畜禽養(yǎng)殖場廢棄物中重金屬銅和鋅的調(diào)控技術(shù)研究

龐繼達(dá)何莫斌俸祥仁,3*姜源明趙 武劉 偉

（1廣西玉林市動(dòng)物衛(wèi)生監(jiān)督所，廣西玉林 537000；2廣西壯族自治區(qū)百朋種畜場，廣西柳州 541502；

3廣西南寧強(qiáng)微農(nóng)牧科技有限公司，廣西南寧 530001；4廣西壯族自治區(qū)獸醫(yī)研究所，廣西南寧 530001)

畜禽養(yǎng)殖場廢棄物中重金屬銅和鋅的調(diào)控技術(shù)研究

龐繼達(dá)1何莫斌2俸祥仁2,3*姜源明4趙 武4劉 偉4

（1廣西玉林市動(dòng)物衛(wèi)生監(jiān)督所，廣西玉林 537000；2廣西壯族自治區(qū)百朋種畜場，廣西柳州 541502；

3廣西南寧強(qiáng)微農(nóng)牧科技有限公司，廣西南寧 530001；4廣西壯族自治區(qū)獸醫(yī)研究所，廣西南寧 530001)

對(duì)比研究物理化學(xué)法及微生物對(duì)畜禽養(yǎng)殖場廢棄物中重金屬銅和鋅富集轉(zhuǎn)化的影響，探討酸、超聲波、酸與超聲結(jié)合對(duì)畜禽糞便中金屬銅、鋅的去除效果；探討花生殼、谷殼、活性炭、花生殼和活性炭混合物、谷殼和活性炭混合物對(duì)銅、鋅的吸附、解吸附效果以及酵母菌對(duì)Cu、Zn的生物轉(zhuǎn)化效果。結(jié)果表明，酸和超聲波對(duì)豬糞中Cu、Zn的有一定去除效果，但其去除率較低；使用超聲和酸結(jié)合可以有效提升豬糞中Cu、Zn的去除率?；ㄉ鷼ず突钚蕴炕旌衔?、谷殼和活性炭混合物對(duì)溶液中Cu2+、Zn2+的吸附能力強(qiáng)于單一花生殼、谷殼；花生殼最易解吸，活性炭相對(duì)難解吸。酵母菌對(duì)銅、鋅的富集轉(zhuǎn)化與培養(yǎng)液中銅、鋅離子濃度梯度有關(guān)，當(dāng)培養(yǎng)液中銅、鋅離子濃度達(dá)到一定值時(shí)，嗜銅、嗜鋅酵母對(duì)銅、鋅的富集轉(zhuǎn)化率最高。

銅；鋅；酵母菌；富集轉(zhuǎn)化

研究利用化學(xué)法使養(yǎng)殖場糞污中大部分Cu、Zn轉(zhuǎn)化為離子形態(tài)溶出，經(jīng)干濕分離，固體部分堆肥處理，液體部分經(jīng)細(xì)管酸化，然后通過生物吸附和解吸作用提取回收糞污中Cu、Zn。收集經(jīng)過生物吸附和解吸后含有低量Cu、Zn的豬糞混合液體經(jīng)生物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥。再以嗜銅、嗜鋅酵母菌為載體，對(duì)提取的Cu、Zn進(jìn)行微生物轉(zhuǎn)化，獲得新型生物銅、生物鋅飼料添加劑。該技術(shù)和產(chǎn)品具有成本低、效率高、清潔環(huán)保等明顯優(yōu)勢(shì)。

1 材料與方法

1.1 菌種

產(chǎn)朊假絲酵母菌即Ⅵ菌株（俸祥仁等從養(yǎng)殖場周邊土壤中分離獲得）。

1.2 主要儀器和試劑

原子吸收分光光度計(jì)、722分光光度計(jì)、滅菌鍋、恒溫烤箱、離心機(jī)、酸度計(jì)、振蕩器、離心機(jī)、超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)。

ZnSO4·7H2O（分析純）、高氯酸液（分析純）、濃硝酸（分析純）、葡萄糖（分析純）、酵母浸膏（生化試劑）、硫酸鎂（分析純）、磷酸二氫鉀（分析純）、維生素B1、蛋白胨（生化試劑）、營養(yǎng)瓊脂（生化試劑）、0.1%氨水溶液、0.1%鹽酸溶液、蒸餾水。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 豬糞溶液制備

取新鮮豬糞，用恒溫烤箱烘干，檢測豬糞的含固率為307.4 g/kg；取適量烘干的豬糞進(jìn)行磨碎消解處理，用原子吸收分光光度計(jì)測得豬糞中重金屬銅、鋅含量分別為391.2 mg/kg、1 501.4 mg/kg，取蒸餾水與新鮮豬糞配制1∶10混懸液備用。

1.3.2 酸的選擇

測定上述1.3.1混懸液的pH值，分別取400 mL加到1 000 mL錐形瓶中，分三個(gè)組，分別移入搖床。每組振蕩20分鐘，分別添加1%混懸液量、濃度比為10%的鹽酸、硝酸和乙酸溶液，最后一次添加震蕩30分鐘后取樣離心，取上清液，用0.22 μm孔徑濾膜過濾，檢測各組濾液的pH值。

1.3.3 去酸除豬糞中Cu、Zn的影響因素

取上述1.3.1的混懸液400 mL加入錐形瓶中，分三個(gè)組，分別移入搖床，每振蕩1小時(shí)取樣10 mL，樣品離心取上清液，用0.22 μm孔徑濾膜過濾，檢測各組濾液銅、鋅的濃度。

1.3.4 超聲對(duì)豬糞中Cu、Zn的去除

⑴超聲頻率對(duì)豬糞中Cu、Zn去除的影響

取上述1.3.1混懸液分別加入到塑料瓶中，分三個(gè)組，每組兩個(gè)重復(fù)，各組樣品依次在超聲箱中以5、10、20、30、40 kHz的頻率超聲。將超聲處理完的樣品離心取上清液，用0.22 μm孔徑濾膜過濾，檢測濾液銅、鋅的濃度。

⑵超聲時(shí)間對(duì)豬糞中Cu、Zn去除的影響

取上述1.3.1混懸液分別加入到塑料瓶中，分三個(gè)組，每組兩個(gè)重復(fù)，將每組樣品移入超聲箱中，固定頻率為40 kHz，設(shè)定超聲作用時(shí)間分別為10、20、30、40、50、60、70、80、90分鐘。超聲結(jié)束后，離心取上清液，用0.22 μm孔徑濾膜過濾，檢測濾液銅、鋅的濃度。

1.3.5 超聲與酸相結(jié)合對(duì)豬糞溶液中Cu、Zn的去除

取上述1.3.1混懸液分別加入到塑料瓶中，分三個(gè)組，第一組中加入6.5%（V酸溶液/V樣品）的10%酸溶液進(jìn)行酸處理；第二組放在超聲箱中，在40 kHz條件下進(jìn)行90分鐘超聲處理；第三組先加入6.5%的10%酸溶液，移入超聲箱中，在40 kHz條件下進(jìn)行90分鐘超聲處理。然后將三組樣品搖床振蕩3小時(shí)后取上清液，用0.22 μm孔徑濾膜過濾，檢測濾液銅、鋅的濃度。

1.3.6 不同介質(zhì)對(duì)Cu、Zn的吸附—解吸

⑴Cu2+、Zn2+吸附試驗(yàn)

分別稱取花生殼、谷殼、活性炭、花生殼和活性炭（1∶1）混合物、谷殼和活性炭（1∶1）混合物各1.0 g，置于100 mL具塞離心管中，加入3 mL經(jīng)超聲與酸相結(jié)合處理豬糞溶液獲得的Cu、Zn溶液，在往返式振蕩機(jī)上（220轉(zhuǎn)/分鐘）恒溫（25±1）℃振蕩，每組取樣三次離心，取上清液測定Cu、Zn的濃度，計(jì)算花生殼、谷殼、活性炭、花生殼和活性炭（1∶1）混合物、谷殼和活性炭（1∶1）混合物對(duì)Cu、Zn的吸附量。

⑵Cu2+、Zn2+解吸試驗(yàn)

取上述Cu2+、Zn2+吸附試驗(yàn)中的吸附物置離心管中加入蒸餾水振蕩10分鐘，然后離心倒去上清液，反復(fù)操作3次；最后加入10 mL CaCl2溶液恒溫下連續(xù)振蕩720分鐘時(shí)取出離心，分別取上清液三次檢測溶液中Cu2+、Zn2+的濃度。

1.3.7 嗜銅、嗜鋅酵母菌對(duì)混合液中無機(jī)銅、鋅生物轉(zhuǎn)化試驗(yàn)

取上述Cu2+、Zn2+解吸試驗(yàn)中獲得的Cu2+、Zn2+溶液，調(diào)節(jié)出6個(gè)濃度梯度，分別為梯度⑴：Cu 0 μg/mL、Zn 0 μg/mL，梯度⑵：Cu 92.43 μg/mL、Zn 346.48 μg/mL，梯度⑶：Cu 184.86 μg/mL、Zn 692.97 μg/mL，梯度⑷：Cu 246.48 μg/mL、Zn 923.96 μg/mL，梯度⑸：Cu 369.72 μg/mL、Zn 1 385.94 μg/mL，梯度⑹：Cu 739.44 μg/mL、Zn 2 771.88 μg/mL，配制無菌培養(yǎng)基，然后接種嗜銅、嗜鋅酵母菌培養(yǎng)120小時(shí)后收集菌體，并測定菌體銅、鋅的富集量。

1.4 測定指標(biāo)

⑴金屬去除率根據(jù)去除重金屬前后豬糞中重金屬含量所折算的干物質(zhì)中含量差值，計(jì)算豬糞中重金屬的去除率。

⑵酵母菌對(duì)銅、鋅生物轉(zhuǎn)化率將收集菌體烘干后，準(zhǔn)確稱取0.2 g菌體，運(yùn)用原子吸收分光光度計(jì)測定方法進(jìn)行測定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2003進(jìn)行整理，再用DPS進(jìn)行方差分析，采用Duncan's法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 廣西重點(diǎn)養(yǎng)殖市規(guī)模養(yǎng)殖場飼料及畜禽糞便Cu和Zn含量狀況

豬、雞飼料和豬、雞糞便中Cu和Zn含量見表1。由表1可知，規(guī)模養(yǎng)殖場豬飼料和豬糞便中Cu、Zn的含量差異較大，在42.6 mg/kg～2 341.0 mg/kg之間；豬飼料Cu、Zn的平均含量分別為188.5 mg/kg和278.2mg/kg，豬糞便分別為650.0mg/kg和1619.4mg/kg。雞飼料和雞糞便中Cu、Zn的含量差異較大，在36.2mg/kg ～534.6 mg/kg之間；雞飼料Cu、Zn的平均含量分別為158.1和527.8 mg/kg，雞糞便分別為236.0 mg/kg 和1 826.4 mg/kg。豬、雞飼料和豬、雞糞便的Cu、Zn含量嚴(yán)重超標(biāo)[1-4]。

2.2 酸的選擇

酸的種類對(duì)豬糞pH值的影響見表2。由表2可見，在加入酸溶液后，豬糞溶液的pH值明顯減小，兩種無機(jī)酸之間的效果差別較小，10%硝酸降低pH的效果稍強(qiáng)于10%鹽酸，當(dāng)酸的添加量為0%、1%、2%時(shí)，三個(gè)試驗(yàn)組的pH值變化不大，各組間差異不顯著（≥0.05）；當(dāng)酸的添加量為3%、4%、5%、6%時(shí)，乙酸組的pH值明顯大于鹽酸組和硝酸組，差異顯著（ ＜0.05），當(dāng)10%鹽酸組和10%硝酸組添加量達(dá)到3%、6%時(shí)，pH值差異顯著（＜0.05）。試驗(yàn)表明，鹽酸、硝酸改變豬糞溶液pH值的能力強(qiáng)于有乙酸，所以在改變豬糞溶液的pH值時(shí)應(yīng)選擇鹽酸或者硝酸，從成本和來源容易情況建議選擇鹽酸。

2.3 無機(jī)酸對(duì)豬糞中Cu、Zn的去除

酸投加量對(duì)豬糞中Cu、Zn去除的影響見表3。如表3所示，當(dāng)10%鹽酸溶液以1%、2%、3%、4%、5%的添加量添加時(shí)，豬糞中Cu的去除率成倍增長，添加量達(dá)6%、7%時(shí)，豬糞中Cu的去除率有所減緩，但上升依然明顯；當(dāng)投加10%鹽酸溶液達(dá)到7.0%時(shí)，豬糞中Cu的去除率最大可以達(dá)到58.71%。當(dāng)10%鹽酸溶液以1%、2%、3%、4%、5%添加量添加時(shí)豬糞中Zn去除率明顯上升，添加量達(dá)6%、7%時(shí)，豬糞中Zn去除率明顯減緩，添加量7%時(shí)豬糞中Zn去除率達(dá)到81.85%。

2.4 超聲對(duì)豬糞中Cu、Zn的去除

不同超聲頻率對(duì)豬糞中Cu、Zn去除的影響見表4。從表4可見，在超聲處理時(shí)間固定（30分鐘）時(shí)，超聲頻率越高，豬糞中Cu、Zn的去除率越明顯，40 kHz超聲頻率作用下豬糞中Cu、Zn的去除率為69.01%、48.58%比5 kHz超聲頻率作用下豬糞中Cu、Zn去除率分別提高了571.30%、417.91%。

表1 豬、雞飼料和豬、雞糞便的Cu和Zn含量統(tǒng)計(jì) （mg/kg）g/kg

表2 酸的種類對(duì)豬糞pHH值的影響

表3 酸投加量對(duì)豬糞中Cu、Zn去除率的影響 （%）%

表4 不同超聲頻率對(duì)豬糞中Cu、Zn去除率的影響 （%）%

超聲時(shí)間對(duì)豬糞中Cu、Zn去除的影響見表5。從表5可見，在超聲頻率固定（40 kHz）時(shí)，超聲時(shí)間長能更好地去除豬糞中的Cu、Zn，超聲作用90分鐘豬糞中Cu、Zn的去除率分別為87.43%、76.48%，比超聲作用10分鐘豬糞中Cu、Zn去除率分別提高了93.77%、166.85%。

2.5 超聲與無機(jī)酸結(jié)合對(duì)豬糞中Cu、Zn的去除

超聲與無機(jī)酸結(jié)合對(duì)豬糞中Cu、Zn的去除情況見表6。從表6可見，超聲和酸結(jié)合去除豬糞中Cu、Zn比使用一項(xiàng)方法的去除率高。超聲和酸結(jié)合對(duì)豬糞中Cu、Zn的去除率分別為94.49%、92.33%，比單一超聲作用或酸作用對(duì)豬糞中Cu、Zn的去除率為58.71%、81.85%和 87.43%、76.48%分別提高了 60.94%、12.80%和8.08%、20.72%。

2.6 不同物質(zhì)對(duì)Cu2+、Zn2+的吸附效果和解吸效果

不同物質(zhì)對(duì)Cu2+、Zn2+吸附效果見表7。由表7可知，單一花生殼、谷殼對(duì)溶液中Cu2+、Zn2+的吸附能力不如活性炭，說明活性炭具有較強(qiáng)吸附能力，但差異不顯著?；ㄉ鷼ず突钚蕴浚?∶1）混合物、谷殼和活性炭（1∶1）混合物對(duì)溶液中Cu2+、Zn2+的吸附能力強(qiáng)于單一花生殼、谷殼對(duì)溶液中Cu2+、Zn2+的吸附能力。

不同物質(zhì)對(duì)Cu2+、Zn2+解吸效果見表7。各物質(zhì)對(duì)Cu2+、Zn2+的解吸率見表7。綜合比較對(duì)Cu2+、Zn2+的解吸率，花生殼最易解吸，活性炭相對(duì)難解吸，這可能與活性炭結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.7 不同濃度梯度對(duì)酵母菌銅、鋅富集的影響

不同濃度梯度對(duì)酵母菌銅、鋅富集的影響見表8。由表8可知，培養(yǎng)液中銅、鋅離子濃度分別在Cu 246.48 μg/mL～369.72 μg/mL、Zn 923.96 μg/mL～1 385.94 μg/mL時(shí)，銅、鋅富集轉(zhuǎn)化效果最佳，富銅量和富鋅量分別為2 826.50 μg/g～2 921.15 μg/g和30 828.3 μg/g～51 279.0 μg/g。

3 結(jié)論與討論

3.1 廣西重點(diǎn)養(yǎng)殖市畜禽糞便Cu和Zn含量狀況

本研究表明，廣西重點(diǎn)養(yǎng)殖市規(guī)模畜禽養(yǎng)殖場所產(chǎn)生畜禽糞便Cu和Zn含量超標(biāo)較嚴(yán)重，畜禽飼料中Cu 和Zn的添加量直接影響到畜禽糞便中Cu和Zn含量，這與黃玉溢等[5]對(duì)廣西規(guī)模化養(yǎng)殖場進(jìn)行Cu、Zn、Cr 和Cd含量測定分析的結(jié)果一致。

表5 超聲時(shí)間對(duì)豬糞中Cu、Zn去除的影響 （%）%

表6 超聲與無機(jī)酸結(jié)合對(duì)豬糞中Cu、Zn的去除 （%）%

表7 不同物質(zhì)對(duì)Cu2+、Zn2+吸附效果和解吸效果 （mg/kg）g/kg

表8 不同濃度梯度對(duì)酵母菌銅、鋅富集的影響

3.2 不同外加因素對(duì)豬糞中Cu、Zn去除的影響

本研究表明，酸和超聲波對(duì)豬糞中Cu、Zn有一定的去除效果，但其去除率較低；使用超聲和酸結(jié)合可有效提升豬糞中Cu、Zn的去除率，這與楊寧等[6]的報(bào)道一致。

3.3 不同濃度梯度對(duì)酵母菌銅、鋅富集的影響

本研究表明，嗜銅、嗜鋅酵母對(duì)銅、鋅的富集轉(zhuǎn)化與培養(yǎng)液中銅、鋅離子濃度梯度有關(guān)，當(dāng)培養(yǎng)液中銅、鋅離子濃度達(dá)到一定值時(shí)，嗜銅、嗜鋅酵母對(duì)銅、鋅的富集轉(zhuǎn)化率最高，這與李洪軍等[7、8]研究酵母對(duì)無機(jī)鋅的富集報(bào)道一致。

3.4 小結(jié)

嗜銅、嗜鋅酵母菌為載體，對(duì)提取的Cu、Zn進(jìn)行微生物轉(zhuǎn)化，獲得新型生物銅、生物鋅飼料添加劑，該技術(shù)和產(chǎn)品具有成本低、效率高、清潔環(huán)保等明顯優(yōu)勢(shì)。

[1]中國豬飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn) [EB/OL].[2012－01－22].http://www.chinafeeddata.org.cn/.

[2]飼料添加劑 [EB/OL].[2012－01－22].http://www.chinafeeddata.org.cn/viewnews．

[3]Verdonck O，Szmidt RAK．Compost specifications[J]. Acta Horticulture,1998,469:169-177．

[4]侯立軍,郭偉佳.豬場糞污危害及其處理利用 [J].中國豬業(yè), 2016(7):76-77.

[5]黃玉溢,陳桂芬,劉斌,等.廣西集約化養(yǎng)殖豬飼料Cu和Zn含量及糞便Cu和Zn殘留特性研究 [J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40 (17):9280-9281,9284.

[6]楊寧.豬糞中重金屬的分離與處理研究 [D].長沙:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[7]李洪軍,何炬,賀稚非,等.酵母對(duì)無機(jī)鋅的富集及其影響因素研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè),1997,24(4):22-27.

[8]趙鸞,章杰.環(huán)保飼料的開發(fā)及應(yīng)用概況[J].中國豬業(yè)，2016 (3):74-76.

X713

A

1673-4645(2017)04-0075-05

2017-02-10

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(桂科轉(zhuǎn)14125006-16)；廣西水產(chǎn)畜牧科技推廣應(yīng)用項(xiàng)目（桂漁牧科201633049）；南寧市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20152309）；來賓市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（來科產(chǎn)152914）；來賓市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(來科產(chǎn)152708）

龐繼達(dá)(1981-)，男，廣西玉林人，畜牧獸醫(yī)師，主要從事畜牧獸醫(yī)研究及獸藥產(chǎn)品管理工作，E-mail：pangjida@126.com