盲肠微生物调控抑制猪场臭气产生的效应与机制

Odor is one of the important environmental issues for pig farms survival. Pig cecum and feces is the main site for odor production and their microbial community is similarity and correlation. Our previous research had found that inulin and sodium butyrate can affect the cecum microorganism community of pig or layer and reduce animal body odor emissions. But the optimum concentration of inulin and sodium, the effect and mechanism of odor inhibition by cecum microorganism for pig body, pig house and the process of pig waste management, has still not been reported. Therefore, this study choose pig as model animal to find the optimum concentration of inulin and sodium butyrate to reduce the odor emission by in vitro fermentation test; using feeding experiment by respiratory metabolic box, collected feces for stewing and composting experiment to analysis of the odor emission by adding coated inulin and sodium butyrate to ensure the odor control effect in pig farm; using real-time PCR, 16S rRNA gene sequence, metabolomics, proteomics and macro transcription technology to ensure the key process and microbial for odor production by cecum microorganism control, from the cecum and fecal microbial abundance, the pathways of generation and use of odor and function of gene expression to expose the mechanism of odor inhibition by cecum microorganism in pig farm. It might find out a new conception for odor control in pig farm.

臭气是关系猪场生存的重要环境问题之一。盲肠与粪便是猪场臭气产生的主要位点，这两个位点的微生物群落相似且相关。课题组前期研究发现，饲喂菊粉和丁酸钠可分别调控猪和蛋鸡盲肠微生物，显著减少动物体臭气的排放，但最佳添加剂量及其对猪体、舍内和粪便处置过程臭气减排效应与机制还不清晰。因此，本研究以育肥猪为动物模型，采用体外发酵法，分别探明菊粉和丁酸钠调控盲肠微生物群落抑制臭气产生的最佳剂量；将菊粉和丁酸钠包膜，综合利用呼吸代谢箱、静置产臭和模拟堆肥法，明确在菊粉和丁酸钠干预下，盲肠微生物群落调控对猪场臭气的减排效应及其对育肥猪生长发育的影响；采用定量PCR、16S rRNA、代谢组学、蛋白组学、宏转录组学等技术，明确盲肠微生物调控猪场臭气产生的关键过程和关键微生物，从盲肠与粪便微生物群落丰度、臭气产生与利用通路变化、功能基因表达三方面揭示盲肠微生物调控抑制猪场臭气产生的机制，为猪场臭气减排提出新思路。

畜禽养殖业带来的恶臭污染已成为一个日益严重的社会和环境问题，并受到了广泛关注。动物体肠道微生物在恶臭气体产生和减少过程中发挥着重要作用，本项目以菊粉和丁酸钠为模式添加物，完成了盲肠微生物调控抑制畜禽臭气产生的效应与机制的研究。主要创新性进展包括：（1）体外发酵试验表明2%菊粉与0.15%丁酸钠的添加量对动物盲肠具有较好的臭气减排效果。（2）仿生消化试验表明包膜丁酸钠在胃和小肠分别被吸收1.9%和63.1%，剩下的35.0%能进入盲肠，而98.7%的粉剂丁酸钠在胃被吸收。（3）呼吸代谢箱试验表明，在1%的菊粉和0.15%包膜丁酸钠的干预下，动物体及粪便静置过程的臭气排放显著减少，但对动物的生长无不良影响。（4）16sRNA分析表明，在菊粉和丁酸钠的干预下，动物体的肠道菌群发生了显著改变。饲喂1%菊粉后，生猪肠道的乳酸杆菌属、双歧杆菌属、丁酸弧菌属、假丁酸弧菌属以及丁酸梭菌的相对丰度增大；猪大肠中SRB的分布以脱硫弧菌属为主，SRB的相对丰度从盲肠开始就显著少于对照组，延至直肠仍未达对照组水平。饲喂0.15%的丁酸钠后，蛋鸡盲肠的拟杆菌属和柔嫩菌属相对丰度均显著提高，弯曲杆菌属和幽门螺旋杆菌属的相对丰度均显著降低（P< 0.05）。（5）代谢组学研究表明，在菊粉和丁酸钠的干预下，动物的代谢物质都发生了显著改变。饲喂1%的菊粉后，猪盲肠内容物中的蛋氨酸倾向于由L-同型半胱氨酸途径进入蛋白质合成代谢，减少了因从O-乙酰-L-高丝氨酸、α-酮丁酸、乙基-2-氨基丁烯酸酯三条降解代谢途径而来的CH3SH的产生；内容物中的半胱氨酸也倾向由5-L-谷氨酰-L-半胱氨酸途径进入谷胱甘肽代谢再而合成蛋白质，减少了因从L-氧化半胱氨酸、丙酮酸途径而来的H2S的产生。饲喂0.15%的丁酸钠后，蛋鸡盲肠腺苷一磷酸分解，黄嘌呤降解，甘氨酸分解，氨基甲酸乙酯分解和胞嘧啶分解5个产氨途径被抑制。同时L-谷氨酰胺和胞嘧啶氮素利用途径的总量增加。本研究阐明了基于丁酸钠和菊粉的动物体盲肠微生物调控机制，为畜禽场臭气减排提出新思路。