微生物除臭技術在畜禽養殖臭氣治理中的研究應用進展

韓昆鵬 楊凌 卞紅春 陳靜華 周姬 陳麗珠

微生物除臭技術在畜禽養殖臭氣治理中的研究應用進展

韓昆鵬 楊凌 卞紅春 陳靜華 周姬 陳麗珠

（江蘇省鹽城市畜牧獸醫站 224002）

近年來，隨著畜禽規?；B殖快速發展，畜禽養殖場產生的氨氣、硫化氫、揮發性有機物等臭氣，嚴重影響了畜禽正常的生長、生產和養殖場區及周邊環境，養殖場臭氣污染治理問題亟待解決。目前，畜禽養殖場臭氣除臭方法主要有物理法、化學法和微生物法，通過改變惡臭氣體的物象和結構、減少產生量，從而達到減排除臭的效果。本文論述了畜禽場臭氣來源、臭氣主要成分、微生物除臭技術的研究和應用進展，以期為今后相關研究的開展提供借鑒和依據。

隨著畜牧業規?；?、集約化的發展，畜禽養殖規模逐步擴大，畜牧業已成為推動農民增收致富、助力鄉村振興的主導產業。但是畜禽規?；B殖產生的大量固液廢棄物和臭氣，既影響畜禽正常生產與生長，又影響畜禽養殖場區及周邊農村生態環境，已成為農業面源污染主要污染源之一和制約畜牧業可持續發展的瓶頸。近年來，隨著我國大力開展畜禽養殖廢棄物治理工作，規?；B殖場固液廢棄物在無害化處理和資源化利用方面已取得明顯成效，但畜禽養殖場臭氣污染問題卻日益嚴重[1]。目前，畜禽養殖臭氣治理難題已成為熱點研究方向，國內外畜禽養殖場臭氣除臭方法主要有物理法、化學法和微生物法，通過改變惡臭氣體的物象和結構、減少產生量，從而達到減排除臭的效果[2]。其中微生物除臭技術于20世紀50年代發展起來[3]，是利用一種或者多種有益微生物的生理代謝活動降解惡臭物質，將其氧化成無臭、無害的最終產物，達到除臭的目的[4]。我國這方面工作的研究較其他國家起步較晚，20 世紀90 年代以后才開展這方面的實驗室研究工作[5-6]，但近年來國內科研機構對于除臭微生物在畜禽養殖業中的應用開展了大量的研究工作，為此本文通過對畜禽場臭氣來源、主要成分和微生物除臭技術研究應用進展三個方面進行綜述，以期為今后相關研究和治理的開展提供借鑒和依據。

1 畜禽場臭氣來源及主要成分

養殖場臭氣來源于多個方面，如動物糞尿、霉變墊料、病死畜禽、飼料、皮膚和粉塵，但主要來源是動物排泄物中未消化的各類有機物，在糞便中土著微生物的厭氧發酵作用下產生的不完全代謝產物[7]。具有氨化作用、硝化作用、硫氧化作用的土著微生物菌群在畜禽場臭氣的產生中發揮了重要的作用。但是臭氣主要成分和數量又因物種、尿的混入量、水分、溫度、通氣量、pH值以及堆放時間等的不同而有很大的差異[8]。豬糞以揮發性脂肪酸類臭氣物質為主，雞糞中NH3和二甲基二硫的含量特別高，牛糞臭氣成分以低級脂肪酸為主[9]。研究表明，與畜禽場臭氣有關的惡臭成分種類繁多，其中豬糞有230種，雞糞有150種，牛糞有94種[10]。目前，這些臭氣物質主要被分為3類：一是含氮化合物(主要為NH3)；二是含硫化合物(主要為H2S)；三是揮發性有機物(主要包括揮發性胺類化合物、含硫有機物，芳香族化合物和脂肪酸類)[11]。

1.1 NH3NH3是一種具有強烈刺激性臭味的氣體，水溶性強，主要來自于動物腸胃消化、糞尿、飼料殘渣和墊料等有機物被細菌分解產生。NH3是畜禽養殖場惡臭的主要成分之一，同時也是參與大氣氮循環的關鍵成分之一，大量NH3的排放會影響到大氣中甲烷(CH4)的氧化，從而加劇溫室效應[12]。高濃度氨氣可以直接刺激畜禽的呼吸道黏膜、眼結膜和眼角膜，吸入體內的NH3可與血液中血紅蛋白結合，使血紅蛋白的攜氧能力、血液堿儲能力以及血紅素的氧化性能降低，進而導致機體貧血、組織缺氧、抵抗力降低。據報道，高濃度的NH3可造成雞角膜炎、結膜炎、皮膚炎的發生，呼吸系統黏膜損害，大腸桿菌的易感性增加，雞新城疫和敗血支原體病發生率升高[13]。一般情況下，畜禽舍內NH3濃度要求不高于15mg/m3(GB/T18407.3-2001)。

1.2 H2S H2S是一種無色、易揮發、具有腐敗臭雞蛋氣味的毒性氣體。H2S 主要是由新鮮糞便中含硫有機物經厭氧微生物降解產生。研究表明，硫化氫的毒性很強，硫化氫對機體黏膜有強烈的刺激作用，長期低濃度接觸會引起結膜炎和角膜損害，造成體質變弱、抗病力下降、易誘發疾病，生產性能下降。高濃度H2S經肺泡進入血液與氧化型細胞色素氧化酶結合，致使酶失去活性，造成窒息癥狀并破壞中樞神經系統[14]。雞舍內硫化氫濃度不應超過10 mg/m3(GB/T 18407.3-2001)。

1.3 揮發性有機物 臭氣中揮發性有機物濃度較低，但對臭味貢獻很大，且成分復雜，含硫有機物、胺類化合物、芳香族化合物和揮發性脂肪酸類是其中最主要的臭氣成分[15]。此類揮發性有機物主要是由胃腸道中的各種微生物(例如乳酸菌屬、梭菌屬、擬桿菌屬等)厭氧發酵產生。臭氣中含硫有機物主要成分包括甲硫醇、乙硫醇、丙硫醇、丁硫醇、芐硫醇、甲硫醚、二甲基二硫醚、二甲基三硫醚和苯硫酚等，是最重要的致臭因子[16]。胺類化合物主要由甲胺、三甲胺和糞臭素組成。芳香族化合物主要包括吲哚類、甲酚、糞臭素等。揮發性脂肪酸主要包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸及其同分異構體[15]。揮發性有機物具有強烈的刺激性和腐敗味，可引起動物食欲減退、免疫力下降，易引發呼吸道疾病，長時間處于高濃度揮發性有機物環境中的動物會出現嘔吐現象，嚴重者呼吸困難、肺水腫和充血[17]。

2 微生物除臭技術的研究應用進展

微生物除臭技術在應用時，通常根據除臭階段及除臭方式的不同，可分為源頭除臭、過程除臭和堆肥除臭三等階段。在不同的階段選擇不同種類的益生菌作為除臭微生物，在源頭除臭和堆肥除臭階段，通過添加有益微生物菌群與腸道或糞便內土著微生物菌群競爭，抑制土著菌等有害菌群的活動，從而達到提高飼料轉化率，降解糞便中有機物和減少臭氣物質排放的目的；在過程除臭階段，通過除臭微生物滴濾器或噴灑除臭微生物，直接吸附降解臭氣中的主要成分，從而達到除臭目的。

2.1 源頭除臭研究應用進展 （1）源頭除臭主要采用在飼料或者飲水中加入除臭微生物的形式，增加腸道內有益微生物數量，抑制產生臭氣的土著菌落繁殖，改善畜禽腸道功能，提高腸道內飼料營養轉化率，從源頭減少臭氣的排放。在除臭微生物作為飼料添加劑的應用研究中，Ahmed 等[18]在肉雞飼料中添加解淀粉芽孢桿菌添加劑，研究發現：解淀粉芽孢桿菌對糞便中NH3和H2S的排放有明顯的抑制作用，添加量為20g/kg時NH3的減排率可達90%以上，添加量為5g/kg時H2S 的減排率可達87%以上。李曉剛等[19]研究發現巨大芽孢桿菌可以降低蛋雞排泄物中揮發性鹽基氮、尿素氮、可溶性硫化物尿酸和總氮濃度，以及脲酶、尿酸酶和芳基硫酸酯酶活性，從而減少臭氣物質排放量。查翹楚等[20]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含量，提高飼料消化率，降低糞便中氮、磷的排放量。張露[21]在肉雞中分別添加枯草芽孢桿菌和產朊假絲酵母，結果表明：枯草芽孢桿菌對糞便中氨氣減排率達到61.7%，H2S減排率達到27.0%。產朊假絲酵母對糞便中氨氣減排率達到56.6%，H2S減排率達到18.9%。（2）由于臭氣成分復雜，單株菌除臭很難達到理想的效果。Ransbeeck等研究發現，每一種臭氣都需要特定的微生物進行降解，單一菌株除臭效果明顯低于多種微生物共同作用的效果[22]。在最初的復合微生物除臭研究中，日本琉球大學比嘉照夫教授[23]研制的EM微生物添加劑，主要由乳酸菌、光合菌、酵母菌和放線菌群等10個屬80余種微生物菌群組成，用于飼料中能提高畜禽免疫力、改善舍內環境。據王軍等[24]報道，在肉雞中添加EM微生物添加劑能增強雞對疾病的抵抗，能提高成活率和飼料報酬，明顯降低雞糞的臭味。楊桂琴[25]等在蛋雞飼料中添加主要成分為蛋白質分解菌、脂肪分解菌、纖維分解菌和淀粉分解菌等的酵素菌制劑，結果表明: 添加酵素菌制劑的雞糞中總有機酸含量、揮發酸含量、糞臭素含量、糞氨含量顯著降低(P< 0.05)。Wang等[26]報道，添加0.05%~0.2%含有枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌的復合微生物制劑，可降低NH3的產生量達50%。諸多研究表明，在飼料中添加微生物除臭菌劑能夠有效減少雞糞中臭味物質的排出量，同時還可以提高飼料轉化率和畜禽機體抵抗力，降低養殖成本[18-26]。

2.2 過程除臭研究應用進展 （1）微生物過程除臭技術是一種簡單有效的除臭方式，主要包括養殖場噴灑除臭微生物和放置除臭微生物滴濾器兩種方法。其原理是臭氣物質中的氨、硫化物等物質溶于液相中，噴灑或者放置在過濾器的微生物能利用液相中的臭氣物質參與菌體代謝，從而降低環境中臭氣物質的含量，改善畜禽生活環境，提高畜禽生產性能。茍麗霞等[27]研究了噴灑微生物源抗菌除臭劑萬潔芬對雞舍內NH3和H2S的降解效果，結果表明可使雞舍內NH3和H2S平均降解73.2%和81.6%，劉偉[28]等采用生物活菌除臭劑鈕咳厲惡在蛋雞舍內噴灑，試驗結果表明，該除臭劑對雞糞具有顯著除臭效果，能夠有效減少有害氣體和粉塵濃度，增加有益氣載微生物數量，減少有害氣載微生物數量，提高蛋雞舍內空氣環境質量。路鵬等[29]研究發現生物型除臭劑對15種揮發性有機化合物也有較好的去除效果。這說明，生物活菌除臭劑不僅能有效減少NH3和H2S的濃度，而且能減少多種揮發性有機化合物的惡臭強度，為微生物除臭劑在生產環境中的廣泛應用提供了更豐富的數據支持。（2）雖然在畜禽養殖中噴灑微生物除臭劑方法簡單，但是噴灑次數、菌劑濃度必須滿足一定的要求，不能達到長時間除臭的效果，且一定程度影響到畜禽舍內的動物的生活環境。除臭微生物滴濾器可以有效解決這些問題，該方法是一種將物理除臭和生物除臭相結合的除臭技術，除臭微生物滴濾器內部通常由多孔惰性物質填充，填充物始終保持潮濕的狀態，微生物附著在填充物料表面形成一層膜，臭氣流經填料時，通過擴散把臭氣成分傳遞到生物膜，并與膜內的微生物接觸發生生化反應，從而降解污染物[30]。Melse等[31]對于肉雞舍和育肥豬舍實際應用的3種生物滴濾系統的NH3減排效果進行了1年的監測，發現NH3減排效率可以達到71%~86%。Kristiansen等[32]將微生物活性菌群運用到滴濾生物過濾器中，對臭氣中有機硫化物和羧酸的去除率分別達到50%和70%。徐曉軍等[33]在微生物滴濾反應器中，固定枯草芽孢桿菌、白曲霉菌和葡萄球菌等優勢菌種，可將出氣口的NH3和H2S分別處理至達到《惡臭污染物排放標準》(GB14554-93)中的一級和二級標準。葉芬霞等[34]利用從養豬場土壤中分離出具有除臭效能的3株微生物菌株：巨大芽孢桿菌CCW-Y1菌株、灰色鏈霉菌CCW-Y2菌株、熱帶假絲酵母CCW-Y3菌株，以米糠和陶瓷粒為吸附劑載體，制成復合微生物吸附除臭劑，復合微生物吸附除臭劑載體上微生物干細胞5.36 g/kg時對豬糞、雞糞和牛糞中NH3、臭氣的去除率可達80%以上，H2S的去除率達65%以上。目前，除臭微生物滴濾器處理模式是一種控制養殖場惡臭污染的有效方式，且對畜禽生長無負面影響。

2.3 堆肥除臭 堆肥除臭是一種針對傳統堆肥處理法發酵時間長、臭味大、肥效低等缺點發展而來的技術，通過在畜禽糞便堆肥過程中添加微生物菌劑，利用微生物之間的共生、繁殖及協同作用分解轉化糞便中的有機物質，有益微生物的代謝產物如乳酸、乙酸等形成酸性環境，抑制腐敗類微生物和病原菌的繁殖，從而達到減少惡臭氣體釋放的目的[4]。劉春梅[35]等將畜禽糞便中篩選馴化獲得的假單胞菌和鏈霉菌應用于牛糞堆肥過程中，整個堆肥過程中NH3總釋放量降低61%~68.59%，而有機氮增加27.42%~28.99%；H2S總釋放量較對照分別降低86.88%~89.69%和，硫酸鹽增加36.49%~40.77%，表明添加除臭菌株可有效地控制牛糞堆肥NH3和H2S釋放，保留氮素和硫素養分。Meng[36]等利用短乳桿菌在糞便發酵過程中去除糞臭素，試驗表明在最優條件下短乳桿菌對糞臭素去除率是71.83%，菌株的發酵上清液對糞臭素的去除能力最強，去除率為17.25%(24h)。張生偉[37]等將前期篩選和優化后的數株高效除臭菌和纖維素分解菌群制備成復合微生物除臭劑并用于畜禽糞便堆肥試驗，結果表明，復合微生物除臭劑在堆肥的前20d對NH3和H2S的去除率高達70%和60%以上，同時使堆肥的pH、含水率和C/N降低，堆體的溫度上升時間加快，高溫持續時間延長。梁軍[38]等采用光合菌和復合菌處理的雞糞。結果顯示光合菌處理組中NH3含量降低了18.9%，復合菌處理組中NH3含量降低了61.56%；光合菌處理組中H2S含量降低了30.90%；復合菌處理組中H2S含量降低了46.35%。眾多研究結果表明，微生物除臭劑在堆肥過程中具有高效穩定的除臭作用，并能減少堆肥肥效損失，促進堆肥腐熟，在資源化、無害化處理畜牧業廢棄物和治理環境污染方面具有較大的應用潛力。

3 小結

綜上所述，在國內外諸多微生物除臭理論研究中，分離出多種特定的除臭微生物菌種，通過實際應用證明微生物除臭技術具有處理效率高、操作簡單、無二次污染、費用低廉等優點，同時在源頭添加微生物菌劑還可以提高飼料中營養物質的利用率，降低養殖成本。但是微生物除臭技術的應用也存在一定的局限性，特定的微生物只能降解利用特定的臭氣物質，而且脫臭效果還受菌劑添加量、外部環境、畜禽種類、糞便含水率等諸多因素的影響，如何保證微生物除臭菌劑接種后的生長優勢、分離得到除臭效果好環境適應能力強的菌株以及復合微生物菌劑的合理搭配還需進一步研究和探索，相關研究成果將為畜禽養殖場臭氣排放難題提供有效的解決方案。

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（2019–04–22）

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