ŻYWIENIE

Piotr Nowak
Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu

Podejścia żywieniowe mające na celu redukcję amoniaku i związków
zapachowych z odchodów świń

Amoniak i związki zapachowe pochodzące z produkcji zwierzęcej negatywnie wpływają na środowisko oraz status zdrowotny zwierząt i pracowników chlewni. Odnotowano u nich wysoki poziom napięcia, depresji, gniewu i dezorientacji, a ponadto zaobserwowano objawy toksyczności i stanu zapalnego w drogach oddechowych zarówno u świń, jak i pracowników ferm.

Żeby rozwiązać te problemy, szeroko zbadano emisję amoniaku i związków zapachowych, w tym lotnych kwasów tłuszczowych i lotnych związków organicznych pochodzących z produkcji trzody chlewnej.

Amoniak powstaje w gnojowicy świńskiej poprzez hydrolizę mocznika pod wpływem ureazy. Emisja amoniaku prowadzi do tworzenia się drobnych cząstek stałych i eutrofizacji ekosystemów, przyczyniając się do globalnej zmiany klimatu. Związki zapachowe powstają w wyniku fermentacji mikrobiologicznej niestrawionych składników odżywczych i składników endogennych w gnojowicy świńskiej podczas jej przechowywania. Te związki zapachowe budzą poważne obawy dotyczące zanieczyszczenia powietrza i problemów zdrowotnych u świń i ludzi, takich jak choroby układu oddechowego. Produkcja amoniaku i związków zapachowych jest związana przede wszystkim ze składem paszy oraz reakcjami chemicznymi zachodzącymi w gnojowicy. W celu ograniczenia emisji amoniaku i związków zapachowych wprowadzono kilka podejść żywieniowych.

Jedno z nich polega na zmniejszeniu wydalania azotu przez świnie poprzez obniżenie jego zawartości w paszy lub poprawę wykorzystania białka poprzez suplementację dodatków paszowych. Drugie podejście polega na dodaniu środków zakwaszających do paszy lub obniżeniu równowagi elektrolitowej w diecie w celu wywołania kwaśnych warunków w oborniku świńskim. Trzecim rozwiązaniem są inhibitory ureazy, których świnie nie trawią, a mogą być stosowane w celu zmniejszenia produkcji amoniaku poprzez hamowanie aktywacji ureazy w oborniku. Potencjalne podejścia do redukcji związków zapachowych obejmują redukcję wydalanych składników odżywczych poprzez obniżenie ich stężenia w paszy, takich jak białko surowe, oraz uzupełnianie diety świń dodatkami paszowymi, które hamują wzrost bakterii lub wspomagają degradację składników odżywczych w jelitach świń.

W chowie świń związki zapachowe zazwyczaj pochodzą z odchodów i moczu. Odchody świńskie zawierają niestrawione składniki odżywcze, w tym składniki endogenne, enzymy trawienne i mikrobiotę jelitową. Odchody i mocz mieszają się, tworząc gnojowicę, która jest przechowywana w zbiorniku lub lagunie. Zazwyczaj jest przechowywana w warunkach beztlenowych z wysoką zawartością wilgoci, co zapewnia odpowiednie środowisko do aktywacji mikrobiologicznej. W konsekwencji, w wyniku mikrobiologicznej fermentacji białka i węglowodanów, powstają amoniak i związki zapachowe.

Amoniak zwykle powstaje w rezultacie mineralizacji organicznych związków azotu w oborniku świńskim przez bakterie, co dostarcza im energii do wzrostu. Azot pobierany wraz z paszą nie jest w pełni wykorzystywany w organizmie świń. Niewchłonięty i niewykorzystany jest wydalany z kałem i moczem. W kale świńskim niewchłonięty azot z jelit jest wydalany w postaci białek. Do rozbicia kałowych związków azotu do kationów amonowych ze względu na ich niską podatność na szybki rozkład niezbędna jest fermentacja mikrobiologiczna. Niewykorzystane aminokwasy ulegają degradacji i zostają przekształcone w wątrobie w mocznik, który następnie jest wydalany przez nerki. W przeciwieństwie do związków azotu w kale, mocznik wydalany z moczem jest łatwo hydrolizowany do kationów amonowych i wodorowęglanów, głównie ze względu na swoją prostą strukturę i szybki rozkład przez ureazę. Ureaza występuje szczególnie obficie w kale świń, ponieważ grupy drobnoustrojów kałowych, w tym Streptococcus salivarius, Actinomyces naeslundii i Lactobacillus reuter, produkują ten enzym, co prowadzi do przyspieszenia ureolizy w odchodach świń. Po ureolizie kation amonowy dysocjuje do amoniaku, który następnie ulatnia się do powietrza. Amoniak emitowany do powietrza może powodować choroby układu oddechowego u zwierząt. Ponadto może się on wiązać się z drobnym pyłem wytwarzanym wewnątrz chlewni, co może prowadzić do upośledzenia funkcji układu oddechowego. Dlatego długotrwałe narażenie na wysokie stężenie amoniaku w powietrzu w budynkach inwentarskich może niekorzystnie wpływać na produktywność zwierząt oraz na zdrowie pracowników chlewni. Z tego względu kładzie się nacisk na regulację produkcji amoniaku.

Związki zapachowe są produktami końcowymi fermentujących węglowodanów i niestrawionych aminokwasów w jelicie grubym. Głównymi składnikami związków zapachowych są lotne kwasy tłuszczowe, indol, fenol i lotne związki zawierające siarkę. Lotne kwasy tłuszczowe powstają w wyniku fermentacji węglowodanów i aminokwasów rozgałęzionych w jelicie grubym. Zalicza się do nich kwasy octowy, propionowy i masłowy, które powstają podczas fermentacji węglowodanów, oraz kwasy izomasłowy, walerianowy i izowalerianowy, które powstają w wyniku deaminacji aminokwasów rozgałęzionych w jelicie grubym. Do bakterii zaangażowanych w ich produkcję należą Eubacterium, Peptostreptococcus, Bacteroides, Streptococcus, Escherichia, Megasphaera, Propionibacterium, Lactobacilli i Clostridium. Związki fenolowe, w tym fenol i p-krezol, powstają w wyniku mikrobiologicznego rozkładu tyrozyny i fenyloalaniny w jelicie. Tryptofan jest rozkładany do indolu lub indolo-3-octanu, który następnie jest przekształcany w skatol przez różne grupy bakterii. Rodzaje bakterii biorące udział w produkcji związków indolowych i fenolowych obejmują Propionibacterium, Escherichia, Eubacterium i Clostridium. Lotne związki zawierające siarkę obejmują metylo- i etylomerkaptany, które pochodzą ze związków zawierających siarkę, takich jak aminokwasy siarkowe, lub powstają w procesie eliminacji siarczanów w komórce. Megasphaera to rodzaj bakterii biorących udział w produkcji lotnych związków zawierających siarkę oraz specyficznych związków zapachowych i ich prekursorów.

Skład i ilość związków zapachowych w oborniku świńskim różnią się w zależności od składników odżywczych w paszy oraz rodzajów bakterii zasiedlających organizm świń. Dlatego występowanie związków zapachowych może być regulowane przez skład paszy i warunki przechowywania obornika świńskiego, takie jak temperatura i pH, które mogą wpływać na populacje bakterii. Jednakże ze względu na trudności w pomiarach i wymaganie specjalistycznego sprzętu badania nad metodami żywieniowymi redukującymi związki zapachowe w oborniku świńskim są nieliczne.

Emisję amoniaku można zmniejszyć poprzez obniżenie stężenia białka w diecie lub poprawę jego wykorzystania w celu zmniejszenia wydalania azotu. To naturalne, że zmniejszenie spożycia białka poprzez wykluczenie składników białkowych, takich jak śruta sojowa, z diety świń prowadzi do zmniejszenia wydalania azotu. Jednak zmniejszenie udziału składników białkowych powoduje również niedobór aminokwasów niezbędnych dla wzrostu świń. Dlatego, aby zaspokoić zapotrzebowanie świń na aminokwasy, wymagana jest suplementacja diet niskobiałkowych aminokwasami krystalicznymi. W odchodach świń azot występuje w postaci niestrawionych białek i innych związków azotu, które są w konsekwencji rozkładane do jonów amonowych w procesie fermentacji mikrobiologicznej. W związku z tym poprawa strawności białka może zmniejszyć wydalanie azotu z kałem u świń. Suplementacja diety świń proteazami zwiększa trawienie białka i wchłanianie azotu, a w konsekwencji zmniejsza emisję amoniaku.

Występowanie związków zapachowych można ograniczyć poprzez zmniejszenie zawartości azotu w diecie, ponieważ powstają one głównie w wyniku fermentacji mikrobiologicznej niestrawionych składników odżywczych w oborniku świńskim. Obniżenie stężenia białka surowego w diecie spowodowało zmniejszenie stężenia związków zapachowych w gnojowicy świńskiej. Ponadto dowiedziono, że świnie karmione dietami o obniżonej zawartości białka surowego z 19,0 do 14,0% wykazywały liniowy spadek emisji siarkowodoru z obornika świńskiego. Badania te wskazują, że stężenie związków zapachowych można zmniejszyć poprzez modyfikację udziału składników odżywczych w paszy dla świń. Emisja amoniaku i związków zapachowych z produkcji trzody chlewnej zależy głównie od wydalania azotu przez świnie. Zmniejszenie stężenia azotu w paszy najwyraźniej zmniejsza jego wydalanie przez świnie poprzez zmniejszenie jego spożycia. W celu zmniejszenia emisji amoniaku i związków zapachowych przez świnie pod uwagę brane mogą być również enzymy degradujące białka.

Zarówno aktywacja ureazy, jak i dysocjacja kationów amonowych są hamowane przez kwaśne środowisko obornika świńskiego. Dlatego też suplementacja do paszy zakwaszaczy może regulować ulatnianie się amoniaku z moczu. Jeśli chodzi o metody żywieniowe indukujące kwaśne warunki moczu, opisano wpływ kilku środków zakwaszających na pH moczu. Kwas benzoesowy jest szybko wchłaniany i łączony z glicyną w wątrobie. W konsekwencji jest on przekształcany w kwas hipurowy, obniżając pH moczu, a następnie wydalany z moczem. Dowiedziono, że dodanie 1% kwasu benzoesowego do diety świń obniżyło pH moczu z 7,01 do 4,99. Świnie karmione dietą wzbogaconą w ten kwas wykazywały zwiększoną strawność azotu i zmniejszone wydalanie azotu z kałem, co może być przypisane jego funkcji w obniżaniu pH w układzie pokarmowym świń. Kwas adypinowy to kwas dikarboksylowy o łańcuchu 6-węglowym. W przypadku nadmiernego stężenia we krwi świń kwas adypinowy jest wydalany z moczem, co powoduje kwaśne pH moczu. Odnotowano 25% spadek emisji amoniaku po dodaniu 1% kwasu adypinowego do paszy, co spowodowało obniżenie pH moczu z 7,7 do 5,5.

Obniżenie równowagi elektrolitowej w diecie może być również stosowane w celu obniżenia pH moczu. Równowaga elektrolitowa w diecie oznacza stosunek kationów do anionów i określa stan kwasowo-zasadowy świń. U świń karmionych dietą niskoelektrolitową, wydalanie wodoru z moczem wzrasta, co prowadzi do obniżenia pH moczu. Aby obniżyć równowagę elektrolitową w diecie, sugerowano stosowanie siarczanu wapnia i chlorku wapnia, które często uważane są za czynniki zakwaszające, indukujące wydalanie kwasu z moczem, aby obniżyć pH moczu u świń. Dowiedziono, że dodanie 2,2% chlorku wapnia i 2,4% siarczanu wapnia do paszy dla rosnących świń w celu zastąpienia węglanu wapnia obniżyło pH moczu z 6,81 do 5,17 i 5,36, co skutkowało odpowiednio 33,0% i 30,0% redukcją emisji amoniaku.

Suplementacja kwasu benzoesowego może również redukować związki zapachowe w oborniku świńskim ze względu na jego pozytywny wpływ na populacje mikroorganizmów jelitowych. Doniesiono, że dodanie 0,5% kwasu do paszy zmniejszyło stężenie związków zapachowych w treści jelita ślepego. Wiadomo, że kwas benzoesowy wywiera stres oksydacyjny na bakterie produkujące związki zapachowe w jelitach świń. Podobnie doniesiono, że kwasy organiczne w diecie również redukują związki zapachowe w oborniku świńskim poprzez hamowanie wzrostu bakterii z powodu obniżonego pH jelit. Zaobserwowano, że stężenie siarkowodoru w oborniku zmniejszyło się o 20,3%, gdy świnie były karmione paszą uzupełnioną mieszanką kwasów organicznych zawierającą kwas fumarowy, kwas cytrynowy, kwas jabłkowy i średniołańcuchowe kwasy tłuszczowe. Ogólnie rzecz biorąc, kwasowość treści jelitowej i obornika jest jednym z kluczowych czynników wpływających na emisję związków zapachowych i amoniaku.

Ureaza jest kluczowym enzymem biorącym udział w hydrolizie mocznika. Po rozkładzie mocznika do jonów amonowych, w wyniku dysocjacji jonów amonowych, powstaje i uwalnia się gaz amoniakalny. W badaniach wykazano, że hamowanie aktywności ureazy ogranicza hydrolizę mocznika, co zmniejsza straty azotu w glebie i może stanowić obiecującą metodę redukcji emisji amoniaku. Do materiałów używanych do dezaktywacji ureazy należą triamid kwasu N-(n-butylo)tiofosforowego, kwas borowy, substancje humusowe oraz minerały śladowe. Z drugiej strony, sugerowano, że dodatki paszowe w diecie świń, w tym ekstrakt z Yucca schidigera i substancje humusowe, mogą inaktywować ureazę w moczu świń, zmniejszając w ten sposób emisję amoniaku. Wykazano, że dodanie do paszy dla świń ekstraktu z Yucca schidigera, naturalnego produktu roślinnego, zmniejsza poprzez hamowanie aktywności ureazy emisję amoniaku z obornika świńskiego. Odnotowano 36% redukcję emisji amoniaku u świń karmionych paszą zawierającą 150 mg/kg ekstraktu z Yucca schidigera.

Substancje humusowe to kompleksy organiczne wytwarzane w glebie i składające się z kwasu huminowego i fulwowego. Substancje humusowe mają ładunek ujemny i dlatego wychwytują wiele jonów pierwiastków śladowych, które mogą wpływać na aktywność ureazy. W związku z tym, że świnie mają ograniczoną zdolność do całkowitego trawienia i wchłaniania substancji humusowych, mogą one być wydalane z odchodami i przyczyniać się do zmniejszenia aktywności ureazy w odchodach świńskich. W badaniu nad emisją amoniaku u świń karmionych paszą uzupełnioną o 0,5% substancji humusowych wykazano tendencję spadkową o 18,1% w porównaniu z grupą kontrolną. Substancje humusowe są wykorzystywane przez mikroorganizmy jako terminalne akceptory elektronów w warunkach beztlenowych, co prowadzi do dalszego rozkładu substratów w oborniku świńskim.

Amoniak i związki zapachowe powstają w fermach trzody chlewnej w wyniku fermentacji niestrawionych i niewchłoniętych składników odżywczych obecnych w oborniku świńskim przez aktywność mikrobiologiczną, co może być szkodliwe dla środowiska i zdrowia publicznego. Uwalnianie się amoniaku można ograniczyć poprzez zmniejszenie wydalania azotu przez świnie, zakwaszenie obornika lub uzupełnienie diety świń inhibitorami ureazy. Podobnie, produkcję związków zapachowych można potencjalnie zmniejszyć poprzez modyfikację składników odżywczych w diecie, zapewnienie końcowych akceptorów elektronów lub zmniejszenie populacji mikroorganizmów. Konieczne są jednak dalsze badania w celu opracowania metod redukcji występowania związków zapachowych.