畜禽粪便重金属污染现状及生物钝化研究进展

王建才，朱荣生，王怀中，呼红梅，齐波，庞丽丽，黄保华

(1. 山东省农业科学院畜牧兽医研究所/山东省畜禽疫病防治与繁育重点实验室，山东 济南 250100；2. 济南海华生物科技有限公司，山东 济南 250108；3. 青岛农业大学动物医学院，山东 青岛 266109)

随着现代畜禽业规模化集约化发展，我国每年畜禽粪便资源量已达38×108t[1]，其中80%来自规模化养殖场[2]。尽管部分规模化养殖场通过堆肥和沼气发酵等方式对畜禽粪便进行处理，但综合利用率仅为60%，使得畜禽养殖粪污成为重金属和抗生素等农业污染的主要来源[1，3]。重金属污染中所指的重金属是比重大于5.0 g·cm-3的金属元素，包括Pb、Cd、Cu、Zn、Hg、Cr、As等[4]。畜禽养殖的饲料中普遍含有高铜、高锌等重金属添加剂，导致畜禽粪便中重金属含量较高，大量重金属随粪便的农业施用造成了严重的重金属污染[5]。同时，土壤中重金属可以通过污染农作物的可食用部分进入人体，对农产品质量和人体健康都造成负面影响[6-8]。

面对畜牧业养殖环境问题，需要加快畜牧产业的新旧动能转型升级，对畜禽粪便进行无害化和资源化处理利用，其中堆肥是最便捷、最经济有效的方式，也是实现畜禽粪便重金属钝化的有效途径[9，10]。堆肥是一个腐殖化过程，有机质在微生物的作用下进行矿化分解，同时合成新的更稳定的有机物，经过堆肥可降低重金属的生物有效性[11]。本文基于近年的调查和研究结果，对我国畜禽粪便重金属污染现状及危害进行了分析，并就堆肥中重金属的形态变化和钝化措施进行了探讨，旨在促进畜禽粪便重金属的钝化研究和畜禽业绿色循环发展。

1 畜禽粪便重金属污染现状

在畜禽养殖过程中，为了增强畜禽抗病力和促进生长，会在饲料中添加过量重金属添加剂如Cu、Zn、As等，这是饲料重金属污染的主要来源。此外，矿区及工业“三废”排放、农业生产活动的污染、饲料生产过程中的污染也会造成饲料中重金属污染[12]。由于畜禽对饲料中Cu、Zn等元素利用率较低(约为10%)，大部分随粪便排出体外，导致粪便中重金属含量显著超标[13]，其中猪粪和鸡粪的Cu、Zn超标最为严重(表1)。由于我国规模化养殖场畜禽粪便处理率低，导致重金属随畜禽粪便施入土壤，造成土壤重金属污染。薄录吉等[20]调查发现，在21省市规模化养殖场中，猪粪中Cu、Zn、As、Cd、Cr平均含量超标省市分别占到95.2%、85.7%、33.3%、20.0%和5.26%，长期施用受重金属污染的猪粪导致土壤重金属污染问题日益突出。赵睿等[6]研究表明土壤中Hg、Cr、Pb与猪粪中相对应重金属有显著正相关关系，说明土壤中这些重金属在很大程度上是由猪粪带来的。黄会前等[21]以贵阳地区养猪场周边长期施用猪粪的土壤为研究对象，发现重金属Cd、As、Hg、Cu和Zn均超过土壤环境质量二级标准，土壤属于轻度污染。

表1 畜禽粪便中重金属含量

2 畜禽粪便重金属的形态及在堆肥中的变化

2.1 畜禽粪便重金属的形态分布

畜禽粪便重金属的生物毒性不仅与其总量有关，更大程度上由其被植物吸收利用的形态分布所决定[22]。重金属元素按其生物化学性质分为两种：一种是在一定浓度范围内维持生物有机体正常生理活动的必需元素，如Cu、Zn等；另一种是生物体正常生理活动的非必需元素，如Cd、Pb、Hg等[23]。这些重金属元素被生物吸收利用和对生物产生毒性效应的性状称为生物有效性[24]。由于重金属的迁移和传输都是以一定的形态进行，研究重金属的生物有效性必须探究重金属在粪便以及堆肥中的形态分布和相互转化。按照Tessier萃取法[25]，重金属形态主要有：交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态，其中交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态的生物有效性较高，尤其是交换态最易于被植物直接吸收利用；有机结合态和残渣态生物有效性较低，有机结合态主要与环境中的有机络合物类型有关，残渣态主要是硅酸盐矿物结合态，迁移性很小，很难被生物利用[26]。重金属形态的研究能够将重金属活性进行分级，揭示重金属的迁移性、可给性与生物有效性的关系，对畜禽粪便重金属的环境效应及其钝化研究提供理论基础[27]。

2.2 重金属在畜禽粪便堆肥中的形态变化

畜禽粪便中重金属污染治理途径主要有两种：一是改变重金属在粪便中的存在形态，从而降低其在环境中的迁移性和生物可利用性；二是从粪便中去除重金属，以使其存留浓度达到背景值[28]。畜禽粪便经过堆肥后，绝大部分重金属的形态发生改变，从生物有效性较高的形态向较低的形态转变，从而降低重金属污染的危害。其原理是堆肥过程中发生腐殖化作用，生成大分子物质(如胡敏酸等)，可有效络合某些重金属，从而大大降低重金属的生物活性[29]。

前人的研究也证实了堆肥可以降低重金属的生物有效性。何增明等[30]研究发现堆肥后Zn的交换态和碳酸盐结合态的分配系数都降低，而残渣态Zn的比例增加；交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态As的分配比例都减少，残渣态As的比例增加。王玉军等[31]研究表明鸡粪经堆肥发酵后Cu、Zn、Pb、Cr、As和Hg 6种元素的有机结合态和残渣态的总比例均有所上升，其中Cu的上升幅度最大，达到10.9%。

3 畜禽粪便堆肥中重金属的钝化措施

在畜禽粪便堆肥过程中加入钝化剂，能提高重金属钝化效率，降低重金属的生物有效性，从而降低环境污染风险。常用的钝化剂主要包括传统钝化剂(物理钝化剂和化学钝化剂)和生物钝化剂[32]。

3.1 物理化学钝化

物理钝化主要是利用吸附能力强的硅酸盐物质，如生物炭、沸石、膨润土、海泡石和斑脱土等物理钝化剂，由于其具有较大的静电力、离子交换性能和空腔表面特点，能对重金属进行有效吸附从而降低其生物有效性。候月卿等[9]研究表明，添加花生壳炭、玉米秸秆炭以及木屑炭分别对重金属Cu、Pb和Cd表现为较好的钝化能力，对三种重金属的钝化效果分别为65.79%、57.2%和94.67%。物理钝化具有钝化剂较易获得、原理简单和操作简便的优点，缺点是钝化剂与重金属结合不紧密，钝化剂与堆肥难以分离，对高效钝化剂仍需进一步筛选研究[33]。

化学钝化主要是通过钝化剂与重金属发生表面络合、沉淀和离子交换作用等化学反应，改变重金属在堆肥中的化学形态及赋存状态，使重金属降至活性较低的形态[34]。张树清等[35]研究表明分别在猪粪和鸡粪堆肥中添加风化煤钝化剂能降低Cu、Zn、Cr、As元素水溶态含量，猪粪中四种重金属含量堆肥后比堆肥前分别减少了6.17%、6.40%、4.17%和1.83%，鸡粪中四种重金属含量堆肥后比堆肥前分别减少了7.07%、5.69%、5.50%和2.07%。化学钝化剂虽然在堆肥过程中对重金属钝化效果好，但是其腐熟产物易对土壤造成二次污染[36]。

3.2 生物钝化

生物钝化是指微生物能通过带电荷的细胞表面吸附重金属离子，或直接把重金属作为必要的营养元素主动吸收，将其富集在细胞表面或内部，或利用其代谢产物与重金属结合产生沉淀，使重金属的移动性降低，或通过氧化还原等反应将有毒物质的重金属转化为无毒或低毒物质(图1)。

图1 微生物作用重金属钝化机制

前人研究发现很多筛选的微生物都对重金属有很强的吸附作用。Ansari等[37]从污灌土壤中分离到一株大肠杆菌(EscherichiacoliWS11)，吸附试验表明当Cd2+浓度为50～400 μg·mL-1时，其在2 h内对Cd的吸附量从4.96 mg·g-1增加到45.37 mg·g-1细胞干重。金忠民等[38]从黑龙江扎龙湿地土壤中筛选一株抗铅、镉的菌株阴沟肠杆菌(Enterobactercloacae)，该菌对Pb2+的去除率和吸附率分别达到了70.34%和44.39%，对Cd2+的去除率和吸附率分别达到了40.54%和25.14%。

微生物对重金属离子的吸附分两个阶段：第一阶段与代谢无关，为生物吸附过程，进行较快，是通过细胞壁上或是细胞内的化学基团与金属螯合而进行的被动吸收；第二阶段为生物积累过程，进行较慢，在此过程中，金属被运送至细胞内[39]。然而细胞本身结构很复杂，目前吸附机理还没有形成完善的理论，还需要进一步的研究。田伟等[40]研究发现在以猪粪和香菇菌渣为原料的堆肥过程中添加外源菌剂时，和对照相比，重金属Cd、Cr和As的钝化效率分别提高了8%、7.9%和11.6%，说明生物钝化剂能够提高重金属的钝化效果。

与物理化学钝化相比，采用生物钝化进行畜禽粪便堆肥发酵时，最终产物大都是无害的、稳定的，不破坏植物生长的土壤环境，并且具有处理费用低、修复效率高、针对性强等特点[41]。因此，生物钝化具有不可比拟的优点，是较为理想的一种对畜禽粪便重金属污染进行治理的途径。

4 生物钝化研究进展

生物钝化是微生物通过生物吸附、重金属还原、胞外沉淀、生物矿化等作用实现的。由于受自身生理结构和环境因素的综合影响，其钝化机理相当复杂，还需要进一步的探索和研究。目前，根据国内外的研究成果，微生物主要通过细胞外、细胞表面和细胞内对重金属的吸附沉淀等作用实现重金属钝化[42]。

4.1 细胞外吸附

4.2 细胞表面吸附

金属离子可以通过与细胞表面，特别是细胞壁组分(蛋白质、多糖、脂类等)中的带负电荷的化学基团(如羧基、羟基、磷酰基、硫酸脂基、胺基、羟基等)相互作用而被固定到细胞表面[46]。把细菌表面的胺基、羟基、羧基、磷酰基进行化学掩蔽后，菌体对Pb2+、Cd2+的吸附量均有不同程度的减少，表明这些基团在菌体对Pb2+、Cd2+的吸附过程中发挥了作用，也间接证明了细胞壁上蛋白质和糖类在生物吸附中的作用[47]。对真菌的研究也发现，真菌细胞壁上的胞壁多糖可提供胺基、羧基、羟基等官能团[48]，在重金属的固定过程中发挥了重要作用。总之，细胞表面对金属离子吸附的机制包括离子交换、表面络合、物理吸附(如范德华力、静电作用)、氧化还原或无机微沉淀等，离子交换被认为是许多非活性真菌和藻类吸附金属离子的主要机理，主要是通过细胞表面的羧基、其次是硫酸脂基和胺基发挥吸附作用[49]。

4.3 细胞内吸附

胞内吸附与转化是指金属离子能透过细胞膜进入细胞内，通过区域化作用分布在细胞内的不同部位，从而将金属离子封闭(如进入液泡或线粒体)或与热稳定蛋白结合，转变为低毒的形式。其中热稳定蛋白主要是指金属硫蛋白(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等诱导产生，并与这些金属结合。据报道，活酵母吸收的Cd和Cu离子位于酵母的可溶性部分，液泡缺陷型酵母对Zn、Mn、Co、Ni离子的敏感性增加，吸附量降低，但其对Cu和Cd离子的吸附与野生型则没有明显区别[50]。薛高尚等[51]研究发现一些重金属离子能与微生物细胞内的金属硫蛋白结合，并在细胞内沉淀固定。而微生物的重金属抗性与MT积累成正相关，如将源于极端嗜盐植物的金属硫蛋白基因SbMT-2表达在大肠杆菌BL21细胞内，与对照菌株比，基因重组菌株不仅对Cd离子的耐受能力明显提高，对其吸附能力也有提高[52]。

5 展望

生物钝化是一项新兴的高效钝化技术，能够减少畜禽粪便中重金属污染对生态环境造成的危害，进一步提高堆肥产品的农业安全性，具有良好的社会、生态效益，越来越受到人们重视，具有广阔的应用前景。

今后尚需开展以下研究：

(1)对于畜禽粪便重金属污染的生物钝化研究，要广泛筛选耐高温耐重金属的菌株，利用转录组学等生物信息学手段分析菌株钝化重金属的机理和筛选关键功能基因，为菌株的改造提供方向以发展高效钝化重金属的生物钝化剂。同时，进一步探索生物钝化对畜禽粪便重金属的实验研究，为生物钝化重金属提供应用的理论基础和成熟的实验方案。

(2)虽然传统的钝化剂有其不利之处，但也有其独有的优势，应加强生物钝化与其相结合的研究，获得更好的重金属钝化效果。