畜禽糞便中有害物質(zhì)分析方法及控制措施研究進展

何雯菁 楊曙明＊ 薛佳俐 趙 杰 趙璐瑤 游新勇 劉 瑞 趙 燕 徐貞貞

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術研究所；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點實驗室）

引言

自20世紀90年代以來，我國經(jīng)濟快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進程加快，規(guī)模化及產(chǎn)業(yè)化程度不斷提高，畜禽養(yǎng)殖業(yè)也發(fā)生巨大變化，我國畜禽養(yǎng)殖逐漸由傳統(tǒng)的小戶散養(yǎng)模式逐漸發(fā)展為集約化、規(guī)?；Ｊ?。而大多數(shù)畜禽養(yǎng)殖廠缺乏糞便綜合利用及污水處理設施，畜禽糞便無害化處理率較低，未經(jīng)處理的畜禽糞便隨意堆放在養(yǎng)殖場附近或直接施用于農(nóng)田，造成的農(nóng)田重金屬及抗生素污染物的累積問題，給環(huán)境帶來較大負擔。2017年全國畜禽類糞污年產(chǎn)量約38億t，預計到2020年我國畜禽糞便排放總量將達到42.4億t，由此可見，畜禽養(yǎng)殖帶來的環(huán)境污染成為目前環(huán)境保護中所面臨的重要挑戰(zhàn)。隨著畜禽糞便污染排放呈現(xiàn)上升趨勢，畜禽糞便已成為我國不容忽視的固體廢棄物資源，近幾年，畜禽糞便是在集約化養(yǎng)殖過程中產(chǎn)量較大的環(huán)境污染物，而有機肥替代化肥順應發(fā)展的要求，而畜禽糞便作為傳統(tǒng)有機肥料，因其成本較低，營養(yǎng)元素較為豐富，且有利于土壤保肥，多被施用于農(nóng)田。但畜禽糞便中高重金屬及抗生素成為潛在的危害，含有大量重金屬及抗生素的畜禽糞便處理不當，則會污染河流、土壤生態(tài)系統(tǒng)和地下飲用水，從而危害到附近生物的安全，不僅可導致土壤的重金屬及抗生素污染，污染環(huán)境，而且還會在土壤-水-植物系統(tǒng)中積累轉(zhuǎn)化，并最終對人體健康造成危害。為了減少畜禽糞便中污染物對生態(tài)環(huán)境的污染，減少對人體健康的風險，本文對重金屬以及抗生素控制措施及檢測技術的研究現(xiàn)狀進行分析，為重金屬及抗生素的檢測和控制提供科學依據(jù)。

1 畜禽糞便中有害物質(zhì)污染現(xiàn)狀、來源及危害

1.1 畜禽糞便中重金屬的污染現(xiàn)狀、來源及危害

重金屬從理化性質(zhì)上指密度在4.5g/cm3以上的金屬。原子序數(shù)從23（V）至92（U）的天然金屬元素有60種，除其中的6種重金屬外，其余54種的相對密度都大于4.5g/cm3，因此從相對密度的意義上講，這54種金屬都是重金屬。

國內(nèi)外研究表明，畜禽糞便中含有較多金屬元素，賈武霞等通過對部分城市集約化養(yǎng)殖場的畜禽糞便取樣調(diào)查，豬糞中Cu、Zn、As、Cd含量顯著高于雞糞、鴨糞和牛糞，而參照國家農(nóng)用污泥污染物控制標準，豬糞中Cu、Zn 、As的超標率分別達59.84%，95.08和3.28%，而根據(jù)畜禽糞便安全使用準則中在蔬菜地使用限量標準，豬糞中Zn、Cu、As 超標率分別為78.69%、74.59%和9.84%，按照德國腐熟堆肥中對重金屬限量標準，Cu、Zn、As、Cr、Cd等金屬元素均有不同程度超標，以Cu、Zn最為嚴重。張樹清對全國7個典型集約化畜禽養(yǎng)殖糞便中重金屬含量調(diào)查結果顯示，豬糞中除 Cu、Zn、Cr、As含量偏高外，其余含量均較低。張緒美等選擇蘇南具有代表性的規(guī)?；B(yǎng)殖場，以德國腐熟堆肥重金屬限量標準及中國農(nóng)用污泥中污染物控制標準作為判斷依據(jù)，發(fā)現(xiàn)豬糞中Cu 的超標率分別為96.15%、53.84%，Zn的超標率分別可達100.00%、96.15%。

隨著富含重金屬的畜禽糞便被施用于土壤中，會導致土壤中重金屬的累積，從而污染環(huán)境。英格蘭和愛爾蘭的耕地土壤中，25%～40%的Cu、Ni、Zn是由畜禽糞便的土地利用帶入的。農(nóng)田中較多重金屬累積以及糞便的長期施用會導致作物中重金屬含量累積及遷移，通過食物鏈最終會危害到人體健康。

由于一些微量的重金屬元素有利于畜禽的生長及發(fā)育，在集約化養(yǎng)殖過程中，這些微量金屬元素不僅可以提供動物生長所必須的養(yǎng)分，而且還能提高飼料效率，促進動物生長發(fā)育，防治疾病，因此動物飼料中的添加劑成為糞便中重金屬的主要來源。而Cu、Zn是動物必需微量元素，對畜禽的生長發(fā)育及增殖免疫等方面具有十分重要的意義，被作為廉價高效的添加劑而廣泛應用于飼料中，硫酸鋅、氧化鋅和蛋氨酸鋅絡（螯）合物作為Zn元素的主要來源參與動物生活生命系統(tǒng)的方方面面。常用的Cu添加劑為堿式氯化銅和硫酸銅，飼料中銅的允許量（GB 26419-2010）規(guī)定，30 kg 體重以下仔豬30～60 kg體重生長肥育豬前期及60 kg體重以上生長肥育豬后期配合飼料中Cu 的允許添加量分別為200 mg/kg，150 mg/kg和30mg/kg。蘇秋紅發(fā)現(xiàn)高銅飼料的普遍使用顯著提高糞便銅含量，因飼料中添加產(chǎn)生糞便中銅含量的富集是為添加的5倍，施用高銅含量的糞便，土壤中銅也顯著提高。為了促進動物生長繁殖Cr、As也常被用于飼料添加劑中。有研究表明，Cr具有參與機體代謝，強化胰島素的功能，在飼料中添加Cr還可以提高免疫力，促進繁殖，煙酸鉻和吡啶甲酸鉻作為Cr的主要來源主要適用于生長育肥豬，其每日配合飼料中Cr的允許添加量不超過0.2mg/kg。砷制劑作為飼料添加劑主要被用來提高飼料轉(zhuǎn)化率，抑制有害微生物的繁殖，保護動物健康。有學者發(fā)現(xiàn)自1990年至2008年間，豬糞中銅、鋅、砷、鉻、鎘含量分別增加了771%、410%、420%、220%、63%，且大部分增長發(fā)生在2002年之后，不難看出由于企業(yè)為了追求利益最大化而導致不規(guī)范添加劑的使用，使得部分飼料中重金屬含量超過國家標準，因此，各國開始限制在飼料中添加過多添加劑。2015年農(nóng)業(yè)部對飼料進行抽檢合格率達95.59%，其中飼料樣品中Pb、Cd的合格率達100%。但Cu、Zn、As、Cr作為常用添加劑依然被添加入飼料中。而牛糞和豬糞中重金屬濃度與飼料中的含量呈正相關，由于銅、鋅、鉻、砷等微量元素在動物體的生物效價很低，且重金屬元素在動物體內(nèi)主要以無機鹽形式存在，由于機體無法分解，所以對重金屬元素的吸收率較低，其中90%～95%隨糞便排出，造成畜禽糞便中重金屬含量較高 。

1.2 畜禽糞便中抗生素的使用情況、危害及來源

抗生素是某些微生物（包括細菌、真菌、放線菌屬）或高等動植物在代謝過程中產(chǎn)生的具有抗病原體或其它活性的一類次級代謝產(chǎn)物，能干擾其他生活細胞發(fā)育功能的化學物質(zhì)。常見獸用抗生素分β-內(nèi)酰胺類、氨基糖甙類、四環(huán)素類、大環(huán)內(nèi)酯類、氯霉素類。

抗生素用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)始于20世紀50年代，隨著畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；爱a(chǎn)業(yè)化發(fā)展，獸用抗生素作為預防、治療動物疾病的使用范圍及用量日益增加。

我國抗生素年產(chǎn)量約為21萬t，其中約46.1%的抗生素用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)，近一半用于動物生長促進劑，在畜禽養(yǎng)殖業(yè)中以亞治療劑量長期添加于動物飼料，可以促進動物生長繁殖，以達到增產(chǎn)的目的，從而提高經(jīng)濟效益，而有研究表明，抗生素很少被動物吸收，約30%～90%則未被完全代謝而以原藥的形式排放出來，造成抗生素污染。Ling Zhao等對中國畜禽糞便樣品中抗生素進行分析，在豬和牛糞中發(fā)現(xiàn)環(huán)丙沙星最高可達33.98和29.59 mg/kg，恩諾沙星達33.26和46.70mg/kg，氧四環(huán)素為59.06和59.59mg/kg，金霉素含量高達21.06和27.59mg/kg，研究表明恩諾沙星和金霉素在畜禽糞便中殘留均較高。

吳銀寶發(fā)現(xiàn)健康雞服用恩諾沙星后，其活性代謝物主要以恩諾沙星和環(huán)丙沙星等隨畜禽糞便排出體外，由于恩諾沙星吸附性強，解析能力較弱，在土壤中不易遷移，因此當此種糞便施用于農(nóng)田后，對環(huán)境產(chǎn)生較大影響。環(huán)境中存在的抗生素不僅可導致化學污染，同時還可增加細菌的耐藥性。楊穎通過對磺胺類抗生素抗性基因與四環(huán)素類抗生素抗性基因抗性培養(yǎng)研究北江水樣中帶有耐藥性基因的細菌存在情況，發(fā)現(xiàn)抗性基因可在不同環(huán)境中遷移，而抗性基因的存在卻并不取決于環(huán)境污染程度，因此，細菌對抗生素的耐受性對環(huán)境的影響是潛在的更具危害的新型污染。磺胺抗性基因污染水平與磺胺類抗生素總濃度呈相關性，磺胺抗生素污染較嚴重的地區(qū)其磺胺類抗性基因污染也較高。張俊等對沭陽市某養(yǎng)豬場周邊施肥土壤進行研究，長期使用含有四環(huán)素殘留的豬糞中四環(huán)素含量41.1～61.9μg/kg,對土壤中四環(huán)素的殘留量與土壤中抗性基因的量進行擬合，在一定范圍內(nèi)，呈現(xiàn)顯著的正相關關系?？股卮罅渴褂貌粌H會對環(huán)境產(chǎn)生危害，當環(huán)境中抗生素殘留含量達到一定水平后對人體也會產(chǎn)生較大危害。如抗生素會對人體產(chǎn)生過敏反應和變態(tài)反應、具有毒性、致畸、致癌、致突變等危害。張慧敏等發(fā)現(xiàn)農(nóng)田表層土壤中土霉素、四環(huán)素和金霉素的平均殘留量是未施肥農(nóng)田土壤的38倍、13倍和12倍,說明畜禽糞便是農(nóng)田土壤中抗生素的主要來源。

2 畜禽糞便中重金屬和抗生素殘留的檢測方法

2.1 畜禽糞便中重金屬檢測方法

重金屬的檢測方法目前主要有原子吸收分光光度法（火焰/石墨爐），氫化物原子熒光光譜法，比色法，單掃描極譜法，ICP-MS，ICP-OES法等，原子熒光光度法與原子吸收法靈敏度相對較低，無法同時測多種元素,但原子熒光與原子吸收法譜線簡單且干擾少，色法靈敏度較低，且具有一定的局限性，在實際應用時常受到多種因素的干擾。ICP-OES與ICP-MS具有動態(tài)線性范圍較寬，樣品消耗量少，檢測時間短，有更高的靈敏度及精密度，檢出限低，對元素干擾較少等優(yōu)點，被廣泛應用于重金屬元素的檢測分析。目前，ICP等技術鮮少用來檢測畜禽糞便中重金屬殘留。目前檢測重金屬的方法多局限于總量的分析，但重金屬總量并不能完全解釋重金屬對生物的影響，因此研究重金屬的有效形態(tài)對重金屬的處理具有重要意義。為研究重金屬的潛在環(huán)境風險，普遍采用重金屬的連續(xù)提取法。國內(nèi)外學者常用的連續(xù)提取方法主要有Tessier法和歐盟提出的BCR法，Tessier法分為可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵猛氧化物結合態(tài)、有機物結合態(tài)和殘渣態(tài)5種形態(tài)，而BCR法則將重金屬分為酸提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài)，其中酸提取態(tài)相當于Tessier法的可交換態(tài)加碳酸鹽結合態(tài)，是生物利用率較高的形態(tài)，為減少重金屬的生物利用率，尤其需要減少酸提取態(tài)的重金屬含量。

2.2 畜禽糞便中抗生素檢測方法

檢測抗生素的常用方法有生物學方法和儀器法，生物學主要有微生物法和酶聯(lián)免疫法，雖然操作簡單，費用低，但因其檢測時間長、靈敏度較低，且極易受到其他抗生素的干擾，易產(chǎn)生誤差，在環(huán)境樣品檢測中不常使用。所以在實際應用中常常使用儀器法。

抗生素殘留對環(huán)境具有較大的危害，而由于抗生素在環(huán)境中含量較低，且在不同基質(zhì)中抗生素殘留含量差距較大，因此在抗生素的檢測中對儀器設備要求較高，首先，儀器應具有高靈敏度，較廣的線性范圍且抗干擾能力較強，常用的檢測方法主要有氣相色譜、液相色譜、液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜等。國彬等建立了一種熒光和紫外檢測器串聯(lián)同時測定磺胺類和喹諾酮類抗生素的高效液相色譜法。蘇仲毅建立了超高壓液相色譜—串聯(lián)質(zhì)譜檢測方法同時檢測環(huán)境水樣中24種抗生素殘留。王敏等對樣品通過過濾膜除雜、酸化萃取、HLB富集純化進行前處理后，采用固相萃取-高壓液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜方法（SPE-LC-MS/MS）正離子模式研究了3種四環(huán)素類、2種氟喹諾酮類、4種磺胺類及2種大環(huán)內(nèi)酯類，采用負離子模式研究了3種氯霉素類的檢測方法，回收率在63%～124%之間。劉虹等建立了固相萃取-高效液相色譜（UV）檢測水、沉積物和土壤中的氯霉素、土霉素、四環(huán)素和金霉素4種抗生素的方法。儀器法可對復雜基質(zhì)樣品更準確的定量和定性，適合對環(huán)境中殘留抗生素進行痕量檢測。

3 畜禽糞便中重金屬和抗生素殘留的控制措施

3.1 畜禽糞便中重金屬控制措施

畜禽糞便中重金屬處理目前主要有重金屬去除技術和重金屬鈍化的方式。

重金屬去除是指采用一定的方法和技術將重金屬從畜禽糞便中分離出來。目前，分離畜禽糞便中重金屬多采用物理化學的方法，如在畜禽糞便中加入強酸從而使糞便中大部分重金屬轉(zhuǎn)化為離子形態(tài)溶出，或采用通過氯化、離子交換、絡合、生物瀝浸、電化學等方法將其中的重金屬分離出來，這些方法對去除畜禽糞便中重金屬有一定效果，但因其實際應用成本高，操作復雜，極易造成二次污染等技術缺陷難以大面積推廣。

重金屬固定是指采用一定的方法和技術減少重金屬的活性，使轉(zhuǎn)化為不易發(fā)生遷移的穩(wěn)定形態(tài)從而達到減少重金屬危害的目的。作為農(nóng)業(yè)大國，我國對畜禽糞便的利用主要是作為有機肥料，好氧堆肥則是畜禽糞便無害化穩(wěn)定化的有效手段，通過堆肥可增加畜禽糞便的利用率，但并不能達到去除重金屬的目的。通過國內(nèi)外學者的研究，在堆肥過程中加入鈍化劑可有效減少重金屬的生物流動性。目前，重金屬固定多用于污泥等污染物堆肥，鮮少用于畜禽糞便的堆肥中。高兆慧等在堆肥過程中加入粉煤灰可使Cu和Zn的有效態(tài)含量降低，粉煤灰對Zn的鈍化效果較Cu更為顯著，具體表現(xiàn)為Zn的殘渣態(tài)增加了18.97%。添加沸石可以降低堆肥中可交換態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)的 Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb和Zn等重金屬元素含量，Nissen等同樣證明在污泥堆肥過程中添加沸石可有效減少重金屬的可交換形態(tài)，減少了重金屬的生物流動性。在污泥堆肥過程中加入石灰可減少重金屬的水溶態(tài)和DTPA提取態(tài)。竹炭具有較大的靜電力和離子交換能力，比表面積較大，是日常生活中常見的吸附劑，因此也被應用于堆肥過程中，加入竹炭的污泥堆肥過程中Cu和Zn的活性比未加入竹炭的含量分別減少了44.4% ，19.3%。

3.2 畜禽糞便中抗生素控制措施

畜禽糞便中抗生素可以通過吸附、水解、光解、降解等方法減少其在生態(tài)環(huán)境中的危害，而常見的控制措施有堆肥處理及厭氧消化。

堆肥是常見的簡單有效、成本低廉的畜禽糞便無害化處理方法，由于微生物及堆肥過程中產(chǎn)生的高溫可使抗生素降解，同時由于微生物的參與也可有效地降解畜禽糞便中的抗生素殘留。Bao等發(fā)現(xiàn)堆肥可使雞糞中金霉素的降解率達90%，而對豬糞則只有27.33%，而張樹清研究表明堆肥可減少四環(huán)素類抗生素均有一定效果，說明堆肥降解不同類型的抗生素的能力有差異性。

畜禽糞便中含有大量有機質(zhì)，因此可作為肥料被施用于農(nóng)田，還可利用其發(fā)酵能力來減少抗生素的污染。沼氣發(fā)酵處理及燃燒發(fā)電是常用的處理方式，有利于畜禽糞便的資源化利用，同時還可以減少能源短缺的問題。而沼氣發(fā)酵不能去除抗生素，抗生素一般以母體和代謝產(chǎn)物等成分進入環(huán)境，而沼氣發(fā)酵主要在于抑制抗生素的作用，沼氣池中仍含有較高濃度的抗生素殘留，Spielmeyer等研究了在厭氧消化中氯四環(huán)素、四環(huán)素、磺胺嘧啶、磺胺甲嘧啶的降解情況發(fā)現(xiàn)，四環(huán)素、磺胺嘧啶、磺胺甲嘧啶去除率均不達50%，而氯四環(huán)素的去除率最高為83%～89%。王麗通過豬糞堆肥和厭氧消化對環(huán)丙沙星的降解效果進行比較，研究發(fā)現(xiàn)高溫堆肥對環(huán)丙沙星的降解效果較好，可降解82.7%，而沼液消化則降解效果較差，只降解了42.4%。

4 總結及展望

控制畜禽糞便的污染，首先應建立完善重金素、抗生素及抗生素抗性的檢測方法，特別是快速檢測方法和產(chǎn)品用于現(xiàn)場監(jiān)測。在重點地區(qū)進行全面的摸底檢測，同時建立定點監(jiān)測點；其次，加強政府監(jiān)管力度，加強企業(yè)內(nèi)部管理，增加相關肥料使用的標準，研究提出并建立分級的控制限量，建立例行監(jiān)測制度；從源頭控制有害物質(zhì)的產(chǎn)生，減少飼料中重金屬及抗生素的使用，同時研制畜禽糞便中重金屬及抗生素的鈍化及去除方法等。

畜禽糞便中的有害物質(zhì)制約畜禽糞便的資源化利用的進程，使畜禽糞便由營養(yǎng)豐富的有機肥成為環(huán)境中一個巨大的污染源，具有較大的風險，甚至可以威脅到人類的健康。因此，畜禽糞便中有害物質(zhì)分析檢測及去除技術已引起廣大學者的關注。

近幾年，畜禽糞便的資源化利用逐漸成為廣受關注的熱點，將畜禽糞便變廢為寶對我國環(huán)保具有重要意義。畜禽糞便資源化利用符合我國可持續(xù)發(fā)展的理念，順應時代發(fā)展的需求。

參考文獻（略）