禽舍產出的氨氣對人類與家禽健康及環境的影響

本文翻譯並節錄自Ammonia production in poultry houses can affect health of humans, birds, and the environment—techniques for its reduction during poultry production. By Sadia Naseem & Annie J. King. Environmental Science and Pollution Research (2018) 25: 15269-15293

 

        由於家禽產品消費量及出口量增加，擴大家禽的飼養規模、建設更多的禽舍是必然的發展。因此研究如何讓家禽養殖設施可以不產生臭味及其他對生活環境的挑戰，使禽舍可以與住宅區鄰近共存是非常重要的。家禽生產過程中，氨氣(NH3) 的產出是最令人擔憂的、會污染環境的問題。當鳥類攝入蛋白質時，它們會產生尿酸(uric acid)，最終在適合的條件下轉化為氨氣。影響氨氣產出的因素包括pH 值、溫度、墊料水分含量、墊料類型、鳥齡、糞齡、相對濕度和通氣率 (ventilation rate, VR)。禽舍氨氣的濃度和排放量取決於通風率。季節也會影響氨氣的產生。

        現代禽舍通風系統可以快速減少封閉生產空間中的氨氣，但相對的就增加了排放至環境中的速度。氨氣對生態系統、環境及家禽與人類的健康會產生不利影響。最佳的暴露限值是 <10 ppm，但短暫的高於25 ppm 也無害。氨氣可透過改變畜舍形式、需氧和厭氧條件、糞便處理方法、墊料組成的改變和飼糧配方的調整，在不影響生產性能的情況下達到最小化。抗生素可以將降低氨氣的產生，但消費者會擔心有健康層面的影響，所以給予益生菌可能是有用的抗生素替代方案。

        本文主要回顧了1950 至2018 年間的相關研究，以下將針對前述各項論點進行說明。

家禽體內氨氣的形成

        尿酸是家禽產出氨氣的主要來源，反應大多發生於盲腸。盲腸中微生物所生產的一種酵素- 尿酸酶(uricase)，會分解糞尿中的大量尿酸、產出尿素，最終轉化成氨氣。(Almuhanna et al., 2011; Schefferle 1965; O’Dell et al. 1960; Mahimairaja et al. 1994; Whyte 1993; Kim and Patterson 2003a,b; Bachrach 1957; Moore 1998; Anderson et al. 1964; Li et al. 2013; Santoso et al. 1999; David et al. 2015; Creek and Vasaitis 1961).

        巴氏芽孢桿菌(Bacillus pasteurii) 是一種會促使氨氣產生的尿素分解菌，在酸性環境下無法生長。因此，若環境pH 值大於7，將有利於氨氣的產生(Li et al. 2013; Elliott and Collins 1982)。已有數篇研究顯示氨氣的形成與尿素的量、尿素酶活性、pH 值、溫度、相對濕度、風速/ 通氣率、糞便處理方法、墊料、家禽年紀和糞便水分含量有關。

影響禽舍中氨氣生成的因素

        影響禽舍氨氣生成的各項因素及其影響結果分述於下。

█ 飼料pH 值 : 多項試驗結果顯示，pH 值與氨氣的產生有正相關。當pH 值<7 時，家禽糞尿中的氮(N)會維持在NH4+ (銨離子)的型態，但當pH值>7時，就會轉換成氨氣(NH3)的型態而自糞尿散發。
█ 家禽年紀 : 越老的家禽會產出越多的氨氣。2007 年的試驗- 將產蛋雞依周齡分成三群(21、38及59周齡)以觀察年齡與氨氣發散量的關係。最年輕的母雞糞便所發散出的氨氣量是最少的(Wu-Haan et al. 2007)。
█ 通氣率( volatilization rate) : 通氣率也會影響氨氣濃度與排放。很多研究指出通氣率與排放量有正相關，而氨氣濃度與通氣率則是負相關。這表示，夏天時因為通氣率較高，所以氨氣的排放量較高，冬天時的通氣率較低，所以氨氣排放量會降低。
█ 糞便含水量 : 含水量越高，產生的氨氣也越多。

環境中的氨氣

        氨氣(NH3) 是細懸浮微粒PM2.5 的前驅物，會促成PM2.5 的產生(Xin et al. 2011; Baek and Aneja 2004)。當氨與氮和硫的氧化物結合時會產生這些粒子。除了產生PM2.5，大氣中的氨會改變雲中的氧化速率，還會提高酸雨的產生(Xin et al. 2011; Baek and Aneja 2004; Baek et al. 2004; van Breemen et al. 1982; ApSimon et al. 1987; Sharma et al. 2007)。
        氨氣會造成土壤酸化和生態系中氮(N) 的沉降(Li et al. 2013; Liang et al. 2005; Jones et al. 2013)。而且土壤中的硝化細菌會將其轉化為硝酸鹽，這會降低地下水的pH 值並增加飲用水中硝酸鹽的濃度(Santoso et al. 1999; Adams et al.1994)。Van reemen (1988 年) 和Angus 等人於2003 年的報告中皆指出，氮(N) 會造成地下水和滲濾液優養化、酸化和硝化。

氨氣對人類健康的影響

        氨氣是已知對上呼吸道、鼻子和眼睛黏膜具刺激性的物質。不論含量多少，它都可能損害工作人員的呼吸系統。如前所述，氨氣與PM2.5 的產出有關，而PM2.5 可以更深入地滲透到人類和動物的呼吸系統造成損傷。家禽的羽毛和皮屑、飼料顆粒、墊料和糞便也可能導致產生不同大小的、可吸入的PM2.5。空氣中較高濃度的氨氣會影響人類的呼吸系統，而較低濃度也可能導致咳嗽、鼻子和喉嚨發炎。Sundblad et al. (2004) 發現，接觸氨氣提高了刺激症狀和對中樞神經系統的影響。與非家禽工人相比，家禽工人受到氨氣的不利影響較多。這結果得到了許多流行病學研究的支持。在家禽舍中接觸氨氣的工人會出現眼睛灼熱和流淚、打噴嚏、鼻塞和流鼻涕以及咳嗽的現象(Sanderson et al. 1995; Rees et al. 1998)。

        近年來，在家禽舍工作期間和之後發生呼吸道症狀的情況增加。所有研究都顯示了氨氣對家禽工人健康的急性與慢性影響(Kirychuk et al. 2003; Zuskin et al. 1995; Reynolds et al. 1993; Santoso et al. 1999; Close et al. 1980; Morris et al. 1991)。根據報導，在冬季月份中發生的呼吸道症狀更嚴重，肺功能不佳也減少了工人的工作日數(Reynolds et al. 1993)。 家禽工人和抓雞工人慢性咳嗽、慢性痰、慢性支氣管炎和胸悶的好發性高於對照組與非直接接觸家禽的藍領工人(Zuskin et al. 1995; Morris et al. 1991)。

氨氣對家禽健康的影響

        Almuhanna et al. (2011) 指出，與二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、氫氣(hydrogen)、硫化氫(H2S) 相比，氨氣是家禽舍中含量最高的毒性氣體。氨氣是一種無色氣體，具有特有的刺激性氣味。它是最常見、最有害且具高度水溶性的氣體。氨氣具有鹼性和腐蝕性，對雞的鼻腔和眼睛有不利影響。它與鼻腔水分發生反應，產生如下所示的腐蝕作用

        經由上述方程式所形成的 NH4+溶液會腐蝕雞的呼吸系統，導致纖毛麻痺或損失。氣管黏膜表面的黏液由於纖毛的腐蝕而變得不清澈，讓細菌進入氣囊和肺部，最終導致感染 (Aziz and Barnes 2010; Maliselo and Nkonde, 2015; Quarles and Kling 1974; Anderson et al. 1964; Oyetunde et al. 1978; David et al. 2015; Nararaja et al. 1983).。 如圖1 所示，氨氣還會因為造成活動力不良而導致雞隻生產性能下降和健康問題。

        一般建議家禽舍內的氨氣濃度應低於25 ppm。理想情況下，氨氣的暴露量應低於10ppm，但暫時性的超過限值至25 ppm 是無害的(NOISH, 2016; Animal Husbandry Guidelines for US Egg Laying Flocks, 2010; Miles et al. 2006; Kristensen et al. 2000)。 根據職業安全與健康管理局 (Occupational Safety and Health Administration, OSHA) 的建議(Aziz and Barnes 2010)，在家禽舍中，氨氣濃度50 ppm 的情況下，8 小時的暴露是建議的時間上限。OSHA 也建議每日8 小時的氨氣接觸量不應超過35 mg/m3 (EPA, 2016)。 超過就會開始刺激眼睛、鼻子和喉嚨的最低濃度。( 註: 1ppm = 1,000 mg/m3)

降低家禽舍中氨氣產出量的方式

        禽舍中的現代通風系統可以快速降低氨氣濃度，但同時也增加其在大氣中的排放量。氨氣排放到外部將可以改善家禽健康，但排放而出的氨氣會影響周圍環境，並最終影響生態系統。因此，同時控制這種有毒氣體的濃度和排放是必要的行動措施。 許多文獻綜述討論了減少氮(N) 產生的技術，從而減少氨氣產出。

        雞舍類型、雞的年齡、糞便新鮮程度與處理方式、雞舍通氣率和飼糧的組成( 低粗蛋白(CP)、合成胺基酸、添加纖維和使用益生菌) 都是可以減少氨氣產出但不影響鳥類的生產性能的方式。這些策略將在下面討論。

█ 雞舍類型

       在美國有兩種常見的蛋雞舍結構- 高架(high-rise, HR; 圖2a) 與集糞帶(manure-belt, MB; 如圖2b & c)。在高架(HR) 蛋雞舍中，糞便一年清除一次。而在集糞帶(MB) 蛋雞舍中，每周清除糞便2~7 次。有一項研究同時測量了兩種蛋雞舍型態中氨氣的濃度和排放率( 位於愛荷華州和賓夕法尼亞州的商業蛋雞舍)。1 年後的測量結果顯示，與高架(HR) 蛋雞舍相比，集糞帶(MB) 蛋雞舍設計顯著降低了氨氣濃度及排放率。另外，也對每日一次(daily) 和每半週一次(semi-weekly) 的糞便清除模式進行了比較。與半週清除一次糞便相比，每日清除糞便降低了74% 的氨氣排放率(Liang et al. 2005)。 Xin et al. (2011) 的文獻回顧也得出了類似的結果: 應用集糞帶的雞舍釋出的氨氣量較少，因為糞便與空氣接觸的表面積較小，水分含量也較低。

        為了瞭解何種雞舍型態能降低氨氣產出，Green et al. 在2009 年執行了一項田間研究。在此研究中比較了平飼(Cage-free floor-raised, FR)、高架(high-rise (HR)) 與集糞帶(manure-belt, (MB)) 飼養方式。結果顯示，平飼的氨氣排放量(46 ppm) 高於HR (14 ppm) 和MB(7 ppm)。Nimmermark et al. (2009), Koerkamp and Bleijenberg (1998), and Costa et al. (2012) 也有類似的試
驗結果。

█ 雞舍模式中的其他因子

        氨氣的排放受雞舍類型、糞便清除、飲水器樣式（圖3）和墊料類型的影響很大。 雞舍類型和佔地大小是造成氨氣散出的重要因素。 在肉雞舍中，使用了兩種不同類型的墊料（稻稈和木屑）。在夏季，使用此兩種墊料的氨氣散出量並沒有差異。另外也有研究提到使用鐘形飲水器的雞舍比使用乳頭式飲水器的雞舍排放更多的氨氣。

█ 好氧與厭氧條件

        Mahimairaja 等人在1994 年進行了一項實驗。研究在好氧和厭氧條件下，四種富碳墊料、一種酸化材料和兩種吸附劑對家禽糞便中氮的轉化及其損失的影響。結果顯示，將家禽糞便培養( 發酵)12 週之後，與好氧環境相比，厭氧條件下的氨氣揮發量顯著減少。Bachrach(1957) 也發表了類似的結果。

        Kirchmann and Witter (1989) 的試驗結果也支持了好氧和厭氧環境中氨氣產出量差異的發現。將新鮮雞糞和燕麥秸稈在需氧和厭氧條件下進行的研究發現，由於低 pH 值較低，在厭氧條件下揮發出的氨氣量較少；而在有氧條件下，氨氣的產出量在某些程度上可能取決於其中所含的秸稈量，但在厭氧環境中，沒有觀察到雞糞中的秸稈量有類似的影響效果。Kirchmann和 Lundvall (1998) 也報導了在好氧條件下分解雞糞所產出的氨氣量顯著高於厭氧環境。

█ 調整墊料組成

       Roumeliotis and Van Heyst (2008) 的文獻回顧指出，調整墊料就可以將氨氣的散出量降到最低。這方法適用於所有的家禽，尤其是在蛋雞舍。除了酸性電解水會有負面效果，多項研究結果顯示調整墊料是控制氨氣濃度和排放量的最佳方法。不同類型的吸附劑、抑制劑和墊料常應用於禽舍。最常用的是明礬和沸石。當這些材料被添加到墊料中時，它們會降低pH值，使產生更多的NH4+ ( 銨離子)，而非氨氣(NH3)。有部分抑制劑則能降低尿素酶的活性，而降低氨氣的產出。墊料的調整通常並不會影響家禽的生長表現或健康。

█ 飼糧的調整

        很多研究指出，藉由飼糧組成的調整，可以減少氨氣的產生。而且大部分的研究結果亦顯示並不會影響到家禽的生長表現(Hale 2005; Roberts et al. 2015)。飼糧調整的可能方向分述於下。

一、降低粗蛋白

        Kristjan and Roberts (2006) 的研究指出，蛋雞日糧中的高蛋白是造成氨氣產量增加的主要原因。家禽無法儲存過多的胺基酸，導致氮主要以尿酸的形式釋出。

        Liang et al. (2005) 解釋了降低飼糧粗蛋白對氨氣排放量的影響。給家禽餵食含有1% 粗蛋白和必需胺基酸補充劑的飼糧，雞舍中的氨氣濃度會顯著降低，排放量也較低。

        另一項研究的結果表明，使用低粗蛋白飼料( 和離胺酸)，氨氣濃度可降低31%，墊料中的氮含量降低了16.5%( 以乾基計算)，如表1 所示，肉雞飼餵以三種不同的日糧：高粗蛋白(High)、低粗蛋白並添加額外的合成胺基酸(Low)，及前述兩種等量混合(Medium)。低粗蛋白組藉由降低pH 值和水分含量而減少氨氣和墊料中氮的含量(Ferguson et al. 1998).。 Blair et al. (1999), Gates et al.(2000), and Namroud et al. (2008) 等人的研究也獲得了類似的結果。

        Wu-Haan et al. (2007) 的研究: 三組不同周齡(21 周、38 周及59 周齡) 的母雞餵以兩種不同的飼糧- 降排飼料 (reduced-emission diet (RE)) : 粗蛋白含量稍低/ 含有6.9% 的硫酸鈣- 沸石成份及一般商業飼料。結果顯示，餵飼降排飼料(RE) 的母雞，氨氣排出量顯著降低(p<0.01)。其他的研究也有類似的結果(Romero et al. 2012; Xin et al. 2005; Cabuk et al. 2004, Wu-Haan 2006)。Lon-Wo (2010) 的試驗結果也指出，與餵飼一般飼料的母雞相比，吃含有3% 天然沸石的母雞的氨氣排出量較少。餵飼10
天之後，試驗組( 飼料中有3% 天然沸石) 母雞糞便氨氣排出量僅30.6ppm，而對照組則有937ppm (Nakaue et al. 1981; Hale 2005)。

二、纖維 Fiber

        Roberts et al. (2007b) 指出氨氣排放量可以藉由餵飼纖維性飼糧而降低，因為

        (1)與低纖維飼糧相比，高纖維飼料成分中的胺基酸較不易消化；

        (2) 纖維飼料中的胺基酸不能降解為尿素，因此不能再降解為氨氣。

        此外，研究人員表示，可發酵纖維可以將氮的排泄形式從尿素( 尿液) 轉變為微生物蛋白( 糞便)。微生物蛋白質更穩
定、更不易降解為氨氣。纖維也有助於藉由產生揮發性脂肪酸來降低糞便的pH 值。這很重要，因為低pH 值會延緩氨氣的產生並產生更多不具揮發性的NH4+ 銨離子(Roberts et al. 2006, 2015)。

        Roberts et al. (2006) 另一份研究說明，母雞能夠消化的纖維較少，因此高纖維日糧會降低蛋白質消化率並增加氮的排泄( 圖4)。在這項研究中，日糧中添加了三種類型的纖維( 大豆殼、小麥粉頭(wheat middlings) 和DDGS)。DDGS 的含量為10%，同時也添加了粉頭，使該飼料有相同的中性洗滌纖維含量。小麥粉頭的使用可以顯著減少尿酸的排泄，而尿酸排泄是鳥類產生氨氣的主要來源。pH 值對氨氣產出也很重要，而添加纖維可在不會影響母雞的生產性能的前提下降低糞便的pH 值。降低尿酸和降低pH 值是減少氨氣揮發的重要因素。

 

三、竹炭 Bamboo charcoal

        Maliselo and Nkonde (2015) 建議在飼料中添加竹炭顆粒，以盡量減少氨氣的排放。 這些試驗結果表明竹炭具有吸附氨氣的特性。

四、益生菌 Probiotics

        使用非致病性和無毒的活微生物( 益生菌) 可以減少臭味。它們可藉由強化消化系統和競爭排除其他細菌來降低氨氣濃度 來幫助宿主保持健康。

        Ahmed et al. (2014) 進行了一項研究， 以分析飼用益生菌(Bacillus amyloliquefaciens, BAP) 對氨氣產生的影響。用含有五種不同含量的BAP (0、1、5、10 和20 g/kg BAP) 的商業肉雞飼料餵養400 隻一日齡的雄性肉雞。表2 顯示了不同益生菌(BAP) 含量與氨氣揮發量之間的關係。在實驗全期，對照組皆有較高的氨氣排放。還觀察到隨著益生菌含量(20 g/kg BAP) 的增加，氨氣的揮發減少。BAP 降低了pH 值，最終降低了氨氣的揮發量(Ahmed et al. 2014)。

        Hmani et al. (2017) 提出將枯草芽孢桿菌HB2 餵給雞，可以使氨氣的產量減少。試驗發現枯草芽孢桿菌UBT-MO2 可有效減少肉雞糞便中的氨氣排放。給肉雞飼餵兩種不同含量的Enramycin (0 或5 ppm) 和枯草芽孢桿菌(0 或105 cfu/kg)。與吃不含枯草芽孢桿菌之飼料的雞相比，飼餵含枯草芽孢桿菌日糧的肉雞糞便中的氨氣顯著降低(p = 0.03)。Enramycin 或枯草芽孢桿菌不會影響盲腸和小腸中的大腸桿菌和乳酸桿菌。而且枯草芽孢桿菌單獨添加時顯示出更有效的結果(Zhang et al. 2013)。

        根據文獻，與單菌株相比，多菌株益生菌提供了更好的使用結果和改善程度(Timmerman et al. 2004; Chapman et al. 2011)。Yoon et al. (2004) 報導了多種益生菌對肉雞的氨氣排放的影響。1 日齡雄性肉雞、飼餵兩種不同益生菌含量的日糧(0 和0.2%) 與三種不同益生菌濃度的飲用水(0、0.01 和 0.1%)。結果顯示，與飲水中沒有益生菌的組別相比，給予含0.1% 益生菌的飲用水顯著降低了肉雞糞便中氨體排出量。總括來說，飼糧中添加益生菌確實可以減少糞便中這種有毒氣體的排放。

        Zhang and Kim (2014) 進行了一項研究以檢驗多菌株益生菌對肉雞排泄物氣味的影響。
在對照飼糧中添加不同含量的嗜酸乳桿菌Lactobacillus acidophilus、枯草芽孢桿菌Bacillus subtilis 和丁酸梭菌Clostridium butyricum [P1: 對照飼糧+1×105 cfu 多菌株益生菌/ 公斤； P2: 對照飼糧+2×105 cfu 多菌株益生菌/ 公斤]。在另一種試驗組中，將抗生素Avilamycin 添加 到對照飼糧(5 mg/kg) 中。結果顯示，與所有其他試驗組相比，P2 顯著降低了氨氣濃度。與對照組相比，P1 也降低了氨氣濃度。在實驗的第3 天和第5 天，與對照組相比，P1 和P2 均降低了肉雞糞便中的氨氣產量，如表3 所示。

        1999 年的一份報告中將由芽孢桿菌屬(Bacillus)、乳桿菌屬(Lactobacillus)、鏈球菌屬(Streptococcus)、梭狀芽胞桿菌屬(Clostridium)、酵母屬(Saccharomyces) 和念珠菌屬(Candida)組成的複方益生菌飼餵給肉雞，以分析它們對盲腸菌群與代謝物、脂質代謝、肉質成分、生產效率和飼養環境的影響。在益生菌組中，盲腸中的氨氣顯著(p < 0.05) 低於對照組。而且，較早期的研究也已指出有被餵飼益生菌組之肉雞的盲腸pH 值顯著降低。這與產生較少氨氣也有關係(Endo and Nakano 1999)。

結論

        氨氣是禽舍中最需要管控有害的氣體。已知pH 值、水分含量、墊料、雞齡、糞齡、相對濕度、通風率和溫度都對禽舍中氨氣的產生有很重要的影響。為了降低氨氣產出，降低飼料中粗蛋白質的含量、搭配使用合成胺基酸、補充纖維和益生菌（單株和多株菌）等方式，都是調整飼料配方的可行方向。選擇適當的雞舍型式、改善糞便的處理方法與需氧/ 厭氧發酵條件及墊料組成的調整，則是飼料經消化、已成為排泄物後的處理策略。

 

 

 

 

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