸收和清除血液中的親脂性和親水性毒素[62]。生物炭的透析特性可以吸收沿著腸道血液和尿液之間的濃度梯度擴散的化合物,還可以干擾腸道、肝臟和膽汁之間有毒物質(zhì)的腸肝循環(huán),從而防止從膽汁中提取酯類和孕激素、有機汞、砷等化合物[63]。在飼糧中添加生物炭可以顯著降低斷奶仔豬[64]和肉仔雞[65]血液中總脂質(zhì)、總膽固醇和甘油三酯的含量。付潘潘[7]研究發(fā)現(xiàn),飼糧中添加1%小麥秸稈生物炭顯著減少肉雞的腹脂沉積、血清總膽固醇和甘油三酯含量。閆九明等[66]發(fā)現(xiàn),服用竹生物炭粉具有減少高脂型大鼠體內(nèi)脂肪蓄積、降血脂、減輕肝臟脂肪變性的作用。生物炭對脂肪、脂溶性物質(zhì)和干擾消化的有毒物質(zhì)的結(jié)合作用能增加機體對脂肪的排泄,但對脂溶性營養(yǎng)物質(zhì)是否流失的問題暫未見有相關(guān)報道。

3.3 生物炭對腸道微生物調(diào)節(jié)的影響

生物炭的多孔結(jié)構(gòu)擁有超大比表面積,是各種微生物理想的生長環(huán)境[37]。飼糧中添加生物炭能使動物腸道微生物群落豐度增加,減少條件致病菌比例,減輕腸道炎癥。Kim等[67]研究表明,投喂10 d含0.50%椰子樹生物炭的飼糧后,豬糞便中大腸桿菌的數(shù)量顯著降低,而有益菌乳酸桿菌的數(shù)量顯著增加。Han等[68]研究發(fā)現(xiàn),大鼠灌胃體重的0.1%的稻草生物炭5周,腸道黏膜結(jié)構(gòu)和上皮細胞的完整性得到改善,同時盲腸微生物群落豐度增加,厚壁菌門的相對豐度增加了68.61%,擬桿菌門的相對豐度減少了57.03%;普雷沃氏菌屬在擬桿菌門中的比例有所下降。厚壁菌門和擬桿菌門所屬細菌占腸道菌群的90%,厚壁菌門是最大的腸道微生物群,已被證實其參與能量代謝、調(diào)節(jié)炎癥和改善腸道上皮的發(fā)育等[69]。普雷沃氏菌通常與慢性炎癥條件相關(guān),是機會性的病原體,在腹瀉主導(dǎo)型腸易激綜合征患者中較正常人群增加超過100倍[70]。Yildizli等[71]研究表明,多種濃度的橄欖仁和杏籽生物炭在體外培養(yǎng)試驗中對革蘭氏陽性或革蘭氏陰性細菌、噬菌體和真菌的生長沒有促進或抑制的直接影響,而10、20、50和100 μg/mL生物炭施用于體外激活的巨噬細胞24 h,巨噬細胞產(chǎn)生的炎性細胞因子腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和白細胞介素-6(IL-6)的表達水平隨生物炭濃度的增加線性下降。綜上可知,生物炭可通過抑制體內(nèi)炎癥反應(yīng),減弱微生物對腸道的刺激,從而豐富細菌群落、改善腸道菌群結(jié)構(gòu)。

3.4 生物炭對腸道營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收的影響

目前尚未有研究生物炭對腸道中脂肪酶、蛋白酶和淀粉酶等消化酶活性影響的報道,研究顯示生物炭對反芻動物飼糧中草料的干物質(zhì)、有機物和纖維類物質(zhì)消化率有較為顯著的提高作用。Dereje等[72]給4組育肥公綿羊中每天投喂200 g麥麩和100 g牛油籽餅精飼料,并分別放置混合了0、1.5、3.0、4.5 g玉米芯生物炭的干禾草供自由取食,發(fā)現(xiàn)玉米芯生物炭顯著提高了綿羊的有機物、干物質(zhì)和酸性洗滌纖維消化率。Do等[73]研究發(fā)現(xiàn),在相思木葉(Acaciamangium)中添加0.5、1.0 g/kg竹生物炭組山羊的有機物、干物質(zhì)、粗蛋白質(zhì)消化率和氮保留率最高,顯著高于未添加竹生物炭對照組和添加1.5 g/kg竹生物炭組。生物炭可以減輕草料中抗營養(yǎng)因子(單寧)的影響,Ben等[74]將相思葉浸泡在含180 g/kg木質(zhì)生物炭灰溶液中浸泡1 d,相比浸泡在等量蒸餾水中降低了24.5%的單寧含量,生物炭灰處理后的草料使山羊的粗蛋白質(zhì)和中性洗滌纖維消化率顯著提高。

3.5 生物炭對腸道氣體排放的影響

農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖活動是人為甲烷(CH4)生產(chǎn)的最大組成部分,甲烷占全球溫室氣體排放總量的14%,其中62%來自反芻動物的腸道發(fā)酵[75-76]。腸道內(nèi)氣體通過打嗝、腸壁吸收、菌群代謝和肛門排空等方式減少,單胃動物和反芻動物腸道內(nèi)的甲烷主要由產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生[77-78]。Hansen等[79]研究發(fā)現(xiàn),與對照組相比,9%的活化生物炭、木質(zhì)生物炭和稻草生物炭在離體瘤胃中孵化48 h可減少11%～17%的甲烷產(chǎn)量。Teoh等[80]研究發(fā)現(xiàn),在瘤胃模擬系統(tǒng)中補充7.2%的硬木生物炭降低了一種甲烷甲基菌科和一種乳桿菌屬的產(chǎn)甲烷菌豐度,實際養(yǎng)殖中生物炭最適添加劑量將低于該數(shù)值。Mirheidari等[81]發(fā)現(xiàn),飼糧中添加0.5%、1.0%和1.5%核桃殼生物炭或雞糞生物炭投喂母羊2 h后,抽取母羊瘤胃液進行體外發(fā)酵,發(fā)現(xiàn)隨著生物炭添加水平的增加,pH線性增加,氨濃度線性下降,其中1.0%核桃殼生物炭使甲烷排放量減少了42%,添加1.5%雞糞生物炭使甲烷排放量減少了54%。Leng等[10]研究發(fā)現(xiàn),在黃牛飼糧中添加0.8%的生物炭可顯著提高飼料轉(zhuǎn)化率,同時使甲烷排放量減少了11%。生物炭減少甲烷排放的機制可能在于其對產(chǎn)甲烷菌和營養(yǎng)物底物的影響,通過增加瘤胃pH抑制產(chǎn)氣菌生長,或通過增加腸道某些菌群豐度爭奪可發(fā)酵底物,從而降低甲烷排放,減少環(huán)境污染。

4 小結(jié)與展望

生物炭主要由農(nóng)、林、工業(yè)廢棄物再加工制成,屬于綠色環(huán)保材料,符合我國資源可循環(huán)利用政策,作為新型功能飼料添加劑有很大的開發(fā)潛力。生物炭具有特殊的生物功能,有助于提高動物對飼糧中營養(yǎng)物質(zhì)的利用率,從而提高飼料效率,并能促進動物生長發(fā)育,改善腸道健康和維持養(yǎng)殖環(huán)境,值得研究開發(fā)和推廣。但生物炭在不同來源、不同處理方法、不同添加劑量等條件下,所產(chǎn)生的效果不同,今后還需從生物炭來源、處理方式、結(jié)構(gòu)功能等方面深入研究,針對不同動物品種、不同生長階段,篩選適宜的生物炭類型、處理方式和添加劑量,進一步探討生物炭的影響機制,推動生物炭在動物飼糧中的科學(xué)高效應(yīng)用。