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奶牛养殖场排放的氨(NH3)和硫化氢(H2S)气体对空气环境、人类健康和动物生产水平产生广泛的负面影响。尤其是经呼吸道吸入体内后，会对人类和动物的呼吸系统和神经系统造成严重损伤。关于养殖场有害气体的减排，国内外学者已经在营养调控和饲养管理方面开展了大量的研究工作，由于有害气体的排放受到多种因素的影响，各种措施的减排效果也各不相同。目前，已有学者采用基因选择和品种选育的方法减少甲烷(CH4)气体排放量和提高饲料营养成分利用率，以期获得更为长久和稳定的减排效果。然而，关于NH3和H2S的减排育种工作由于缺乏基础性研究而尚未开展。针对这一现状，本研究通过现场监测NH3和H2S排放数据，开展奶牛场NH3和H2S浓度特征、排放速率和安全距离测算的研究，并在此基础上通过模式动物生理性吸入，进一步研究NH3对动物呼吸系统和神经系统在形态学、毒理学和分子生物学方面产生的影响，希望通过本研究能够为通过营养和遗传育种方式减少NH3和H2S排放工作的顺利开展提供基础数据。本研究主要开展以下三个试验：
试验一：探讨自然通风奶牛舍NH3和H2S排放特征和影响因素。2017年7月4日至2018年2月11日，在河南省3个典型奶牛场11个牛舍内外开展NH3和H2S浓度和排放速率研究。NH3浓度的测定采用纳氏试剂分光光度法，H2S浓度测定采用亚甲基蓝分光光度法，排放速率估算采用CO2平衡法和热压风压法，安全防护距离测算采用Screen3Model。结果显示，开放式牛舍内全年NH3平均浓度为2.32mg?m-3，局部最高浓度16.36mg?m-3；H2S平均浓度为0.130mg?m-3，局部最高浓度2.273mg?m-3；近地面处浓度大于1.5m高度处浓度；奶牛场不同区域气体浓度存在较大差异。NH3和H2S的浓度与饲料中N、S含量，以及室内温度之间存在显著相关性。全年NH3平均排放速率为29.33gNH3AU-1?d-1，H2S平均排放速率为0.254gH2SAU-1?d-1。经测算，3个奶牛场的NH3和H2S的综合防护距离均为400m，其中，NH3平均浓度远远高于H2S平均浓度，NH3的大气环境防护距离和安全防护距离均大于H2S。
试验二：呼吸系统是气态毒性物吸收和作用的主要靶器官，选取NH3开展毒理学试验，探讨长期慢性吸入NH3对动物呼吸系统造成的影响。试验选取4周龄SPF级ICR幼鼠90只(雌、雄各45只)，随机分成3组，每组30只，吸入NH3浓度分别为0mg?m-3，20mg?m-3和200mg?m-3。试验期间，每天染毒4h，染毒期间禁食禁水。分别在试验的第1天，第7天，第14天和第28天，染毒停止后1h，每组随机抓取5~7只小鼠进行解剖采样。试验结果显示，NH3吸入导致小鼠黏膜上皮纤毛脱落，杯状细胞增生，黏蛋白分泌量增加4~6倍，黏膜上皮和肺上皮细胞紧密连接破坏，出现肺部纤维化症状，IFN-γ含量显著降低(P＜0.05)，TNF-α等炎性因子含量异常升高。NH3吸入同时造成鼻腔嗅上皮神经元细胞凋亡，嗅上皮厚度降低。
试验三：通过对NH3处理小鼠的嗅球、梨状皮层和海马的进一步病理分析和分子生物学分析，以及对小鼠神经行为学的观察记录，探讨NH3对小鼠嗅觉神经系统的损伤。对神经元标记物NeuN、神经突触标记物PSD95和SYP、星形胶质细胞标记物GFAP和小胶质细胞标记物IBA-1等在脑组织中的表达进行定位和定量分析，并通过开展觅食试验、旷场试验、高架十字迷宫试验和强迫游泳试验进一步探讨NH3生理性吸入对小鼠神经行为的影响。结果表明，NH3处理造成小鼠神经元损伤和神经突触缺失，在试验进行14天NH3处理组开始表现出与对照组的明显差异，嗅球、梨状皮层和海马组织中神经元细胞数量显著下降(P＜0.01)，炎症因子含量上升，星形胶质细胞被大量激活(P＜0.01)，小胶质细胞等防御性细胞含量显著升高(P＜0.01)。神经行为学试验结果进一步证实了NH3刺激引发小鼠觅食能力下降，行为表现异常和情绪焦躁不安等神经中毒症状。
综上所述，在NH3吸入试验初期小鼠以呼吸系统损伤为主要表现，在试验14天以后出现嗅觉相关神经元数量减少和神经突触缺失现象，觅食能力下降，神经行为异常。本研究结果可以为养殖场有害气体减排、制定科学合理的粪污管理政策和制定人类健康安全防护阈值提供理论依据，同时，本研究能够为通过营养和遗传育种方式减少NH3和H2S排放工作的顺利开展提供基础数据。
试验一：探讨自然通风奶牛舍NH3和H2S排放特征和影响因素。2017年7月4日至2018年2月11日，在河南省3个典型奶牛场11个牛舍内外开展NH3和H2S浓度和排放速率研究。NH3浓度的测定采用纳氏试剂分光光度法，H2S浓度测定采用亚甲基蓝分光光度法，排放速率估算采用CO2平衡法和热压风压法，安全防护距离测算采用Screen3Model。结果显示，开放式牛舍内全年NH3平均浓度为2.32mg?m-3，局部最高浓度16.36mg?m-3；H2S平均浓度为0.130mg?m-3，局部最高浓度2.273mg?m-3；近地面处浓度大于1.5m高度处浓度；奶牛场不同区域气体浓度存在较大差异。NH3和H2S的浓度与饲料中N、S含量，以及室内温度之间存在显著相关性。全年NH3平均排放速率为29.33gNH3AU-1?d-1，H2S平均排放速率为0.254gH2SAU-1?d-1。经测算，3个奶牛场的NH3和H2S的综合防护距离均为400m，其中，NH3平均浓度远远高于H2S平均浓度，NH3的大气环境防护距离和安全防护距离均大于H2S。
试验二：呼吸系统是气态毒性物吸收和作用的主要靶器官，选取NH3开展毒理学试验，探讨长期慢性吸入NH3对动物呼吸系统造成的影响。试验选取4周龄SPF级ICR幼鼠90只(雌、雄各45只)，随机分成3组，每组30只，吸入NH3浓度分别为0mg?m-3，20mg?m-3和200mg?m-3。试验期间，每天染毒4h，染毒期间禁食禁水。分别在试验的第1天，第7天，第14天和第28天，染毒停止后1h，每组随机抓取5~7只小鼠进行解剖采样。试验结果显示，NH3吸入导致小鼠黏膜上皮纤毛脱落，杯状细胞增生，黏蛋白分泌量增加4~6倍，黏膜上皮和肺上皮细胞紧密连接破坏，出现肺部纤维化症状，IFN-γ含量显著降低(P＜0.05)，TNF-α等炎性因子含量异常升高。NH3吸入同时造成鼻腔嗅上皮神经元细胞凋亡，嗅上皮厚度降低。
试验三：通过对NH3处理小鼠的嗅球、梨状皮层和海马的进一步病理分析和分子生物学分析，以及对小鼠神经行为学的观察记录，探讨NH3对小鼠嗅觉神经系统的损伤。对神经元标记物NeuN、神经突触标记物PSD95和SYP、星形胶质细胞标记物GFAP和小胶质细胞标记物IBA-1等在脑组织中的表达进行定位和定量分析，并通过开展觅食试验、旷场试验、高架十字迷宫试验和强迫游泳试验进一步探讨NH3生理性吸入对小鼠神经行为的影响。结果表明，NH3处理造成小鼠神经元损伤和神经突触缺失，在试验进行14天NH3处理组开始表现出与对照组的明显差异，嗅球、梨状皮层和海马组织中神经元细胞数量显著下降(P＜0.01)，炎症因子含量上升，星形胶质细胞被大量激活(P＜0.01)，小胶质细胞等防御性细胞含量显著升高(P＜0.01)。神经行为学试验结果进一步证实了NH3刺激引发小鼠觅食能力下降，行为表现异常和情绪焦躁不安等神经中毒症状。
综上所述，在NH3吸入试验初期小鼠以呼吸系统损伤为主要表现，在试验14天以后出现嗅觉相关神经元数量减少和神经突触缺失现象，觅食能力下降，神经行为异常。本研究结果可以为养殖场有害气体减排、制定科学合理的粪污管理政策和制定人类健康安全防护阈值提供理论依据，同时，本研究能够为通过营养和遗传育种方式减少NH3和H2S排放工作的顺利开展提供基础数据。