畜禽糞臭素的產生機制及減排措施研究進展

朱 鑫 張引航 楊桂芹 劉海英

(沈陽農業大學畜牧獸醫學院，沈陽110866)

隨著畜禽養殖規模化和集約化的快速發展，畜禽生產在滿足居民對肉、蛋、奶的需求基礎上，大量排放的糞污及臭氣物質引起的環境污染問題正逐漸成為人們關注的焦點，是制約發展環境友好型畜牧業的主要因素。據統計，2019年，我國禽肉產量達2 239萬t[1]。按照料重比1.8、鮮糞/采食量1.2計算，肉禽排放的糞便量高達4 836萬t。如果肉禽排放的糞便量占畜禽糞便總排放量按15%計，那么畜禽糞便總排放量約為3.2億t。伴隨著糞便的大量排放，臭味物質的散發和排放對畜禽生產、居民健康、空氣質量等也產生了不利影響[2]。2015年1月1日起正式實施的新《環境保護法》加強了對生產過程中臭味物質排放的防治要求[3]，明確畜禽生產中臭味物質的生成途徑，采取有效的防治措施已然迫在眉睫。

畜禽排放的臭味物質成分復雜、種類多樣，如豬糞中的臭味物質高達230多種，雞糞中的臭味物質高達130多種[4-5]。根據化學性質，畜禽排放的臭味物質主要包括揮發性含氮化合物[如氨氣(NH3)、腐胺等]、揮發性含硫化合物[如硫化氫(H2S)、硫醇、硫醚等]、揮發性脂肪酸(如乙酸、丙酸、丁酸等)和芳香族化合物(如吲哚、糞臭素、酚類等)四大類。其中，糞臭素(3-甲基吲哚，3MI)被認為是畜禽排放的僅次于NH3和H2S的第三大有害臭味物質，具有強烈的糞臭氣味，嗅閾值低于0.003 mg/m3，在濃度極低的情況下仍可被人和畜禽感知[5-6]。此外，糞臭素具有中等毒性，能夠誘發腸上皮細胞功能障礙，引起腸道疾病[7]；引起反芻動物急性肺水腫和肺氣腫[8]；沉積于脂肪組織中，引起肉產生膻味，降低肉品質[9-10]。近年來，國內外學者在研究糞臭素的產生機制及減排措施方面取得了一定的進展，本文就此方面進行綜述，旨在為畜禽健康養殖和可持續發展提供新思路。

1 糞臭素的產生機制

1.1 糞臭素生成的物質代謝基礎

畜禽糞臭素的生成是由腸道微生物發酵飼糧中未被消化的色氨酸(Trp)而來的。Trp在腸道微生物的作用下進行分解，有2條途徑：1)吲哚生成途徑。Trp在色氨酸酶(TNA)的作用下生成吲哚，同時伴隨著丙酮酸和NH3的產生；2)吲哚乙酸(IAA)生成途徑。Trp生成IAA的途徑有3條，一是Trp在芳香族氨基酸轉氨酶(ArAT)作用下生成吲哚丙酮酸，在吲哚丙酮酸脫羧酶(ID)作用下生成吲哚乙醛，經吲哚乙醛脫氫酶(IaaDH)作用生成IAA；二是Trp在色氨酸脫羧酶(TrpD)作用下生成色胺，經未知酶的作用下生成吲哚乙醛，經IaaDH作用生成IAA；三是Trp在色氨酸單氧酶(TMO)作用下生成吲哚乙酰胺，經吲哚乙酰胺水解酶(IaaH)作用下生成IAA[11-14]。生成的IAA在吲哚乙酸脫羧酶(IaaD)作用下生成糞臭素[6](圖1)。由此可見，糞臭素和吲哚是Trp經腸道微生物作用下的主要終產物。

TNA：色氨酸酶 tryptophanase；ArAT：芳香族氨基酸轉氨酶 aromatic amino acid aminotransferase；TrpD：色氨酸脫羧酶 tryptophan decarboxylase；TMO：色氨酸單氧酶 tryptophan monooxygenase；ID：吲哚丙酮酸脫羧酶 indolepyruvate decarboxylase；IaaDH：吲哚乙醛脫氫酶 indoleacetaldehyde dehydrogenase；IaaD：吲哚乙酸脫羧酶 indoleacetate decarboxylase；IaaH：吲哚乙酰胺水解酶 indoleacetamide hydrolase。

腸道中糞臭素的生成受到多種因素的影響，如代謝酶活性、前體代謝物濃度、微環境(pH、二氧化碳含量)、腸道菌群結構等[12]。由于糞臭素的形成必須經由IaaD作用于IAA實現，因而以IaaD為靶點篩選糞臭素生成菌，或者開發IaaD抑制劑，對闡明畜禽腸道糞臭素的生成機制及研發除臭劑具有重要的理論意義和應用前景。

1.2 糞臭素生成的微生物基礎

多種微生物能夠參與Trp代謝，生成吲哚和IAA，但是很少微生物能夠生成糞臭素[15]。到目前為止，已知有9種菌株能夠產生糞臭素：糞味梭菌(Clostridiumscatologenes)、疾病梭菌(Clostridiumnauseum)、假單胞菌(Pseudomonassp.)、根瘤菌(Rhizobiumsp.)、瑞士乳桿菌(Lactobacillushelveticus)、乳酸桿菌11201(Lactobacillussp. 11201)、產糞臭素奧爾森氏菌(Olsenellascatoligenes)、牙齦奧爾森氏菌DSM 7084(OlsenellauliDSM 7084)和扭曲真桿菌(Faecalicatenacontorta)[12]，它們分別來源于豬糞肥料[16]、土壤[17]、植物[18]、奶酪[19]、牛瘤胃[20]、豬糞便[21]、人牙齦縫隙[22]和人壞疽性闌尾炎[23]。在這些菌株中，只有Clostridiumscatologenes可以直接將Trp降解成糞臭素[24]，而其余菌株生成糞臭素的前體代謝物均是IAA。Olsenellascatoligenes是目前已知的唯一從豬糞便中分離到的動物源糞臭素生成菌[25]，而Lactobacillussp. 11201被認為與反芻動物肺水腫和肺氣腫及公豬肉膻味有關[26]，其余菌株均不是畜禽來源，因此分離和鑒定畜禽腸道糞臭素生成菌需要進一步研究，有助于闡明腸道糞臭素產生的微生物學機制。

1.3 糞臭素生成的時空效應

畜禽腸道中糞臭素的生成具有時間-空間效應，且這種時間-空間效應與腸道微生物發育功能不斷完善有關[27]。比如肉雞腸道中糞臭素濃度隨著日齡的增加而提高，2周齡肉仔雞直腸鮮糞中的糞臭素濃度為27 μg/g，到6周齡時濃度上升到65 μg/g[28]，這種變化可能與腸道特定菌群數量和微生物多樣性有關，而與總菌數量無關。有研究表明，雞小腸每克內容物中細菌總數為108～109個，盲腸每克內容物中細菌總數為1010～1011個[29-30]。而達到如此數量的細菌，雛雞所需要的時間僅需3 d(即孵化出殼后3 d)，且該數量保持相對穩定[31]。然而，腸道微生物菌群結構和多樣性隨著日齡的增加而發生改變。例如，腸球菌是雞腸道中的正常微生物菌群之一，在3周齡前，雞腸道內的腸球菌是以糞腸球菌和屎腸球菌為主；3周齡后，盲腸腸球菌逐漸成為了優勢菌群，這種腸道特定優勢菌群數量的增加被認為與糞臭素的生成有關系[32]。此外，腸道微生物多樣性的改變也表現出了類似的關聯性，1日齡的肉仔雞盲腸內微生物種類約有50個屬，到42日齡時增加到200多個屬[33]，微生物多樣性的提高有助于減少糞臭素的產生[28]。

畜禽不同腸段的微生物區系組成是不同的，反映在腸道各段糞臭素的濃度也是不同的。以雞為例，整個腸道中占主導地位的細菌是乳桿菌屬(Lactobacillus)、腸球菌屬(Enterococcus)、擬桿菌屬(Bacteroides)和棒狀菌屬(Corynebacterium)[34]。然而，乳酸桿菌主要分布于消化道前段(十二指腸、空腸、回腸)，腸球菌屬主要分布于消化道后段，擬桿菌屬主要存在于盲腸，這種腸道微生物區系組成的差異化或許是糞臭素濃度不同的原因。Yang等[35]研究發現，42日齡肉雞回腸、盲腸和直腸內容物中糞臭素濃度分別為28、333和185 ng/g，且與腸道微生物多樣性(Shannon-Wiener指數)呈正相關。與肉雞不同，150日齡的育肥豬腸道中糞臭素濃度排序為盲腸<結腸<直腸，這種差異源于各腸段微生物區系的不同發酵模式所致[36]。

1.4 糞臭素的代謝

腸道中產生的糞臭素由糞便排出體外，但仍有一部分經腸細胞吸收進入血液中，通過門靜脈到達肝臟。進入到肝臟中的糞臭素大部分可快速被代謝，由尿液排出；少部分沒有被代謝的運送到外周血液，在脂肪和肌肉中沉積，這是導致豬肉膻味的主要原因[37]。豬肉脂肪組織中糞臭素濃度的平均可接受閾值為0.20～0.25 μg/g，甚至低于0.15 μg/g[38-39]。糞臭素在肝臟中的代謝分為2相階段，在細胞色素P450(CYP450)酶的氧化作用下生成3-羥基-3-甲基吲哚(3-hydroxy-3-methylindolenine)等7種相Ⅰ(phase Ⅰ)代謝物；這些代謝物隨后經由硫化和葡萄苷酸化進行相Ⅱ(phase Ⅱ)反應[40-41]。豬CYP450酶具有多個亞型，其中CYP1A、2A19、2C33v4、2C49、2E1和3A是參與糞臭素代謝的主要氧化酶[42]，且受到部分相Ⅰ代謝產物,如吲哚-3-甲醇(indole-3-carbinol)和2-氨基苯乙酮(2-aminoacetophenone)的抑制[43-44]。糞臭素的代謝終產物主要是6-羥基硫酸糞臭素(6-sulfatoxyskatole,MII)、3-羥基-3-甲氧基吲哚(3-hydroxy-3-methyloxindole,MIII)和3-[(N-乙酰半胱氨酸-S-yl)甲基]吲哚(3-[(N-acetylcysteine-S-yl)methyl]indole,MX)。其中，MII和MIII可在豬血液和尿液中檢測出，而MX只在尿液中檢測出[45]。尿液中的MIII和吲哚-3-羧酸(indole-3-carboxylic acid，ICA)含量與脂肪組織中糞臭素濃度呈高度正相關，可作為脂肪中糞臭素濃度的最佳生物標記物[46]。這些相關酶活性及表達情況、代謝產物濃度變化反映了糞臭素在肝臟中的分解效率和在組織中的沉積能力，對闡明糞臭素的代謝途徑及提高肉品質具有重要的參考價值。

2 糞臭素的減排措施

雖然臭氣防控的重要性得到了人們的重視，然而關于臭氣的防控措施存在不少問題。目前，養殖場臭氣防控的主要方法有源頭減量、過程控制和末端減排，可參考相關文獻[47-48]。作為臭氣物質之一，糞臭素的減排措施研究相對較少，這里主要從飼糧、飼料添加劑和微生物學方面進行簡要概述。

2.1 飼糧

飼糧中未被消化的Trp是腸道中糞臭素的直接來源，因此在滿足畜禽對Trp需要的基礎上，降低飼糧中Trp和粗蛋白質水平是從源頭上減少糞臭素生成的主要途徑之一。在生長育肥公豬上的試驗結果表明，飼糧粗蛋白質水平降低，糞臭素等臭氣物質的排放量也隨之減少[49]。隨著“理想蛋白質”、“低氮飼糧”、“精準飼養”等理念的深入，降低飼糧粗蛋白質水平的同時，合理優化飼糧氨基酸水平及組成不僅可以滿足畜禽的需要，而且有利于減少氮的排放和提高養分的轉化效率。近期研究表明，氨基酸組成平衡的飼糧不會對生長育肥豬生長性能和飼料轉化率產生負面影響，而且豬糞便中糞臭素等臭氣物質的水平也隨之下降[50]。在蛋雞上的研究表明，飼糧標準回腸可消化Trp水平過高，盲腸中糞臭素的濃度有升高的趨勢[51]。除了調控飼糧粗蛋白質水平和氨基酸組成外，保證腸道后段易發酵碳水化合物的供給也有助于減少糞臭素的生成，且這種調控作用可能與丁酸等生成有關[52]。相反地，也有研究結果表明，丁酸的增加與糞臭素的生成并不存在必然的因果關系，而且易發酵碳水化合物的供給也不是通過減少糞臭素生成菌數量的方式起到降低效果，而是可能與氨基酸的利用途徑改變有關，即Trp被細菌利用，合成菌體蛋白，提高微生物活性，從而抑制Trp向糞臭素的轉化[53]。因此，維持畜禽后段腸道微生物發酵過程中能量和蛋白質平衡是降低糞臭素產生的有利方式。

2.2 飼料添加劑

通過有限的文獻資料可看出，飼料添加劑主要調控腸道，尤其是后段腸道的微環境(如pH等)，干擾微生物菌群結構(如微生物多樣性、特定菌群數量等)，從而影響糞臭素的生成。然而，還有若干問題需要進一步解決：1)成本問題，如有機酸等價格較高，添加量過高會導致飼料成本上升；2)抗營養問題，有些添加劑本身屬于抗營養因子，影響飼糧中營養成分的消化和吸收；3)穩定性問題，胃的強酸性環境會導致某些添加劑的效價降低，宿主腸道微生物菌群的多樣性使得外源特定微生物活性降低，導致功能的不穩定；4)作用機制問題，外源飼料添加劑影響糞臭素的生成是通過調控腸道局部環境和微生物菌群結構實現的，這種作用的實現是直接作用于糞臭素生成菌，還是作用于糞臭素生成的代謝過程等，這些都是未來需要解決的問題。

2.3 生物降解與轉化

糞臭素在畜禽腸道中是連續產生的，完全阻止其生成似乎是不切實際的。雖然目前采取的一些物理學(如吸附、掩蔽、稀釋、擴散等)和化學(如化學吸附、洗滌、氧化等)清除糞臭素的方法有一定的效果，但是這些方法引起的成本、能量消耗、二次污染等問題仍然限制了應用范圍[67]。利用微生物進行生物降解與轉化是一種可行的和生態友好型的清除糞臭素的方法。自從20世紀90年代以來，已經發現多種菌株能夠降解糞臭素。研究發現，糞臭素初始濃度為2 mmol/L時，銅綠假單胞菌Gs(PseudomonasaeruginosaGs)和惡臭假單胞菌LPC24(PseudomonasputidaLPC24)可分別在24和30 d內將糞臭素完全降解[68-69]；而沼澤紅假單胞菌-KDNS3(RhodopseudomonaspalustrisWKU-KDNS3)在21 d時對糞臭素的降解率超過93%[70]。Meng等[71]發現，短乳桿菌1.12(Lactobacillusbrevis1.12)在120 h內對糞臭素的降解率可達65%；而Tesso等[72]研究結果表明，當糞臭素濃度<200 mg/L時，不動桿菌NTA1-2A(AcinetobactertoweneriNTA1-2A)和不動桿菌TAT1-6A(AcinetobactergullouiaeTAT1-6A)在6 d內對糞臭素的降解率超過85%。最新的研究成果顯示，貪銅菌屬KK10(Cupriavidussp. KK10)、伯克霍爾德菌IDO3(Burkholderiasp. IDO3)、紅球菌DMU1(Rhodococcussp. DMU1)和紅球菌DMU2(Rhodococcussp. DMU2)清除糞臭素的速率更快，24 h對糞臭素的降解率可達99%～100%[73-75]。

總得來看，這些菌株降解糞臭素的能力不一，且多是在厭氧環境下完成的。厭氧菌降解糞臭素的過程相對較長，且易受氧氣等發酵環境的制約，不利于大面積推廣。相應地，分離和培養需氧菌相對容易一些，也易于操作。降解糞臭素的菌株在發揮作用的同時，需要與其他復雜的微生物菌群共存，這種菌株的適應性和穩定性是保證降解效果的關鍵。此外，目前的研究主要集中于糞臭素降解菌的發現與特性鑒定，對于糞臭素的降解途徑及機制問題還需要進一步研究。

3 小結與展望

規模化和集約化生產過程中，畜禽排放的糞臭素等臭氣物質對畜禽健康和周圍環境產生了不利的影響。近年來，關于糞臭素的研究主要集中在3個方面：一是糞臭素產生的微生物學機制及其關鍵調控位點(基因或酶)；二是糞臭素在體內的沉積機制；三是糞臭素的減排措施。盡管以上幾個方面的研究取得了一些進展，但還需進一步解決某些問題，如畜禽腸道中產生糞臭素的微生物種類及其影響因素，外源添加劑降低或抑制糞臭素生成的機制，糞臭素減排方法的穩定性及生物安全性評價等。隨著畜牧科技的發展，人們對糞臭素產生機制的研究將越來越深入，也必將開發出最佳的除臭技術，為畜禽養殖者提供更好的應用保障。