生物质炭在畜禽生产中的应用

动物营养学报2014,26(5):1145-1150Chinese journal of Animal Nutritiondoi:10.3969/ ). Issn.1006267X,2014.05003生物质炭在畜禽生产中的应用韩杰孟军(1.沈阳农业大学畜牧兽医学院,沈阳10161;2沈阳农业大学辽宁省生物炭工程技术研究中心,沈阳110161)摘要:生物质炭是农林业废弃的生物质在缺氧条件下热解形成的富碳产物。近年来,随着全球对生物质炭科学研究的加强,生物质炭在畜禽生产中改善动物肠道健康、促进生长性能、提高饲粮利用效率、减少粪尿污染环境等作用正在引起有关方面的广泛关注。本文综述了国内外学者在畜禽生产中应用生物质炭的最新研究成果。关键词:生物质炭;农业废弃物;畜禽;生长中图分类号:S816文献标识码:A文章编号:1006-267X(2014)05-1450用农林废弃物生产的生物质炭具有微孔结构产生的作物和森林残茬木材加工废料、畜禽粪便丰富、比表面积大、高、吸附力和抗分解能力强等,工业和城镇生活产生的有机固体废弃物、工业等独特的结构和理化性质。生物质炭的概念在20废水和生活污泥等也可作为原料来源。科学研世纪末被提出后,将其应用于土壤改良和环境治究和生产实践中一般以原料名称命名生物质炭理等领域的研究迅速升温。特别是近年来,生物如秸秆炭、玉米芯炭、稻秆炭、竹炭、木炭等。质炭潜在的应用价值和应用空间被进一步拓展,1.2理化特性国内外学者发现在畜禽饲粮、垫料或堆肥粪便中生物质炭主要由芳香烃和单质碳或具有类石直接添加生物质炭能起到改善动物肠道健康、促墨结构的碳组成,般含有60%以上碳元素,还含进畜禽生长、提高养分利用效率、降低饲粮毒性、有氢、氧、氮、磷、钾、钙、钠、镁等元素。其元素组调控反刍动物瘤胃微生物发酵减少畜禽粪便污成与制炭过程中的炭化温度密切相关,具体表染环境等有益作用。此作用已经引起政府2、科现为在一定范围内炭化温度越高,碳、磷含量越研组织3及企业等广泛关注。本文综述了国内高,氧氢含量越少。生物质炭的矿物元素通常以外学者在畜禽生产中应用生物质炭的最新研究成氧化物或碳酸盐形式存在,水溶液呈碱性(pH>果,对当前生物质炭的应用现状提出建议,旨在为7),且碱性随热解温度升高而增强"。生物质炭生物质炭更好地服务于畜禽养殖业提供参考的可溶性极低,熔沸点极高,具有高度羧酸酯化资料。芳香化结构和脂肪族链状结构”,使生物质炭表现出一定的亲、疏水特性和很高的生物化学和热生物质炭的概念及理化特性稳定性,还使其具备了极强的吸附能力和抗氧1.1概念化能力。此外,生物质炭化后能保持其原有的生物质炭( biochar)也称生物炭、生物焦炭,是良好孔隙结构,使其具有较大的孔隙度和比表生物质在无氧或近无氧状态下高温(<700℃)热面积解炭化产生的一类稳定的富碳物质,大多为粉13与活性炭黑炭的关系状颗粒。制备生物质炭的原料主要为农业活动中中国煤化工黑炭同属于生物质CNMHG收稿日期:2013-11-29基金项目:农业部公益性行业(农业)科研专项(201303095);辽宁省高校重大科技平台建设计划项目作者简介:韩杰(1978—),女,辽宁抚顺人博士研究生,从事生物炭畜禽生产研究E—mail: hanjiell30@163com通讯作者:孟军,教授,博士生导师, E-mail: mengjun1217@163,com1146动物营养学报26卷高温热解产物,具有相似的理化和生物学特性。等2发现饲粮添加1%木炭与木醋液混合物使来活性炭是生物质炭或黑炭在化学制剂激活下产生航鸡十二指肠、空肠、回肠绒毛顶端上皮细胞轮廓的,其比表面积(超过1000m/g)远大于生物质清晰度显著提高,细胞突起明显,其效果比单独添炭(30m3/g),售价为生物质炭的5~10加%木炭或0.1%木醋液对来航鸡肠功能的激活倍。黑炭涵盖了生物质略微炭化到燃烧后黑烟作用明显。 Ruttanavut等研究表明,1%竹炭与颗粒的炭化物质,生物质炭和活性炭均属于广义竹醋液混合物能显著提高日本合鸭肠绒毛高度概念上黑炭的一种类型。但它们在应用范畴上面积、上皮细胞面积,促进上皮细胞有丝分裂,使不尽相同。生物质炭更多被定位于农业土壤、环肠绒毛顶端出现了很多隆起的细胞,提示竹炭与境生态等领域,强调保护环境和固碳减排。而黑竹醋液混合物能改善鸭的肠道功能。炭侧重强调随地质年代变迁逐渐形成的自然产2.1.3降低饲粮毒素毒性物,主要用于工业和能源领域。国外很多试验表明,生物质炭能吸附饲粮中的黄曲霉毒素(AF),降低饲粮毒素对机体的损2生物质炭在畜禽生产中的应用伤美国塔斯克基大学研究发现,饲粮添加0.1%21在家禽生产中的应用活性炭能抑制黄曲霉毒素Bl(AFB1)引起的肉仔目前,生物质炭影响家禽生产的研究在国内鸡ADG、ADF以及肝脏微粒体细胞色素含量的下还鲜见报道,国外研究主要表明生物质炭可在饲降,还能阻止AFB引起的肉仔鸡肝脏损伤。粮、垫料或粪便中添加,其能提高家禽生长性能、 Edrington等“发现活性炭能缓解AF引起的肉仔改善饲粮利用效率和肠道健康、促进养殖环境的鸡ADG、血液尿素氮(UN)和无机磷含量的下降改善等。红细胞容积率和肝脏重量的上升Kana等25研2.1提高生长性能究表明,饲粮添加玉米芯炭或橄榄种子炭(0.2%、国外很多研究表明饲粮添加生物质炭或其0.4%和06%)均能改善由AFB1(22.02pg/kg)引与木醋的混合物对提高肉鸡、蛋鸡和鸭的平均日起的肉仔鸡ADF和肠比重下降。这提示生物质增重(ADG)作用较大,而对平均日采食量(ADF)炭在缓解AF对肉仔鸡毒性效应上起一定作用影响趋于不显著。 Gerlach等推荐家禽饲粮中21.4减少粪尿污染环境生物质炭使用量以0.2%~0.6%为宜,产蛋家禽应家禽粪便在堆肥过程中,粪便中的氮会以氨每饲喂10~15d暂停2~3d。如果在家禽饲粮和气(NH)形式挥发污染环境,同时还造成粪便中垫料中同时使用生物质炭时,应酌情减少垫料中氮、磷等损失。 Steiner等将家禽粪便同20%松的用量。Kana等研究发现,0.2%、0.4%和0.6%针炭混合堆肥42d,NH排放减少了4%,总氮损的玉米芯炭或橄榄种子炭均能提高肉鸡末重失减少52%,这提示生物质炭可以作为理想的富(FW),0.2%添加量的2种炭均使肉鸡取得了最佳氮原料的堆肥剂。 Doydora等研究表明,酸化的生长性能,添加量高于0.6%时对肉鸡FW和的松针炭或花生壳炭能使施入土壤后的家禽粪便ADG有负面影响。 Samanya等在白来航鸡饲中氮损失减少56%~60%。在肉仔鸡垫料中添加粮中添加1%或3%的木炭与木醋液混合物(4:1)竹炭能有效降低垫料中NH2浓度、球虫卵数、水分取得了较高的ADG,但ADF和饲粮利用效率不和酸度值,从而改善家禽舍内环境2。受影响。 Ruttanavut等发现饲粮添加1%的竹2.1.5改善胴体品质炭与竹醋液混合物能显著提高日本合鸭的ADG。Kana等试验指出,玉米芯炭或橄榄种子炭2.1.2改善肠道健康对※,旰脏重腹脂率、肠长度和重量国外学者发现生物质炭对改善蛋鸡、鸭和肉无中国煤化工炭能显著降低肉仔鸡鸡的肠绒毛高度、肠绒毛细胞形态、面积等作用显肌CNMH客降低肉仔鸡肠比重。著。 Watarai等叫研究发现,饲粮添加活性炭能有Hsu2研究观察到饲粮添加0.2%竹炭能显著提高效减少肠炎沙门氏菌(S, enteritidis)的数量并降低肉仔鸡胸肌蛋白质和腿肌粗灰分含量。这提示生其对肠道的危害。Hsu2观察到饲粮添加0.2%竹物质炭可用于改善肉仔鸡的某些胴体品质。炭能提高肉仔鸡空肠和回肠绒毛高度。 Samanya5期韩杰等:生物质炭在畜禽生产中的应用114722在家畜养殖中的应用用。泰国梅州大学研究表明,添加木炭与木醋液欧洲90%的生物质炭都应用于家畜养殖中,混合物能缓解仔猪饲粮中生木豆种子粉对仔猪肠养殖户普遍认为在使用生物质炭1~4周内即可看道功能的有害影响,从而使仔猪恢复正常的生长到明显效果,包括减少家畜腹泻率和死亡率增进状态家畜健康和活力,改善产奶家畜乳房状况和乳品2.2.4调控瘤胃微生物发酵质量,极大减少家畜蹄部疾病的发生2。而国内体内外试验均表明,生物质炭能有效减少反的研究主要将生物质炭用于减少家畜堆肥粪便对刍动物瘤胃微生物有害气体的产生量。台湾国立环境的污染宜兰大学2011年研究发现,饲喂竹炭对安装瘘管2.2.1提高生长性能的羊瘤胃液pH和NH3产生量无显著影响,但可提国外研究发现生物质炭在反刍动物生产中的升瘤胃乙酸、丙酸、丁酸百分比,降低瘤胃表面张应用效果与其饲粮中非蛋白氮(NPN)种类有关。力3。Leng等“研究表明,在体外培养的瘤胃液仔猪饲粮中应用适宜剂量的生物质炭可以取得与中添加1%生物质炭使甲烷(CH4)气体通量减少抗生素相似的效果。12.0%;如NPN为硝酸钾和尿素各50%时,1%生Van等发现在含豆科植物的饲粮中添加物质炭能使瘤胃CH4气体通量减少40.5%而0.5g/kgBW竹炭不影响山羊的ADF,但使 ADG N PN全部为硝酸钾时,瘤胃液CH气体通量可减显著提高20.45%。Leng等发现NPN为尿素少49.0%。(干物质的1.83%)时,添加生物质炭使黄牛ADG2.2.5减少粪便对环境的污染增加25%,而NPN为硝酸钾(干物质的6.00%)时生物质炭降低家畜粪便有害气体排放的作用有降低黄牛ADG的趋势。 Mekbungwan等{研已经被国内外很多试验所证实。黄向东研究发究表明,饲粮添加3%木炭与木醋液混合物:1)现在堆肥猪粪中添加3%、6%、9%竹炭及3%竹使仔猪的饲粮利用效率最佳。饲粮中添加0.3%或炭+0.2%竹醋液、3%竹炭+0.4%竹醋液和3%竹0.6%竹炭显著提髙了育肥猪的ADG和饲粮利用炭+0.6%竹醋液可使堆肥过程氮损失分别减少效率》。育肥猪饲粮中添加0.3%竹炭与添加28%61%、65%、66%、74%和50%,这提示氮损失0.3吭杭生素取得的ADG和饲粮利用效率相当,这随竹炭添加量提高而减少,且添加适当比例的竹提示竹炭可以作为抗生素的替代物促进动物生炭和竹醋液对氮损失具有协同控制效果。李丽长2。蒋竹英等3研究发现,饲粮添加2%竹炭劼发现堆肥猪粪中添加3%竹炭可使NH3产生对仔猪ADG、ADF和饲粮利用效率影响不显著,量减少6.1%,氮损失率降低10%;一氧化二氮这提示2%竹炭可能对仔猪有毒害作用。(N2O)总排放量降低25.9%,有助于控制堆肥过2.22提高饲粮养分利用率程的温室气体排放。Chu等在育肥猪饲粮中添van等发现在山羊饲粮中添加竹炭(0、加06%竹炭能显著降低粪便中大肠杆菌、沙门氏0.5、1.0、1.5g/kgBW)对豆科灌木植物干物质摄菌数量,以及NH3、CH4和硫化氢(H2S)等排放。入量,中性、酸性洗涤纤维的消化率无显著影响,饲粮添加0.3%竹炭能降低育肥猪粪便中大肠型细但能显著提高有机物和粗蛋白质消化率;添加0.5菌和沙门氏菌数量,其增加粪便厌氧菌和乳酸菌和1g/kgBW的竹炭较对照组和1.5g/kgBW组的效果同添加0.3%抗生素效果相当。有较高的氮保留率。Leng等发现以尿素作为NN时,饲粮添加生物质炭能促进饲粮干物质的3小结利用率个业大同生物质炭的原料来源2.2.3保持正常肠道组织形态中国煤化工生产工艺相对简单生物质炭对仔猪的肠绒毛细胞形态、面积也容易CNMH助于我国庞大的农业有积极的影响。 Mekbungwan等试验表明,饲废弃资源的有效利用。因此,在强调环境和经济喂3%木炭与木醋液混合物(4:1)使仔猪十二指可持续发展的背景下,生物质炭以其在畜禽养殖肠绒毛顶端细胞增大,轮廓清晰,向肠腔内隆起,中发挥的有益作用必将成为一种重要的饲料添加提示3%木炭与木醋液混合物对肠功能有激活作剂资源和一项畜禽粪便资源化处理技术。未来在动物营养学报26卷畜禽生产中应用生物质炭还应加强以下几个方面223-228的研究:1)由于生物质炭在养殖生产中的作用与9] ALEXIS M A, RASSE D P, RUMPEL C, et al. fire其理化特性密不可分,因此应加强不同生物质原impact on C and n losses and charcoal production in a料和生产工艺对生物质炭理化特性的影响研究scrub oak ecosystem[J]. Biogeochemistry, 2007, 82逐渐建立原料、工艺条件与理化特性的关系模型。(2):201-2162)不同原料生产的生物质炭在不同种类畜禽生产[10」 BELL M J, Worrall F Charcoal addition to soilsin NE England a carbon sink with environmental co-中的应用效果差别较大,应探讨不同原料生物质efits?[J. Science of the Total Environment炭在畜禽饲粮、垫料和粪便中的有效添加量,并就2011,409(9):1704-1714畜禽种类及应用途径对生物质炭原料配方和应用[11 CORNELISSEN G, KUKULSKA Z, KALAITZIDIS技术给出合理化建议。3)加强生物质炭与其制备S, et al. Relations between environmental black carbon过程的副产物木醋的联合应用效果研究。4)加强chemical sorbent characteristi生物质炭在畜禽生产中的作用机制研究,为生物EI Science and Technology, 2004, 38质炭在畜禽生产中的应用提供理论支持。5)生物(13):3632-3640质炭在畜禽养殖中应用的安全性研究尚属空白领12 GERLACH A, SCHMIDT H P. The use of biochar in域,应加强其潜在风险性的硏究和探讨cattle farming[ J/OL]. Journal for Terrior-Wine andiodiversity, 2013-08-161journal. net/ pflanzenkohle-in-der -rinderhaltung? lang参考文献-en1]陈温福,张伟明,孟军.农用生物炭研究进展与前景[13 GOLDBERG E D Black carbon in the environment[J].中国农业科学,2013,46(16):324-333properties and distribution[ M]. 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Liaoning Biochar Engineering and Technology Research Center, Shenyang Agricultural UniversityShenyang 110161, ChinaAbstract: Biochar is a kind of carbon-rich substance which is produced by using waste biomass of agro forestas a primary material pyrolyzed under the condition of hypoxia. Recently, extensive concerns have been givenon the functions of improving the health of intestinal tract, promoting growth performance, improving efficacyof diet utilization, reducing pollution of feces in livestock production with the global strengthening research onbiochar. This paper reviewed the latest research findings on the application in livestock production. [ChineseJournal of Animal Nutrition, 2014, 26(5): 1145-1150Key words biochar; agricultural and forestry residues; livestock; growth中国煤化工CNMHGCorresponding author, prE-mail:mengjun1217(@163.com(编辑陈鑫)