微生物制劑（益生菌）在綠色生態(tài)養(yǎng)殖中的作用
微生物制劑在綠色生態(tài)養(yǎng)殖中的作用
吳逸飛，孫宏，姚曉紅，王新，柳永，湯江武
( 浙江省農(nóng)業(yè)科學院植物保護與微生物研究所，浙江杭州310021)
摘要：隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展，開發(fā)友好可持續(xù)的綠色生態(tài)養(yǎng)殖手段，成為解決畜禽養(yǎng)殖污染的關(guān)鍵。微生物制劑作為一種安全高效的活菌制劑在抗生素替代、飼料原料品質(zhì)改良和養(yǎng)殖污染防控等方面具有重要的作用。本文就微生物制劑在綠色生態(tài)養(yǎng)殖中的作用進行論述，探討解決畜禽養(yǎng)殖污染，構(gòu)建綠色生態(tài)養(yǎng)殖環(huán)境的思路和途徑。
關(guān)鍵詞：微生物制劑; 作用效果; 機制; 生態(tài)養(yǎng)殖
中圖分類號: S 182 文獻標志碼: A 文章編號: 0528-9017( 2015) 01-0026-04
隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，其在保障城鄉(xiāng)畜禽產(chǎn)品供應(yīng)、促進農(nóng)民增收等方面發(fā)揮了重要作用。但養(yǎng)殖業(yè)的高速發(fā)展也導致了養(yǎng)殖過程中廢棄物大幅增加等問題，致使畜禽養(yǎng)殖污染日趨嚴重。根據(jù)《全國畜禽養(yǎng)殖污染防治“十二五”規(guī)劃》中的調(diào)查數(shù)據(jù)，僅2010 年，全國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的化學需氧量、氨氮排放量已分別達到1 184 萬t和65 萬t，占全國排放總量的45% 和25%，畜禽養(yǎng)殖污染已經(jīng)成為我國環(huán)境污染的主要來源。因此，開發(fā)和構(gòu)建友好可持續(xù)的綠色生態(tài)養(yǎng)殖手段，減少污染物排放，成為畜禽養(yǎng)殖污染急需解決的問題。微生物制劑是一類在現(xiàn)代生物工程、發(fā)酵工程和細胞工程理論指導下，經(jīng)特殊加工工藝制成的活菌制劑，常用的微生物制劑主要包括芽孢桿菌、乳酸菌及酵母菌等［1］。狹義的微生物制劑主要指用于飼料添加劑的微生態(tài)制劑，其在畜禽養(yǎng)殖中主要用于改善畜禽腸道菌群，提高畜禽生產(chǎn)性能的作用; 而廣義的微生物制劑還包括用于制備功能性發(fā)酵飼料的菌劑和用于畜禽養(yǎng)殖過程中污染物控制的微生物制劑等多個方面。本文對微生物制劑在畜禽養(yǎng)殖中的作用效果進行概括和總結(jié)，并進一步探討其可能的作用機制。
1· 微生物飼料添加劑可替代抗生素使用，促進食品安全
抗生素在畜牧養(yǎng)殖中的大規(guī)模使用在提高動物生產(chǎn)性能方面曾發(fā)揮了重要作用。但抗生素濫用，也造成了畜禽抗藥性增強，畜產(chǎn)品抗生素殘留等問題，嚴重危害人類健康。目前，歐盟已全面禁止抗生素在飼料中的添加，美國也僅保留了少數(shù)抗生素的使用，且對其用量有嚴格的控制，并已計劃從2015 年開始，全面禁止抗生素在飼料中的添加。微生態(tài)制劑作為一種潛在的抗生素替代品，具有多種類似于抗生素的功能，可有效降低抗生素的使用。
1. 1 降低腹瀉率，增強畜禽免疫力
腹瀉問題一直是仔豬健康養(yǎng)殖過程中無法忽視的問題。腹瀉不但可導致仔豬生長減慢，抵抗力下降，嚴重時還會造成仔豬死亡，給養(yǎng)殖業(yè)帶來了嚴重的損失。研究表明，微生態(tài)制劑可顯著降低幼齡動物的腹瀉率。伍淳操等［2］將乳酸桿菌添加到斷奶仔豬日糧后，可顯著降低仔豬腹瀉率; 同時提高IgA、IgG 等多種免疫球蛋白的水平。肉雞試驗也發(fā)現(xiàn)，日糧中添加微生態(tài)制劑可預(yù)防育雛期間的腸道白痢等疾病的發(fā)生，增強雞的免疫能力，降低死亡率［3］。微生態(tài)制劑降低幼齡動物腹瀉的功能可能具有多種機制，微生態(tài)制劑降低畜禽腹瀉率的作用可能與其可在腸道內(nèi)競爭性抑制大腸桿菌等病原菌有關(guān)。同時，飼料中的有益微生物也可通過黏附作用對胃腸壁細胞進行保護，減少有害病原微生物與腸道細胞的接觸。此外，微生態(tài)制劑還可與有害菌爭奪氧、營養(yǎng)和附著點，競爭性的抑制有害菌的生長。本課題組前期研究表明，肉雞日糧中添加芽孢桿菌制劑后，腸道內(nèi)的致病性大腸桿菌和沙門氏菌的數(shù)量顯著降低，而乳酸桿菌等有益菌的數(shù)量則顯著提高。同時，芽孢桿菌還能在肉雞腸道內(nèi)進行正常代謝繁殖，從而在腸道微環(huán)境中作用很長的時間［4］。
微生態(tài)制劑在畜禽腸道內(nèi)的另一個作用是可充當免疫激活劑，刺激胃腸道內(nèi)免疫功能的完善，從而增強畜禽免疫力。該作用與腸道淋巴系統(tǒng)的發(fā)育緊密相關(guān)。研究表明，微生態(tài)制劑可與腸道上皮細胞表面的特殊受體蛋白TLＲ ( toll-like receptor) 結(jié)合，通過一系列細胞內(nèi)級聯(lián)反應(yīng)，最終激活細胞核內(nèi)相關(guān)基因的表達，導致TNF-α 等免疫細胞因子表達量的上調(diào)［5］。Tien 等［6］報道采用乳酸菌預(yù)先處理Caco-2 細胞可有效降低由沙門氏菌誘發(fā)的細胞內(nèi)NF-kB 途徑的激活。因此，添加微生態(tài)制劑可通過提高機體免疫力來抵抗外源病原微生物的感染。
1. 2 提高畜禽生長性能，減少排放
采用微生態(tài)制劑飼喂斷奶仔豬可顯著降低仔豬的料肉比，提高飼料的利用率。料肉比等生長性能的提升作用可能與畜禽在飼喂微生態(tài)制劑后消化功能的提高有關(guān)。微生物在腸道內(nèi)可產(chǎn)生多種消化酶，如蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等，從而直接參與營養(yǎng)物質(zhì)的代謝，提高腸道內(nèi)食糜的消化水平。同時，乳酸菌在腸道內(nèi)發(fā)酵可進一步降低腸道pH值，保護腸道乳酸菌等有益菌的數(shù)量。李維炯等［1］的研究發(fā)現(xiàn)，用微生態(tài)制劑飼喂育肥豬，可明顯提高育肥豬的生長速度，日增重可較對照組提高21%，飼料利用率提高15. 1%。章世元等［7］研究也表明，斷奶仔豬飼喂微生態(tài)制劑后，仔豬的日增重較對照組增加了13. 9%， 料重比降低了4. 21%，且飼料中脂肪、蛋白的表觀消化率均有所提高。
畜禽集約化養(yǎng)殖使得圈舍中氨氣、硫化氫等有害氣體濃度提高且很難排放。通過在飼料中添加微生態(tài)制劑，可有效抑制腸道內(nèi)腐敗細菌的生長繁殖，大量減少生物胺、吲哚等惡臭物質(zhì)的產(chǎn)生。據(jù)估算，豬場內(nèi)使用微生態(tài)制劑后，可有效降低氨氣的排放達30% 以上。Jeon 等［8］的研究也表明，通過在飼料中添加有益微生物，可顯著降低育肥豬糞便中的氨、氮含量及揮發(fā)性脂肪酸含量。此外，由于飼料的消化利用率提高，糞便和尿液的排放也減少，可進一步減少對環(huán)境的污染。
2· 作為飼料原料發(fā)酵劑，提高原料利用率，緩解飼料資源短缺
世界范圍內(nèi)的糧食和飼用資源緊缺，使得微生物發(fā)酵飼料的研究受到重視。發(fā)酵飼料是在特殊微生物制劑的作用下，對飼用原料進行改良后的新型飼用原料。其不僅具有更佳的營養(yǎng)價值，同時還能起到促進畜禽生長、維持畜禽體內(nèi)微生態(tài)平衡、增強畜禽免疫力的作用。
發(fā)酵功能飼料中乳酸菌大量繁殖，產(chǎn)生多種有機酸( 乳酸等) ，使飼料具有天然酸香味。發(fā)酵過程中通過微生物的作用還可有效去除飼料原料中的抗原和抗營養(yǎng)因子，改善飼料的適口性。以發(fā)酵棉籽粕為例，本實驗室曾采用芽孢桿菌、干酪乳酸菌等菌種混菌發(fā)酵棉籽粕，與原棉籽粕相比，棉籽粕經(jīng)過發(fā)酵后可顯著提高粗蛋白、乳酸和粗灰分含量，降低粗纖維、粗脂肪和游離棉酚含量。與處理前的棉籽粕相比，微生物發(fā)酵使棉籽粕中的總氨基酸含量提高了13. 4%［9］。Hong 等［10］的研究表明，微生物發(fā)酵能有效降低豆粕中的抗營養(yǎng)因子和多種大豆抗原。同時，微生物在生長繁殖過程中可降解發(fā)酵物料中的蛋白質(zhì)、多糖和脂肪為低分子量肽類、寡糖和游離氨基酸，同時產(chǎn)生多種功能營養(yǎng)成分，如有機酸、核酸、維生素等。此外，功能飼料中還含有大量益生菌，可作為微生態(tài)制劑進入動物腸道，從而發(fā)揮類似微生態(tài)制劑的功能。
動物應(yīng)用試驗表明，采用發(fā)酵棉籽粕替代肉雞日糧中的豆粕后，飼糧中添加80 g·kg － 1 的發(fā)酵棉籽粕顯著增加了肉雞的日增重。飼糧中添加80 g·kg － 1和120 g·kg － 1 的發(fā)酵棉籽粕均能顯著增加盲腸內(nèi)容物中的乳酸桿菌數(shù)，同時顯著降低內(nèi)容物中的大腸桿菌數(shù)。由此可見，飼糧適當添加發(fā)酵棉籽粕能提高肉雞的生長性能、菌群結(jié)構(gòu)、腸道形態(tài)和消化酶活。同樣，將發(fā)酵飼料飼喂“杜長大”三元雜交育肥豬，其中低添加量試驗組與對照組相比，可提高豬末重和平均日增重，降低料肉比和日腹瀉頭數(shù)。在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，研究表明飼喂最高至240 g·kg － 1 的發(fā)酵棉籽粕替代飼料中的魚粉，對魚類體長、全長、體高、肝體指數(shù)和肥滿度等體成分指標，均無顯著影響，表明發(fā)酵飼料可用于替代海水魚飼料中的魚粉［11 － 14］。因此，發(fā)酵功能飼料可有效改善飼料的品質(zhì)和利用率，可用于替代高價值的飼料，以緩解優(yōu)質(zhì)飼料短缺和大大降低養(yǎng)殖成本。
3· 作為養(yǎng)殖環(huán)境改良劑，減少污染物排放，改善生態(tài)環(huán)境
目前，全國范圍內(nèi)規(guī)模化養(yǎng)殖場的數(shù)量占全部畜禽養(yǎng)殖數(shù)量的比重較低。由于低、小畜禽散養(yǎng)戶往往將未經(jīng)處理的糞尿直接排放，造成糞便和污水中含有大量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，使水生生物過度繁殖、溶解氧含量急劇下降，最終導致養(yǎng)殖周邊水田和土壤的污染。據(jù)統(tǒng)計，浙江省非規(guī)模化養(yǎng)殖場的污染物排放量占到全省總量的1 /2 左右。同時，養(yǎng)殖場內(nèi)氨氣和硫化氫濃度較高，也會導致大氣污染。目前，通過使用以光合細菌和有效微生物群( EM) 為主的微生物制劑，調(diào)控養(yǎng)殖環(huán)境，降低污染物濃度，減少養(yǎng)殖環(huán)境中硫化氫和氨氣的濃度，取得了較好的效果。
3. 1 養(yǎng)殖水體污染物控制
微生物制劑在養(yǎng)殖水體污染物的控制應(yīng)用主要集中于水產(chǎn)養(yǎng)殖方面。微生物在水體中的主要作用為: 在有氧條件下，有氧作用產(chǎn)生的二氧化碳和水，可生成易被微生物、藻類和水生植物利用的氮、磷以及硫等營養(yǎng)鹽。在缺氧條件下，微生物的厭氧作用可將有機物分解為甲烷、氨和硫化氫。目前，光合細菌和EM 菌劑是最為廣泛的用于水處理的菌劑。其主要作用是分解水中的有機物，降低水中的化學需氧量和生物需氧量，提升水中的溶解氧的含量，從而達到改善水質(zhì)的目的。本實驗室通過高通量篩選的方式獲得多株可用于凈水的反硝化菌株，將其施用于養(yǎng)殖水體中后，蝦池亞硝酸鹽濃度低于0. 01 mg·L － 1，2 周后蝦池氨氮分別穩(wěn)定在0. 26 ～ 0. 33 mg·L － 1和0. 35 ～ 0. 48 mg·L － 1，試驗過程中水體硝酸鹽和COD 保持穩(wěn)定，總氮的去除率達到34. 1%以上［15 － 16］。
3. 2 養(yǎng)殖固體污染物控制
養(yǎng)殖過程中最主要的固態(tài)污染物是畜禽糞便。糞便對環(huán)境的污染表現(xiàn)為多個方面。一是由于對飼料營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收不全，畜禽糞便中往往殘留了相當數(shù)量的有機物，特別是含氮較多，極易被腐敗菌分解產(chǎn)生氨氣和硫化氫等惡臭物質(zhì)。二是糞便中還殘留有沙門氏菌、致病弧菌等多種病原微生物。三是由于目前常采用高銅、高鋅日糧飼喂動物，糞便中殘留的重金屬也是潛在的污染來源。因此，如果對其不加以合理處理和利用，將會嚴重危及人類的健康與生存環(huán)境。
微生物制劑對糞便的處理作用也包括多個方面: 首先微生物制劑可有效抑制糞便中病原微生物的生長。同時，微生物制劑也可通過調(diào)節(jié)畜禽腸道菌群平衡的微生態(tài)環(huán)境，進而影響礦物元素的代謝。此外，微生物同礦物元素結(jié)合并能形成較易吸收的復合物，從而間接影響宿主對礦物元素的吸收。需要注意的是，微生物并不具備降解重金屬的能力，而是在治理過程中將重金屬濃縮成更易于畜禽利用的形式，從而減少重金屬的排放與污染。目前，采用微生物制劑手段處理畜禽糞便的研究已成為一個研究重點。
3. 3 養(yǎng)殖氣體污染物控制
畜禽養(yǎng)殖過程中的氣體污染主要是惡臭污染物，包括氨、硫化氫、吲哚和硫醇等物質(zhì)。此類惡臭物質(zhì)主要由動物對飼料中的含氮物質(zhì)消化不完全，隨糞便排出后經(jīng)厭氧微生物發(fā)酵分解而產(chǎn)生。養(yǎng)殖環(huán)境氣體污染物的主要危害是能直接危害畜禽的呼吸中樞，嚴重的會導致畜禽消化道疾病，直接影響畜禽的生產(chǎn)性能。
目前，微生物制劑用于養(yǎng)殖環(huán)境氣體污染物的控制主要包括2 個方面。一是通過在日糧中添加微生態(tài)制劑建立并恢復腸道內(nèi)優(yōu)勢菌群的數(shù)量( 如乳酸菌、雙歧桿菌等) ，從而建立微生態(tài)平衡。由于這些有益菌群可在腸道內(nèi)產(chǎn)生有機酸、過氧化氫和細菌素等抑菌物質(zhì)，從而抑制了腸道內(nèi)腐敗菌的生長，降低了脲酶活性，減少了蛋白質(zhì)向胺及氨的轉(zhuǎn)化，使腸內(nèi)和血液中氨及胺的含量下降，最終實現(xiàn)減少隨糞便排出體外的氨等有害氣體的含量，改善舍內(nèi)空氣質(zhì)量。如朱萬寶等［17］在仔豬基礎(chǔ)日糧中添加0. 5%益生菌劑，結(jié)果顯示: 試驗組比對照組硫化物平均下降17. 4%，最高下降28. 5%; 氨氮平均下降19. 4%，最高下降33. 3%。二是通過直接在畜禽養(yǎng)殖環(huán)境中噴灑微生物制劑的方式來降低畜禽圈舍的廢氣污染。如專利CN103011543B［18］公開了一種微生物除臭劑，可廣泛用于畜禽糞尿、污泥的除臭。微生物制劑的除臭原理是通過微生物的作用將硫化氫還原，分解為硫和氫氣; 將氨氣轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨夂蜌錃猓瑥亩_到除臭的目的。從長遠角度看，微生物除臭劑將具有廣泛的應(yīng)用和開發(fā)前景。
4· 小結(jié)
針對畜禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展過程中面臨的食品安全、糧食安全和生態(tài)安全等問題，建立健全的畜禽綠色養(yǎng)殖體系已成為是畜牧業(yè)發(fā)展中亟須完成的一個重大課題。目前，以篩選獲得的高效微生態(tài)制劑為核心，通過建立用于替代飼用抗生素的微生態(tài)制劑開發(fā)技術(shù)、發(fā)酵飼料的高效利用技術(shù)、畜禽養(yǎng)殖環(huán)境綜合減排的微生物處理技術(shù)，可實現(xiàn)飼料組分的高效利用，提高畜禽抗病能力、降低死亡率，同時去除糞便臭味、降低抗生素使用和氮、磷排放，最終達到畜禽產(chǎn)品品質(zhì)顯著改善和養(yǎng)殖環(huán)境的友好可持續(xù)。可以預(yù)見，隨著代謝工程、生物技術(shù)、發(fā)酵工程與微生物工程的進一步發(fā)展，結(jié)合納米技術(shù)和分子生物學等新興學科，微生物制劑在畜禽綠色養(yǎng)殖方面的應(yīng)用將會越來越廣泛。
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