畜禽糞污重金屬污染的現狀與防治

吳綺雯，熊云霞，李 平，王 麗

（廣東省農業科學院動物科學研究所/農業部華南動物營養與飼料重點實驗室/畜禽育種國家重點實驗室/廣東省動物育種與營養公共實驗室/廣東省畜禽育種與營養研究重點實驗室，廣東 廣州 510640）

我國畜禽養殖的規模化程度不斷提高，養殖總量不斷加大，由此帶來的養殖污染問題日益凸顯，尤其是規?；B殖場產生大量糞便和污水，給環境帶來越來越大的壓力，如果得不到有效處理和利用，將會產生嚴重的環境污染。2017年國務院辦公廳印發《關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》，建議“構建種養循環發展機制，加大農牧結合”[1]，提倡對畜禽糞便收集、處理，堆肥，并投放到農作物生產上，達到綠色循環生產的目的。這不僅促進資源最大化利用，還大大減少畜禽糞便的污染。

然而飼料重金屬的違規添加及飲水污染等會造成畜禽體內殘留金屬元素，大部分金屬元素隨糞便排出[2-3]，利用污染的糞便進行堆肥，當重金屬濃度超過土壤能承載的濃度時，會對土壤造成污染，甚至會間接危害人類健康。LI等[4]在北京及阜新市區周邊地區采集了210份不同動物飼料樣品和215份糞便，并進行隨機抽樣檢測，數據顯示30%的糞便鎘（Cd）濃度超出農田使用上限，豬和雞的糞便超標量較牛和羊的高。GUO等[5]研究表明，長期施用糞肥的農田，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量標準。由此可見，科學的動物飼養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還有待進一步加強。

1 畜禽糞污重金屬現狀

1.1 糞便重金屬排放量

據估算，一頭商品豬從出生到出欄，排出糞污850～1 050 kg，因此，一般中小規模的豬場，糞便排泄量一年達到39 000萬～40 000萬t[6]。而一個年出欄10 000頭規模的豬場，按飼喂中等營養水平飼料的情況分析，每年約產生2 500 t固體糞便和5 400 m3尿液，每年向豬場周圍環境排放大約433 kg的Cu和701 kg的Zn等元素[7]。茹淑華等[8]對河北省集約化養殖場的畜禽糞便進行分析，Cu、Zn、Cr的超標率分別是41.73%、50.39%、31.50%，而豬糞相對比雞糞及牛糞的超標率更高。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，危害環境，因此加強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 飼養環境污染 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入土壤、水體、大氣等造成環境污染，主要分為3個途徑：含有高濃度重金屬的廢水未經處理排放到礦區附近的土壤及水體；含有重金屬的廢氣未經處理直接排入大氣，經過干濕沉降進入土壤與水體；堆放在礦區里的礦渣通過雨水沖洗、地表徑流、揚塵進入礦區附近水體及土壤。畜禽攝入被污染的水源或吸入受污染的氣體，會導致重金屬在體內殘留。艾淼等[10]在礦區周邊抽取了畜禽多種組織進行檢測，結果表明汞礦和煤礦附近的畜禽體內多個組織的Cd分別達到中、重度污染，煤礦比汞礦的Cd污染更為嚴重。施云剛等[11]在汞礦周邊隨機采集了畜禽的組織進行檢測，研究表明畜禽體內的Hg蓄積量與礦區附近Hg污染程度呈正相關。

1.2.2 飼料污染 CANG等[12]在江蘇地區采集了31份畜禽糞便和飼料樣品進行分析，發現飼料中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增高；王飛等[13]采集華北地區畜禽糞便和飼料樣品研究，發現畜禽糞便中重金屬Cd、Cr、As、Cu、Zn都有不同程度的超標，且質量分數與飼料中重金屬質量分數呈顯著正相關關系；LI等[5]在北京及阜新市區周邊地區采集的飼料及糞便進行檢測，結果顯示豬、牛和雞糞中Cd濃度與其飼料中的Cd濃度呈正相關。由此可見，飼料重金屬含量超標是造成畜禽糞便重金屬超標的主要原因。飼料重金屬超標主要有兩個因素，一是飼料生產加工過程中交叉污染，二是人為因素添加[14-16]。

（1）飼料生產加工過程中交叉污染。交叉污染是指飼料在生產加工中，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]。這與儀器設備的設計不合理、人工操作不規范等因素有關。

（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，導致生產者在飼料里添加過量的銅。高鋅與高銅相互間產生拮抗作用，高鋅抑制銅在體內的吸收，未被吸收的銅與腸道內容物的酚類物質發生氧化還原反應導致糞便變黑。研究表明，無機微量元素在動物體內吸收利用率低，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

重金屬在土壤中經過溶解、沉淀、凝聚、吸附等反應，以不同形態被植物吸收利用，當金屬元素富集到一定含量，會脅迫植物出現毒害反應。

Cu、Zn是植物的必需營養元素，參與各種酶的合成，植物光合作用、呼吸、細胞壁新陳代謝等過程。Cu、Zn超量會促使植物出現高毒反應，并形成有害的活性氧（ROS）破壞細胞膜的結構和功能，使植物出現根部受到抑制、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，結果表明，當加入500 mg/kg的Zn，3種泥土都有顯著抑制番茄根部生長的作用，紅土的抑制率達到100%，對植物的危害極大。

糞便中的As和Hg經過微生物的還原、氧化、甲基化轉換成化合物后，溶解度大、揮發性高，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肥會導致黃瓜地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關系。過量的As、Hg會阻礙根部對水分、Ca、Mg等營養成分的吸收，影響植物的光合作用效應和細胞分裂，迫使植物細胞膜脂的過氧化酶活增高，從而抑制植物正常生長發育[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能抑制植物內各種酶的活性，降低葉綠素含量，抑制植物根系發育，對植物的危害很大。殷欣[24]用不同濃度的Cd處理大豆幼苗，結果表明Cd脅迫會引起大豆產生毒害的癥狀，經過長時間的脅迫毒害，毒害效應會從根部向上延伸，濃度越高毒害越嚴重，大豆的毒害癥狀主要表現為葉片枯黃、畸形，莖稈、葉脈和葉片呈現紅褐色，植株發育不良，纖細、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，參與有機物的分解、腐殖質的形成、營養物質的轉化，在維持土壤的生態平衡方面發揮重要作用。重金屬復合污染會導致土壤菌落數的減少，改變優勢菌群的數量，菌落結構遭受破壞，影響土壤整個生態系統的運行。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進行5個時間點的監測，數據表明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，細菌、放線菌、真菌、線蟲和蚯蚓的種群數量隨著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行采樣檢測，結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關系，金屬含量越高對微生物生物量C有負向影響，且與重金屬脅迫強度密切相關。

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入人體，與人體中的重要營養物質如蛋白質等發生配位，從而改變該物質的正常生理功能，危害人體健康[28-29]。重金屬對人體的危害并不是瞬間爆發的，是經過長時間攝食重金屬含量超標的食物并在人體蓄積而使機體產生慢性損傷，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，毒發后難以根治，危害性非常嚴重[30]。人體血鉛超標會引起運動失調、多動，注意力不集中，智力低下，免疫功能障礙，骨骼發育受到影響，對兒童影響更為明顯[31]；食入過量的強毒性金屬（As、Cd、Hg）會阻礙細胞代謝功能，導致細胞變性壞死，永久性損傷大腦、腎臟、肝臟等組織，并影響人體的神經中樞系統調節，以及引發癌癥和生長畸形，Hg比As、Cd的毒性更為強烈，因此現今糞便重金屬的污染問題越來越受關注。

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造成了極大影響，如何防治糞便重金屬的污染已成為農業、畜牧業、環境科學領域研究的熱點。為了構建健康的生態環境，必須切實做到預防與治理兩手抓，分別加強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 嚴格控制金屬元素在飼料中添加 飼料重金屬含量超標是造成畜禽糞污重金屬超標的主要原因，國家已制定一系列飼料重金屬限量標準，如《飼料添加劑安全使用規范》(2017年修訂版)限制了生豬養殖各階段飼料中Cu、Zn的添加量；農業農村部已禁止氨苯胂酸、洛克沙胂等有機砷原料藥及各種制劑用于食品動物中[32]。在執行上國家定期抽查生產飼料及飼料添加劑企業，嚴格監督并公布不合格產品。

3.1.2 使用新型安全有相同功效的添加劑替代金屬無機鹽 近年來，在研究替代金屬無機鹽方面已頗有進展。WANG等[33]研究發現，納米氧化鋅對腸道上皮具有保護作用，能促進鋅的吸收，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。相關研究發現，飼料中利用小肽微量元素螯合物替代金屬無機鹽添加，有提高畜禽生產性能和飼料轉化率，增加畜禽免疫球蛋白含量的作用，在機體環境條件下，有良好的溶解性，易被畜禽體內消化吸收，生物學效價高，可更好地減少金屬元素的排放[2]。

3.1.3 優化安全飼養環境 正確的選址和科學合理的規劃養殖場是優化飼養環境的先決條件。養殖場的空氣、土壤、水質等環境因素均要符合國家生態環境標準，場址應選擇遠離工業礦廠以及鐵路、公路、水路等交通要道的地區；養殖場的設計與規劃必須科學合理，場內應有完善的通風系統，保證舍內良好的空氣質量，改良環境因素引起重金屬污染的技術,降低水源的污染，加強飼養場地周邊的綠化環境建設，能阻擋污染物的進入，凈化空氣。因此優化安全飼養環境，能有效減少飼養環境帶來的重金屬污染。

3.2 重金屬去除技術

3.2.1 物理去除技術 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行堆肥處理，降解溶解態有機物，減少金屬元素的絡合作用，使其形態保持穩定性，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，揮發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，直流電壓會導致金屬離子進行遷移，富集的金屬離子從溶液中導出以達到去除效果[35]。物理去除技術只適合小范圍的金屬污染，成本高且不能達到全部去除的效果。

3.2.2 化學去除技術 化學去除法是根據重金屬的特性，通過化學物質改變重金屬在土壤的形態，使其固定，降低其有效性，控制對土壤的污染?；瘜W修復技術包括了化學鈍化法、化學淋洗法等。化學鈍化法是指在有機肥中添加鈍化劑或調理劑，如微生物菌劑、生物炭、膨潤土、風化煤、沸石等，通過吸附、沉淀、絡合作用，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形態變化進行分析，結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轉變為穩定態，添加24%鋸末和1.5%微生物菌劑能使40.76%的Zn轉變為穩定態，限制Cu、Zn的活性，降低其對土壤的污染。化學淋洗是指糞便中重金屬通過化學淋洗液溶解，以碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態和有機物結合態的形式轉移到液相淋洗液中，以達到去除的效果。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，結果表明，當EDTA濃度為0.1 mol/L，液固比為25∶1時，在豬糞中反應30 min，Cu、Zn去除率達75.28%和89.26%；皂素在質量濃度為4%，液固比25∶1，pH為3時，在豬糞中反應24 h，Cu、Zn去除率達21.13%和14.69%，去除效果遠低于EDTA。化學淋洗可用于大范圍的污染，反應時間短，去除效果比較顯著，但是會存在二次污染風險。

3.2.3 生物去除技術 生物去除是指利用動物（如蚯蚓）、微生物（細菌、真菌等）等的代謝活動，降低重金屬的含量或改變其化學形態，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，發現蚯蚓對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便進行堆肥，能有效降低糞污中重金屬的含量[42]。張再利等[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，結果均對Cu、Zn有較高去除效果，可嘗試在糞便重金屬的去除中應用。生物去除技術操作簡單，成本低，效果顯著，不存在二次污染，應用潛力較廣。

4 結語

規模養殖場數量繼續增加，集中養殖的畜禽數量繼續擴大，而周邊環境對養殖糞污的消納能力卻逐漸降低，造成了養殖污染和環境保護的沖突日益突出。為構建經濟和生態文明可持續發展的社會目標，整治畜禽糞污重金屬的污染刻不容緩。因此源頭嚴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環境保護至關重要。綜合上述各糞便重金屬去除技術可以看出，生物去除技術在治理糞污重金屬污染方面發揮重要作用，其具有操作簡單，成本低，效果顯著等優勢，有著較為廣闊的應用潛力，可再深入研究，探索更有效的治理方案。