畜禽粪便中有害物质分析方法及控制措施研究进展

何雯菁 杨曙明＊ 薛佳俐 赵 杰 赵璐瑶 游新勇 刘 瑞 赵 燕 徐贞贞

（1.中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所；2.农业农村部农产品质量安全重点实验室）

引言

自20世纪90年代以来，我国经济快速发展，农业的现代化进程加快，规模化及产业化程度不断提高，畜禽养殖业也发生巨大变化，我国畜禽养殖逐渐由传统的小户散养模式逐渐发展为集约化、规模化模式。而大多数畜禽养殖厂缺乏粪便综合利用及污水处理设施，畜禽粪便无害化处理率较低，未经处理的畜禽粪便随意堆放在养殖场附近或直接施用于农田，造成的农田重金属及抗生素污染物的累积问题，给环境带来较大负担。2017年全国畜禽类粪污年产量约38亿t，预计到2020年我国畜禽粪便排放总量将达到42.4亿t，由此可见，畜禽养殖带来的环境污染成为目前环境保护中所面临的重要挑战。随着畜禽粪便污染排放呈现上升趋势，畜禽粪便已成为我国不容忽视的固体废弃物资源，近几年，畜禽粪便是在集约化养殖过程中产量较大的环境污染物，而有机肥替代化肥顺应发展的要求，而畜禽粪便作为传统有机肥料，因其成本较低，营养元素较为丰富，且有利于土壤保肥，多被施用于农田。但畜禽粪便中高重金属及抗生素成为潜在的危害，含有大量重金属及抗生素的畜禽粪便处理不当，则会污染河流、土壤生态系统和地下饮用水，从而危害到附近生物的安全，不仅可导致土壤的重金属及抗生素污染，污染环境，而且还会在土壤-水-植物系统中积累转化，并最终对人体健康造成危害。为了减少畜禽粪便中污染物对生态环境的污染，减少对人体健康的风险，本文对重金属以及抗生素控制措施及检测技术的研究现状进行分析，为重金属及抗生素的检测和控制提供科学依据。

1 畜禽粪便中有害物质污染现状、来源及危害

1.1 畜禽粪便中重金属的污染现状、来源及危害

重金属从理化性质上指密度在4.5g/cm3以上的金属。原子序数从23（V）至92（U）的天然金属元素有60种，除其中的6种重金属外，其余54种的相对密度都大于4.5g/cm3，因此从相对密度的意义上讲，这54种金属都是重金属。

国内外研究表明，畜禽粪便中含有较多金属元素，贾武霞等通过对部分城市集约化养殖场的畜禽粪便取样调查，猪粪中Cu、Zn、As、Cd含量显著高于鸡粪、鸭粪和牛粪，而参照国家农用污泥污染物控制标准，猪粪中Cu、Zn 、As的超标率分别达59.84%，95.08和3.28%，而根据畜禽粪便安全使用准则中在蔬菜地使用限量标准，猪粪中Zn、Cu、As 超标率分别为78.69%、74.59%和9.84%，按照德国腐熟堆肥中对重金属限量标准，Cu、Zn、As、Cr、Cd等金属元素均有不同程度超标，以Cu、Zn最为严重。张树清对全国7个典型集约化畜禽养殖粪便中重金属含量调查结果显示，猪粪中除 Cu、Zn、Cr、As含量偏高外，其余含量均较低。张绪美等选择苏南具有代表性的规模化养殖场，以德国腐熟堆肥重金属限量标准及中国农用污泥中污染物控制标准作为判断依据，发现猪粪中Cu 的超标率分别为96.15%、53.84%，Zn的超标率分别可达100.00%、96.15%。

随着富含重金属的畜禽粪便被施用于土壤中，会导致土壤中重金属的累积，从而污染环境。英格兰和爱尔兰的耕地土壤中，25%～40%的Cu、Ni、Zn是由畜禽粪便的土地利用带入的。农田中较多重金属累积以及粪便的长期施用会导致作物中重金属含量累积及迁移，通过食物链最终会危害到人体健康。

由于一些微量的重金属元素有利于畜禽的生长及发育，在集约化养殖过程中，这些微量金属元素不仅可以提供动物生长所必须的养分，而且还能提高饲料效率，促进动物生长发育，防治疾病，因此动物饲料中的添加剂成为粪便中重金属的主要来源。而Cu、Zn是动物必需微量元素，对畜禽的生长发育及增殖免疫等方面具有十分重要的意义，被作为廉价高效的添加剂而广泛应用于饲料中，硫酸锌、氧化锌和蛋氨酸锌络（螯）合物作为Zn元素的主要来源参与动物生活生命系统的方方面面。常用的Cu添加剂为碱式氯化铜和硫酸铜，饲料中铜的允许量（GB 26419-2010）规定，30 kg 体重以下仔猪30～60 kg体重生长肥育猪前期及60 kg体重以上生长肥育猪后期配合饲料中Cu 的允许添加量分别为200 mg/kg，150 mg/kg和30mg/kg。苏秋红发现高铜饲料的普遍使用显著提高粪便铜含量，因饲料中添加产生粪便中铜含量的富集是为添加的5倍，施用高铜含量的粪便，土壤中铜也显著提高。为了促进动物生长繁殖Cr、As也常被用于饲料添加剂中。有研究表明，Cr具有参与机体代谢，强化胰岛素的功能，在饲料中添加Cr还可以提高免疫力，促进繁殖，烟酸铬和吡啶甲酸铬作为Cr的主要来源主要适用于生长育肥猪，其每日配合饲料中Cr的允许添加量不超过0.2mg/kg。砷制剂作为饲料添加剂主要被用来提高饲料转化率，抑制有害微生物的繁殖，保护动物健康。有学者发现自1990年至2008年间，猪粪中铜、锌、砷、铬、镉含量分别增加了771%、410%、420%、220%、63%，且大部分增长发生在2002年之后，不难看出由于企业为了追求利益最大化而导致不规范添加剂的使用，使得部分饲料中重金属含量超过国家标准，因此，各国开始限制在饲料中添加过多添加剂。2015年农业部对饲料进行抽检合格率达95.59%，其中饲料样品中Pb、Cd的合格率达100%。但Cu、Zn、As、Cr作为常用添加剂依然被添加入饲料中。而牛粪和猪粪中重金属浓度与饲料中的含量呈正相关，由于铜、锌、铬、砷等微量元素在动物体的生物效价很低，且重金属元素在动物体内主要以无机盐形式存在，由于机体无法分解，所以对重金属元素的吸收率较低，其中90%～95%随粪便排出，造成畜禽粪便中重金属含量较高 。

1.2 畜禽粪便中抗生素的使用情况、危害及来源

抗生素是某些微生物（包括细菌、真菌、放线菌属）或高等动植物在代谢过程中产生的具有抗病原体或其它活性的一类次级代谢产物，能干扰其他生活细胞发育功能的化学物质。常见兽用抗生素分β-内酰胺类、氨基糖甙类、四环素类、大环内酯类、氯霉素类。

抗生素用于畜禽养殖业始于20世纪50年代，随着畜禽养殖规模化及产业化发展，兽用抗生素作为预防、治疗动物疾病的使用范围及用量日益增加。

我国抗生素年产量约为21万t，其中约46.1%的抗生素用于畜禽养殖业，近一半用于动物生长促进剂，在畜禽养殖业中以亚治疗剂量长期添加于动物饲料，可以促进动物生长繁殖，以达到增产的目的，从而提高经济效益，而有研究表明，抗生素很少被动物吸收，约30%～90%则未被完全代谢而以原药的形式排放出来，造成抗生素污染。Ling Zhao等对中国畜禽粪便样品中抗生素进行分析，在猪和牛粪中发现环丙沙星最高可达33.98和29.59 mg/kg，恩诺沙星达33.26和46.70mg/kg，氧四环素为59.06和59.59mg/kg，金霉素含量高达21.06和27.59mg/kg，研究表明恩诺沙星和金霉素在畜禽粪便中残留均较高。

吴银宝发现健康鸡服用恩诺沙星后，其活性代谢物主要以恩诺沙星和环丙沙星等随畜禽粪便排出体外，由于恩诺沙星吸附性强，解析能力较弱，在土壤中不易迁移，因此当此种粪便施用于农田后，对环境产生较大影响。环境中存在的抗生素不仅可导致化学污染，同时还可增加细菌的耐药性。杨颖通过对磺胺类抗生素抗性基因与四环素类抗生素抗性基因抗性培养研究北江水样中带有耐药性基因的细菌存在情况，发现抗性基因可在不同环境中迁移，而抗性基因的存在却并不取决于环境污染程度，因此，细菌对抗生素的耐受性对环境的影响是潜在的更具危害的新型污染。磺胺抗性基因污染水平与磺胺类抗生素总浓度呈相关性，磺胺抗生素污染较严重的地区其磺胺类抗性基因污染也较高。张俊等对沭阳市某养猪场周边施肥土壤进行研究，长期使用含有四环素残留的猪粪中四环素含量41.1～61.9μg/kg,对土壤中四环素的残留量与土壤中抗性基因的量进行拟合，在一定范围内，呈现显著的正相关关系。抗生素大量使用不仅会对环境产生危害，当环境中抗生素残留含量达到一定水平后对人体也会产生较大危害。如抗生素会对人体产生过敏反应和变态反应、具有毒性、致畸、致癌、致突变等危害。张慧敏等发现农田表层土壤中土霉素、四环素和金霉素的平均残留量是未施肥农田土壤的38倍、13倍和12倍,说明畜禽粪便是农田土壤中抗生素的主要来源。

2 畜禽粪便中重金属和抗生素残留的检测方法

2.1 畜禽粪便中重金属检测方法

重金属的检测方法目前主要有原子吸收分光光度法（火焰/石墨炉），氢化物原子荧光光谱法，比色法，单扫描极谱法，ICP-MS，ICP-OES法等，原子荧光光度法与原子吸收法灵敏度相对较低，无法同时测多种元素,但原子荧光与原子吸收法谱线简单且干扰少，色法灵敏度较低，且具有一定的局限性，在实际应用时常受到多种因素的干扰。ICP-OES与ICP-MS具有动态线性范围较宽，样品消耗量少，检测时间短，有更高的灵敏度及精密度，检出限低，对元素干扰较少等优点，被广泛应用于重金属元素的检测分析。目前，ICP等技术鲜少用来检测畜禽粪便中重金属残留。目前检测重金属的方法多局限于总量的分析，但重金属总量并不能完全解释重金属对生物的影响，因此研究重金属的有效形态对重金属的处理具有重要意义。为研究重金属的潜在环境风险，普遍采用重金属的连续提取法。国内外学者常用的连续提取方法主要有Tessier法和欧盟提出的BCR法，Tessier法分为可交换态、碳酸盐结合态、铁猛氧化物结合态、有机物结合态和残渣态5种形态，而BCR法则将重金属分为酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态，其中酸提取态相当于Tessier法的可交换态加碳酸盐结合态，是生物利用率较高的形态，为减少重金属的生物利用率，尤其需要减少酸提取态的重金属含量。

2.2 畜禽粪便中抗生素检测方法

检测抗生素的常用方法有生物学方法和仪器法，生物学主要有微生物法和酶联免疫法，虽然操作简单，费用低，但因其检测时间长、灵敏度较低，且极易受到其他抗生素的干扰，易产生误差，在环境样品检测中不常使用。所以在实际应用中常常使用仪器法。

抗生素残留对环境具有较大的危害，而由于抗生素在环境中含量较低，且在不同基质中抗生素残留含量差距较大，因此在抗生素的检测中对仪器设备要求较高，首先，仪器应具有高灵敏度，较广的线性范围且抗干扰能力较强，常用的检测方法主要有气相色谱、液相色谱、液相色谱串联质谱等。国彬等建立了一种荧光和紫外检测器串联同时测定磺胺类和喹诺酮类抗生素的高效液相色谱法。苏仲毅建立了超高压液相色谱—串联质谱检测方法同时检测环境水样中24种抗生素残留。王敏等对样品通过过滤膜除杂、酸化萃取、HLB富集纯化进行前处理后，采用固相萃取-高压液相色谱-串联质谱方法（SPE-LC-MS/MS）正离子模式研究了3种四环素类、2种氟喹诺酮类、4种磺胺类及2种大环内酯类，采用负离子模式研究了3种氯霉素类的检测方法，回收率在63%～124%之间。刘虹等建立了固相萃取-高效液相色谱（UV）检测水、沉积物和土壤中的氯霉素、土霉素、四环素和金霉素4种抗生素的方法。仪器法可对复杂基质样品更准确的定量和定性，适合对环境中残留抗生素进行痕量检测。

3 畜禽粪便中重金属和抗生素残留的控制措施

3.1 畜禽粪便中重金属控制措施

畜禽粪便中重金属处理目前主要有重金属去除技术和重金属钝化的方式。

重金属去除是指采用一定的方法和技术将重金属从畜禽粪便中分离出来。目前，分离畜禽粪便中重金属多采用物理化学的方法，如在畜禽粪便中加入强酸从而使粪便中大部分重金属转化为离子形态溶出，或采用通过氯化、离子交换、络合、生物沥浸、电化学等方法将其中的重金属分离出来，这些方法对去除畜禽粪便中重金属有一定效果，但因其实际应用成本高，操作复杂，极易造成二次污染等技术缺陷难以大面积推广。

重金属固定是指采用一定的方法和技术减少重金属的活性，使转化为不易发生迁移的稳定形态从而达到减少重金属危害的目的。作为农业大国，我国对畜禽粪便的利用主要是作为有机肥料，好氧堆肥则是畜禽粪便无害化稳定化的有效手段，通过堆肥可增加畜禽粪便的利用率，但并不能达到去除重金属的目的。通过国内外学者的研究，在堆肥过程中加入钝化剂可有效减少重金属的生物流动性。目前，重金属固定多用于污泥等污染物堆肥，鲜少用于畜禽粪便的堆肥中。高兆慧等在堆肥过程中加入粉煤灰可使Cu和Zn的有效态含量降低，粉煤灰对Zn的钝化效果较Cu更为显著，具体表现为Zn的残渣态增加了18.97%。添加沸石可以降低堆肥中可交换态和碳酸盐结合态的 Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb和Zn等重金属元素含量，Nissen等同样证明在污泥堆肥过程中添加沸石可有效减少重金属的可交换形态，减少了重金属的生物流动性。在污泥堆肥过程中加入石灰可减少重金属的水溶态和DTPA提取态。竹炭具有较大的静电力和离子交换能力，比表面积较大，是日常生活中常见的吸附剂，因此也被应用于堆肥过程中，加入竹炭的污泥堆肥过程中Cu和Zn的活性比未加入竹炭的含量分别减少了44.4% ，19.3%。

3.2 畜禽粪便中抗生素控制措施

畜禽粪便中抗生素可以通过吸附、水解、光解、降解等方法减少其在生态环境中的危害，而常见的控制措施有堆肥处理及厌氧消化。

堆肥是常见的简单有效、成本低廉的畜禽粪便无害化处理方法，由于微生物及堆肥过程中产生的高温可使抗生素降解，同时由于微生物的参与也可有效地降解畜禽粪便中的抗生素残留。Bao等发现堆肥可使鸡粪中金霉素的降解率达90%，而对猪粪则只有27.33%，而张树清研究表明堆肥可减少四环素类抗生素均有一定效果，说明堆肥降解不同类型的抗生素的能力有差异性。

畜禽粪便中含有大量有机质，因此可作为肥料被施用于农田，还可利用其发酵能力来减少抗生素的污染。沼气发酵处理及燃烧发电是常用的处理方式，有利于畜禽粪便的资源化利用，同时还可以减少能源短缺的问题。而沼气发酵不能去除抗生素，抗生素一般以母体和代谢产物等成分进入环境，而沼气发酵主要在于抑制抗生素的作用，沼气池中仍含有较高浓度的抗生素残留，Spielmeyer等研究了在厌氧消化中氯四环素、四环素、磺胺嘧啶、磺胺甲嘧啶的降解情况发现，四环素、磺胺嘧啶、磺胺甲嘧啶去除率均不达50%，而氯四环素的去除率最高为83%～89%。王丽通过猪粪堆肥和厌氧消化对环丙沙星的降解效果进行比较，研究发现高温堆肥对环丙沙星的降解效果较好，可降解82.7%，而沼液消化则降解效果较差，只降解了42.4%。

4 总结及展望

控制畜禽粪便的污染，首先应建立完善重金素、抗生素及抗生素抗性的检测方法，特别是快速检测方法和产品用于现场监测。在重点地区进行全面的摸底检测，同时建立定点监测点；其次，加强政府监管力度，加强企业内部管理，增加相关肥料使用的标准，研究提出并建立分级的控制限量，建立例行监测制度；从源头控制有害物质的产生，减少饲料中重金属及抗生素的使用，同时研制畜禽粪便中重金属及抗生素的钝化及去除方法等。

畜禽粪便中的有害物质制约畜禽粪便的资源化利用的进程，使畜禽粪便由营养丰富的有机肥成为环境中一个巨大的污染源，具有较大的风险，甚至可以威胁到人类的健康。因此，畜禽粪便中有害物质分析检测及去除技术已引起广大学者的关注。

近几年，畜禽粪便的资源化利用逐渐成为广受关注的热点，将畜禽粪便变废为宝对我国环保具有重要意义。畜禽粪便资源化利用符合我国可持续发展的理念，顺应时代发展的需求。

参考文献（略）