微生物治理畜禽糞便臭味的作用機理

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，這就直接促進了我國養殖業的發展。自20 世紀末開始，我國的畜牧業養殖模式逐漸從傳統的飼養模式向集約化、區域化方向快速發展。隨之而來的是畜禽養殖與環境保護之間的矛盾日益突出。據統計，山東省每年約產生畜禽糞便1.8億t，其化學需氧量（COD）為2.46億t，氨氮堆存量為24.6萬t。畜禽糞便對環境的污染主要表現在糞便中未被機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]。這些污染源進入水體、土壤、大氣中，給養殖場附近的局部環境以及周圍輻射地區造成了很大的生態壓力。針對這種現象，2001 我國制定推出了《畜禽養殖污染防治管理辦法》《畜禽養殖業污染物排放標準》和《畜禽養殖業污染防治技術規范》，以期加強法規建設。其中的畜禽糞便污染解決辦法主要有3大類：物理的方法包括經過適當處理將可利用的營養成分轉化為飼料二次利用、直接燃燒作為能源發電；化學的方法即通過厭氧菌的分解將糞便中的有機物轉化為沼氣；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、促進畜禽糞便中的氨硝化作用、減少畜禽糞便中的氨氣揮發作用。

1.1 微生物對畜禽糞便的降氨作用

畜禽生產中產生的糞便對環境造成一系列的問題，包括營養成分的過濾、污染物的表面流失和氨氣的揮發。禽舍糞便的氨氣揮發增加了空氣中的酸沉淀，增加地表水的泥土沉淀而導致養分富集以及土壤酸化。另一方面，硝酸鹽（NO3-）能浸入地表水中，嬰兒腸中的特定細菌把NO3-轉變成亞硝酸鹽（NO2-），隨后NO2-把Fe2+氧化成Fe3+，使血液中的血紅蛋白轉變成不能運輸氧的高鐵血紅蛋白[2]。因此降低N 排放和NH3揮發對優化環境、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、飼料調控、改良堆肥以及微生物調控等多種技術[3]。其中，基于硝化作用的微生物調控技術具有成本低、操作簡單、無二次污染等優點[4]。氨氣揮發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 轉化為硝酸鹽或亞硝酸鹽，改變糞中NH4+→NH3+H+的動態平衡，是減少糞便氨氣揮發量的一條有效途徑[3]。Pan等將一個連續缺氧/好氧生物系統處理應用到豬糞便污水中，通過微生物的異養硝化作用降低污水中NH4+-N 的含量，進而降低氨氣排放，增加NO3-含量[5]。Kim等向肉雞糞便中添加硝化細菌，可加快NH4+和NH3向NO2-、NO3-的轉變，降低糞便中NH4+-N 的濃度，進而降低氨氣的散發量[6]。

硝化細菌以無機氮為營養源，廣泛分布在土壤里。環境中存在幾種不同類的可用的硝化細菌，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轉化成NO2-，隨后把NO2-轉化成NO3-。部分特定的細菌有助于土壤NO3-的生成[8]。然而，有報道稱并不是所有的土壤NO2-制造者都是硝化細菌[9]。一些能把銨離子（NH4+）氧化成NO2-的硝化細菌被稱為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 微生物促進畜禽糞便中的氨硝化

為了對畜禽糞便進行經濟利用并為人畜保持良好的環境，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-產物是自然界氮循環的重要組成部分。

利用土壤硝化細菌來促進畜禽糞便中NH3的硝化對降低NH3蒸發有促進作用。在糞便加到土壤中之前，N 最主要的存在形式是隨著pH 升高而轉變為NH3和NH4+。禽舍中的NH3易蒸發。然而，糞便中的NH4+在應用到土壤中后命運會大不相同，大量的NH3被土壤硝化菌氧化成NO2-，最終轉變成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生效力比較低，這一過程具體的化學反應細節如下：NH3氧化成NO2-時產生的4 個電子中，只有2個用來產生能量，因為另外2個被用來將NH3氧化成NO2OH。因此，硝化細菌生長的速度非常慢。NH3氧化以后，在NO2-氧化菌膜范圍內，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。盡管禽舍糞便中有一些硝化細菌，配方強化可以加快NH3到NO3-的轉變，減少NH3的揮發[11]。禽舍中NH3的硝化有減少NH3揮發、降低禽舍管理成本、提升禽類健康水平等優勢。然而，土壤中常見的細菌能否將NH3轉化成NO3-還需要大量的研究來證明，并且還要尋找出適合禽舍進行有效的微生物硝化的硝化細菌。

1.3 利用微生物減少畜禽糞便中NH3揮發

畜禽糞便中產生大量氨氣的主要原因是禽舍環境和低效的氮喂養方法。隨著遺傳學的發展，目前商業畜禽喂養了大量的蛋白質以保持其最佳的營養目標。飼喂蛋白質的最終新陳代謝產物是尿酸和尿素，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，有研究人員開發了幾種從禽舍管理中控制NH3揮發的方法。很多管理方法都不能緩解這一揮發，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境。

氨是畜禽糞便中有機氮化合物分解過程中產生的副產品，畜禽糞便中的微生物活動增加了NH3揮發。在NH3產生的過程中，糞便中最重要的N形式為被微生物尿酸酶轉化成尿囊素的尿酸，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[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揮發和N 損失[16-17]。對肉雞的另一項研究表明，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充鋅可以有效降低尿酸的分解，產生更大的糞便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化成NH3的酶的活動，微生物酶抑制劑對降低NH3的產生和揮發起著明顯作用。

NH3的揮發受濕度、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，微生物很活躍并加快NH3的產生。Nakaue 等報道，當pH＜7 時，NH3的產生速度下降，而當pH＞8時，NH3的產生速度上升[16]。因此，酸化劑的應用可以通過降低禽舍糞便的pH 減少NH3揮發，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%的細菌污染能夠通過將大部分尿酸轉化成尿素的尿酸分解來消除。將尿素轉化為NH3的下一步是利用棒狀桿菌、球狀細菌、產堿桿菌、無色菌和噬纖維菌的應力完成的，這一過程對尿酸的水解沒有影響。微生物對尿酸進行水解的最佳環境是溫度＞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損失的一個補充策略。

2 微生物治理畜禽糞便污染的發展方向

目前關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 降解菌基礎上，繼續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，進而降低氨氣的排放。另外結合我國傳統中草藥的健胃促消化功能，以提高飼料報酬、飼料中蛋白質、含氮氨基酸的利用率，減少飼料中臭味前提物的含量，進而降低糞便的臭味[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展方向。