微生物制剂在绿色生态养殖中的作用

2017-02-03 22:38:08 点击：

微生物制剂在绿色生态养殖中的作用

吴逸飞，孙宏，姚晓红，王新，柳永，汤江武

( 浙江省农业科学院植物保护与微生物研究所，浙江杭州310021)

摘要：随着我国畜禽养殖业迅猛发展，开发友好可持续的绿色生态养殖手段，成为解决畜禽养殖污染的关键。微生物制剂作为一种安全高效的活菌制剂在抗生素替代、饲料原料品质改良和养殖污染防控等方面具有重要的作用。本文就微生物制剂在绿色生态养殖中的作用进行论述，探讨解决畜禽养殖污染，构建绿色生态养殖环境的思路和途径。

关键词：微生物制剂; 作用效果; 机制; 生态养殖

中图分类号: S 182 文献标志码: A 文章编号: 0528-9017( 2015) 01-0026-04

随着我国畜禽养殖业的迅猛发展，其在保障城乡畜禽产品供应、促进农民增收等方面发挥了重要作用。但养殖业的高速发展也导致了养殖过程中废弃物大幅增加等问题，致使畜禽养殖污染日趋严重。根据《全国畜禽养殖污染防治“十二五”规划》中的调查数据，仅2010 年，全国畜禽养殖业的化学需氧量、氨氮排放量已分别达到1 184 万t和65 万t，占全国排放总量的45% 和25%，畜禽养殖污染已经成为我国环境污染的主要来源。因此，开发和构建友好可持续的绿色生态养殖手段，减少污染物排放，成为畜禽养殖污染急需解决的问题。微生物制剂是一类在现代生物工程、发酵工程和细胞工程理论指导下，经特殊加工工艺制成的活菌制剂，常用的微生物制剂主要包括芽孢杆菌、乳酸菌及酵母菌等［1］。狭义的微生物制剂主要指用于饲料添加剂的微生态制剂，其在畜禽养殖中主要用于改善畜禽肠道菌群，提高畜禽生产性能的作用; 而广义的微生物制剂还包括用于制备功能性发酵饲料的菌剂和用于畜禽养殖过程中污染物控制的微生物制剂等多个方面。本文对微生物制剂在畜禽养殖中的作用效果进行概括和总结，并进一步探讨其可能的作用机制。

1·微生物饲料添加剂可替代抗生素使用，促进食品安全

抗生素在畜牧养殖中的大规模使用在提高动物生产性能方面曾发挥了重要作用。但抗生素滥用，也造成了畜禽抗药性增强，畜产品抗生素残留等问题，严重危害人类健康。目前，欧盟已全面禁止抗生素在饲料中的添加，美国也仅保留了少数抗生素的使用，且对其用量有严格的控制，并已计划从2015年开始，全面禁止抗生素在饲料中的添加。微生态制剂作为一种潜在的抗生素替代品，具有多种类似于抗生素的功能，可有效降低抗生素的使用。

1. 1 降低腹泻率，增强畜禽免疫力

腹泻问题一直是仔猪健康养殖过程中无法忽视的问题。腹泻不但可导致仔猪生长减慢，抵抗力下降，严重时还会造成仔猪死亡，给养殖业带来了严重的损失。研究表明，微生态制剂可显著降低幼龄动物的腹泻率。伍淳操等［2］将乳酸杆菌添加到断奶仔猪日粮后，可显著降低仔猪腹泻率; 同时提高IgA、IgG 等多种免疫球蛋白的水平。肉鸡试验也发现，日粮中添加微生态制剂可预防育雏期间的肠道白痢等疾病的发生，增强鸡的免疫能力，降低死亡率［3］。微生态制剂降低幼龄动物腹泻的功能可能具有多种机制，微生态制剂降低畜禽腹泻率的作用可能与其可在肠道内竞争性抑制大肠杆菌等病原菌有关。同时，饲料中的有益微生物也可通过黏附作用对胃肠壁细胞进行保护，减少有害病原微生物与肠道细胞的接触。此外，微生态制剂还可与有害菌争夺氧、营养和附着点，竞争性的抑制有害菌的生长。本课题组前期研究表明，肉鸡日粮中添加芽孢杆菌制剂后，肠道内的致病性大肠杆菌和沙门氏菌的数量显著降低，而乳酸杆菌等有益菌的数量则显著提高。同时，芽孢杆菌还能在肉鸡肠道内进行正常代谢繁殖，从而在肠道微环境中作用很长的时间［4］。

微生态制剂在畜禽肠道内的另一个作用是可充当免疫激活剂，刺激胃肠道内免疫功能的完善，从而增强畜禽免疫力。该作用与肠道淋巴系统的发育紧密相关。研究表明，微生态制剂可与肠道上皮细胞表面的特殊受体蛋白TLＲ ( toll-like receptor) 结合，通过一系列细胞内级联反应，最终激活细胞核内相关基因的表达，导致TNF-α等免疫细胞因子表达量的上调［5］。Tien 等［6］报道采用乳酸菌预先处理Caco-2 细胞可有效降低由沙门氏菌诱发的细胞内NF-kB途径的激活。因此，添加微生态制剂可通过提高机体免疫力来抵抗外源病原微生物的感染。

1. 2 提高畜禽生长性能，减少排放

采用微生态制剂饲喂断奶仔猪可显著降低仔猪的料肉比，提高饲料的利用率。料肉比等生长性能的提升作用可能与畜禽在饲喂微生态制剂后消化功能的提高有关。微生物在肠道内可产生多种消化酶，如蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等，从而直接参与营养物质的代谢，提高肠道内食糜的消化水平。同时，乳酸菌在肠道内发酵可进一步降低肠道pH值，保护肠道乳酸菌等有益菌的数量。李维炯等［1］的研究发现，用微生态制剂饲喂育肥猪，可明显提高育肥猪的生长速度，日增重可较对照组提高21%，饲料利用率提高15. 1%。章世元等［7］研究也表明，断奶仔猪饲喂微生态制剂后，仔猪的日增重较对照组增加了13. 9%，料重比降低了4. 21%，且饲料中脂肪、蛋白的表观消化率均有所提高。

畜禽集约化养殖使得圈舍中氨气、硫化氢等有害气体浓度提高且很难排放。通过在饲料中添加微生态制剂，可有效抑制肠道内腐败细菌的生长繁殖，大量减少生物胺、吲哚等恶臭物质的产生。据估算，猪场内使用微生态制剂后，可有效降低氨气的排放达30%以上。Jeon等［8］的研究也表明，通过在饲料中添加有益微生物，可显著降低育肥猪粪便中的氨、氮含量及挥发性脂肪酸含量。此外，由于饲料的消化利用率提高，粪便和尿液的排放也减少，可进一步减少对环境的污染。

2·作为饲料原料发酵剂，提高原料利用率，缓解饲料资源短缺

世界范围内的粮食和饲用资源紧缺，使得微生物发酵饲料的研究受到重视。发酵饲料是在特殊微生物制剂的作用下，对饲用原料进行改良后的新型饲用原料。其不仅具有更佳的营养价值，同时还能起到促进畜禽生长、维持畜禽体内微生态平衡、增强畜禽免疫力的作用。

发酵功能饲料中乳酸菌大量繁殖，产生多种有机酸( 乳酸等) ，使饲料具有天然酸香味。发酵过程中通过微生物的作用还可有效去除饲料原料中的抗原和抗营养因子，改善饲料的适口性。以发酵棉籽粕为例，本实验室曾采用芽孢杆菌、干酪乳酸菌等菌种混菌发酵棉籽粕，与原棉籽粕相比，棉籽粕经过发酵后可显著提高粗蛋白、乳酸和粗灰分含量，降低粗纤维、粗脂肪和游离棉酚含量。与处理前的棉籽粕相比，微生物发酵使棉籽粕中的总氨基酸含量提高了13. 4%［9］。Hong 等［10］的研究表明，微生物发酵能有效降低豆粕中的抗营养因子和多种大豆抗原。同时，微生物在生长繁殖过程中可降解发酵物料中的蛋白质、多糖和脂肪为低分子量肽类、寡糖和游离氨基酸，同时产生多种功能营养成分，如有机酸、核酸、维生素等。此外，功能饲料中还含有大量益生菌，可作为微生态制剂进入动物肠道，从而发挥类似微生态制剂的功能。

动物应用试验表明，采用发酵棉籽粕替代肉鸡日粮中的豆粕后，饲粮中添加80 g·kg － 1的发酵棉籽粕显著增加了肉鸡的日增重。饲粮中添加80 g·kg － 1和120 g·kg － 1 的发酵棉籽粕均能显著增加盲肠内容物中的乳酸杆菌数，同时显著降低内容物中的大肠杆菌数。由此可见，饲粮适当添加发酵棉籽粕能提高肉鸡的生长性能、菌群结构、肠道形态和消化酶活。同样，将发酵饲料饲喂“杜长大”三元杂交育肥猪，其中低添加量试验组与对照组相比，可提高猪末重和平均日增重，降低料肉比和日腹泻头数。在水产养殖方面，研究表明饲喂最高至240 g·kg － 1的发酵棉籽粕替代饲料中的鱼粉，对鱼类体长、全长、体高、肝体指数和肥满度等体成分指标，均无显著影响，表明发酵饲料可用于替代海水鱼饲料中的鱼粉［11－14］。因此，发酵功能饲料可有效改善饲料的品质和利用率，可用于替代高价值的饲料，以缓解优质饲料短缺和大大降低养殖成本。

3·作为养殖环境改良剂，减少污染物排放，改善生态环境

目前，全国范围内规模化养殖场的数量占全部畜禽养殖数量的比重较低。由于低、小畜禽散养户往往将未经处理的粪尿直接排放，造成粪便和污水中含有大量的氮、磷等营养物质，使水生生物过度繁殖、溶解氧含量急剧下降，最终导致养殖周边水田和土壤的污染。据统计，浙江省非规模化养殖场的污染物排放量占到全省总量的1 /2 左右。同时，养殖场内氨气和硫化氢浓度较高，也会导致大气污染。目前，通过使用以光合细菌和有效微生物群( EM) 为主的微生物制剂，调控养殖环境，降低污染物浓度，减少养殖环境中硫化氢和氨气的浓度，取得了较好的效果。

3. 1 养殖水体污染物控制

微生物制剂在养殖水体污染物的控制应用主要集中于水产养殖方面。微生物在水体中的主要作用为: 在有氧条件下，有氧作用产生的二氧化碳和水，可生成易被微生物、藻类和水生植物利用的氮、磷以及硫等营养盐。在缺氧条件下，微生物的厌氧作用可将有机物分解为甲烷、氨和硫化氢。目前，光合细菌和EM菌剂是最为广泛的用于水处理的菌剂。其主要作用是分解水中的有机物，降低水中的化学需氧量和生物需氧量，提升水中的溶解氧的含量，从而达到改善水质的目的。本实验室通过高通量筛选的方式获得多株可用于净水的反硝化菌株，将其施用于养殖水体中后，虾池亚硝酸盐浓度低于0. 01 mg·L － 1，2 周后虾池氨氮分别稳定在0. 26 ～ 0. 33 mg·L － 1和0. 35 ～ 0. 48 mg·L － 1，试验过程中水体硝酸盐和COD 保持稳定，总氮的去除率达到34. 1%以上［15 － 16］。

3. 2 养殖固体污染物控制

养殖过程中最主要的固态污染物是畜禽粪便。粪便对环境的污染表现为多个方面。一是由于对饲料营养物质消化吸收不全，畜禽粪便中往往残留了相当数量的有机物，特别是含氮较多，极易被腐败菌分解产生氨气和硫化氢等恶臭物质。二是粪便中还残留有沙门氏菌、致病弧菌等多种病原微生物。三是由于目前常采用高铜、高锌日粮饲喂动物，粪便中残留的重金属也是潜在的污染来源。因此，如果对其不加以合理处理和利用，将会严重危及人类的健康与生存环境。

微生物制剂对粪便的处理作用也包括多个方面: 首先微生物制剂可有效抑制粪便中病原微生物的生长。同时，微生物制剂也可通过调节畜禽肠道菌群平衡的微生态环境，进而影响矿物元素的代谢。此外，微生物同矿物元素结合并能形成较易吸收的复合物，从而间接影响宿主对矿物元素的吸收。需要注意的是，微生物并不具备降解重金属的能力，而是在治理过程中将重金属浓缩成更易于畜禽利用的形式，从而减少重金属的排放与污染。目前，采用微生物制剂手段处理畜禽粪便的研究已成为一个研究重点。

3. 3 养殖气体污染物控制

畜禽养殖过程中的气体污染主要是恶臭污染物，包括氨、硫化氢、吲哚和硫醇等物质。此类恶臭物质主要由动物对饲料中的含氮物质消化不完全，随粪便排出后经厌氧微生物发酵分解而产生。养殖环境气体污染物的主要危害是能直接危害畜禽的呼吸中枢，严重的会导致畜禽消化道疾病，直接影响畜禽的生产性能。

目前，微生物制剂用于养殖环境气体污染物的控制主要包括2 个方面。一是通过在日粮中添加微生态制剂建立并恢复肠道内优势菌群的数量( 如乳酸菌、双歧杆菌等) ，从而建立微生态平衡。由于这些有益菌群可在肠道内产生有机酸、过氧化氢和细菌素等抑菌物质，从而抑制了肠道内腐败菌的生长，降低了脲酶活性，减少了蛋白质向胺及氨的转化，使肠内和血液中氨及胺的含量下降，最终实现减少随粪便排出体外的氨等有害气体的含量，改善舍内空气质量。如朱万宝等［17］在仔猪基础日粮中添加0. 5%益生菌剂，结果显示: 试验组比对照组硫化物平均下降17. 4%，最高下降28. 5%; 氨氮平均下降19. 4%，最高下降33. 3%。二是通过直接在畜禽养殖环境中喷洒微生物制剂的方式来降低畜禽圈舍的废气污染。如专利CN103011543B［18］公开了一种微生物除臭剂，可广泛用于畜禽粪尿、污泥的除臭。微生物制剂的除臭原理是通过微生物的作用将硫化氢还原，分解为硫和氢气; 将氨气转变为氮气和氢气，从而达到除臭的目的。从长远角度看，微生物除臭剂将具有广泛的应用和开发前景。

4·小结

针对畜禽、水产养殖发展过程中面临的食品安全、粮食安全和生态安全等问题，建立健全的畜禽绿色养殖体系已成为是畜牧业发展中亟须完成的一个重大课题。目前，以筛选获得的高效微生态制剂为核心，通过建立用于替代饲用抗生素的微生态制剂开发技术、发酵饲料的高效利用技术、畜禽养殖环境综合减排的微生物处理技术，可实现饲料组分的高效利用，提高畜禽抗病能力、降低死亡率，同时去除粪便臭味、降低抗生素使用和氮、磷排放，最终达到畜禽产品品质显著改善和养殖环境的友好可持续。可以预见，随着代谢工程、生物技术、发酵工程与微生物工程的进一步发展，结合纳米技术和分子生物学等新兴学科，微生物制剂在畜禽绿色养殖方面的应用将会越来越广泛。