猪粪气味产生的相关微生物区系及其特性
俞芝芬 夏磊
摘要：猪粪臭气产生是一个复杂过程，涉及到很多细菌种类，如果不了解动物粪污中微生物的活动就不能很好的控制臭气的产生。文章综述了猪粪中目前已知的天然菌属以及其产生有气味挥发性复合物的能力。
关键词：天然菌属；气味化合物；特性
中图分类号：S852.6文献标识码：B文章编号：1007-273X（2014）03-0059-02
猪场臭气产生一直是中外研究者的难题，尤其是从传统散养到规模化、集约化方向发展，一方面，有利于政府监管和统一规划；另一方面，猪场规模扩大，产生臭气不但污染了环境，也给周围居民生活带来不便。我国是猪肉消耗大国，与此同时猪场也带来越来越多的臭气。因此，对猪场臭气进行有效控制就成为了一个研究热点，也成了一个研究难点。臭气主要是由猪粪便里微生物活动引起的，因此了解微生物种类及活动就有助于控制猪粪便臭气的产生。本文从微生物角度探讨了猪粪便臭气产生的原因，控制臭气的工艺是根据粪便里的微生物特性来制定的，了解粪便里臭气产生的微生物区系活动后才能有效地对其进行控制。
1与猪粪便气味产生的相关微生物区系
1.1猪粪中天然菌属
根据代谢功能可将猪粪中细菌分为6类：乳糖发酵菌属，非乳糖发酵菌属，梭菌属，乳杆菌属，肠球菌属，葡萄球菌属。数量上从多到少依次为：乳糖发酵菌，乳杆菌属，梭菌属，非乳糖发酵菌属，葡萄球菌属，肠球菌属。
早期研究发现猪粪污中细菌包括革兰氏阳性球菌（链球菌属、消化链球菌属及葡萄球菌属），乳杆菌属，埃希氏菌属，芽孢杆菌属。后有学者采用严格厌氧培养方法从猪粪污里分离出来的微生物区系包括粪链球菌属，真细菌属，梭菌属，丙酸杆菌属。有学者得出了同样结论并指出革兰氏阳性球菌（链球菌属，消化球菌属，消化链球菌属，巨球菌属）为猪粪便中主要菌群。
根据上述研究结果，可以将猪粪中菌群按数量从多到少依次排列为：革兰氏阳性球菌（39%），真细菌属（27%），乳杆菌属（20%），革兰氏阴性杆菌属（埃希氏杆菌属，8%），梭菌属（4%），还有其他小的菌群如丙酸杆菌属和类杆菌属（<2%）。在这些菌群中，梭菌属、乳杆菌属、消化链球菌属、真细菌属、消化球菌属、丙酸杆菌属、类杆菌属和巨球菌数均属于厌氧菌、链球菌属、葡萄球菌属、芽孢杆菌属为兼性厌氧菌、埃希氏菌属为好氧菌或兼性厌氧菌。因此可以推测猪肠道内的厌氧环境决定着厌氧和兼性厌氧菌占主要，好氧菌很少。
2天然菌属的特性
2.1链球菌属
链球菌属属于发酵促代谢的化能异养菌（即微生物通过消耗和形成有机化合物而为自身合成提供能量，氢，电子和碳）的一种。有些是兼性厌氧菌，有些需要CO2或严格厌氧环境才能生长。最适生长温度通常是37℃，但是最高与最低温度依类别而不同。最适生长pH为7左右，pH<4.0或pH>9.6将会抑制其生长。所有发酵产生的碳水化合物，大多数继续发酵产生乳酸，较少部分发酵产生乙酸、甲酸、乙醇及CO2。多数种类在这个基础上再产生氨。
2.2消化链球菌属
消化链球菌属属于厌氧化能异养菌，它能够代谢蛋白和氨基成为乙酸、甲酸、丙酸、己酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、异已酸，另外还产生挥发性胺类和各种醇类。生长pH范围在6.0～8.0，最适pH为7.0～7.5，生长温度范围为25～45℃，最适温度为35～37 ℃。
真细菌属于绝对厌氧型化能自养菌，代谢碳水化合物或蛋白为混合有机酸。37℃及pH接近7时生长最快，通常产生大量的丁酸、乙酸、甲酸和乳酸。但是关于猪排泄物中这种菌的数量目前还没有研究报道。
2.4乳杆菌属
乳酸杆菌是严格发酵的，耐氧或厌氧的嗜酸菌，利用葡萄糖作为碳源，>85%的乳酸是由同型发酵乳酸菌产生，异型发酵乳酸菌产生一部分乳酸，CO2、乙醇或乙酸。乳酸杆菌在微酸环境下（pH在4.5～6.4）生长良好，最适生长pH为5.5～6.2。不同菌种和菌株当pH达到3.6～4.0时生长停滞，在中性或碱性环境下生长速度会减慢。在2～53℃范围内均可生长，最适生长温度范围是30～40 ℃。
目前在猪粪中发现有9种，其中被鉴定的有6种，因为这类菌主要产物是乳酸，因此推测这类菌在产生猪粪中臭气的效果上并不明显。
2.5埃希氏菌属
这个属中典型的种类是结肠埃希氏菌，为好氧或兼性厌氧菌，代谢分为呼吸型和发酵型。这类菌将葡萄糖和碳水化合物分解成为丙酮酸盐，然后进一步转化成为乳酸、乙酸和甲酸。最适生长温度为37 ℃，此类的菌株（90%～100%）产生具有强烈气味的吲哚。
2.6梭菌属
此属中多数类别都属于绝对厌氧型，各类对氧的耐受能力各不相同，但虽然在有空气存在的大气压下仍然生长，但不会形成孢子。多数类别在pH为6.5～7.0、温度为30～37 ℃时生长迅速，生长温度范围为15～69℃。
梭菌属细菌通常是发酵氨基酸产能，过程是氧化一个氨基酸并利用另外一个作为电子受体，即史蒂克兰德氏反应。这个过程在对蛋白质进行厌氧分解中产生氨、氢硫化合物、脂肪酸和胺类，各菌种产生的挥发性脂肪酸数量由高到低一次为乙酸、丁酸、己酸、乳酸、甲酸、丙酸、琥珀酸、戊酸、异丁酸、异己酸、异戊酸。有些菌种也会产生吲哚类和酚类。猪排泄物中此属被发现有4个种类，但是目前还没有被鉴定。梭菌属能够产生各种有气味的物质，由此推测此属导致猪粪臭气产生的可能性比较大，因此猪粪中此种菌类别的鉴定急需进一步研究。
2.7丙酸杆菌属
此属菌为绝对厌氧菌或耐氧菌，这个类别的细菌可以发酵产生丙酸、乙酸和一小部分异戊酸，甲酸，琥珀酸和乳酸。最适生长pH为中性，最适生长温度为30～37 ℃。
此属菌目前在猪粪污中发现了两种，分别是疮疱丙酸杆菌和颗粒丙酸杆菌，其中只有疮疱丙酸杆菌能够产生吲哚。
2.8拟杆菌属
此属为专性厌氧化能自养菌，代谢碳水化合物或蛋白质为琥珀酸、乳酸、乙酸、甲酸、丙酸和丁酸。异丁酸和异戊酸随丁酸同时产生。pH接近7、温度37℃时生长迅速。猪粪中此属目前发现有两种，目前被鉴定只有一种，即栖瘤胃拟杆菌。栖瘤胃拟杆菌生长温度范围是25～45 ℃，最适生长温度37 ℃。
2.9巨球菌属
目前发现只有两种，分别是埃氏巨球形菌和啤酒巨球形菌。这类菌为厌氧型化能自养菌，发酵乳酸为乙酸盐，丙酸盐和含有2～6个碳的挥发性脂肪酸以及硫化物。生长温度范围是25～40℃，最适生长pH为7.4左右。
3猪粪中有气味化合物
在猪粪便储藏过程中的厌氧环境下粪尿被细菌分解就会产生气味化合物，有学者将这些气味化合物分为4种。
3.1挥发性脂肪酸
挥发性脂肪酸通常包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、己酸、癸酸。在蛋白质和碳水化合物的分解过程中经过氨基酸的脱氨基作用而形成。氨基酸在肠道微中性的pH6～7环境下代谢脱氨基，产生挥发性脂肪酸、CO2、H2还有氨。参与这一过程的菌属有真细菌属、化链球菌属、拟杆菌属、链球菌属、埃希氏菌属、巨球菌属、丙酸杆菌属、乳酸杆菌和梭菌属。
3.2吲哚和酚类
这类复合物包括吲哚、3-甲基吲哚、甲酚和4-乙基苯酚。有学者研究发现动物肠道内的酪氨酸和苯丙氨酸被微生物分解为苯酚和对甲酚，据报道不同细菌代谢色氨酸可以产生吲哚酸，进而转化为3-甲基吲哚，参与这个过程的菌属包括丙酸杆菌属、埃希氏菌属、真细菌和梭状芽孢杆菌。
3.3氨和挥发性胺类
挥发性胺类包括腐胺、尸胺、甲胺和乙胺，通常甲胺和乙胺的浓度相对较低。在鲜粪的堆积过程中，氨基酸可能经过脱羧基作用而形成腐胺、尸胺和氨。参与这个过程的菌属包括链球菌属，消化链球菌属和拟杆菌属。有报道称尿素和硝酸盐类中氨基酸的脱氨基作用也可产生大量的氨。
3.4挥发性含硫化合物
此类包括硫化物还有甲硫醇和乙硫醇。细菌通过含硫氨基酸代谢和硫酸盐降解可产生含硫化合物。硫酸盐降解过程通过同化作用和异化作用。研究发现刚开始时，细菌产生多种可降解硫供细胞生物合成，然后利用硫酸盐作为一个电子终端受体进而产生大量的硫化物。
4小结
目前研究可见，猪粪中天然菌属主要有链球菌属、消化链球菌属、真细菌、乳杆菌属、埃希氏菌属、梭菌属、丙酸杆菌属、拟杆菌属以及巨球菌属，猪粪中气味化合物主要有挥发性脂肪酸，吲哚和酚类，氨和挥发性胺类以及挥发性含硫化合物，且有学者报道含2～9个碳的挥发性脂肪酸明显影响空气质量，并指出挥发性脂肪酸可以作为猪粪气味指示器。接下来，如果能进一步从微生物角度研究产生臭气的原因，那就可以通过控制微生物的生长繁殖进而减少或控制猪场臭气的产生。
