微生物制劑（益生菌）在綠色生態養殖中的作用
微生物制劑在綠色生態養殖中的作用
吳逸飛，孫宏，姚曉紅，王新，柳永，湯江武
( 浙江省農業科學院植物保護與微生物研究所，浙江杭州310021)
摘要：隨著我國畜禽養殖業迅猛發展，開發友好可持續的綠色生態養殖手段，成為解決畜禽養殖污染的關鍵。微生物制劑作為一種安全高效的活菌制劑在抗生素替代、飼料原料品質改良和養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養殖中的作用進行論述，探討解決畜禽養殖污染，構建綠色生態養殖環境的思路和途徑。
關鍵詞：微生物制劑; 作用效果; 機制; 生態養殖
中圖分類號: S 182 文獻標志碼: A 文章編號: 0528-9017( 2015) 01-0026-04
隨著我國畜禽養殖業的迅猛發展，其在保障城鄉畜禽產品供應、促進農民增收等方面發揮了重要作用。但養殖業的高速發展也導致了養殖過程中廢棄物大幅增加等問題，致使畜禽養殖污染日趨嚴重。根據《全國畜禽養殖污染防治“十二五”規劃》中的調查數據，僅2010 年，全國畜禽養殖業的化學需氧量、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%，畜禽養殖污染已經成為我國環境污染的主要來源。因此，開發和構建友好可持續的綠色生態養殖手段，減少污染物排放，成為畜禽養殖污染急需解決的問題。微生物制劑是一類在現代生物工程、發酵工程和細胞工程理論指導下，經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制劑，其在畜禽養殖中主要用于改善畜禽腸道菌群，提高畜禽生產性能的作用; 而廣義的微生物制劑還包括用于制備功能性發酵飼料的菌劑和用于畜禽養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殖中的作用效果進行概括和總結，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
抗生素在畜牧養殖中的大規模使用在提高動物生產性能方面曾發揮了重要作用。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，給養殖業帶來了嚴重的損失。研究表明，微生態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。肉雞試驗也發現，日糧中添加微生態制劑可預防育雛期間的腸道白痢等疾病的發生，增強雞的免疫能力，降低死亡率［3］。微生態制劑降低幼齡動物腹瀉的功能可能具有多種機制，微生態制劑降低畜禽腹瀉率的作用可能與其可在腸道內競爭性抑制大腸桿菌等病原菌有關。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，微生態制劑還可與有害菌爭奪氧、營養和附著點，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，腸道內的致病性大腸桿菌和沙門氏菌的數量顯著降低，而乳酸桿菌等有益菌的數量則顯著提高。同時，芽孢桿菌還能在肉雞腸道內進行正常代謝繁殖，從而在腸道微環境中作用很長的時間［4］。
微生態制劑在畜禽腸道內的另一個作用是可充當免疫激活劑，刺激胃腸道內免疫功能的完善，從而增強畜禽免疫力。該作用與腸道淋巴系統的發育緊密相關。研究表明，微生態制劑可與腸道上皮細胞表面的特殊受體蛋白TLＲ ( toll-like receptor) 結合，通過一系列細胞內級聯反應，最終激活細胞核內相關基因的表達，導致TNF-α 等免疫細胞因子表達量的上調［5］。Tien 等［6］報道采用乳酸菌預先處理Caco-2 細胞可有效降低由沙門氏菌誘發的細胞內NF-kB 途徑的激活。因此，添加微生態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制劑后消化功能的提高有關。微生物在腸道內可產生多種消化酶，如蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等，從而直接參與營養物質的代謝，提高腸道內食糜的消化水平。同時，乳酸菌在腸道內發酵可進一步降低腸道pH值，保護腸道乳酸菌等有益菌的數量。李維炯等［1］的研究發現，用微生態制劑飼喂育肥豬，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制劑，可有效抑制腸道內腐敗細菌的生長繁殖，大量減少生物胺、吲哚等惡臭物質的產生。據估算，豬場內使用微生態制劑后，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，可進一步減少對環境的污染。
2· 作為飼料原料發酵劑，提高原料利用率，緩解飼料資源短缺
世界范圍內的糧食和飼用資源緊缺，使得微生物發酵飼料的研究受到重視。發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價值，同時還能起到促進畜禽生長、維持畜禽體內微生態平衡、增強畜禽免疫力的作用。
發酵功能飼料中乳酸菌大量繁殖，產生多種有機酸( 乳酸等) ，使飼料具有天然酸香味。發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因子，改善飼料的適口性。以發酵棉籽粕為例，本實驗室曾采用芽孢桿菌、干酪乳酸菌等菌種混菌發酵棉籽粕，與原棉籽粕相比，棉籽粕經過發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，微生物發酵能有效降低豆粕中的抗營養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酵物料中的蛋白質、多糖和脂肪為低分子量肽類、寡糖和游離氨基酸，同時產生多種功能營養成分，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，可作為微生態制劑進入動物腸道，從而發揮類似微生態制劑的功能。
動物應用試驗表明，采用發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 的發酵棉籽粕均能顯著增加盲腸內容物中的乳酸桿菌數，同時顯著降低內容物中的大腸桿菌數。由此可見，飼糧適當添加發酵棉籽粕能提高肉雞的生長性能、菌群結構、腸道形態和消化酶活。同樣，將發酵飼料飼喂“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。在水產養殖方面，研究表明飼喂最高至240 g·kg － 1 的發酵棉籽粕替代飼料中的魚粉，對魚類體長、全長、體高、肝體指數和肥滿度等體成分指標，均無顯著影響，表明發酵飼料可用于替代海水魚飼料中的魚粉［11 － 14］。因此，發酵功能飼料可有效改善飼料的品質和利用率，可用于替代高價值的飼料，以緩解優質飼料短缺和大大降低養殖成本。
3· 作為養殖環境改良劑，減少污染物排放，改善生態環境
目前，全國范圍內規模化養殖場的數量占全部畜禽養殖數量的比重較低。由于低、小畜禽散養戶往往將未經處理的糞尿直接排放，造成糞便和污水中含有大量的氮、磷等營養物質，使水生生物過度繁殖、溶解氧含量急劇下降，最終導致養殖周邊水田和土壤的污染。據統計，浙江省非規?；B殖場的污染物排放量占到全省總量的1 /2 左右。同時，養殖場內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，調控養殖環境，降低污染物濃度，減少養殖環境中硫化氫和氨氣的濃度，取得了較好的效果。
3. 1 養殖水體污染物控制
微生物制劑在養殖水體污染物的控制應用主要集中于水產養殖方面。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 保持穩定，總氮的去除率達到34. 1%以上［15 － 16］。
3. 2 養殖固體污染物控制
養殖過程中最主要的固態污染物是畜禽糞便。糞便對環境的污染表現為多個方面。一是由于對飼料營養物質消化吸收不全，畜禽糞便中往往殘留了相當數量的有機物，特別是含氮較多，極易被腐敗菌分解產生氨氣和硫化氫等惡臭物質。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節畜禽腸道菌群平衡的微生態環境，進而影響礦物元素的代謝。此外，微生物同礦物元素結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 養殖氣體污染物控制
畜禽養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。此類惡臭物質主要由動物對飼料中的含氮物質消化不完全，隨糞便排出后經厭氧微生物發酵分解而產生。養殖環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性能。
目前，微生物制劑用于養殖環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制劑建立并恢復腸道內優勢菌群的數量( 如乳酸菌、雙歧桿菌等) ，從而建立微生態平衡。由于這些有益菌群可在腸道內產生有機酸、過氧化氫和細菌素等抑菌物質，從而抑制了腸道內腐敗菌的生長，降低了脲酶活性，減少了蛋白質向胺及氨的轉化，使腸內和血液中氨及胺的含量下降，最終實現減少隨糞便排出體外的氨等有害氣體的含量，改善舍內空氣質量。如朱萬寶等［17］在仔豬基礎日糧中添加0. 5%益生菌劑，結果顯示: 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殖環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; 將氨氣轉變為氮氣和氫氣，從而達到除臭的目的。從長遠角度看，微生物除臭劑將具有廣泛的應用和開發前景。
4· 小結
針對畜禽、水產養殖發展過程中面臨的食品安全、糧食安全和生態安全等問題，建立健全的畜禽綠色養殖體系已成為是畜牧業發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制劑為核心，通過建立用于替代飼用抗生素的微生態制劑開發技術、發酵飼料的高效利用技術、畜禽養殖環境綜合減排的微生物處理技術，可實現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，最終達到畜禽產品品質顯著改善和養殖環境的友好可持續。可以預見，隨著代謝工程、生物技術、發酵工程與微生物工程的進一步發展，結合納米技術和分子生物學等新興學科，微生物制劑在畜禽綠色養殖方面的應用將會越來越廣泛。
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