畜禽粪污重金属污染的现状与防治

吴绮雯，熊云霞，李 平，王 丽

（广东省农业科学院动物科学研究所/农业部华南动物营养与饲料重点实验室/畜禽育种国家重点实验室/广东省动物育种与营养公共实验室/广东省畜禽育种与营养研究重点实验室，广东 广州 510640）

我国畜禽养殖的规模化程度不断提高，养殖总量不断加大，由此带来的养殖污染问题日益凸显，尤其是规模化养殖场产生大量粪便和污水，给环境带来越来越大的压力，如果得不到有效处理和利用，将会产生严重的环境污染。2017年国务院办公厅印发《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》，建议“构建种养循环发展机制，加大农牧结合”[1]，提倡对畜禽粪便收集、处理，堆肥，并投放到农作物生产上，达到绿色循环生产的目的。这不仅促进资源最大化利用，还大大减少畜禽粪便的污染。

然而饲料重金属的违规添加及饮水污染等会造成畜禽体内残留金属元素，大部分金属元素随粪便排出[2-3]，利用污染的粪便进行堆肥，当重金属浓度超过土壤能承载的浓度时，会对土壤造成污染，甚至会间接危害人类健康。LI等[4]在北京及阜新市区周边地区采集了210份不同动物饲料样品和215份粪便，并进行随机抽样检测，数据显示30%的粪便镉（Cd）浓度超出农田使用上限，猪和鸡的粪便超标量较牛和羊的高。GUO等[5]研究表明，长期施用粪肥的农田，其浅层土壤中的金属含量比没有施用粪肥的土地高，且Cu、Zn含量超过了中国土地质量标准。由此可见，科学的动物饲养和合理安全的资源化利用是减少土地污染的重要条件，去除粪污重金属污染技术还有待进一步加强。

1 畜禽粪污重金属现状

1.1 粪便重金属排放量

据估算，一头商品猪从出生到出栏，排出粪污850～1 050 kg，因此，一般中小规模的猪场，粪便排泄量一年达到39 000万～40 000万t[6]。而一个年出栏10 000头规模的猪场，按饲喂中等营养水平饲料的情况分析，每年约产生2 500 t固体粪便和5 400 m3尿液，每年向猪场周围环境排放大约433 kg的Cu和701 kg的Zn等元素[7]。茹淑华等[8]对河北省集约化养殖场的畜禽粪便进行分析，Cu、Zn、Cr的超标率分别是41.73%、50.39%、31.50%，而猪粪相对比鸡粪及牛粪的超标率更高。由于金属元素难以迁移和降解且容易富集[9]，使得金属元素在土壤、水体长期积累，危害环境，因此加强治理畜禽粪污的重金属污染势在必行。

1.2 畜禽粪便重金属来源

1.2.1 饲养环境污染 随着人们对金属的开采、加工越来越频繁，重金属污染水平不断提高。重金属可通过不同途径进入土壤、水体、大气等造成环境污染，主要分为3个途径：含有高浓度重金属的废水未经处理排放到矿区附近的土壤及水体；含有重金属的废气未经处理直接排入大气，经过干湿沉降进入土壤与水体；堆放在矿区里的矿渣通过雨水冲洗、地表径流、扬尘进入矿区附近水体及土壤。畜禽摄入被污染的水源或吸入受污染的气体，会导致重金属在体内残留。艾淼等[10]在矿区周边抽取了畜禽多种组织进行检测，结果表明汞矿和煤矿附近的畜禽体内多个组织的Cd分别达到中、重度污染，煤矿比汞矿的Cd污染更为严重。施云刚等[11]在汞矿周边随机采集了畜禽的组织进行检测，研究表明畜禽体内的Hg蓄积量与矿区附近Hg污染程度呈正相关。

1.2.2 饲料污染 CANG等[12]在江苏地区采集了31份畜禽粪便和饲料样品进行分析，发现饲料中Cu、Zn、Cd、Pb、Cr等金属元素浓度较高，粪便中的金属元素浓度也相应增高；王飞等[13]采集华北地区畜禽粪便和饲料样品研究，发现畜禽粪便中重金属Cd、Cr、As、Cu、Zn都有不同程度的超标，且质量分数与饲料中重金属质量分数呈显著正相关关系；LI等[5]在北京及阜新市区周边地区采集的饲料及粪便进行检测，结果显示猪、牛和鸡粪中Cd浓度与其饲料中的Cd浓度呈正相关。由此可见，饲料重金属含量超标是造成畜禽粪便重金属超标的主要原因。饲料重金属超标主要有两个因素，一是饲料生产加工过程中交叉污染，二是人为因素添加[14-16]。

（1）饲料生产加工过程中交叉污染。交叉污染是指饲料在生产加工中，上一批次饲料加工残留的添加剂或药物污染下一批次加工的饲料，残留的添加剂与药物会造成饲料重金属的污染[17]。这与仪器设备的设计不合理、人工操作不规范等因素有关。

（2）人为因素添加。研究表明，Cu、Zn能提高肠道中多种消化酶的活性，有助肠道消化吸收，降低仔猪的腹泻率[18]。可是一些饲料和兽药厂家片面宣传“粪便越黑，消化越好”这种思维误区，导致生产者在饲料里添加过量的铜。高锌与高铜相互间产生拮抗作用，高锌抑制铜在体内的吸收，未被吸收的铜与肠道内容物的酚类物质发生氧化还原反应导致粪便变黑。研究表明，无机微量元素在动物体内吸收利用率低，成年猪只能吸收7%～15%的Zn和5%～10%的Cu，绝大部分随粪便排出体外[2-3]。

2 畜禽粪污重金属超量的危害

2.1 重金属对植物胁迫作用

重金属在土壤中经过溶解、沉淀、凝聚、吸附等反应，以不同形态被植物吸收利用，当金属元素富集到一定含量，会胁迫植物出现毒害反应。

Cu、Zn是植物的必需营养元素，参与各种酶的合成，植物光合作用、呼吸、细胞壁新陈代谢等过程。Cu、Zn超量会促使植物出现高毒反应，并形成有害的活性氧（ROS）破坏细胞膜的结构和功能，使植物出现根部受到抑制、枯黄、坏死等危害[19]。纳明亮等[20]观察3种泥土加入等含量的Zn对番茄根部生长的抑制率，结果表明，当加入500 mg/kg的Zn，3种泥土都有显著抑制番茄根部生长的作用，红土的抑制率达到100%，对植物的危害极大。

粪便中的As和Hg经过微生物的还原、氧化、甲基化转换成化合物后，溶解度大、挥发性高，易被植物吸收[21]。邵劲松等[22]研究表明，施用高含量重金属的畜禽粪便有机肥会导致黄瓜地10～20 cm土壤重金属 As、Hg含量增加，As、Hg的施用量与土壤重金属含量呈正相关关系。过量的As、Hg会阻碍根部对水分、Ca、Mg等营养成分的吸收，影响植物的光合作用效应和细胞分裂，迫使植物细胞膜脂的过氧化酶活增高，从而抑制植物正常生长发育[23]。

粪便中的Cd一般为水溶性，具有较高的迁移性，易被植物吸收。Cd能抑制植物内各种酶的活性，降低叶绿素含量，抑制植物根系发育，对植物的危害很大。殷欣[24]用不同浓度的Cd处理大豆幼苗，结果表明Cd胁迫会引起大豆产生毒害的症状，经过长时间的胁迫毒害，毒害效应会从根部向上延伸，浓度越高毒害越严重，大豆的毒害症状主要表现为叶片枯黄、畸形，茎秆、叶脉和叶片呈现红褐色，植株发育不良，纤细、矮小。

2.2 重金属对土壤微生物的危害

微生物作为土壤活跃的组成部分，参与有机物的分解、腐殖质的形成、营养物质的转化，在维持土壤的生态平衡方面发挥重要作用。重金属复合污染会导致土壤菌落数的减少，改变优势菌群的数量，菌落结构遭受破坏，影响土壤整个生态系统的运行。微生物生物量的C/N变化能反映微生物菌落多样性的变化。MUHAMMAD等[25]利用不同浓度的Pb和Cd对土壤微生物生物量C/N进行5个时间点的监测，数据表明28～56 d的C/N有显著变化，且Pb、Cd浓度越高，C/N均有下降趋势。BISESSAR等[26]在铅冶炼厂附近收集0～10 cm土层土壤样品，研究表明，细菌、放线菌、真菌、线虫和蚯蚓的种群数量随着Pb、As、Cd和Cu等浓度的增加而增加。WANG等[27]在铜冶炼厂附件土壤进行采样检测，结果表明冶炼厂距离之间与土壤中微生物的酶活性呈正相关关系，金属含量越高对微生物生物量C有负向影响，且与重金属胁迫强度密切相关。

2.3 重金属对人体的危害

富集在植物中的重金属可通过食物链进入人体，与人体中的重要营养物质如蛋白质等发生配位，从而改变该物质的正常生理功能，危害人体健康[28-29]。重金属对人体的危害并不是瞬间爆发的，是经过长时间摄食重金属含量超标的食物并在人体蓄积而使机体产生慢性损伤，因此人体受重金属毒害的前期症状并不明显，很容易被忽视，毒发后难以根治，危害性非常严重[30]。人体血铅超标会引起运动失调、多动，注意力不集中，智力低下，免疫功能障碍，骨骼发育受到影响，对儿童影响更为明显[31]；食入过量的强毒性金属（As、Cd、Hg）会阻碍细胞代谢功能，导致细胞变性坏死，永久性损伤大脑、肾脏、肝脏等组织，并影响人体的神经中枢系统调节，以及引发癌症和生长畸形，Hg比As、Cd的毒性更为强烈，因此现今粪便重金属的污染问题越来越受关注。

3 畜禽粪污重金属的治理措施

畜禽粪污重金属污染对生态造成了极大影响，如何防治粪便重金属的污染已成为农业、畜牧业、环境科学领域研究的热点。为了构建健康的生态环境，必须切实做到预防与治理两手抓，分别加强源头的控制以及探索有效去除粪便重金属的方法。

3.1.源头控制

3.1.1 严格控制金属元素在饲料中添加 饲料重金属含量超标是造成畜禽粪污重金属超标的主要原因，国家已制定一系列饲料重金属限量标准，如《饲料添加剂安全使用规范》(2017年修订版)限制了生猪养殖各阶段饲料中Cu、Zn的添加量；农业农村部已禁止氨苯胂酸、洛克沙胂等有机砷原料药及各种制剂用于食品动物中[32]。在执行上国家定期抽查生产饲料及饲料添加剂企业，严格监督并公布不合格产品。

3.1.2 使用新型安全有相同功效的添加剂替代金属无机盐 近年来，在研究替代金属无机盐方面已颇有进展。WANG等[33]研究发现，纳米氧化锌对肠道上皮具有保护作用，能促进锌的吸收，有效减少仔猪的腹泻率和提高仔猪的生长性能，减少粪便中锌的排放，纳米氧化锌可作为氧化锌的替代品。相关研究发现，饲料中利用小肽微量元素螯合物替代金属无机盐添加，有提高畜禽生产性能和饲料转化率，增加畜禽免疫球蛋白含量的作用，在机体环境条件下，有良好的溶解性，易被畜禽体内消化吸收，生物学效价高，可更好地减少金属元素的排放[2]。

3.1.3 优化安全饲养环境 正确的选址和科学合理的规划养殖场是优化饲养环境的先决条件。养殖场的空气、土壤、水质等环境因素均要符合国家生态环境标准，场址应选择远离工业矿厂以及铁路、公路、水路等交通要道的地区；养殖场的设计与规划必须科学合理，场内应有完善的通风系统，保证舍内良好的空气质量，改良环境因素引起重金属污染的技术,降低水源的污染，加强饲养场地周边的绿化环境建设，能阻挡污染物的进入，净化空气。因此优化安全饲养环境，能有效减少饲养环境带来的重金属污染。

3.2 重金属去除技术

3.2.1 物理去除技术 物理去除包括堆肥法、热解法、电动法等。堆肥法是指把粪便进行堆肥处理，降解溶解态有机物，减少金属元素的络合作用，使其形态保持稳定性，降低金属元素的移动性和有效性[34]；热处理法是指把污染的粪便通过高温加热，使部分重金属（如Hg、As等）挥发，挥发的重金属可通过吸附并集中处理；电动法是指向金属污染的粪便中插入电极，直流电压会导致金属离子进行迁移，富集的金属离子从溶液中导出以达到去除效果[35]。物理去除技术只适合小范围的金属污染，成本高且不能达到全部去除的效果。

3.2.2 化学去除技术 化学去除法是根据重金属的特性，通过化学物质改变重金属在土壤的形态，使其固定，降低其有效性，控制对土壤的污染。化学修复技术包括了化学钝化法、化学淋洗法等。化学钝化法是指在有机肥中添加钝化剂或调理剂，如微生物菌剂、生物炭、膨润土、风化煤、沸石等，通过吸附、沉淀、络合作用，限制金属元素的活性，并降低其有效性[36-37]。LI等[38]利用生物炭和微生物菌剂对Cu、Zn形态变化进行分析，结果表明在堆肥中添加12%花生壳和0.5%微生物菌剂能使70%的Cu转变为稳定态，添加24%锯末和1.5%微生物菌剂能使40.76%的Zn转变为稳定态，限制Cu、Zn的活性，降低其对土壤的污染。化学淋洗是指粪便中重金属通过化学淋洗液溶解，以碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机物结合态的形式转移到液相淋洗液中，以达到去除的效果。李振东等[39]利用皂素和EDTA作为淋洗液在不同条件下研究对Cu、Zn的去除效果，结果表明，当EDTA浓度为0.1 mol/L，液固比为25∶1时，在猪粪中反应30 min，Cu、Zn去除率达75.28%和89.26%；皂素在质量浓度为4%，液固比25∶1，pH为3时，在猪粪中反应24 h，Cu、Zn去除率达21.13%和14.69%，去除效果远低于EDTA。化学淋洗可用于大范围的污染，反应时间短，去除效果比较显著，但是会存在二次污染风险。

3.2.3 生物去除技术 生物去除是指利用动物（如蚯蚓）、微生物（细菌、真菌等）等的代谢活动，降低重金属的含量或改变其化学形态，减少粪便中重金属的污染。张泳桢[40]利用蚯蚓对猪粪中重金属的富集作用做了研究，发现蚯蚓对Cu、Zn、Pb、Cr、Cd和As等重金属有一定的富集作用，富集系数分别为0.35、0.27、0.11、0.84、13.07和13.56，富集效果为As＞Cd＞Cr＞Cu＞Zn＞Pb。蚯蚓对畜禽粪便堆肥研究结果表明，太平二号 (赤子爱胜蚓) 对牛粪中的Cr、Cd和Cu的去除效果更好，表层种蚯蚓能显著降低畜禽粪便中的Cu、Zn含量[41]。可见，利用蚯蚓对畜禽粪便进行堆肥，能有效降低粪污中重金属的含量[42]。张再利等[43]利用氧化亚铁硫杆菌与氧化硫硫杆菌对河涌底的重金属做生物沥滤试验，结果均对Cu、Zn有较高去除效果，可尝试在粪便重金属的去除中应用。生物去除技术操作简单，成本低，效果显著，不存在二次污染，应用潜力较广。

4 结语

规模养殖场数量继续增加，集中养殖的畜禽数量继续扩大，而周边环境对养殖粪污的消纳能力却逐渐降低，造成了养殖污染和环境保护的冲突日益突出。为构建经济和生态文明可持续发展的社会目标，整治畜禽粪污重金属的污染刻不容缓。因此源头严格控制粪污重金属污染和有效降低畜禽粪便重金属的浓度对生态环境保护至关重要。综合上述各粪便重金属去除技术可以看出，生物去除技术在治理粪污重金属污染方面发挥重要作用，其具有操作简单，成本低，效果显著等优势，有着较为广阔的应用潜力，可再深入研究，探索更有效的治理方案。