宇 凌，宋 超，徐 梅，董翠梅，魏中锋*

（1.山东省菏泽市动物疫病预防控制中心，山东 菏泽 274000；2.山东省成武县畜牧局，山东 菏泽 274200）

随着我国人民生活水平的日益提高，人们更加注重饮食的合理搭配，其中肉、蛋、奶的比重显著提高，消耗量急剧增大，这就直接促进了我国养殖业的发展。自20 世纪末开始，我国的畜牧业养殖模式逐渐从传统的饲养模式向集约化、区域化方向快速发展。随之而来的是畜禽养殖与环境保护之间的矛盾日益突出。据统计，山东省每年约产生畜禽粪便1.8亿t，其化学需氧量（COD）为2.46亿t，氨氮堆存量为24.6万t。畜禽粪便对环境的污染主要表现在粪便中未被机体消化吸收的重金属、病原菌、添加剂、氮磷及臭气等几个方面[1]。这些污染源进入水体、土壤、大气中，给养殖场附近的局部环境以及周围辐射地区造成了很大的生态压力。针对这种现象，2001 我国制定推出了《畜禽养殖污染防治管理办法》《畜禽养殖业污染物排放标准》和《畜禽养殖业污染防治技术规范》，以期加强法规建设。其中的畜禽粪便污染解决办法主要有3大类：物理的方法包括经过适当处理将可利用的营养成分转化为饲料二次利用、直接燃烧作为能源发电；化学的方法即通过厌氧菌的分解将粪便中的有机物转化为沼气；生物的方法即在饲料中添加酶制剂微生物等提高饲料中氮磷的利用率，减少污染排放[1]。其中饲料中添加微生物的方法，是区别于前两个方法的从源头减排的有效途径。

1 微生物治理畜禽粪便臭味的作用机理

微生物主要通过以下3个作用来治理畜禽粪便臭味：对畜禽粪便的降氨作用、促进畜禽粪便中的氨硝化作用、减少畜禽粪便中的氨气挥发作用。

1.1 微生物对畜禽粪便的降氨作用

畜禽生产中产生的粪便对环境造成一系列的问题，包括营养成分的过滤、污染物的表面流失和氨气的挥发。禽舍粪便的氨气挥发增加了空气中的酸沉淀，增加地表水的泥土沉淀而导致养分富集以及土壤酸化。另一方面，硝酸盐（NO3-）能浸入地表水中，婴儿肠中的特定细菌把NO3-转变成亚硝酸盐（NO2-），随后NO2-把Fe2+氧化成Fe3+，使血液中的血红蛋白转变成不能运输氧的高铁血红蛋白[2]。因此降低N 排放和NH3挥发对优化环境、保持人畜健康有重要意义。

降低畜禽粪便中N排放的方法有多种，主要包括物理、化学、饲料调控、改良堆肥以及微生物调控等多种技术[3]。其中，基于硝化作用的微生物调控技术具有成本低、操作简单、无二次污染等优点[4]。氨气挥发前在粪便中的主要存在形式是NH4

+-N，利用微生物的硝化作用将粪中的NH4+-N 转化为硝酸盐或亚硝酸盐，改变粪中NH4+→NH3+H+的动态平衡，是减少粪便氨气挥发量的一条有效途径[3]。Pan等将一个连续缺氧/好氧生物系统处理应用到猪粪便污水中，通过微生物的异养硝化作用降低污水中NH4+-N 的含量，进而降低氨气排放，增加NO3-含量[5]。Kim等向肉鸡粪便中添加硝化细菌，可加快NH4+和NH3向NO2-、NO3-的转变，降低粪便中NH4+-N 的浓度，进而降低氨气的散发量[6]。

硝化细菌以无机氮为营养源，广泛分布在土壤里。环境中存在几种不同类的可用的硝化细菌，如亚硝化菌属、亚硝化球菌属、硝化杆菌属和硝化球菌属等。其中，亚硝化菌属和硝化杆菌属在土壤中最常见，特别是在栽培根瘤菌的土壤中[7]。这些硝化菌可以把NH3转化成NO2-，随后把NO2-转化成NO3-。部分特定的细菌有助于土壤NO3-的生成[8]。然而，有报道称并不是所有的土壤NO2-制造者都是硝化细菌[9]。一些能把铵离子（NH4+）氧化成NO2-的硝化细菌被称为NH4+氧化剂。随后，NO2-在另一组称为NO2-氧化剂的硝化菌作用下被转化成NO2-。最常见的NH4+氧化剂和NO2-氧化剂分别是亚硝化菌属和硝化杆菌属。

1.2 微生物促进畜禽粪便中的氨硝化

为了对畜禽粪便进行经济利用并为人畜保持良好的环境，需要对畜禽粪便高效管理。畜禽粪便中的NO3-氧化成NO2-对粪便管理有益。NH3在O2的作用下氧化成NO2-，随后被NO2-氧化NO3-，这一生物过程称为硝化。在这一过程中，土壤中的NO3-产物是自然界氮循环的重要组成部分。

利用土壤硝化细菌来促进畜禽粪便中NH3的硝化对降低NH3蒸发有促进作用。在粪便加到土壤中之前，N 最主要的存在形式是随着pH 升高而转变为NH3和NH4+。禽舍中的NH3易蒸发。然而，粪便中的NH4+在应用到土壤中后命运会大不相同，大量的NH3被土壤硝化菌氧化成NO2-，最终转变成NO3-。将NH3氧化成NO2-的两种酶是将NH3氧化成羟胺的NH3加单氧酶（AMO）和进一步把羟胺氧化成NO2-的羟胺氧化还原酶（HAO）[10]。硝化过程中硝化菌的能量产生效力比较低，这一过程具体的化学反应细节如下：NH3氧化成NO2-时产生的4 个电子中，只有2个用来产生能量，因为另外2个被用来将NH3氧化成NO2OH。因此，硝化细菌生长的速度非常慢。NH3氧化以后，在NO2-氧化菌膜范围内，NO2-在NO2-氧化还原酶的作用下被氧化成NO3-。因此，硝化是N循环的重要步骤，其中高效的NH3氧化和硝化菌在这一过程中起重要作用。土壤硝化细菌用到禽舍粪便中以后，通过将NH3氧化成NO2-，最终变成NO3-，可以有效地减少NH3挥发。尽管禽舍粪便中有一些硝化细菌，配方强化可以加快NH3到NO3-的转变，减少NH3的挥发[11]。禽舍中NH3的硝化有减少NH3挥发、降低禽舍管理成本、提升禽类健康水平等优势。然而，土壤中常见的细菌能否将NH3转化成NO3-还需要大量的研究来证明，并且还要寻找出适合禽舍进行有效的微生物硝化的硝化细菌。

1.3 利用微生物减少畜禽粪便中NH3挥发

畜禽粪便中产生大量氨气的主要原因是禽舍环境和低效的氮喂养方法。随着遗传学的发展，目前商业畜禽喂养了大量的蛋白质以保持其最佳的营养目标。饲喂蛋白质的最终新陈代谢产物是尿酸和尿素，而在粪便分解过程中，微生物作用将其中的NH3释放到禽舍和空气中。其中，＞50%的N以NH3的形式挥发掉，从而降低禽舍粪便作为肥料的效果[12]。因此，有研究人员开发了几种从禽舍管理中控制NH3挥发的方法。很多管理方法都不能缓解这一挥发，然而少量通过固氮和NH3控制的方法可以在禽舍管理中有效的净化环境。

氨是畜禽粪便中有机氮化合物分解过程中产生的副产品，畜禽粪便中的微生物活动增加了NH3挥发。在NH3产生的过程中，粪便中最重要的N形式为被微生物尿酸酶转化成尿囊素的尿酸，尿囊素分解成乙醛酸和尿素。随着水的加入，尿素被尿囊酸酶分解成CO2和NH3，增加了禽舍粪便中的N 损失[13]。在有氧和无氧的条件下，NH3随着粪便的微生物分解不断生成。

近期Kim等的研究证明了经硝基化合物处理的蛋鸡粪便通过抑制尿素利用微生物成长获得更多的N 保留。同时说明了可以采用硝基丙醇和硝基丙酸作粪便处理剂来降低NH3挥发[14]。早期研究证明在蛋鸡粪便中采用不同水平的锌处理可以抑制尿素利用微生物成长，降低NH3挥发和N 损失[16-17]。对肉鸡的另一项研究表明，饲料中添加锌可以通过抑制微生物尿酸酶的活动，有效降低总体N 损失。在蛋鸡中，同一个课题组报道了向蛋鸡饲料中补充锌可以有效降低尿酸的分解，产生更大的粪便N保留，然而，添加过高的锌容易降低采食量、生长速度和产蛋率[15]。无论在饲料或粪便中，添加锌不仅可以通过减少尿酸分解抑制微生物尿酸酶的活动，也能降低其他参与粪便中尿酸有氧分解成NH3的微生物酶的活性。因此，通过抑制微生物的生长和将尿酸转化成NH3的酶的活动，微生物酶抑制剂对降低NH3的产生和挥发起着明显作用。

NH3的挥发受湿度、温度、pH、粪便含N量等不同因素的影响。一般来说，粪便的pH 为7.5～8.5，在该pH 范围内，微生物很活跃并加快NH3的产生。Nakaue 等报道，当pH＜7 时，NH3的产生速度下降，而当pH＞8时，NH3的产生速度上升[16]。因此，酸化剂的应用可以通过降低禽舍粪便的pH 减少NH3挥发，从而降低微生物含量和活性。另外，不同的干燥剂可以起到离子交换的作用，也能控制禽舍粪便中微生物的活性。在禽舍残渣中用发沸石能够通过控制微生物活性，从而将湿度和NH3降低15%。干燥剂和酸化剂降低NH3挥发的效果取决于禽舍和收益成本等几个管理因素。而且，很多酸化剂是腐蚀性的，对畜禽和人类健康有害。

畜禽粪便残渣中25%的细菌污染能够通过将大部分尿酸转化成尿素的尿酸分解来消除。将尿素转化为NH3的下一步是利用棒状杆菌、球状细菌、产碱杆菌、无色菌和噬纤维菌的应力完成的，这一过程对尿酸的水解没有影响。微生物对尿酸进行水解的最佳环境是温度＞20 ℃，pH 5.5～9.0，湿度40%～60%，水活性＜0.625，微生物分解所需要水的量。然而，这一环境也适宜致病微生物的生长和繁殖，如粪便中的沙门氏菌和大肠杆菌[17]。因此这些条件只能作为禽舍管理和降低NH3损失的一个补充策略。

2 微生物治理畜禽粪便污染的发展方向

目前关于这方面的研究较多，但效果都不是很理想。未来微生物治理畜禽粪便污染将筛选出更有效的除臭菌株，在筛选出有兼性厌氧的NH4+-N 降解菌基础上，继续从中挑选出可以利用NO2--N、NO3--N 的降解菌2～3 种，减少NO3-对土壤的污染。利用筛选出的菌群降低鸡粪中的氮含量，进而降低氨气的排放。另外结合我国传统中草药的健胃促消化功能，以提高饲料报酬、饲料中蛋白质、含氮氨基酸的利用率，减少饲料中臭味前提物的含量，进而降低粪便的臭味[18]。找出除臭菌与中草药的合理配比，以达到最佳的降氨除臭效果，将是未来微生物治理畜禽粪便污染的发展方向。