畜禽糞便重金屬污染現(xiàn)狀及生物鈍化研究進展

王建才，朱榮生，王懷中，呼紅梅，齊波，龐麗麗，黃保華

(1. 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所/山東省畜禽疫病防治與繁育重點實驗室，山東 濟南 250100；2. 濟南海華生物科技有限公司，山東 濟南 250108；3. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院，山東 青島 266109)

隨著現(xiàn)代畜禽業(yè)規(guī)?；s化發(fā)展，我國每年畜禽糞便資源量已達(dá)38×108t[1]，其中80%來自規(guī)?；B(yǎng)殖場[2]。盡管部分規(guī)?；B(yǎng)殖場通過堆肥和沼氣發(fā)酵等方式對畜禽糞便進行處理，但綜合利用率僅為60%，使得畜禽養(yǎng)殖糞污成為重金屬和抗生素等農(nóng)業(yè)污染的主要來源[1，3]。重金屬污染中所指的重金屬是比重大于5.0 g·cm-3的金屬元素，包括Pb、Cd、Cu、Zn、Hg、Cr、As等[4]。畜禽養(yǎng)殖的飼料中普遍含有高銅、高鋅等重金屬添加劑，導(dǎo)致畜禽糞便中重金屬含量較高，大量重金屬隨糞便的農(nóng)業(yè)施用造成了嚴(yán)重的重金屬污染[5]。同時，土壤中重金屬可以通過污染農(nóng)作物的可食用部分進入人體，對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和人體健康都造成負(fù)面影響[6-8]。

面對畜牧業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境問題，需要加快畜牧產(chǎn)業(yè)的新舊動能轉(zhuǎn)型升級，對畜禽糞便進行無害化和資源化處理利用，其中堆肥是最便捷、最經(jīng)濟有效的方式，也是實現(xiàn)畜禽糞便重金屬鈍化的有效途徑[9，10]。堆肥是一個腐殖化過程，有機質(zhì)在微生物的作用下進行礦化分解，同時合成新的更穩(wěn)定的有機物，經(jīng)過堆肥可降低重金屬的生物有效性[11]。本文基于近年的調(diào)查和研究結(jié)果，對我國畜禽糞便重金屬污染現(xiàn)狀及危害進行了分析，并就堆肥中重金屬的形態(tài)變化和鈍化措施進行了探討，旨在促進畜禽糞便重金屬的鈍化研究和畜禽業(yè)綠色循環(huán)發(fā)展。

1 畜禽糞便重金屬污染現(xiàn)狀

在畜禽養(yǎng)殖過程中，為了增強畜禽抗病力和促進生長，會在飼料中添加過量重金屬添加劑如Cu、Zn、As等，這是飼料重金屬污染的主要來源。此外，礦區(qū)及工業(yè)“三廢”排放、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的污染、飼料生產(chǎn)過程中的污染也會造成飼料中重金屬污染[12]。由于畜禽對飼料中Cu、Zn等元素利用率較低(約為10%)，大部分隨糞便排出體外，導(dǎo)致糞便中重金屬含量顯著超標(biāo)[13]，其中豬糞和雞糞的Cu、Zn超標(biāo)最為嚴(yán)重(表1)。由于我國規(guī)?；B(yǎng)殖場畜禽糞便處理率低，導(dǎo)致重金屬隨畜禽糞便施入土壤，造成土壤重金屬污染。薄錄吉等[20]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在21省市規(guī)模化養(yǎng)殖場中，豬糞中Cu、Zn、As、Cd、Cr平均含量超標(biāo)省市分別占到95.2%、85.7%、33.3%、20.0%和5.26%，長期施用受重金屬污染的豬糞導(dǎo)致土壤重金屬污染問題日益突出。趙睿等[6]研究表明土壤中Hg、Cr、Pb與豬糞中相對應(yīng)重金屬有顯著正相關(guān)關(guān)系，說明土壤中這些重金屬在很大程度上是由豬糞帶來的。黃會前等[21]以貴陽地區(qū)養(yǎng)豬場周邊長期施用豬糞的土壤為研究對象，發(fā)現(xiàn)重金屬Cd、As、Hg、Cu和Zn均超過土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，土壤屬于輕度污染。

表1 畜禽糞便中重金屬含量

2 畜禽糞便重金屬的形態(tài)及在堆肥中的變化

2.1 畜禽糞便重金屬的形態(tài)分布

畜禽糞便重金屬的生物毒性不僅與其總量有關(guān)，更大程度上由其被植物吸收利用的形態(tài)分布所決定[22]。重金屬元素按其生物化學(xué)性質(zhì)分為兩種：一種是在一定濃度范圍內(nèi)維持生物有機體正常生理活動的必需元素，如Cu、Zn等；另一種是生物體正常生理活動的非必需元素，如Cd、Pb、Hg等[23]。這些重金屬元素被生物吸收利用和對生物產(chǎn)生毒性效應(yīng)的性狀稱為生物有效性[24]。由于重金屬的遷移和傳輸都是以一定的形態(tài)進行，研究重金屬的生物有效性必須探究重金屬在糞便以及堆肥中的形態(tài)分布和相互轉(zhuǎn)化。按照Tessier萃取法[25]，重金屬形態(tài)主要有：交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)，其中交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)的生物有效性較高，尤其是交換態(tài)最易于被植物直接吸收利用；有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)生物有效性較低，有機結(jié)合態(tài)主要與環(huán)境中的有機絡(luò)合物類型有關(guān)，殘渣態(tài)主要是硅酸鹽礦物結(jié)合態(tài)，遷移性很小，很難被生物利用[26]。重金屬形態(tài)的研究能夠?qū)⒅亟饘倩钚赃M行分級，揭示重金屬的遷移性、可給性與生物有效性的關(guān)系，對畜禽糞便重金屬的環(huán)境效應(yīng)及其鈍化研究提供理論基礎(chǔ)[27]。

2.2 重金屬在畜禽糞便堆肥中的形態(tài)變化

畜禽糞便中重金屬污染治理途徑主要有兩種：一是改變重金屬在糞便中的存在形態(tài)，從而降低其在環(huán)境中的遷移性和生物可利用性；二是從糞便中去除重金屬，以使其存留濃度達(dá)到背景值[28]。畜禽糞便經(jīng)過堆肥后，絕大部分重金屬的形態(tài)發(fā)生改變，從生物有效性較高的形態(tài)向較低的形態(tài)轉(zhuǎn)變，從而降低重金屬污染的危害。其原理是堆肥過程中發(fā)生腐殖化作用，生成大分子物質(zhì)(如胡敏酸等)，可有效絡(luò)合某些重金屬，從而大大降低重金屬的生物活性[29]。

前人的研究也證實了堆肥可以降低重金屬的生物有效性。何增明等[30]研究發(fā)現(xiàn)堆肥后Zn的交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)的分配系數(shù)都降低，而殘渣態(tài)Zn的比例增加；交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)As的分配比例都減少，殘渣態(tài)As的比例增加。王玉軍等[31]研究表明雞糞經(jīng)堆肥發(fā)酵后Cu、Zn、Pb、Cr、As和Hg 6種元素的有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)的總比例均有所上升，其中Cu的上升幅度最大，達(dá)到10.9%。

3 畜禽糞便堆肥中重金屬的鈍化措施

在畜禽糞便堆肥過程中加入鈍化劑，能提高重金屬鈍化效率，降低重金屬的生物有效性，從而降低環(huán)境污染風(fēng)險。常用的鈍化劑主要包括傳統(tǒng)鈍化劑(物理鈍化劑和化學(xué)鈍化劑)和生物鈍化劑[32]。

3.1 物理化學(xué)鈍化

物理鈍化主要是利用吸附能力強的硅酸鹽物質(zhì)，如生物炭、沸石、膨潤土、海泡石和斑脫土等物理鈍化劑，由于其具有較大的靜電力、離子交換性能和空腔表面特點，能對重金屬進行有效吸附從而降低其生物有效性。候月卿等[9]研究表明，添加花生殼炭、玉米秸稈炭以及木屑炭分別對重金屬Cu、Pb和Cd表現(xiàn)為較好的鈍化能力，對三種重金屬的鈍化效果分別為65.79%、57.2%和94.67%。物理鈍化具有鈍化劑較易獲得、原理簡單和操作簡便的優(yōu)點，缺點是鈍化劑與重金屬結(jié)合不緊密，鈍化劑與堆肥難以分離，對高效鈍化劑仍需進一步篩選研究[33]。

化學(xué)鈍化主要是通過鈍化劑與重金屬發(fā)生表面絡(luò)合、沉淀和離子交換作用等化學(xué)反應(yīng)，改變重金屬在堆肥中的化學(xué)形態(tài)及賦存狀態(tài)，使重金屬降至活性較低的形態(tài)[34]。張樹清等[35]研究表明分別在豬糞和雞糞堆肥中添加風(fēng)化煤鈍化劑能降低Cu、Zn、Cr、As元素水溶態(tài)含量，豬糞中四種重金屬含量堆肥后比堆肥前分別減少了6.17%、6.40%、4.17%和1.83%，雞糞中四種重金屬含量堆肥后比堆肥前分別減少了7.07%、5.69%、5.50%和2.07%。化學(xué)鈍化劑雖然在堆肥過程中對重金屬鈍化效果好，但是其腐熟產(chǎn)物易對土壤造成二次污染[36]。

3.2 生物鈍化

生物鈍化是指微生物能通過帶電荷的細(xì)胞表面吸附重金屬離子，或直接把重金屬作為必要的營養(yǎng)元素主動吸收，將其富集在細(xì)胞表面或內(nèi)部，或利用其代謝產(chǎn)物與重金屬結(jié)合產(chǎn)生沉淀，使重金屬的移動性降低，或通過氧化還原等反應(yīng)將有毒物質(zhì)的重金屬轉(zhuǎn)化為無毒或低毒物質(zhì)(圖1)。

圖1 微生物作用重金屬鈍化機制

前人研究發(fā)現(xiàn)很多篩選的微生物都對重金屬有很強的吸附作用。Ansari等[37]從污灌土壤中分離到一株大腸桿菌(EscherichiacoliWS11)，吸附試驗表明當(dāng)Cd2+濃度為50～400 μg·mL-1時，其在2 h內(nèi)對Cd的吸附量從4.96 mg·g-1增加到45.37 mg·g-1細(xì)胞干重。金忠民等[38]從黑龍江扎龍濕地土壤中篩選一株抗鉛、鎘的菌株陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae)，該菌對Pb2+的去除率和吸附率分別達(dá)到了70.34%和44.39%，對Cd2+的去除率和吸附率分別達(dá)到了40.54%和25.14%。

微生物對重金屬離子的吸附分兩個階段：第一階段與代謝無關(guān)，為生物吸附過程，進行較快，是通過細(xì)胞壁上或是細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)基團與金屬螯合而進行的被動吸收；第二階段為生物積累過程，進行較慢，在此過程中，金屬被運送至細(xì)胞內(nèi)[39]。然而細(xì)胞本身結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，目前吸附機理還沒有形成完善的理論，還需要進一步的研究。田偉等[40]研究發(fā)現(xiàn)在以豬糞和香菇菌渣為原料的堆肥過程中添加外源菌劑時，和對照相比，重金屬Cd、Cr和As的鈍化效率分別提高了8%、7.9%和11.6%，說明生物鈍化劑能夠提高重金屬的鈍化效果。

與物理化學(xué)鈍化相比，采用生物鈍化進行畜禽糞便堆肥發(fā)酵時，最終產(chǎn)物大都是無害的、穩(wěn)定的，不破壞植物生長的土壤環(huán)境，并且具有處理費用低、修復(fù)效率高、針對性強等特點[41]。因此，生物鈍化具有不可比擬的優(yōu)點，是較為理想的一種對畜禽糞便重金屬污染進行治理的途徑。

4 生物鈍化研究進展

生物鈍化是微生物通過生物吸附、重金屬還原、胞外沉淀、生物礦化等作用實現(xiàn)的。由于受自身生理結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素的綜合影響，其鈍化機理相當(dāng)復(fù)雜，還需要進一步的探索和研究。目前，根據(jù)國內(nèi)外的研究成果，微生物主要通過細(xì)胞外、細(xì)胞表面和細(xì)胞內(nèi)對重金屬的吸附沉淀等作用實現(xiàn)重金屬鈍化[42]。

4.1 細(xì)胞外吸附

4.2 細(xì)胞表面吸附

金屬離子可以通過與細(xì)胞表面，特別是細(xì)胞壁組分(蛋白質(zhì)、多糖、脂類等)中的帶負(fù)電荷的化學(xué)基團(如羧基、羥基、磷?；?、硫酸脂基、胺基、羥基等)相互作用而被固定到細(xì)胞表面[46]。把細(xì)菌表面的胺基、羥基、羧基、磷?；M行化學(xué)掩蔽后，菌體對Pb2+、Cd2+的吸附量均有不同程度的減少，表明這些基團在菌體對Pb2+、Cd2+的吸附過程中發(fā)揮了作用，也間接證明了細(xì)胞壁上蛋白質(zhì)和糖類在生物吸附中的作用[47]。對真菌的研究也發(fā)現(xiàn)，真菌細(xì)胞壁上的胞壁多糖可提供胺基、羧基、羥基等官能團[48]，在重金屬的固定過程中發(fā)揮了重要作用?？傊?xì)胞表面對金屬離子吸附的機制包括離子交換、表面絡(luò)合、物理吸附(如范德華力、靜電作用)、氧化還原或無機微沉淀等，離子交換被認(rèn)為是許多非活性真菌和藻類吸附金屬離子的主要機理，主要是通過細(xì)胞表面的羧基、其次是硫酸脂基和胺基發(fā)揮吸附作用[49]。

4.3 細(xì)胞內(nèi)吸附

胞內(nèi)吸附與轉(zhuǎn)化是指金屬離子能透過細(xì)胞膜進入細(xì)胞內(nèi)，通過區(qū)域化作用分布在細(xì)胞內(nèi)的不同部位，從而將金屬離子封閉(如進入液泡或線粒體)或與熱穩(wěn)定蛋白結(jié)合，轉(zhuǎn)變?yōu)榈投镜男问健Ｆ渲袩岱€(wěn)定蛋白主要是指金屬硫蛋白(metallothioneins，MT)，它的分子量低(2 000～10 000 kD)，富含半胱氨酸，可被Cd、Cu、Hg、Zn等誘導(dǎo)產(chǎn)生，并與這些金屬結(jié)合。據(jù)報道，活酵母吸收的Cd和Cu離子位于酵母的可溶性部分，液泡缺陷型酵母對Zn、Mn、Co、Ni離子的敏感性增加，吸附量降低，但其對Cu和Cd離子的吸附與野生型則沒有明顯區(qū)別[50]。薛高尚等[51]研究發(fā)現(xiàn)一些重金屬離子能與微生物細(xì)胞內(nèi)的金屬硫蛋白結(jié)合，并在細(xì)胞內(nèi)沉淀固定。而微生物的重金屬抗性與MT積累成正相關(guān)，如將源于極端嗜鹽植物的金屬硫蛋白基因SbMT-2表達(dá)在大腸桿菌BL21細(xì)胞內(nèi)，與對照菌株比，基因重組菌株不僅對Cd離子的耐受能力明顯提高，對其吸附能力也有提高[52]。

5 展望

生物鈍化是一項新興的高效鈍化技術(shù)，能夠減少畜禽糞便中重金屬污染對生態(tài)環(huán)境造成的危害，進一步提高堆肥產(chǎn)品的農(nóng)業(yè)安全性，具有良好的社會、生態(tài)效益，越來越受到人們重視，具有廣闊的應(yīng)用前景。

今后尚需開展以下研究：

(1)對于畜禽糞便重金屬污染的生物鈍化研究，要廣泛篩選耐高溫耐重金屬的菌株，利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)等生物信息學(xué)手段分析菌株鈍化重金屬的機理和篩選關(guān)鍵功能基因，為菌株的改造提供方向以發(fā)展高效鈍化重金屬的生物鈍化劑。同時，進一步探索生物鈍化對畜禽糞便重金屬的實驗研究，為生物鈍化重金屬提供應(yīng)用的理論基礎(chǔ)和成熟的實驗方案。

(2)雖然傳統(tǒng)的鈍化劑有其不利之處，但也有其獨有的優(yōu)勢，應(yīng)加強生物鈍化與其相結(jié)合的研究，獲得更好的重金屬鈍化效果。