动物养殖过程中重金属污染途径、体内代谢及安全控制措施

温 洋，杨露晴，贺平丽

（中国农业大学动物科学技术学院，动物营养学国家重点实验室，北京 100193）

重金属是指相对密度大于4.5 g/cm3的金属，如铜、汞、砷、镉、铅、铬、锌等，约有五十多种。近年来，我国在工业、农业等领域取得了快速发展，但同时也产生了严重的环境污染，如重金属的大量排放，这些重金属会蓄积在水和土壤等自然环境中。目前，中国53%的省份的土壤处于中度和重度重金属污染级别，其中铬污染率最高，其次是汞、铜、镍、锌、铅、铬等。此外，重金属通过种植作物进入到动物体内，导致动物生长发育缓慢或受阻、系统（呼吸系统、消化系统、神经系统等）功能紊乱，严重者可致其中毒死亡，畜禽产品中蓄积的重金属进入人体中，造成慢性中毒，最终危害人类身体健康[1]。由于微量元素在畜禽生产中使用不规范，大量重金属通过畜禽排放出的粪、尿又排放进入环境中，破坏了土壤的物化特性，造成土壤板结和肥力下降，影响作物的产量和养分含量，并在农作物中进一步蓄积，形成重金属的蓄积循环链条。重金属污染是当前影响中国饲料和畜禽产品安全的重要因素之一，因此要充分认识畜禽生产各个环节的污染源及现状，从源头上控制重金属的污染，强化饲料管理，推广科学、绿色养殖，降低重金属残留，这对保障中国畜禽产品安全，保护环境等具有非常重要的现实意义。本文综述了中国畜禽生产中重金属污染的来源、总体状况及其生态和健康风险，并对各环节重金属的安全控制使用提出了建议。

1 动物养殖过程中重金属污染来源

1.1 环境污染 随着中国工业和农业等的快速发展，如化工工业、矿物开采等都会产生大量的重金属进入空气、水体和土壤中，造成严重的水体、土壤等环境污染；种植过程中污水灌溉和农药、除草剂、化肥等的使用，也会引起土壤中重金属的沉积。近年来，由于铜、锌等元素在饲料中的高剂量使用以及规模化畜禽养殖规模扩大和发展迅速[2]，导致养殖场排出大量重金属超标的污水和粪便进入水体和土壤[3]。与其他污染物（即大多数有机污染物）不同，重金属因其难以降解的特性使得污染问题十分严重[4]。2014 年，中国环境保护部（MEP）和国土资源部（MLR）联合发布了一份关于中国土壤污染现状的报告，其中82.4%的污染是由金属和类金属引起的，超标镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍无机污染物分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%和4.8%。土壤中的重金属必然会在农作物中蓄积，通过饲料原料进入到动物养殖环节中[1]。

1.2 饲料污染 动物养殖过程中的重金属污染主要来源于饲料污染，主要有3 条途径。第一，通过饲料原料引入重金属污染。饲料作物的生长环境（如土壤、水系等）中有大量的重金属残留，这些重金属可富集到植物饲料原料（如大豆、小麦、玉米等）中进入动物养殖环节[1]。此外，鱼粉、虾等是营养丰富的优质动物饲料原料，近年来水中的重金属也被鱼和贝类体表吸附而进入饲养环节。如鱼粉中汞污染是饲料中汞的主要来源，天然矿物质饲料原料（如石粉等）在生产饲料过程中的使用也能引起重金属的污染。第二，饲料可通过加工过程引入重金属。饲料加工过程机械磨损、润滑剂及包装物等将重金属带入饲料中。第三，人为添加。由于很多重金属元素（如铜、锌、铬等）也是畜禽生长所必需的元素，这些元素会作为饲料添加剂（如硫酸铜、硫酸锌等）加入饲料中，同时预混合饲料中重金属污染也较严重[5]。

2 饲料、畜禽产品及粪污中重金属污染现状

2012 年，农业农村部对中国30 个省市进行了饲料安全抽检监测，发现约70%企业生产的饲料中铅、砷、镉、铬等重金属超标[6]。2013—2015 年，农业农村部又在全国范围内开展了主要天然矿物质饲料原料中氟、镉、砷、铬、铅和汞等重金属元素含量的风险摸底调查工作，监测结果表明铅、砷、镉在大部分天然矿物质饲料原料中污染严重，如铅的超标率为17.8%～87%，砷的超标率为4.2%～35.9%，镉的超标率为8%～15.3%，铬的超标率为12%，汞的超标率为2.6%～6%[7]。姚丽贤等[8]在广东省采集鸡、猪的配合饲料样本，测得猪料铜、锌超标现象较为普遍。罗成等[9]报道，四川省蛋鸡饲料中铅和铬超标率分别为17.19%和9.38%，河北省蛋鸡饲料中铅和铬超标率分别为14.43%和6.73%。陈甫等[10]报道，山东省肉鸡饲料原料中汞、铬、砷、镉、铅元素的检出率分别为100.00%、100.00%、32.29%、12.50%和7.29%；除砷合格外，汞、铬、镉、铅的超标率分别为54.76%、9.52%、1.19%和1.04%。柏雪等[11]报道，四川省饲料原料中铅、铬等重金属普遍超标，如玉米中铅和铬分别超标5.00%和20.00%，小麦中铅和铬分别超标30.00% 和50.00%，豆粕中铬也超标约15.00%；玉米蛋白粉、玉米胚芽粕、麦麸等加工副产品铅和铬也超标严重。2018 年薄录吉等[12]报道，北京、青海等11个省市猪饲料中锌含量超标率为60.0%～100%，超标倍数在1.3～9.5，铜含量除四川省超标率为75%外，其他省市超标率均为100%，且超标倍数高达13.2～49.0。何祥来等[13]对市场销售的肉鸡组织样品进行重金属残留抽检的结果显示，铅在心脏中超标率为100%，含量可高达1.347 8 mg/kg，且在肝脏、肾脏器官中铬超标较严重，超标率分别为50%、62.7%。郑义等[14]对宁波市区多个农贸市场中猪的肉、肝脏、肾脏中铅、镉2 种重金属残留进行随机抽样，结果表明猪肝和猪肾样品中的铅含量分别存在20% 和27% 的超标率。田浪[15]调查了达州市2018—2019 年牛羊制品中重金属残留情况，检测结果表明牛羊肉中砷、镉、铬、铅的残留较为严重。

进入动物体内的重金属大部分会经粪便排出。近年来，畜禽粪便重金属含量的检测结果普遍显示，畜禽粪便中含有多种重金属并且某些元素（如铜、锌）存在严重超标现象。薄录吉等[12]报道，浙江、上海等21 个省市猪场粪便中铜、锌含量超标省市分别占到了95.2%和85.7%。农业农村部2019 年对中国猪、牛和鸡粪污样品进行抽样监测，结果表明粪污中的重金属主要为铜和锌，其次为铬、铅、砷和镉，且重金属含量由高到低分别是固体粪便＞液体粪污＞污水；生猪粪污铜、锌含量明显高于其他畜禽，且保育猪粪污中铜、锌含量高于母猪和育肥猪[16]。随着新的《饲料添加剂安全使用规范》（第2625 号公告）实施之后，中国畜禽粪污中铜和锌等重金属含量呈明显下降趋势，以生猪固体粪污为例，与实施前相比，铜和锌的平均浓度下降幅度分别达到45.9%和53.1%。徐阳[17]对2007—2016 年得到的618 个鸡粪便样品、1 736 个猪粪便样品、499 个牛粪便进行了重金属含量分析，结果表明猪粪便和鸡粪便中的铜含量均超过标准值，鸡粪中铬含量也超标，且铜、锌、镉、砷含量最高的是猪粪便，铅含量最高的是牛粪便，镍含量最高的是鸡粪便。

3 重金属在动物体内的代谢、残留及毒性特征

重金属进入禽畜体内后，经过代谢转化，不可逆地蓄积到身体组织（如骨或肾脏）中，引起中毒，威胁畜禽肉品质安全。肾脏、肝脏是重金属代谢和蓄积的主要靶器官。

3.1 铜和锌 铜、锌作为目前在养殖过程中最常用的饲料添加剂，对动物的生长有不可替代的作用，但是长期使用饲喂健康猪，可能造成很多层面的负面效应，造成动物中毒或亚中毒状态。如铜主要在小肠被吸收，通过门脉血运送到肝脏，聚集于肝脏，然后释放入血再传递到全身组织，在体内主要以蛋白结合态存在（如铜蓝蛋白、金属硫蛋白、超氧化物歧化酶等）[18]。未被吸收的铜主要随粪便直接排出体外，而进机体内的铜绝大部分经胆道排泄。Lin 等[19]研究表明，在断奶仔猪饲料中添加6 个日粮铜水平（5、10、20、40、80、160 mg/kg）和2 种铜源（碱式氯化铜和蛋白铜）后，胆汁、肝脏、肠黏膜的铜存留量均随饲料中铜水平的增加呈线性增加，粪便铜浓度也均随饲料中铜水平的增加呈线性增加，且蛋白铜的生物利用率高于碱式氯化铜。并且在生长育肥猪中，日粮添加100～400 mg/kg 的无机铜对肝脏、肾脏、心脏、脾脏、淋巴结和胸腺等器官组织造成了不同程度损伤，同时增加了组织器官中铜的残留量，这进一步对人摄取动物源性食品造成很大威胁[20]。另一方面铜的吸收与多种微量元素（锌、铁等）的吸收形成拮抗作用，使得猪出现缺铁性贫血等症状；同时铜离子的催化氧化作用使饲料中的不稳定物质（如脂溶性维生素、核黄素和油脂等）发生氧化，降低了饲料的营养价值和适口性，这都会阻碍营养物质的吸收。锌的吸收主要在肠道，通过肾进行排泄，锌在体内主要以金属硫蛋白结合形式存在，金属硫蛋白被认为是“锌池”。研究表明，动物的血浆、肾脏、肝脏和掌骨中锌含量随饲料中锌含量的增加而升高[21]，当锌化合物进入血液时，90%的Zn2+出现在红细胞，因此红细胞被认为是锌中毒的重要环节。

3.3 铬 铬主要通过肠道吸收进入动物体内，其主要吸收部位为空肠。铬被吸收后，通过转铁蛋白进行转运，最后沉积在脾脏、肝脏和肾脏等组织中，多余的铬主要随尿液排出，较少部分经汗液、胆汁和毛发等途径排出。Lindemann 等[22]报道，生长肥育猪日粮长期添加5 mg/kg蛋氨酸铬或吡啶甲酸铬显著提高了肾脏、骨骼、肝脏和卵巢组织中铬含量，且肾脏组织中铬含量最高。在蛋鸡中长期添加高剂量的铬（超过50 mg/kg 无机铬）会突破动物机体铬的贮存能力和调节能力，致使血铬含量急剧上升，干扰其他营养成分，如铁和锌的吸收和利用，因此降低畜禽的生产性能[23]。也有一些研究表明，铬（VI）吸收率高于铬（III），且具有强氧化性，极易进入细胞内，造成机体过氧化，线粒体损伤，影响细胞内正常代谢活动，因此铬（VI）被认为是一类致癌物[24]。

3.4 其他重金属 除铜、锌、铬等畜禽必需的微量营养元素外，还有很多动物体存在明显、严重损伤的重金属，这些重金属通常不是通过人为添加，而是通过环境蓄积导致的。如镉进入动物体内后，形成镉蛋白，主要蓄积于肝肾。动物不能自动排泄镉，蓄积的镉严重影响肝、肾的正常功能，并使骨骼的代谢受阻。蔡秋等[25]报道，在贵州的高镉地质条件下饲养的牛，其组织中镉含量较高，镉在肝脏和肾脏中显著升高。汞被消化道吸收后，汞及其化合物可分布到全身多个组织中，最初集中在肝，随后转移至肾。汞在体内可诱发生成金属硫蛋白，主要蓄积在肾脏，经粪尿排出。汞还可作用于还原型谷胱甘肽，损害其氧化功能。铅蓄积的主要器官是胃，铅可抑制细胞内含巯基的酶的表达，阻碍高铁血红蛋白的合成，抑制肌肉内磷酸肌酸的再合成，导致贫血症、神经机能失调和肾损伤。砷被吸收后在肝脏进行甲基化，并最终以甲基化衍生物的形式由尿排出。砷可结合细胞中酶系统的SH 基，造成器官组织功能紊乱和器质性病变。

4 重金属对肠道微生物的影响

由于重金属等物质的消化吸收及排泄主要在肠道，而肠道中存在着大量的微生物群，重金属不可避免地会对肠道微生物产生影响，引起肠道微生物的丰度及其多样性的改变。近年来，越来越多的研究认为铜的促生长作用与抗微生物作用有一定关系。通常认为，高铜可以改变肠道微观结构，抑制肠道有害细菌的增殖，提高酶活性，适当提高铜水平，可达到类抗生素的作用，进而改善生长性能[26]。同时肠道也是机体在有害异源物质入侵时的第一易感器官，因此有研究认为重金属对肠道健康存在负面效应。当重金属等含量超标时，过量的重金属会进入到肠道中并对肠道微生物造成危害，主要表现为打破肠道菌群平衡，引起微生物群落结构发生变化，有害菌数量增加，益生菌群丰度减少，进而导致动物生长受到抑制[27-29]。Zimmermann 等[30]研究显示，婴幼儿补充铁可以通过减少双歧杆菌和乳酸杆菌，增加肠道细菌（如肠致病性大肠杆菌）来扰乱肠道菌群。Chen 等[31]报道，仔猪日粮中添加高铁（800 mg/kg）降低了α多样性，并降低了罗伊乳杆菌的相对丰度，同时增加了仔猪的腹泻发生率。Zhai 等[27]报道，亚慢性口服毒性金属（镉、铅、铜、铝）会对小鼠肠道微生物的多样性产生影响，其中亚慢性口服铜8 周后小鼠肠道微生物多样性显著下降，且其他金属处理组都增加或减少了2～8 个不同种类的细菌丰度。还有研究表明，高铜（120 mg/kg 和240 mg/kg）日粮可改变大鼠粪便微生物丰度和多样性，并与大鼠回肠和结肠中铜含量增加有关[32]。Zhang 等[33]研究结果表明，纳米铜或纳米银会明显改变斑马鱼的肠道微生物群落结构，显著抑制益生菌，破坏机体的消化系统功能。

长期以来，包括铜和锌在内的金属与细菌的金属耐药性、抗生素耐药性发展有着紧密的联系，金属的使用通过共选择的方式提高抗生素耐药性。Bednorz 等[34]研究表明，相比对照组，在补锌动物中多重耐药大肠杆菌的比例明显增加（18.6% vs 0%）。Zou 等[35]给哺乳仔猪饲喂高铜（177 mg/kg）日粮，断奶后采集粪便检测肠球菌和乳酸菌的耐药性，其中有136 株肠球菌对万古霉素均敏感，断奶后对青霉素、恩诺沙星和高水平链霉素的耐药率显著升高，有155 株乳酸菌对氨苄西林、氯霉素、四环素和恩诺沙星的耐药率显著高于对照组，并且断奶后耐铜肠球菌和乳酸菌的比例均显著升高，表明中国集约化猪场的肠球菌和乳酸菌耐药增加可能与饲料中铜的增加密切相关。同时重金属在畜牧生产中的过量使用，使大量的重金属以粪便和尿液的形式排入土壤中，对环境细菌的耐药性也产生严重影响。Guo 等[36]研究发现，许多抗生素耐药基因与土壤中铜、砷和锌水平呈正相关。Ji 等[37]研究发现，上海多个饲养场的粪便和土壤中铜、锌、汞与抗生素耐药性呈显著正相关。

5 重金属在畜禽养殖过程中的安全控制措施

目前，畜禽养殖过程中重金属污染形势依然紧迫，还有很多工作需要完成。如控制污染源头，把好饲料安全大关，树立科学养殖理念，加强养殖户对饲料中重金属方面的科普和监督，监督机构完善相应的重金属限量标准和出台配套的精准检测技术等，最终将畜禽产品中的重金属残留控制在安全范围内。

5.1 优化畜禽饲养环境，加快发展现代生态循环农业为畜禽提供优良的生活环境是预防有害重金属对畜禽机体危害的有效措施。养殖场应建在远离化工区域，且土壤中重金属含量不超标的地方；圈舍建筑要规范化，严禁工业废水、农药污水进入养殖场（圈舍）、饮清洁卫生清水。转变畜牧养殖的传统生产模式，积极推广应用生态循环养殖模式，将种植业、畜牧业、渔业等与加工业有机联系起来，利用微生物技术在农、林、牧、副、渔多模块间形成整体生态链的良性循环，进而消除重金属污染，保证畜禽产品质量。

5.2 把好饲料关口 把好畜禽的口粮是防止有害重金离子进入体内的最有效途径：①饲料原料、饲料添加剂等饲料相关产品中重金属含量不能超标；②在配制饲料时，尽量选用不含或有害重金属含量极少的矿物质饲料原料，或者用酶制剂代替部分矿物饲料添加剂，如用植酸酶代替部分磷酸氢钙，提高微量元素的利用效率，减少其他重金属进入饲料的风险；③防止饲料在加工、运输配料等环节中受有害重金属污染；④采用有机元素代（如有机铜和有机锌等）替无机元素的使用，提高其生物学效价，减低残留和排放；⑤添加吸附剂是目前减少重金属在畜禽体内蓄积和危害的主要措施，如沸石可以吸附部分重金属元素，在禽饲料中添加沸石可减少汞在肉鸡组织中的蓄积。

5.3 加强监管，加快构建畜产品生产标准体系 为确保畜禽产品质量安全，防范粪污中重金属大量排放，应从政府层面上建设完善相应的管理体系，出台相应的法律、规则及指导文件或指南，进一步明确畜禽养殖过程中的具体生产技术规程、环境要求、重金属残留限量等参数。目前，世界各国根据各自的饲养水平、饲养环境和饲养方式等，制定不同的重金属限量标准和法规，严格规范市场准入。例如，中国2017 年发布新一版《饲料添加剂安全使用规范》（第2625 号公告）。公告对铁、铜、锌、锰、碘、钴、硒、铬等重金属元素在配合饲料或全价混合饲料中的限量值进行了重新限定，其中饲料中铜、锌的添加量明显降低。新一版的《饲料卫生标准》（GB 13078-2017）也对砷、铅、汞、镉等限量作了新的补充。欧盟2018/1039 号条例允许在饲料中铜的使用上限包括：哺乳及4 周龄以内断奶仔猪的允许最大添加量是150 mg/kg，仔猪4～8 周最大添加量为100 mg/kg。此外，应加快饲料和畜产品中重金属检测的标准体系建设，明确最佳的检测方法和检测标准，并对市场中的产品进行相关检测检验，同时加快构建以省部级和城乡相结合的畜禽产品质量安全检测体系和执法体系。

6 总结与展望

由于重金属在体内有蓄积性，且半衰期较长，产生毒性反应，严重影响其健康，重金属污染问题逐步受到国内外重视和研究。在畜禽生产中，微量营养元素（铜、锌、铁等）由于其特殊的营养特性而被大量使用，但由于目前的微量元素添加剂的利用率低和低效的粪污处理方式导致严重的环境重金属污染。因此，在不断改善环境、节能减排的同时，未来探索和研发高效的微量元素添加剂产品来提高微量营养元素的生物利用率，减少重金属的使用，以及对粪污的更有效处理将成为解决重金属污染的重要方向。