微生物除臭剂应用于畜禽养殖场的研究现状

马石霞，摆倩文，周 魏，马咸莹，田 攀，蔡新东，范思思，王晓航，马忠仁，陈士恩，孙 娜 ，丁功涛，*

(1.西北民族大学 生物医学研究中心，甘肃 兰州 730030； 2.西北民族大学 生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730124； 3.兰州生物制品研究所有限责任公司，甘肃 兰州 730046)

畜禽养殖业是我国农业农村经济的重要组成部分，2019年，我国生猪、羊、牛及家禽存栏量分别为3.1亿头、30.07亿只、9.1亿头和65.22亿只。畜禽养殖在给人们提供了丰富肉产品的同时也产生了大量的畜禽粪便、恶臭气体等养殖场废弃物和废气，对周边土壤、水源、空气和人们的生存环境造成严重的污染[1-2]。因此，加强畜禽养殖场恶臭污染的控制与处理对畜禽的规模化养殖和可持续发展尤为重要[3]。

目前国内外畜禽养殖场除臭主要采用物理、化学和微生物的方法[4]。相比于物理、化学法，微生物除臭法具有处理效率高、二次污染少、能耗低、运行费用低且便于操作等特点，已被国内外广泛地应用于恶臭的防治中。1957年，美国科学家Paneray申请专利“利用土壤微生物处理硫化氢废气”，标志着人类开始利用微生物进行除臭研究[5]。20世纪70年代开始，微生物除臭法被各国广泛研究并应用于环境治理方面。20世纪80年代，德国、荷兰、日本等国家从废弃物中筛选除臭菌株生产微生物除臭剂，将其应用于去除畜禽养殖过程中产生的恶臭气体。

我国于20世纪90年代以后才开展这方面的实验室研究工作[6]，研究内容涉及畜禽养殖场恶臭气体成分分析、恶臭气体去除方法、实时监测与控制、对人畜健康影响等领域[7-9]。本文从畜禽场臭气来源及主要成分、常用除臭技术、微生物除臭机理和应用进展等方面进行综述。

1 畜禽养殖场臭气主要成分及来源

畜禽养殖场的恶臭气体来源于畜禽粪便、霉变垫料、动物皮肤、病死畜禽中土著微生物厌氧发酵等产生的不完全代谢物[10]。这些不完全代谢物是恶臭气体的主要来源，主要分为3类：含氮化合物(主要为NH3)、含硫无机化合物(主要为H2S)和挥发性有机物(VOCs)(主要包括挥发性胺类化合物、含硫有机物、芳香族化合物)[11]。畜禽养殖过程中产生的恶臭气体刺激性强、对人畜健康危害大、组成成分复杂，有学者在猪粪中检测到恶臭成分有230种，主要是挥发性脂肪酸；鸡粪中的恶臭成分有150种，主要是NH3和二甲基二硫，牛粪中的恶臭成分有94种，主要是低级脂肪酸[12-13]。

挥发性有机物中的粪臭素和吲哚类物质对臭味的贡献很大[24]，饲料中的蛋白质在反刍动物瘤胃、单胃、大肠等厌氧条件下经不完全消化后生成色氨酸[25]，色氨酸经脱氨基作用后生成吲哚丙酮酸，然后转化为吲哚[26]；吲哚在脱氢酶作用下生成的吲哚-3-乙酸转化成粪臭素[27]。

表1为恶臭气体的主要来源及危害。畜禽舍内产生的有害气体能够影响动物的呼吸道黏膜，破坏呼吸道免疫屏障，可导致呼吸道疾病的发生[28]。此外，畜禽养殖过程产生的恶臭气体散发到空气中，对养殖场工作人员的呼吸道造成一定的损伤，降低黏膜免疫功能，导致呼吸系统无法维持正常的生理功能[29]。

表1 畜禽养殖场恶臭气体的主要来源及危害Table 1 Main sources and hazards of malodorous gases in livestock and poultry farm

2 常用的除臭技术及微生物除臭剂的作用机理

2.1 常用除臭方法

针对畜禽养殖场恶臭气体的成分，逐渐形成了系统的治理方法。早期的除臭技术主要采用物理吸附、化学反应和直接燃烧等方法，现在的除臭技术主要以生物法及化学法为主，物理法为辅[34]。

物理除臭法主要包括物理吸附法和高能离子除臭法等，其原理是利用除臭剂的物理性质，在不改变恶臭气体化学性质的前提下，利用吸附剂的吸附作用将其在固、液、气三相之间进行转化，从而达到消除恶臭气体的目的。该方法未改变臭气组分，只是降低其浓度，并未彻底消除恶臭气体[35]，此外，随着吸附剂的重复利用，其孔隙逐渐变小或结构塌陷，导致恶臭气体吸附量减少[36]。化学除臭法主要包括活性氧氧化法和化学溶液吸收法等，其原理是利用喷洒在地面或粪池中的氧化钙、磷酸氢钙等除臭剂与臭味物质发生化学反应，使臭味物质转化为无臭物质，达到除臭的效果[37]。化学法虽能够去除较多的臭味物质，但反应剧烈，容易生成有毒有害的副产物，造成二次污染[38]。

恶臭气体的组分复杂，经微生物降解后的产物也不尽相同[39]，与物理法和化学法相比，生物法在去除恶臭气体时条件较温和、持续作用时间长、应用范围广、重复利用率高且对环境造成的二次污染小[40]。微生物对氨氮、硫化氢等有害物质降解效果好，与化学法结合后可在短时间内消除养殖场内的臭味[41]。金华市金东区大堰河农牧场采用生物法，通过在饲料和饮水中添加有益菌、定时喷洒化学除臭剂(氯化钙、硫酸亚铁)以及在动物粪液中添加复合菌等措施，能够迅速去除硫化氢、氨、有机胺等恶臭气体[42]。生物法处理恶臭气体的优缺点如表2所示。

表2 生物法处理恶臭气体的优缺点Table 2 Advantages and disadvantages of biological treatment of odor gas

2.2 微生物除臭剂作用机理

图1 微生物除臭剂作用机理图Fig.1 mechanism of microbial deodorant

3 畜禽养殖场恶臭气体治理技术

养殖场恶臭气体的处理主要分为源头减量、过程控制和末端堆肥减排3个方面。

3.1 源头减量

源头减量是将微生物菌剂添加到畜禽饲料中，减少臭气排放量的方法[58-59]。其原理是饲料中添加的微生物菌剂利用自身的生理代谢作用将动物体内的NH3、H2S、CH4等有害气体作为营养物质吸收利用，提高畜禽对饲料中蛋白质等营养物质的利用率，调节肠道内有益微生物菌群丰度，抑制土著菌群的繁殖，以达到减少恶臭气体排放的目的[60]。在畜禽养殖过程中，微生物制剂的有益菌种尤其是乳酸杆菌，在促进免疫器官发育的同时还能增加免疫细胞的数量，从而在动物机体内形成一层保护膜，阻碍致病菌侵入，提高动物的免疫能力，起到预防疾病、促进动物的健康生长的作用[61]。

恶臭气体源头减量的方法主要有在畜禽饲料中添加微生物制剂、植物提取物和可发酵碳水化合物等[62]。微生态制剂也叫活菌制剂或生菌剂，其具有降低脲酶、尿素氮、尿酸和胆固醇等恶臭气体前体物质含量的特点，能够增加畜禽肠道内有益菌群的数量，提高畜禽对饲料中营养成分的利用率[63]。植物提取物中的单宁、挥发性精油均存在一定的抗营养作用，但添加过量会影响畜禽的采食量，降低畜禽对饲料中营养物质的吸收率。可发酵碳水化合物主要包括菊粉、纤维素、木质素和果胶等低聚糖，这些物质通过改变畜禽肠道和排泄物中的微生物及其发酵过程，从而减少臭气的产生，但添加过量会影响畜禽的采食量和微生物的生长[64]。李晓刚[65]研究发现，巨大芽孢杆菌可以降低脲酶、尿酸酶和芳基硫酸酯酶活性，从而减少蛋鸡排泄物中恶臭气体的排放量。刘婕等[66]研究发现，复合除臭剂(乙酰氧肟酸(AHA)、啤酒酵母、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和膨润土按 40∶2∶2∶1∶20)中的AHA通过降低脲酶活性来降低猪舍内的NH3浓度。查翘楚等[67]通过试验证明，在蛋鸡日粮中添加0.5%的枯草芽孢杆菌可以降低尿素氮、尿酸、血氨和胆固醇等臭气前体物质含量，提高饲料消化率，降低粪便中氮、磷的排放量。表3为饲料中添加微生物态制剂降低恶臭气体的应用实例。

表3 添加微生物制剂的饲料在降低畜禽养殖场恶臭气体中的应用Table 3 Application of feed with microbial preparation in reducing odor gas in livestock and poultry farms

3.2 过程控制

过程控制是一种降低畜禽舍空气中恶臭气体浓度的方法[75]，其原理是微生物在繁殖时能将氨、硫化物等恶臭气体作为营养物质吸收利用，从而降低畜禽舍内外空气中恶臭气体的含量[76]。除臭方法主要有两类：(1)喷洒在垫料、地面上的微生物菌剂中的有益菌群和有害菌群进行竞争，能够有效抑制有害菌群的生长繁殖，减少恶臭气体的排放量；(2)喷洒的微生物除臭剂能够结合空气中的有害气载微生物，抑制气载病原菌的生长。

过程控制恶臭气体的方法主要包括喷洒微生物除臭剂、放置除臭微生物滴滤器和改进管理等[77]。喷洒微生物除臭剂方法简单，能够快速高效地降低畜禽舍内恶臭气体的浓度[78]。除臭微生物滴滤器是一种将物理除臭和生物除臭相结合的除臭技术[79]，利用附着在惰性填充料表面的微生物将恶臭气体传递到生物膜后，与膜内的微生物发生生化反应，从而降解污染物[80]。改进管理虽在一定程度上减少恶臭气体，但并未从根本上消除恶臭气体且前期投资和运行成本高[81]。罗佳等[82]研究了复合微生物菌剂Y30017对蛋鸡舍内有害气体的净化效果，研究发现，鸡舍中喷洒的复合微生物菌剂Y30017能够将散发到空气中的NH3、H2S等恶臭气体转化为蛋白质，28 d后，鸡舍NH3浓度和H2S浓度分别下降了2.26 mg·kg-1和1.92 mg·kg-1。表4为喷洒微生物除臭剂降低畜禽舍恶臭气体的应用实例。

表4 微生物除臭剂在降低畜禽养殖场空气中恶臭气体的应用Table 4 Application of microbial deodorant in composting fermentation to reduce odor gas in livestock and poultry farms

3.3 堆肥减排

堆肥减排是将微生物菌剂直接喷洒或添加到畜禽粪便中，减少恶臭气体产生量的方法[87]，其原理是利用微生物之间的共生、繁殖及协同作用将粪便中的有机物质分解转化成乳酸、乙酸等小分子酸性物质[88-89]，从而抑制腐败类微生物和病原菌的繁殖，达到减少恶臭气体释放的目的[90]。

畜禽养殖场堆肥减排的方法主要有粪便发酵、负压风机末端处理和生物发酵床等[91]。负压机末端处理和生物发酵床虽能实现恶臭气体的零排放量，但一次性投资成本高且操作复杂[92-93]，微生物除臭剂在堆肥过程中通过调控堆肥的碳氮代谢，将其降解为芳香小分子有机物，分解粪便中的有机质和腐殖质，减少氮类物质挥发损失，减少恶臭气体的排放量[94]。负压风机末端除臭是将物理除臭和生物除臭相结合的除臭技术，气流中的多数颗粒物被挡网拦截后，喷洒在沉降室的除臭剂能够利用附着于颗粒物上的恶臭气体和病原微生物参与自身生理代谢，达到消除恶臭气体的目的[95]。微生物发酵床技术是将微生物菌剂与木屑、秸秆等材料混合后，利用微生物降解、消化畜禽养殖过程中产生的粪尿排泄物，实现畜禽粪尿就地减量化处理[96]。上述两种方法基本解决了畜禽养殖场对周边环境的直接污染，但一次性投资成本和运营成本高且缺乏安全性评价。张生伟等[97]研究了微生物除臭剂对堆肥特性的影响，表明微生物除臭剂可缩短堆肥升温时间，延长高温持续时间，降低堆肥的pH、C/N和含水率。表5为堆肥发酵中微生物除臭剂降低畜禽养殖场恶臭气体的应用实例。

表5 堆肥发酵中微生物除臭剂在降低畜禽养殖场恶臭气体中的应用Table 5 Application of microbial deodorant in composting fermentation to reduce odor gas in livestock and poultry farms

4 小结

微生物除臭剂在畜禽养殖中具有明显的优势，作为饲料添加剂时不仅可有效降低恶臭气体的排放量，且能提高畜禽对饲料的利用率；作为发酵液添加到畜禽粪便中时不仅除臭效率高、污染少，且设备简单、容易操作[39]。因此，被越来越多的国家用于治理畜禽养殖场各阶段的恶臭气体。相比于西方国家，我国的研究工作受时间和技术等方面的影响起步较晚，还有许多需要解决的问题，如高效除臭菌株和环境耐受菌株的筛选和分离；开发新型高效复合型除臭剂；探究并制定合理的综合除臭技术等。此外，影响畜禽臭气的主要因素，微生物除臭剂之间的具体关系、作用机制、代谢产物等方面还需进一步探索。