基于饲料营养调控的养殖污染减排技术研究

2020-12-30刘国华

饲料工业 2020年14期

陈将刘国华

（中国农业科学院饲料研究所，北京100081）

世界粮农组织（FAO）报道全球畜牧生产占世界农业总产值的40%，约维持着13亿人口的生计，并为全球提供了约四分之一的蛋白质来源[1]。然而，畜牧业同时也是对环境造成污染的主要行业之一，畜牧业占农业对温室气体排放贡献率的50%[2]，占全球温室气体排放量的14%[3]，在我国畜牧业占农业造成水体氮污染贡献率的41%[4]。随着人类对美好生活的不断追求，人类对畜禽产品的需要量必将持续增长，但这也对环境保护提出了更加严峻的挑战，因此需要平衡人们对物质需求与生态环境安全的矛盾和探究更加绿色、安全的畜牧养殖方式。

1 畜禽养殖对环境的影响

1.1 对水资源的影响

畜牧业集约化生产导致了巨大的环境和资源压力，其中一个关键的压力来自水资源的使用和污染。畜牧业生产过程中对水资源的消耗主要有饲料生产过程、养殖过程和维持畜舍清洁等三个方面。据统计1头猪1 d平均排泄粪尿6 kg，产生污水30 kg，万头猪场每天排污3×105kg；1 只鸡1 d 平均排泄粪便36 g，10 万只鸡场日排粪3 600 kg，污水2×104kg[5]。此外，由于畜禽对饲料原料中的磷利用率为40%左右[6]，为了满足动物生长对氮、磷、硫元素的需要量，畜禽生产者通过在饲料中额外添加磷酸盐和氨基酸等添加剂来满足畜禽的生长需要，增加了畜禽排泄物中氮磷元素含量，其为水体富营养化的重要驱动因素。

1.2 对土地资源的影响

迄今为止，畜牧业是最大的人为土地使用者，全球土地面积的26%用于牲畜生产，而饲料作物的生产则占全部耕地的三分之一[7]。畜牧业对土壤的影响主要体现在两个方面：一是草食动物以过度放牧养殖方式而导致的土壤侵蚀和养分消耗的土地退化问题，过度放牧会影响土壤的水分循环、有机质和土壤盐分的累积，而且还通过牲畜的践踏、采食以及排泄物直接影响土壤的结构和化学性状。二是畜禽粪污的不合理排放或不恰当还田导致的土壤过营养化问题。畜禽粪便中含有的有机质、微量元素如若长期集中在同一地区过量排放，将会导致土地营养过剩，重金属元素含量超标等问题，影响微生物和植物生长，或通过食物链的方式给人类健康带来潜在威胁。

1.3 对大气的影响

畜禽生产中动物通过新陈代谢释放大量的甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）和二氧化碳（CO2）等温室气体，全球畜牧业所产生的CH4、N2O、CO2分别占人为CH4、N2O、CO2总排放量的44%、53%、5%[8]。有研究表明，畜禽所产的温室气体中97%的CH4是反刍动物产生的，这与反刍动物瘤胃能产生大量的CH4有直接关系[9]。此外，畜禽生产过程及粪便在堆肥过程通过微生物的发酵作用会产生令人厌恶的恶臭味气体，臭气主要为氨气（NH3）、硫化氢（H2S）、羧酸、酚、吲哚、醛、酮和有机胺等物质，臭气对畜禽及附近居民的健康有一定的危害作用。

1.4 对生物的影响

畜禽生产过程不可避免地出现一些病畜或是死畜，不健康的畜禽会排出多种致病菌和寄生虫卵，这些有害微生物进入环境中很有可能成为传染源，造成疫病传播，影响人类和畜禽健康。此外由于畜禽生产中大量长期使用抗生素，畜禽肠道微生物在抗生素的胁迫下产生耐药性，致使一些致病菌或多或少都存在某种抗生素的耐药性。同时，由于细菌之间的耐药基因具有高度同源性，极易通过质粒、整合子、转座子等可转移的遗传元件发生耐药基因水平转移，通过土壤及水环境等介质进而影响微生物间的耐药基因丰度，而影响微生物的种群结构[10]，对人类健康产生危害。

2 缓解畜禽养殖对环境污染的营养调控措施

在畜禽生产过程中用科学的手段提高动物对饲料的利用率，减少废弃物的排放，不仅可以减少环境污染，还可以节约生产成本。配制低排放环保型饲料是提高动物对饲料利用率降低排放的主要营养措施，其中包括设计低蛋白日粮、钙磷平衡配方，添加酶制剂、益生菌、植物精油及使用发酵饲料等手段。

2.1 低氮排放的饲料配方技术

目前关于降低畜禽对氮的排放的研究主要分为两个方面：一是提高饲料中蛋白质的消化率，二是提高饲料蛋白质的利用率。提高畜禽对饲料中蛋白质的消化率可通过在饲料中添加适量的蛋白酶，如胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜酶。研究表明，日粮中添加外源性蛋白酶能提高畜禽对饲料中营养组分的吸收利用，特别是蛋白质和氨基酸的消化效率，而降低排泄物中氮的含量，从而减少NH3、硝酸盐和亚硝酸盐对环境的污染[11]。Pan 等[12]研究表明，与对照组日粮相比，日粮中添加外源蛋白酶可使蛋白质的利用率由80%提高到85%，粪氮排放减少20.6%，尿氮排放减少了38.%。Leinone 等[11]通过使用生命周期评估（life cycle assessment，LCA）建模方法量化肉鸡日粮中使用蛋白酶在肉鸡生长、饲料生产链、粪污处理等环节对环境的影响。结果表明日粮中蛋白酶的使用可以减少豆粕类饲料原料的使用，减少大豆的种植，减少畜禽粪便中氮的含量，降低CO2、NH3和氮的排放量，全球增温潜值（Global Warming Potential，GWP）最大降低12%，平均降低5%；酸化潜值(Acidification Potential,AP)最大降低9%，平均降低5%；对富营养化潜值(Eu⁃trophication Potential，EP)无显著的影响。Oxenboll等[13]设计一个以日粮蛋白水平、能量水平、蛋白酶水平的3 因素2 水平的正交试验，探究了在肉鸡日粮中添加蛋白酶对环境的影响，结果表明使用蛋白酶作为饲料添加剂具有明显的环境保护效益。最重要的是降低了含氮化合物导致的GWP、AP 和EP，且在添加蛋白酶的同时降低日粮蛋白质水平效果更明显。

理想氨基酸模式下的低蛋白日粮配方技术也是当前降低氮排放的一种重要应用。Rachuonyo 等[14]研究表明，日粮中粗蛋白水平每降低1 个百分点（结合适当的氨基酸补充），可使氮排泄量降低8%及粪便中的NH3排放量降低15%。赵若含等[15]研究表明，在荷斯坦奶牛的基础日粮中配方上分别减少0.80%和1.66%的氮(粗蛋白质)，其粪尿氮排放量较对照组分别降低了7.67%和15.19%。Sharifi 等[16]研究表明, 在肉鸡生长的前期和后期将日粮蛋白水平降低3 个百分点后, 其血清中尿酸含量降低28.4%，一氧化氮(NO)含量降低36.5%。Berton 等[17]通过LCA模型分析了低蛋白日粮对集约化饲养条件下两种不同基因型的中等体重猪对环境足迹的影响。就日粮蛋白水平而言，低蛋白日粮的GWP、AP和EP值均低于正常蛋白水平（分别降低18%、12%和3%），饲喂低蛋白日粮与普通日粮组相比，可以通过减少环境中氮的释放来有效减少集约化猪生产的环境足迹。刘国华等[18]报道，如果畜禽生产者能够接受部分生产性能的下降，低蛋白日粮在氮的减排方面将会有更大的发挥空间。

2.2 低磷排放的饲料配方技术

畜禽生产过程向环境中排放的磷主要来源于饲料中未被消化的植酸磷、人工补充的磷酸氢钙（DCP）、磷酸二氢钙（MCP）和脱氟磷酸钙（DFP）等含钙磷添加剂。日粮配方中的植物性饲料原料（如大豆、小麦和玉米）其60%～82%的磷是以植酸磷的形式存在，而畜禽并不能分泌植酸磷酶，对植酸磷的消化吸收仅有很小一部分[19]，促进畜禽对植酸磷吸收最直接的方法是在日粮中补充植酸酶，植酸酶已广泛用于畜禽饲料中，作为改善日粮中磷利用率和减少粪便中磷排泄的一种手段。武建荣[20]研究表明，在日粮中补充500 U/kg 的植酸酶可使仔猪粪尿中磷含量下降31.3%，氮含量下降5.1%。朱金清[21]研究报道，在育肥猪饲料中每吨日粮中添加200 g植酸酶不仅能促进育肥猪对植酸磷的吸收且能减少50%的DCP添加量，减少了日粮中磷的含量,从而减少了对环境的污染。Maguire 等[22]研究了火鸡和肉鸡在高水平非植酸磷（NPP）及与低水平非植酸磷日粮（即接近需要量）中添加植酸酶对磷排放的影响，结果表明降低日粮中NPP的含量（即接近需要量）与植酸酶结合使用，可降低垫料中总磷含量的38%，而对垫料和土壤中的磷盐溶解度影响很小。

日粮中合理的钙磷比例也有利于畜禽减少磷的排放。植酸分子具有巨大的螯合阳离子和形成不溶性植酸钙盐复合物的能力，该复合物对植酸酶的活性具有抵抗力，且不易被畜禽吸收，不溶性钙肌醇六磷酸复合物的形成限制了磷和钙的利用率[23]。Liu 等[24]报道，将猪日粮中钙磷比从1∶1 增加到1.5∶1 可使猪回肠对磷的吸收从每天4.5 g减少到2.2 g。Aksakal等[25]发现在42日龄肉鸡中，当Ca∶P比为2∶1的日粮中添加植酸酶使P利用率增加了8.5%，而在Ca∶P为1∶1 的情况下，P 利用率增加了39.8%。日粮中无机磷源的选择也是影响磷排放的主要因素之一。目前广泛使用的饲料级磷酸盐主要包括DCP和MCP，DCP属于枸溶性磷酸盐，不易被动物吸收，MCP 溶于水更易被动物吸收。曹慧[26]研究报道，猪对MCP、磷酸一二钙（MDCP）和DCP中磷的表观消化率分别为88%、83%和70%，因此MCP 可作为一种更加高效、低污染的饲料钙磷添加剂。

根据畜禽的实际营养需要的阶段饲养也是减少磷排放的一种普遍被畜牧业所采用的成熟技术。Kebreab 等[27]进行了对体重为20 kg 到120 kg 的生长猪分阶段探究其对磷的需要量的试验，结果显示在不影响生长性能的条件下，磷的消耗量减少了20%。此外，已有研究利用转基因技术开发低植酸磷农作物，例如低植酸豆粕、高利用率磷玉米和表达植酸酶基因的低芥酸菜籽可用于猪和家禽日粮。Hill等[28]研究表明用低植酸玉米和豆粕饲喂育肥期的猪，与常规玉米-豆粕日粮相比，总磷消化率从34%提高到48%。在短期内，分阶段精确饲喂和酶的结合提供了一种现实的方式，可以提高畜牧生产系统中磷的可持续利用率。

2.3 降低微量元素排放的饲料配方技术

目前主要通过应用有机微量元素替代无机微量元素来降低畜禽对微量元素铜（Cu）、锌（Zn）、铁（Fe）和锰（Mn）的排放。饲料中无机微量元素主要是以硫酸盐形式添加，其有吸收率低、元素间存在竞争抑制的特点，而有机微量元素多是与有机酸、多糖、氨基酸和小肽形成的络合物或螯合物，其有吸收率高和竞争抑制弱的特点。谭静等[29]研究使用有机微量元素替代50%无机微量元素的减排效果，结果表明50%有机微量元素的替代使粪中Cu、Zn和Mn三种元素含量分别降低了51.78%、21.71%和16.82%，粪Fe 含量无显著差异。Singh 等[30]比较了肉鸡日粮中补充蛋氨酸螯合物（Met-TM）、酵母复合（Yeast-TM）的Cu、Zn、Mn、Fe 和无机微量元素（ITM）向环境中排放的差异研究。结果表明，与ITM 相比，补充Met-TM 和Yeast-TM 可以减少Cu、Fe、Mn 和Zn 的排泄。与ITM 组相比，Yeast-TM组的Cu、Mn、Fe和Zn排泄量分别减少了40.9%、68.3%、7.5%和68.1%。此外，Yeast-TM 比Met-TM更有效地减少了这些微量元素的排泄。日粮中补充微量元素Zn的主要原因是Zn具有促生长和抗腹泻的作用，饲料中添加的Zn 的类型主要分为氧化锌、纳米氧化锌、包被氧化锌、多孔氧化锌、硫酸锌、碱式氯化锌、羟基蛋氨酸锌，不同锌源的生物学效价各有不同。龙丽娜[31]研究报道，在断奶仔猪饲粮中添加高剂量氧化锌（2 000～5 000 mg/kg）虽然具有显著缓解腹泻的效果，但同时也造成了大量的锌源浪费和严重的环境污染等问题。其研究比较了多孔氧化锌、纳米锌、羟基蛋氨酸锌对高剂量氧化锌的替代效果，给出了多孔氧化锌和纳米氧化锌可以作为断奶仔猪高剂量普通氧化锌的替代品的结论。

此外，矿物质元素在畜禽肠道吸收过程可相互影响，如Zn与Cu、Fe 等可相互抑制吸收；饲料中钼过量时，Cu 的排出量会增加。因此在设计配方时尽量保持各元素比例合理和平衡。当前日粮中添加的Cu、Zn 含量并不是以满足动物生长需要为目标而是以促生长及防腹泻为目的添加量（仔猪硫酸铜添加量120～300 mg/kg，常规为250 mg/kg；氧化锌添加量2 000～5 000 mg/kg，常规为3 000 mg/kg)，因此远高于动物的实际需要量。饲料企业及畜牧养殖者应当依据动物营养理论科学合理地添加微量元素添加剂。

2.4 降低臭气排放的饲料配方技术

目前针对畜禽产生的臭气无害化处理措施有限，大多是通过通风系统将畜舍内产生的臭气排到大气中或粪便堆肥过程产生的臭气自发释放在空气中，这种措施并没有实际的解决问题。臭气的产生主要受营养物质的利用率及微生物的组成和活力等的影响，因此提高养分的利用率及调整微生物的组成均能降低臭气的产生。植物型除臭剂以其安全、环保、高效的特点，有着其他除臭剂无法比拟的效果，已成当前除臭剂开发应用的热点。目前常用来作为除臭剂的植物提取物主要有丝兰属植物、樟属植物、大蒜、中草药、菊芋和茶叶提取物等。丝兰提取物其有效成分为丝兰皂角苷和脲酶抑制剂复合物，可与动物体内消化道中的微生物协同作用，通过与NH3反应形成微生物蛋白来减少NH3的浓度。还可直接与NH3和H2S等有害气体相结合，进而抑制粪尿中臭气的排放[32]。陈华洁等[33]研究表明香樟植物提取物能有效抑制产脲酶和尿酸酶等微生物的生长，并对鸡排泄物中脲酶和尿酸酶的活性具有明显的抑制作用，从而显著减少氨态氮的逸失。戴荣国等[34]将陈皮、厚朴、木香等中药材按照一定剂量配伍制成的除臭剂添加到肉鸡饲粮中，研究结果发现添加中草药的饲粮可降低鸡粪中N、P的含量，其中鸡舍内NH3浓度降低36.76%。表明中草药提取物具有降解或者抑制NH3的功效。

益生元主要为一些低聚糖类，如低聚果糖、低聚木糖、菊粉、海藻多糖类，当然一些天然植物中的提取物也可以认为是益生元。其主要通过促进肠道有益菌的生长，增强肉鸡消化系统及通过竞争性抑制一些肠道NH3生产菌的生长来降低NH3浓度。有研究报道，日粮中添加或者饮用干酪乳杆菌、解淀粉芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、粪肠球菌、纳豆芽孢杆菌等益生菌或能减少非蛋白氮和尿素氮的形成或能抑制胃肠道内腔中产生脲酶的微生物区系从而抑制臭气的浓度[35]。当前的益生菌产品大多为乳酸菌属和酵母为主，而这些益生菌多为兼性厌氧菌，利用肠道中碳水化合物以产酸为主，产生的酸能够降低肠道pH，肠道的酸性环境能够抑制一些有害菌的生长，减少了肠炎的发生率，酸性环境抑制了尿酸或者尿素的分解，肠道酸性环境也刺激肠道蠕动，加速肠道菌群向后肠道的移动速度及排除速度。此外，益生菌在肠道内分解一些肠道内的纤维产生短链脂肪酸（SCFA），SCFA能够作为肠道的能量物质，促进肠道细胞的生长及维持体液的电解质平衡，对代谢有调节作用从而降低肠道氨的生成[36]。除了上面几种营养措施外，低蛋白日粮[37-38]和吸附性添加剂如蒙脱石和沸石粉[39]也是效果很好的降低臭气排放的措施。上述措施中大部分是通过降低粪尿中脲酶的含量或活性将氨固定在粪氮中来达到降低畜舍臭气的作用，当粪便在户外堆积或者还田时是否反而会增加臭气的排放还需要进一步的研究。

2.5 降低甲烷排放的饲料配制技术

畜禽对CH4的排放主要来源反刍动物瘤胃中CH4的产生。降低反刍动物瘤胃中CH4的产生主要分为降低瘤胃氢气的产生、降低瘤胃产甲烷菌的数量和活性、争夺氢气添加剂的使用等三个方面的饲料配方技术。通过调整反刍动物日粮中的精粗料比是降低瘤胃氢气产生的主要营养调控措施。李斌昌等[40]评估了9月龄荷斯坦牛饲喂不同精粗比日粮(30%、40%和50%)的CH4产生量分别为117.7、107.10 g和97.46 g。目前科研工作者普遍接受的是随着饲料精粗比增加，瘤胃发酵向丙酸发酵偏移，乙酸产量减少，日粮精粗比与CH4排放呈负相关[41]。此外，瘤胃中原虫的存在是瘤胃氢气产生的另一重要原因，大部分的氢气通过位于原虫内部或外表面的产甲烷菌转化为CH4[42]，完全去除瘤胃原虫是减少CH4排放并增强丙酸发酵的有效方法。Hegarty 等[43]对去原虫的反刍动物进行荟萃分析（Meta-analyses)发现去原虫比未去原虫体增重增加11%，此外CH4的产生量减少了13%～30%。但由于瘤胃中的原虫在去除的过程中会导致瘤胃pH值降低和影响瘤胃中其他微生物区系，对反刍动物生产产生不利的影响，因此营养学家对于是否去原虫持有不同的态度。据估计瘤胃甲烷菌产生的CH4占反刍动物CH4产量的37%[44]，在日粮中添加抗生素是降低瘤胃甲烷菌的数量和活性最直接的方法。Capelari 等[45]通过体外模拟瘤胃发酵试验评估了在肉牛和奶牛日粮中添加莫能菌素和硝酸盐对甲烷产生的影响，结果表明硝酸盐的添加使奶牛和肉牛的CH4产生量与对照组相比均减少了23%，莫能菌素的添加使奶牛和肉牛CH4产生量分别减少18%和39%，当硝酸盐和莫能菌素同时添加时奶牛和肉牛CH4产生量分别减少34%和56%。Zhang 等[46]报道小尾寒羊羔日粮中莫能菌素和硝基乙醇的添加使CH4的排放分别降低了24.0%和26.4%，每千克体增重的CH4排放量分别降低了8.7%和14.0%，且日粮中添加硝基乙醇与莫能菌素相比对瘤胃CH4产生的抑制作用更有效和持久性。硝酸盐类、延胡索酸、硫酸盐类和不饱和脂肪酸类等是当前应用较为广泛的夺氢气添加剂，对于不饱和脂肪酸（SFA）类添加剂主要有月桂酸和肉豆蔻酸等中链SFA和菜籽油、红花油、亚麻子油等长链脂肪酸。Bayat等[47]研究报道，在绵羊日粮中以每千克干物质中分别补充50 g 的菜籽油、红花油和亚麻籽油可分别减少CH4的排放量22.6%、20.5%和21.2%，但同时由于植物油的添加导致干物质的采食量分别减少12.4%、6.4%和7.8%。

2.6 消减畜禽排泄物中耐药基因的饲料配方方案

饲料中禁用抗生素是削减畜禽生产过程中产生的耐药基因对环境造成危害的最有效方法，我国农村农业部已明确规定2020年全面禁止在饲料中添加抗生素。1995 年丹麦出台了动物饲料中禁止添加抗生素的规定，其兽用抗生素总使用量急剧下降，且在丹麦控制治疗性抗生素使用后动物粪便肠球菌中的抗生素抗性基因丰度显著降低[48]。Sapkota 等[49]研究报道从依靠抗生素转为有机饲养的家禽养殖场中禽粪肠球菌的多重耐药率从84%下降至17%。预期随着饲用抗生素的退出和替抗方案的全面推广应用，耐药基因的传播和扩散将被遏制。