畜禽粪便磷排放减少的措施研究进展

金 磊 王立志

（1.威远县农业农村局，四川内江642450；2.四川农业大学动物营养研究所，四川成都611130）

磷是影响动物正常生长发育的一种重要的常量矿物元素。例如，幼龄动物缺乏磷会出现佝偻病，而成年动物缺乏磷会出现软骨病。此外，磷还以核酸、磷蛋白及磷脂等形式参与了动物体内氨基酸、脂类和碳水化合物等几乎所有营养物质的消化代谢反应[1]。同时，磷也是一种继能量和蛋白之后价格较为昂贵的饲料原料[2-3]。研究发现，植物性饲料中的磷，由于受到植酸的束缚，并不能被动物胃肠道完全消化吸收，未消化的磷主要以粪便的形式排放到体外，然后渗透到地表以及水体中，最终造成极其严重的环境污染[4]。因此，通过各种调控措施来提高动物对饲料磷的消化利用效率，不但能降低动物的养殖成本，而且对减少环境污染也具有非常重要的意义。目前为止，提高单胃动物磷消化利用效率最有效的方法是在日粮中添加植酸酶，而目前用于生产中的植酸酶主要来源于从微生物中提取。与单胃动物相比，反刍动物胃肠道中的微生物自身能够分泌植酸酶，日粮中一般无需额外添加植酸酶[5-7]。鉴于此，本文就减少畜禽粪便磷排放的措施予以综述，尤其是微生物植酸酶，以期为产植酸酶菌株的筛选及通过添加植酸酶降低畜禽粪便磷排放奠定理论依据。

1 畜禽磷排放研究进展

1.1 畜禽粪便磷对耕地污染

随着中国畜牧业的快速发展，畜禽粪便的产量也在急剧增加。畜禽粪便中含有大量的未被动物消化的磷，会对环境造成严重的污染，畜禽粪便磷对全国各省份环境的污染程度见图1，由图1 可知，其中沿海以及经济较发达地区污染均较严重，全国各省市中北京的污染最为严重[8]。畜禽排放粪便常作为有机肥施于土壤中，当土壤中磷的实际容量超过其承载负荷时，会引起土壤酸化和土壤板结等问题[9]。据统计，全国耕地平均粪便磷能够承载的负荷仅为29 kg/hm2[10-12]。其中，全国约20个省份超过该地区的承载负荷，12个省市粪便磷的含量以对其耕地造成了严重的污染[13-14]。由图1可以看出，粪便磷含量超过耕地承载负荷的省市多为沿海经济较发达省市，分布极其不均衡。同样，在省内不同城市也是如此，以四川省为例（见图2），四川部分城市耕地磷负荷严重超过承载负荷，像德阳和雅安。

图1 部分省市畜禽粪便污染情况[8]

图2 四川省各市畜禽粪便对耕地负荷的影响[15]

1.2 畜禽粪便磷对水体的污染

近年来，来源于畜禽粪便的水体污染已成为世界各国面临的挑战。经调查发现，我国135座水库处于中度富营养化的水平[16]。水体富营养化使水生植物和藻类迅速繁殖，引起水华暴发的现象，同时水体富营养化产生的藻毒素类物质释放的毒素可直接导致家禽、家畜甚至人类的死亡[17-20]。因此，迫切需要通过生物技术等手段提高畜禽磷的消化率，减少畜禽粪便磷的排放。由表1可知，山羊单位重量粪便中磷的含量最少，反映了山羊胃肠道对饲料磷的消化吸收能力优于其他动物。这可能是因为反刍动物胃肠道的微生物能够分泌大量的植酸酶催化植酸水解，释放出其中所含的磷，从而提高了宿主对饲料磷的消化，减少了磷的排放。

2 减少畜禽磷排放的措施

2.1 分子生物学技术的应用

研究发现，通过转基因技术，可以使单胃动物像反刍动物一样从唾液中分泌植酸酶[21]。将大肠杆菌植酸酶基因经胚胎移植获得转基因猪，发现仔猪唾液中的植酸酶活性高达341～10 077 IU/ml，对日粮中的植酸磷的利用率提高，仔猪对总磷的真消化率达到87.9%[22-23]。袁名安[24]培育出了有效磷的含量比常规玉米提高了6.6倍的低植酸基因玉米。

表1 单位个体畜禽粪便磷排泄量[7]

2.2 磷的供需平衡

研究表明，高磷（0.57%）和低磷（0.31%）日粮对奶牛的产奶量的并无显著的影响，日粮磷量0.31%时就能满足中、高产奶牛的营养需求[25-26]。此外，研究发现，日粮磷的水平对奶山羊采食量和泌乳性能也无显著影响[27]。由此表明，磷的供需平衡能根据动物的实际需求来调控日粮中磷的实际添加量，反刍动物饲料中无需添加过多磷，这样既能降低养殖成本，还能减少其粪便磷的排放。

2.3 饲料加工

研究发现，用蒸汽压片玉米饲喂奶牛能显著提高其饲料转化率，减少磷的排泄量[28]。当饲粮磷添加量一致时，用高湿玉米替换干粉玉米能降低磷的排放[29]。Wu 等[30]研究发现，用豆皮替代部分苜蓿干草对于奶牛的采食量和产奶量均无显著影响，但能提高磷的表观消化率。由此表明，用非粗料纤维替代粗饲料纤维可以适当降低磷的供给量。此外，饲料经过膨化和颗粒加工后，能破坏或抑制饲料中的抗营养因子、有毒有害物质，从而提高饲料转化率和磷的利用率。

2.4 饲料添加剂

酸化剂可以降低胃肠道pH 值，引起胃肠道微生物菌群结构发生改变，从而改变营养物质的消化吸收。研究发现，鸡日粮中添加酸化剂后，植酸磷的表观消化率显著提高，约0.41%～68%；血清无机磷含量随着酸化剂添加水平的增加而降低[31-32]。此外，益生素是一类微生物制剂，具有促进动物生长、提高饲料转化率的作用。研究发现，断奶仔猪日粮中添加0.5%的益生素，磷利用率提高11.10%[33-34]。

孙德成等[35]研究发现，在奶牛饲料中添加乳酸和复合脂肪酸的混合酸，能有效减少奶牛粪尿量以及总磷排泄量，显著提高奶牛场的生态环境和经济效益。宋范成等[36]研究发现，在奶牛日粮中添加聚糖、盐藻粉、维生素A，能显著提高奶牛磷的表观消化率。商常发等[37]通过在奶牛日粮中添加壳聚糖，发现奶牛血磷含量随饲喂时间的延长而显著升高，说明饲喂壳聚糖有利于促进奶牛机体对磷的吸收。Borucki 等[38]研究发现，相同的能量、蛋白和磷水平，在奶牛日粮中添加一定的阴阳离子(钠、钾、氯、硫)对磷消化并无显著影响，但是阴阳离子的营养调控对减少奶牛粪便排放量是可行的，从而能一定程度减少磷排放。

2.5 植酸酶的应用

猪、家禽饲料的主要以玉米、小麦及大豆等为主，这些作物中约80%～90%的磷是以植酸磷的形式存在。而非反刍动物难以利用植酸磷，减少植物中植酸磷的水平，就能相对地提高畜禽对植物性饲料中磷的利用率。单胃动物体内缺乏植酸酶，故磷的消化利用率较低。万振环等[39]研究发现，在肉鸡日粮中加入植酸酶，磷排放比正常营养水平降低26.06%。蔡景义等[40]研究表明，植酸酶的添加能显著提高菜籽粕和棉籽粕中植酸磷的消化率。Azeem 等[41]研究发现，在猪日粮中加入植酸酶，猪对菜籽粕中磷的消化率由34.31%上升至64.43%，豆粕中磷的消化率由40.85%提高至70.77%，均升高约30%。以上研究表明，在单胃动物日粮中添加植酸酶能显著提高磷的消化率。

反刍动物瘤胃微生物能产生植酸酶有效地水解植酸盐，一般不用考虑添加植酸酶。但是，Kincaid等[42]研究发现，在奶牛日粮中添加植酸酶后，动物血液中的磷含量和植酸酶的水解作用有所增加。由此表明，额外添加植酸酶同样可以提高反刍动物磷的消化率。Knowlton 等[43]研究发现，添加植酸酶对奶牛体重和奶产量并没有影响，但能显著提高奶牛磷的消化率，减少磷的排泄。研究表明，在不同种类动物的日粮中添加植酸酶，其有效磷的增加量不同。由表2可知，在减少畜禽磷排放的常用措施中，在畜禽日粮中添加植酸酶是提高可消化磷含量最有效的措施。

3 植酸酶研究进展

3.1 植酸酶的来源

植酸酶的来源广泛，主要包括动物、植物和微生物[57]。研究发现，植物中的植酸酶不适合在单胃动物呈酸性环境的胃中发挥作用；而动物自身小肠黏膜分泌的植酸酶含量少且活性低，对于单胃动物饲料中植酸磷的水解效率微乎其微，因而难以形成规模化生产[58]。而动物胃肠道微生物菌群产生的植酸酶作用范围广、稳定性好[59-60]。迄今为止，研究者已经发现小鼠、猪、兔、反刍动物以及人等胃肠道微生物均能分泌植酸酶[61-62]。但是，与反刍动物相比，单位动物胃肠道微生物植酸酶的活性较低，水解饲料中植酸磷的能力也很有限，因此仍需要额外的在饲料中添加植酸酶。这可能是由于反刍动物胃肠道具有更丰富的微生物，能产生植酸酶的微生物菌群种类较多、活性较高。

表2 植酸酶对畜禽有效磷含量的影响

3.2 微生物植酸酶

Reid 等[63]首次报道绵羊能将饲料中的植酸磷完全降解为易消化的无机磷。随后，Viveros等[64]首次发现，反刍动物胃肠道微生物是通过分泌植酸酶来水解饲料中的植酸磷，释放磷元素。植酸酶水解植酸是以分步的方式进行的，植酸酶能分步将植酸水解成不同的中间产物植酸五磷酸酯至植酸一磷酸酯，但最终产物主要以二磷酸肌醇为主[5]。至今为止，已研究发现能产生植酸酶的瘤胃细菌种类很有限，详见表3。由表3 可知，已发现分泌植酸酶的细菌主要为Bacillus（杆菌属）、Prevotella（普雷沃氏菌属）、Bifidobacterium（双歧杆菌属）和Lactobacillus（乳酸杆菌属）等。应用于生产植酸酶的需要满足的特点是性质稳定，主要包括耐高温和耐酸碱。因为对于家禽、兔子等动物饲料常需制粒，而制粒温度至少要保持在70 ℃。但目前发现的植酸酶适宜温度为46～57 ℃，超过60 ℃时，植酸酶的活性有部分损失，温度达70 ℃时，酶的活性大部分丧失。此外，生产中常用的植酸酶均为酸性植酸酶，而酸性植酸酶主要在胃（pH＜7）内起作用。曾有学者发现，中性植酸酶也能在pH 值逐渐升高至中性地肠道中起作用，推测中性与酸性植酸酶联合使用，将延长整个胃肠道中植酸酶的作用时间，从而更有效地提高植酸磷的消化。因此，虽然微生物来源的植酸酶已在动物生产中被广泛应用，但现有的产品存在着适用pH 值范围窄，对热稳定性差等诸多缺点。更高效、应用范围更广泛的植酸酶还有待开发。

表3 瘤胃能产生微生物植酸酶的细菌

4 小结与展望

目前已经发现的植酸酶仍不能完全满足生产的需求，植酸酶的研发和新产品的开发进入了瓶颈期，能否开发出一种能够突破诸多瓶颈效应的高效植酸酶还需要大量的科学试验进行探索，从胃肠道微生物进行筛选植酸酶的产酶菌株也许是一条有效的途径。随着高通量测序技术的快速发展，可借助宏基因组测序技术筛选影响磷消化的微生物相关基因，然后对磷的消化具有积极影响的微生物进一步分离、培养及鉴定这些微生物是否能够分泌植酸酶，并需要进一步从机制层面深入探讨肠道微生物影响饲粮磷消化的途径。