猪场臭气的产生机理及植物提取物在除臭生产中的应用

近年来中国的养猪业得到了迅速发展，集约化程度越来越高，带来了更多经济效益的同时，也带来了严重的环境污染问题，特别是臭气和粪污污染，影响了猪群的健康和生产性能，也危害人类的健康。本文探讨了猪场臭气的发生机理，以及脲酶与猪场氨气排放的关系，提出了减少猪场臭气产生的措施，并着重阐述了植物提取物在减少猪场臭气产生方面的运用及其可能的作用机理。

我国畜牧业在近年来得到了迅猛发展，现代化、规模化和集约化程度日趋增高，由此也导致畜牧业的环境污染问题日趋严重。养猪业作为中国畜牧业的主体，有关规模猪场产生的环境污染成为如今养猪业面临的严峻挑战。以猪场为中心的立体污染，主要表现为空气污染、水污染、土壤污染，不仅严重影响了猪群的健康和生产性能，而且对人类的健康造成了极大的威胁。臭气污染是猪场污染的主要来源之一，愈来愈引起人们的重视。猪场臭气调控主要包括优化饲料配方、精细化饲养管理、科学规划畜牧场和使用机械化通风设备。现阶段由植物提取物组成的除臭剂的开发和应用已成为畜禽养殖环境调控研究的热点。

1猪场臭气成分及产生机理

猪舍臭气主要来自于猪群的排泄物、浪费饲料的厌氧分解以及猪群呼吸产生的气体，其中排泄产生的粪尿是猪场主要污染物。在集约化猪场中，每头怀孕母猪、哺乳母猪、仔猪和肥育猪平均每天的粪尿总量分别是15.40kg、21.50kg、2.30kg和4.20kg，其中总氮含量分别为2.39g/kg、3.78g/kg、4.80g/kg和5.29g/kg，总氨态氮含量分别为1.39g/kg、2.45g/kg、2.50g/kg和3.65g/kg，总有机碳含量分别为9.70g/kg、15.80g/kg、32.60g/kg和25.10g/kg。臭气物质大部分由粪尿以及浪费饲料经微生物代谢作用衍生而来。现已知猪场产生的臭味气体有230余种，主要包括氨气、硫化氢、甲硫基醇、挥发性脂肪酸、吲哚、甲胺、三甲基胺、苯酚、乙烯醇、粪臭素、各种醇类等。一般以氨气和硫化氢作为猪舍臭气含量的主要参考指标，氨气和硫化氢分别是饲料与粪便中含氮有机物和含硫有机物的分解产物；CO2是猪群呼吸作用和碳水化合物氧化分解的产物，可间接反映猪场的污染程度。由此可见，猪场臭气与饲料的蛋白含量、猪群的消化率以及猪粪中微生物种类和数量密切相关。

2猪场氨气的产生及对动物体的危害

2.1脲酶与猪场氨气排放

脲酶（又名尿素酰胺水解酶）广泛存在于各种细菌、真菌和植物中，对自然界中的氮循环发挥着重要作用。不同来源的脲酶在结构、亚基类型、分子量与氨基酸序列上均有所不同，但均含有高度保守的氨基酸序列。研究证明，不同的脲酶含有50%以上的相同氨基酸序列。含氮化合物在动物代谢过程中产生大量的尿素。在自然情况下，尿素以较缓慢的速度分解，但在脲酶的催化作用下，半微秒内即可发生分解，速度是自然情况下的1014倍，分解产生两分子氨气和CO2，而后者形成的重碳酸盐导致pH值上升，从而促进氨气的逸散。

在一个典型的集约化养猪场，猪所排泄的氮中有60%～80%以尿氮的形式排放，另外20%～40%以粪氮的形式排放，而最终粪尿中的氮75%以氨气的形式释放到环境中去。粪氮的存在形式包括有机氮和氨态氮（各占50%），有机氮不易被分解；而尿氮中97%的氮是以尿素形式存在。氨气主要由猪排泄的尿中所含的尿素降解产生。尿素在排泄到体外后很快与粪中微生物产生的脲酶接触分解成氨气，该过程一般在粪尿接触的表面发生。氨气的逸散虽受粪污pH值、空气温度和湿度影响，但其大部分均挥发至空气中。

2.2氨气对动物体的危害

研究发现，猪舍空气中氨浓度为37.5mg/m3时能使猪的增重滞缓，75mg/m3～150mg/m3时可引起猪摇头、流涎、喷涕和丧失食欲。过高浓度的氨可引起猪群上呼吸道粘膜充血和产生支气管炎，在严重情况下可引起肺水肿和出血等症状，成为导致猪萎缩性鼻炎或地方性支气管炎的一个重要致病因素，同时还可引起眼睛损伤和猪自残等异常行为。动物体吸入的氨自气管进入肺泡，由肺泡上皮细胞进入血液，可引起血管中枢反应，同时与血红蛋白结合，阻止氧与血红蛋白相结合，导致血液运输氧气的能力降低。动物体液可吸收少量吸入的氨，通过生理代谢转变成尿素排出体外；但高浓度的氨对机体组织有直接刺激作用，产生碱性化学灼伤，使组织出现溶解和坏死，如引起心肌损伤和中毒性肝病等。同时高浓度的氨还可麻痹中枢神经系统。

3猪场臭气排放控制的主要措施

一般情况下，控制集约化猪场臭气污染采用的措施主要包括以下几方面：（1） 通过减少日粮蛋白水平或者改善氨基酸平衡等营养调控减少粪尿氮的排出量，尤其是尿氮的排出量。（2）通过调控脲酶的活性减少氮转化成氨。脲酶抑制剂具有良好的抑制脲酶活性的效果，在日粮中添加脲酶抑制剂可降低粪污中尿素氮的分解速率，降低空气中的氨气浓度。（3）通过吸附或化学反应等，减少氨和硫化氢的释放。（4）从猪场的整体布局、场房规划和通风系统的建立等建设角度来控制臭气的污染，或者在猪场内使用皮带、刮板等使粪尿分离的系统减少粪尿的接触，从而使粪中的脲酶不能将尿液的尿素转化成氨。目前关于通过日粮营养调控和猪场设施减少粪尿氮的排放已有较多的研究报道，并取得了一定的运用效果，但是由于需要较高的成本和专业技术，推广受到限制，且臭气排放不可避免。因此，研究如何通过合理的方法来减少肠道和粪尿中的氮转化氨以及可溶性硫化物的生成显得尤其重要。

4植物提取物在调控猪场臭气排放的运用

4.1樟科植物

提取物樟科植物（Cinnamomum cassia）主要种植于我国亚热带地区，已成为主要的经济树种，可利用资源丰富。从樟科植物中提取的主要活性成分肉桂醛，具有杀菌消毒作用，对真菌、大肠杆菌、枯草杆菌、金黄色葡萄菌和黄曲霉菌等有抑制作用，可用于治疗多种因细菌感染引起的疾病。肉桂醛还具有加强胃肠道运动，减少胃溃疡发生等功效。潘倩等研究发现，畜禽日粮中添加肉桂醛能显著降低畜舍氨气浓度，提高畜禽的生长性能。Mina研究证实，用乙醇和乙酰氧肟酸从樟科提取的物质具有抑菌作用，可有效阻止人体胃肠道上皮细胞幽门螺杆菌的生长，并且还可抑制该菌产生的脲酶活性。

杨彩梅等的研究表明，在猪粪样中加入樟科植物提取物可不同程度地抑制粪样脲酶活性。潘倩等在保育期仔猪日粮中分别添加樟科植物提取物450mg/kg和600mg/kg，使仔猪的料肉比分别比对照组降低了5.67%和4.64%，粪中微生物的脲酶活性也显著降低，猪舍氨气浓度和血清尿素氮含量减少，猪只的干物质消化率和粪样总氮保持率显著提高。汪善锋等研究认为，在生长猪日粮中添加120mg/kg肉桂醛，可显著降低粪样脲酶活性，减少粪尿混合物中氨氮浓度和提高总氮保持率，延缓尿素的分解以减少猪舍氨气浓度；提高生长猪的生长性能和饲粮蛋白的消化率，并使平均日增重提高8.5%，同时使血清尿素氮水平降低。在畜禽粪便中直接喷洒肉桂醛也可减少氨的释放，达到控制环境氨污染的目的。周延州研究了微囊化肉桂醛对断奶仔猪生长性能和氨气排放的影响，结果表明日粮中添加250mg/kg微囊化肉桂醛显著降低猪舍氨气浓度，提高断奶仔猪平均日增重；添加350mg/kg显著提高饲粮蛋白消化率、总氮保持率以及血清总蛋白浓度，降低粪便中微生物产生脲酶的活性，显著减缓仔猪粪尿混合物中尿素分解速度。梁国旗等发现，仔猪饲粮中添加350mg/kg的樟科植物提取物，除了可以降低脲酶活性，减少氨的逸失外，还使第4天和第8天仔猪粪尿混合物发酵产生的硫化氢平均浓度显著低于对照组。这些研究结果均表明，日粮中添加樟科植物提取物可降低畜禽舍氨气和硫化氢的浓度，提高空气质量，改善畜禽舍的生长环境，使畜禽的生长性能得以提高，动物福利得以改善。

4.2丝兰属植物

提取物丝兰属（Yucca）植物属于龙舌兰科（Agavaceue），常绿灌木，对有害气体，如：氨气、氟化氢、二氧化硫、氯气等均有很强的抗性和吸收能力。在氨气、乙烯等气体污染较严重的地区，已大力推广种植丝兰。丝兰植物提取物的主要活性成分为多糖、皂角苷及多酚。目前丝兰及其植物提取物在欧美等国家已广泛作为畜牧、水产养殖业中的除臭剂。

已有研究发现，当肥育猪饲料蛋白含量为16%和14%时，添加一定量的丝兰提取物，可使猪舍氨气浓度分别降低48.80%、23.86%～33.50%，硫化氢浓度分别降低了49.12%、33.93%～36.59%；如粗饲粮蛋白质水平为16%时，分别添加44mg/kg、88mg/kg和176mg/kg丝兰提取物，猪舍氨气浓度分别降低了39.47%、60.96%和53.95%。哈夫丝兰（YuccaSchidigera）是生长在沙漠上的一种植物，其提取物可在一定程度上抑制脲酶活性，减少养殖环境中的氨浓度。Santacruz-Reyes等报道，哈夫丝兰提取物可有效抑制脲酶活性，使粪污氨气挥发量减少55.5%，但对粪污总氮、铵盐氮和细菌蛋白质含量无影响。Katsunuma等发现，哈夫丝兰提取物可影响动物肠道微生物区系，但与微生物数量相关，当微生物密度过大时，其抑菌效果降低；同时还发现，哈夫丝兰提取物能抑制脲酶活性，且可以吸附氨气或将其转化成其他的物质。

4.3茶叶提取物

茶叶提取物含有较高浓度的茶多酚，为主要的除臭活性物质，对氨气、硫化氢、乙醛、毗啶、甲醛、三甲胺、吲哚和甲胺的最大去除率分别是90.28%、89.05%、40.97%、88.98%、55.25%、99.63%、43.56%和99.35%。邱业先等研究了从茶叶中提取的茶多酚对产脲酶菌生长与脲酶分泌的影响，以不同浓度的茶多酚培养放线菌等4天与8天后，结果表明茶多酚可降低培养基上清液的脲酶活性和脲酶含量，且其抑制作用表现为剂量依赖性和时间依赖性，即随浓度增大和时间延长而抑制效果增强。

4.4大蒜素

大蒜素是从葱科植物大蒜的鳞茎（大蒜头）中提取的一种有机硫化合物，也存在于洋葱和其他葱科植物中，主要成分为二烯丙基硫代亚磺酸酯。作为饲料添加剂，大蒜素可使动物成活率提高5%～15%，促进胃液分泌和胃肠蠕动，增加食欲，提高消化率和调节肠道的菌群结构，改善畜舍环境。已有研究发现，大蒜素可以抑制大肠杆菌、产朊假丝酵母、膜醭毕赤酵母等脲酶产生菌的生长，且对脲酶产生菌的脲酶活性具有不可逆的抑制作用，浓度越大其抑制作用越强。

4.5中草药

中草药含有丰富的柠檬酸、酒石酸等有机酸，其活性基团-COOH可吸附氨及有机胺等臭气成分。此外中草药中的有机酸还包含羰基、烯键等活性基团以及中草药挥发油中的烯烃、醛、酮及环氧烷基团，可通过加成、聚合反应消除臭气，如：帖类所含烯烃基和环氧烷基极易与臭气进行加成反应。

4.6腐植酸

腐植酸主要是动植物遗骸经过微生物的分解、转化以及一系列地球化学过程生成和积累起来的一类有机弱酸混合物。腐植酸作为饲料添加剂以及兽药在畜牧业上的运用已有所报道，其减少畜禽臭气、改善环境方面的作用，已引起人们的广泛关注。

5植物提取物抑制猪排泄物臭气排放的机理

根据我们的前期研究和相关文献认为，植物提取物降低猪排泄物中氨气、硫化氢等臭气释放的原因可能在于4个方面：（1） 植物提取物的有效成分作用于脲酶的活性部位，抑制肠道和粪便中脲酶的活性。（2）干扰产脲酶微生物的代谢，使脲酶的合成途径受阻，降低脲酶的分泌，从而使尿素的分解速度降低。影响产脲酶微生物的脲酶分泌量的因素可能包括以下两种情况：一种是通过影响肠道产脲酶微生物的脲酶合成基因的表达，从而减少肠道和粪便中脲酶的数量；另一种是通过影响肠道微生物区系，减少产脲酶微生物的数量。（3）植物提取物起到还原剂的作用，改变微生态环境的氧化还原条件，降低微生物的代谢活性，使其厌氧分解的能力降低。（4）植物提取物的活性分子与肠道中产生的臭气分子结合，转化成其他无毒的氮化物。臭气分子如：氨、硫化氢、有机胺、硫醇等基本由N、O、S等含有不对称电子对的原子组成，主要含有-NH2、-SH2等活性基团，这些分子极易发生氧化还原、加成、中和、配合等化学反应。如：丝兰提取物中的多糖结合氨分子生成氮化物，而该氮化物可被肠道微生物充分利用，使蛋白质的利用率提高；同时氨气浓度的降低维持了肠道正常的酸碱平衡，使消化酶活性提高，肠道的消化吸收能力增强。此外，被多糖吸附的氨气即使随粪便排出体外后也不会挥发出来，可降低环境中的有害气体浓度。

6结语

目前，植物提取物用于养猪业臭气调控或者环境控制已有了相关的研究和推广运用，但对于植物提取物到底是通过何种途径抑制猪排泄物臭气释放的机理并不清楚。因此，需要进一步加强研究植物提取物及其有效成分减少猪排泄物臭气排放的作用机理，为通过合理的途径有效地降低畜禽舍臭气排放提供理论依据。

注释：

肖英平：浙江大学动物科学学院；

代兵：杭州国正检测技术有限公司；

苏琴：浙江大学动物科学学院；

洪奇华：浙江大学动物科学学院；

李华：杭州国正检测技术有限公司；

陈够芬：杭州国正检测技术有限公司；

陈安国：浙江大学动物科学学院；

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