畜禽糞污重金屬污染的現(xiàn)狀與防治

吳綺雯，熊云霞，李 平，王 麗

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院動物科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)部華南動物營養(yǎng)與飼料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/畜禽育種國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省動物育種與營養(yǎng)公共實(shí)驗(yàn)室/廣東省畜禽育種與營養(yǎng)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

我國畜禽養(yǎng)殖的規(guī)?；潭炔粩嗵岣撸B(yǎng)殖總量不斷加大，由此帶來的養(yǎng)殖污染問題日益凸顯，尤其是規(guī)?；B(yǎng)殖場產(chǎn)生大量糞便和污水，給環(huán)境帶來越來越大的壓力，如果得不到有效處理和利用，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染。2017年國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》，建議“構(gòu)建種養(yǎng)循環(huán)發(fā)展機(jī)制，加大農(nóng)牧結(jié)合”[1]，提倡對畜禽糞便收集、處理，堆肥，并投放到農(nóng)作物生產(chǎn)上，達(dá)到綠色循環(huán)生產(chǎn)的目的。這不僅促進(jìn)資源最大化利用，還大大減少畜禽糞便的污染。

然而飼料重金屬的違規(guī)添加及飲水污染等會造成畜禽體內(nèi)殘留金屬元素，大部分金屬元素隨糞便排出[2-3]，利用污染的糞便進(jìn)行堆肥，當(dāng)重金屬濃度超過土壤能承載的濃度時(shí)，會對土壤造成污染，甚至?xí)g接危害人類健康。LI等[4]在北京及阜新市區(qū)周邊地區(qū)采集了210份不同動物飼料樣品和215份糞便，并進(jìn)行隨機(jī)抽樣檢測，數(shù)據(jù)顯示30%的糞便鎘（Cd）濃度超出農(nóng)田使用上限，豬和雞的糞便超標(biāo)量較牛和羊的高。GUO等[5]研究表明，長期施用糞肥的農(nóng)田，其淺層土壤中的金屬含量比沒有施用糞肥的土地高，且Cu、Zn含量超過了中國土地質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，科學(xué)的動物飼養(yǎng)和合理安全的資源化利用是減少土地污染的重要條件，去除糞污重金屬污染技術(shù)還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

1 畜禽糞污重金屬現(xiàn)狀

1.1 糞便重金屬排放量

據(jù)估算，一頭商品豬從出生到出欄，排出糞污850～1 050 kg，因此，一般中小規(guī)模的豬場，糞便排泄量一年達(dá)到39 000萬～40 000萬t[6]。而一個(gè)年出欄10 000頭規(guī)模的豬場，按飼喂中等營養(yǎng)水平飼料的情況分析，每年約產(chǎn)生2 500 t固體糞便和5 400 m3尿液，每年向豬場周圍環(huán)境排放大約433 kg的Cu和701 kg的Zn等元素[7]。茹淑華等[8]對河北省集約化養(yǎng)殖場的畜禽糞便進(jìn)行分析，Cu、Zn、Cr的超標(biāo)率分別是41.73%、50.39%、31.50%，而豬糞相對比雞糞及牛糞的超標(biāo)率更高。由于金屬元素難以遷移和降解且容易富集[9]，使得金屬元素在土壤、水體長期積累，危害環(huán)境，因此加強(qiáng)治理畜禽糞污的重金屬污染勢在必行。

1.2 畜禽糞便重金屬來源

1.2.1 飼養(yǎng)環(huán)境污染 隨著人們對金屬的開采、加工越來越頻繁，重金屬污染水平不斷提高。重金屬可通過不同途徑進(jìn)入土壤、水體、大氣等造成環(huán)境污染，主要分為3個(gè)途徑：含有高濃度重金屬的廢水未經(jīng)處理排放到礦區(qū)附近的土壤及水體；含有重金屬的廢氣未經(jīng)處理直接排入大氣，經(jīng)過干濕沉降進(jìn)入土壤與水體；堆放在礦區(qū)里的礦渣通過雨水沖洗、地表徑流、揚(yáng)塵進(jìn)入礦區(qū)附近水體及土壤。畜禽攝入被污染的水源或吸入受污染的氣體，會導(dǎo)致重金屬在體內(nèi)殘留。艾淼等[10]在礦區(qū)周邊抽取了畜禽多種組織進(jìn)行檢測，結(jié)果表明汞礦和煤礦附近的畜禽體內(nèi)多個(gè)組織的Cd分別達(dá)到中、重度污染，煤礦比汞礦的Cd污染更為嚴(yán)重。施云剛等[11]在汞礦周邊隨機(jī)采集了畜禽的組織進(jìn)行檢測，研究表明畜禽體內(nèi)的Hg蓄積量與礦區(qū)附近Hg污染程度呈正相關(guān)。

1.2.2 飼料污染 CANG等[12]在江蘇地區(qū)采集了31份畜禽糞便和飼料樣品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)飼料中Cu、Zn、Cd、Pb、Cr等金屬元素濃度較高，糞便中的金屬元素濃度也相應(yīng)增高；王飛等[13]采集華北地區(qū)畜禽糞便和飼料樣品研究，發(fā)現(xiàn)畜禽糞便中重金屬Cd、Cr、As、Cu、Zn都有不同程度的超標(biāo)，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)與飼料中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系；LI等[5]在北京及阜新市區(qū)周邊地區(qū)采集的飼料及糞便進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示豬、牛和雞糞中Cd濃度與其飼料中的Cd濃度呈正相關(guān)。由此可見，飼料重金屬含量超標(biāo)是造成畜禽糞便重金屬超標(biāo)的主要原因。飼料重金屬超標(biāo)主要有兩個(gè)因素，一是飼料生產(chǎn)加工過程中交叉污染，二是人為因素添加[14-16]。

（1）飼料生產(chǎn)加工過程中交叉污染。交叉污染是指飼料在生產(chǎn)加工中，上一批次飼料加工殘留的添加劑或藥物污染下一批次加工的飼料，殘留的添加劑與藥物會造成飼料重金屬的污染[17]。這與儀器設(shè)備的設(shè)計(jì)不合理、人工操作不規(guī)范等因素有關(guān)。

（2）人為因素添加。研究表明，Cu、Zn能提高腸道中多種消化酶的活性，有助腸道消化吸收，降低仔豬的腹瀉率[18]。可是一些飼料和獸藥廠家片面宣傳“糞便越黑，消化越好”這種思維誤區(qū)，導(dǎo)致生產(chǎn)者在飼料里添加過量的銅。高鋅與高銅相互間產(chǎn)生拮抗作用，高鋅抑制銅在體內(nèi)的吸收，未被吸收的銅與腸道內(nèi)容物的酚類物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致糞便變黑。研究表明，無機(jī)微量元素在動物體內(nèi)吸收利用率低，成年豬只能吸收7%～15%的Zn和5%～10%的Cu，絕大部分隨糞便排出體外[2-3]。

2 畜禽糞污重金屬超量的危害

2.1 重金屬對植物脅迫作用

重金屬在土壤中經(jīng)過溶解、沉淀、凝聚、吸附等反應(yīng)，以不同形態(tài)被植物吸收利用，當(dāng)金屬元素富集到一定含量，會脅迫植物出現(xiàn)毒害反應(yīng)。

Cu、Zn是植物的必需營養(yǎng)元素，參與各種酶的合成，植物光合作用、呼吸、細(xì)胞壁新陳代謝等過程。Cu、Zn超量會促使植物出現(xiàn)高毒反應(yīng)，并形成有害的活性氧（ROS）破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能，使植物出現(xiàn)根部受到抑制、枯黃、壞死等危害[19]。納明亮等[20]觀察3種泥土加入等含量的Zn對番茄根部生長的抑制率，結(jié)果表明，當(dāng)加入500 mg/kg的Zn，3種泥土都有顯著抑制番茄根部生長的作用，紅土的抑制率達(dá)到100%，對植物的危害極大。

糞便中的As和Hg經(jīng)過微生物的還原、氧化、甲基化轉(zhuǎn)換成化合物后，溶解度大、揮發(fā)性高，易被植物吸收[21]。邵勁松等[22]研究表明，施用高含量重金屬的畜禽糞便有機(jī)肥會導(dǎo)致黃瓜地10～20 cm土壤重金屬 As、Hg含量增加，As、Hg的施用量與土壤重金屬含量呈正相關(guān)關(guān)系。過量的As、Hg會阻礙根部對水分、Ca、Mg等營養(yǎng)成分的吸收，影響植物的光合作用效應(yīng)和細(xì)胞分裂，迫使植物細(xì)胞膜脂的過氧化酶活增高，從而抑制植物正常生長發(fā)育[23]。

糞便中的Cd一般為水溶性，具有較高的遷移性，易被植物吸收。Cd能抑制植物內(nèi)各種酶的活性，降低葉綠素含量，抑制植物根系發(fā)育，對植物的危害很大。殷欣[24]用不同濃度的Cd處理大豆幼苗，結(jié)果表明Cd脅迫會引起大豆產(chǎn)生毒害的癥狀，經(jīng)過長時(shí)間的脅迫毒害，毒害效應(yīng)會從根部向上延伸，濃度越高毒害越嚴(yán)重，大豆的毒害癥狀主要表現(xiàn)為葉片枯黃、畸形，莖稈、葉脈和葉片呈現(xiàn)紅褐色，植株發(fā)育不良，纖細(xì)、矮小。

2.2 重金屬對土壤微生物的危害

微生物作為土壤活躍的組成部分，參與有機(jī)物的分解、腐殖質(zhì)的形成、營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，在維持土壤的生態(tài)平衡方面發(fā)揮重要作用。重金屬復(fù)合污染會導(dǎo)致土壤菌落數(shù)的減少，改變優(yōu)勢菌群的數(shù)量，菌落結(jié)構(gòu)遭受破壞，影響土壤整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行。微生物生物量的C/N變化能反映微生物菌落多樣性的變化。MUHAMMAD等[25]利用不同濃度的Pb和Cd對土壤微生物生物量C/N進(jìn)行5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的監(jiān)測，數(shù)據(jù)表明28～56 d的C/N有顯著變化，且Pb、Cd濃度越高，C/N均有下降趨勢。BISESSAR等[26]在鉛冶煉廠附近收集0～10 cm土層土壤樣品，研究表明，細(xì)菌、放線菌、真菌、線蟲和蚯蚓的種群數(shù)量隨著Pb、As、Cd和Cu等濃度的增加而增加。WANG等[27]在銅冶煉廠附件土壤進(jìn)行采樣檢測，結(jié)果表明冶煉廠距離之間與土壤中微生物的酶活性呈正相關(guān)關(guān)系，金屬含量越高對微生物生物量C有負(fù)向影響，且與重金屬脅迫強(qiáng)度密切相關(guān)。

2.3 重金屬對人體的危害

富集在植物中的重金屬可通過食物鏈進(jìn)入人體，與人體中的重要營養(yǎng)物質(zhì)如蛋白質(zhì)等發(fā)生配位，從而改變該物質(zhì)的正常生理功能，危害人體健康[28-29]。重金屬對人體的危害并不是瞬間爆發(fā)的，是經(jīng)過長時(shí)間攝食重金屬含量超標(biāo)的食物并在人體蓄積而使機(jī)體產(chǎn)生慢性損傷，因此人體受重金屬毒害的前期癥狀并不明顯，很容易被忽視，毒發(fā)后難以根治，危害性非常嚴(yán)重[30]。人體血鉛超標(biāo)會引起運(yùn)動失調(diào)、多動，注意力不集中，智力低下，免疫功能障礙，骨骼發(fā)育受到影響，對兒童影響更為明顯[31]；食入過量的強(qiáng)毒性金屬（As、Cd、Hg）會阻礙細(xì)胞代謝功能，導(dǎo)致細(xì)胞變性壞死，永久性損傷大腦、腎臟、肝臟等組織，并影響人體的神經(jīng)中樞系統(tǒng)調(diào)節(jié)，以及引發(fā)癌癥和生長畸形，Hg比As、Cd的毒性更為強(qiáng)烈，因此現(xiàn)今糞便重金屬的污染問題越來越受關(guān)注。

3 畜禽糞污重金屬的治理措施

畜禽糞污重金屬污染對生態(tài)造成了極大影響，如何防治糞便重金屬的污染已成為農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。為了構(gòu)建健康的生態(tài)環(huán)境，必須切實(shí)做到預(yù)防與治理兩手抓，分別加強(qiáng)源頭的控制以及探索有效去除糞便重金屬的方法。

3.1.源頭控制

3.1.1 嚴(yán)格控制金屬元素在飼料中添加 飼料重金屬含量超標(biāo)是造成畜禽糞污重金屬超標(biāo)的主要原因，國家已制定一系列飼料重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)，如《飼料添加劑安全使用規(guī)范》(2017年修訂版)限制了生豬養(yǎng)殖各階段飼料中Cu、Zn的添加量；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部已禁止氨苯胂酸、洛克沙胂等有機(jī)砷原料藥及各種制劑用于食品動物中[32]。在執(zhí)行上國家定期抽查生產(chǎn)飼料及飼料添加劑企業(yè)，嚴(yán)格監(jiān)督并公布不合格產(chǎn)品。

3.1.2 使用新型安全有相同功效的添加劑替代金屬無機(jī)鹽 近年來，在研究替代金屬無機(jī)鹽方面已頗有進(jìn)展。WANG等[33]研究發(fā)現(xiàn)，納米氧化鋅對腸道上皮具有保護(hù)作用，能促進(jìn)鋅的吸收，有效減少仔豬的腹瀉率和提高仔豬的生長性能，減少糞便中鋅的排放，納米氧化鋅可作為氧化鋅的替代品。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，飼料中利用小肽微量元素螯合物替代金屬無機(jī)鹽添加，有提高畜禽生產(chǎn)性能和飼料轉(zhuǎn)化率，增加畜禽免疫球蛋白含量的作用，在機(jī)體環(huán)境條件下，有良好的溶解性，易被畜禽體內(nèi)消化吸收，生物學(xué)效價(jià)高，可更好地減少金屬元素的排放[2]。

3.1.3 優(yōu)化安全飼養(yǎng)環(huán)境 正確的選址和科學(xué)合理的規(guī)劃養(yǎng)殖場是優(yōu)化飼養(yǎng)環(huán)境的先決條件。養(yǎng)殖場的空氣、土壤、水質(zhì)等環(huán)境因素均要符合國家生態(tài)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，場址應(yīng)選擇遠(yuǎn)離工業(yè)礦廠以及鐵路、公路、水路等交通要道的地區(qū)；養(yǎng)殖場的設(shè)計(jì)與規(guī)劃必須科學(xué)合理，場內(nèi)應(yīng)有完善的通風(fēng)系統(tǒng)，保證舍內(nèi)良好的空氣質(zhì)量，改良環(huán)境因素引起重金屬污染的技術(shù),降低水源的污染，加強(qiáng)飼養(yǎng)場地周邊的綠化環(huán)境建設(shè)，能阻擋污染物的進(jìn)入，凈化空氣。因此優(yōu)化安全飼養(yǎng)環(huán)境，能有效減少飼養(yǎng)環(huán)境帶來的重金屬污染。

3.2 重金屬去除技術(shù)

3.2.1 物理去除技術(shù) 物理去除包括堆肥法、熱解法、電動法等。堆肥法是指把糞便進(jìn)行堆肥處理，降解溶解態(tài)有機(jī)物，減少金屬元素的絡(luò)合作用，使其形態(tài)保持穩(wěn)定性，降低金屬元素的移動性和有效性[34]；熱處理法是指把污染的糞便通過高溫加熱，使部分重金屬（如Hg、As等）揮發(fā)，揮發(fā)的重金屬可通過吸附并集中處理；電動法是指向金屬污染的糞便中插入電極，直流電壓會導(dǎo)致金屬離子進(jìn)行遷移，富集的金屬離子從溶液中導(dǎo)出以達(dá)到去除效果[35]。物理去除技術(shù)只適合小范圍的金屬污染，成本高且不能達(dá)到全部去除的效果。

3.2.2 化學(xué)去除技術(shù) 化學(xué)去除法是根據(jù)重金屬的特性，通過化學(xué)物質(zhì)改變重金屬在土壤的形態(tài)，使其固定，降低其有效性，控制對土壤的污染?；瘜W(xué)修復(fù)技術(shù)包括了化學(xué)鈍化法、化學(xué)淋洗法等?；瘜W(xué)鈍化法是指在有機(jī)肥中添加鈍化劑或調(diào)理劑，如微生物菌劑、生物炭、膨潤土、風(fēng)化煤、沸石等，通過吸附、沉淀、絡(luò)合作用，限制金屬元素的活性，并降低其有效性[36-37]。LI等[38]利用生物炭和微生物菌劑對Cu、Zn形態(tài)變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明在堆肥中添加12%花生殼和0.5%微生物菌劑能使70%的Cu轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)，添加24%鋸末和1.5%微生物菌劑能使40.76%的Zn轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)，限制Cu、Zn的活性，降低其對土壤的污染?；瘜W(xué)淋洗是指糞便中重金屬通過化學(xué)淋洗液溶解，以碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)物結(jié)合態(tài)的形式轉(zhuǎn)移到液相淋洗液中，以達(dá)到去除的效果。李振東等[39]利用皂素和EDTA作為淋洗液在不同條件下研究對Cu、Zn的去除效果，結(jié)果表明，當(dāng)EDTA濃度為0.1 mol/L，液固比為25∶1時(shí)，在豬糞中反應(yīng)30 min，Cu、Zn去除率達(dá)75.28%和89.26%；皂素在質(zhì)量濃度為4%，液固比25∶1，pH為3時(shí)，在豬糞中反應(yīng)24 h，Cu、Zn去除率達(dá)21.13%和14.69%，去除效果遠(yuǎn)低于EDTA?；瘜W(xué)淋洗可用于大范圍的污染，反應(yīng)時(shí)間短，去除效果比較顯著，但是會存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.3 生物去除技術(shù) 生物去除是指利用動物（如蚯蚓）、微生物（細(xì)菌、真菌等）等的代謝活動，降低重金屬的含量或改變其化學(xué)形態(tài)，減少糞便中重金屬的污染。張泳楨[40]利用蚯蚓對豬糞中重金屬的富集作用做了研究，發(fā)現(xiàn)蚯蚓對Cu、Zn、Pb、Cr、Cd和As等重金屬有一定的富集作用，富集系數(shù)分別為0.35、0.27、0.11、0.84、13.07和13.56，富集效果為As＞Cd＞Cr＞Cu＞Zn＞Pb。蚯蚓對畜禽糞便堆肥研究結(jié)果表明，太平二號 (赤子愛勝蚓) 對牛糞中的Cr、Cd和Cu的去除效果更好，表層種蚯蚓能顯著降低畜禽糞便中的Cu、Zn含量[41]?？梢姡抿球緦π笄菁S便進(jìn)行堆肥，能有效降低糞污中重金屬的含量[42]。張?jiān)倮萚43]利用氧化亞鐵硫桿菌與氧化硫硫桿菌對河涌底的重金屬做生物瀝濾試驗(yàn)，結(jié)果均對Cu、Zn有較高去除效果，可嘗試在糞便重金屬的去除中應(yīng)用。生物去除技術(shù)操作簡單，成本低，效果顯著，不存在二次污染，應(yīng)用潛力較廣。

4 結(jié)語

規(guī)模養(yǎng)殖場數(shù)量繼續(xù)增加，集中養(yǎng)殖的畜禽數(shù)量繼續(xù)擴(kuò)大，而周邊環(huán)境對養(yǎng)殖糞污的消納能力卻逐漸降低，造成了養(yǎng)殖污染和環(huán)境保護(hù)的沖突日益突出。為構(gòu)建經(jīng)濟(jì)和生態(tài)文明可持續(xù)發(fā)展的社會目標(biāo)，整治畜禽糞污重金屬的污染刻不容緩。因此源頭嚴(yán)格控制糞污重金屬污染和有效降低畜禽糞便重金屬的濃度對生態(tài)環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。綜合上述各糞便重金屬去除技術(shù)可以看出，生物去除技術(shù)在治理糞污重金屬污染方面發(fā)揮重要作用，其具有操作簡單，成本低，效果顯著等優(yōu)勢，有著較為廣闊的應(yīng)用潛力，可再深入研究，探索更有效的治理方案。