畜禽糞便引發(fā)的重金屬污染的研究現(xiàn)狀

1、畜禽糞便引發(fā)的重金屬污染的研究現(xiàn)狀沈秀麗，楊增玲，韓魯佳 （中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083）摘要：隨著集約化、規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，各種重金屬微量元素廣泛應(yīng)用于飼料添加劑的生產(chǎn)，導(dǎo)致大量的銅、鐵、鋅等重金屬隨著畜禽糞便排放到環(huán)境中，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。本文主要對(duì)畜禽糞便造成的重金屬污染現(xiàn)狀及其危害進(jìn)行了綜述，并分析了畜禽糞便造成重金屬污染嚴(yán)重的主要因素，評(píng)述了目前國(guó)內(nèi)控制和治理畜禽糞便引發(fā)的重金屬污染的幾種措施，指出畜禽糞便堆肥處理因具有成本低、操作簡(jiǎn)單、適用廣泛等特點(diǎn)，將成為我國(guó)畜禽糞便污染治理的重要措施。 關(guān)鍵詞：畜禽糞便；重金屬污染；治理措施 中圖分類號(hào)：S216 0 引 言

2、1 畜禽糞便由于含有豐富的有機(jī)質(zhì)、N、P、K等養(yǎng)分而作為一種優(yōu)良的土壤改良劑被長(zhǎng)期施用于農(nóng)田。從生態(tài)安全和充分利用自然資源角度看，農(nóng)用也是畜禽糞便最理想的處置方法1 。但隨著集約化、規(guī)模化養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，一些重金屬元素如Cu、Zn、As等被廣泛應(yīng)用于飼料添加劑，加之微量元素在動(dòng)物體內(nèi)生物效價(jià)很低，大部分都隨畜禽糞便排放到環(huán)境中，給生態(tài)環(huán)境造成巨大的壓力。當(dāng)這種含有大量重金屬的畜禽糞便長(zhǎng)期施用于農(nóng)田時(shí)，可造成土壤的重金屬污染，其中的重金屬元素在土壤-水-植物系統(tǒng)中積累轉(zhuǎn)化，并最終通過(guò)食物鏈對(duì)人體健康造成威脅。因此，如何降低或去除畜禽糞便中重金屬的污染風(fēng)險(xiǎn)對(duì)真正實(shí)現(xiàn)畜禽糞便資源化利用具有重要意義

3、。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研工作者針對(duì)畜禽糞便引發(fā)重金屬污染的原因進(jìn)行了深入的探討，并在此基礎(chǔ)上提出了一些切實(shí)可行的治理措施，下面將該領(lǐng)域的研究進(jìn)展綜述如下。1 畜禽糞便引發(fā)的重金屬污染現(xiàn)狀 1 收稿日期： 修訂日期： 基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201003063） 作者簡(jiǎn)介：沈秀麗（1987-），女，山東郯城人，碩士研究生，主要從事生物質(zhì)資源與利用研究。Email:shenxiuli141 通訊作者：楊增玲（1977-），女，山東萊蕪人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)資源與利用研究。Email:yangzengling 1.1 畜禽糞便中重金屬的含量 重金屬是指比重大于5的金屬，約有

4、45種，包括鉛（Pb）、鎘（Cd）、汞（Hg）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）等。砷（As）雖不屬于重金屬， 但因其來(lái)源以及危害都與重金屬相似，故通常列入重金屬類進(jìn)行研究討論2 。畜禽糞便中幾乎含有對(duì)動(dòng)植物具有生理效應(yīng)的所有微量元素，同時(shí)也含有用于防治病害的非必需微量元素。 重金屬在畜禽糞便中的積累量與畜禽的種類有關(guān)，同一種類中，重金屬含量又與畜禽的年齡、畜禽糞便的處理方式等因素有關(guān)，但最終取決于飼料添加劑以及在防治畜禽病害中一些微量元素的使用量。從表1中可以看出，豬糞中Cu、Zn、Mn、Ni的平均含量均較高，其中Cu、Zn最為明顯，雞糞中Cr的平均含量較高，而牛糞中各重金屬含

5、量低于其他糞便。目前我國(guó)對(duì)畜禽糞便堆肥的重金屬無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)采用的是污泥施用無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定Pb、Cd、Cu、Zn總含量的最大極限值分別為1000、20、500、1000mg/kg3?？梢钥闯霰?中受檢畜禽糞便重金屬含量有超標(biāo)現(xiàn)象，其中以豬糞中的銅、鋅超標(biāo)最為嚴(yán)重。 另外，有研究表明，不同種類豬的糞便中Cu的平均含量為斷奶仔豬育肥豬母豬，與飼料中Cu含量具有 一致（相同）的規(guī)律4表 1 豬、牛、家禽糞便中重金屬的含量（mg/kg） Table 1 Heavy metal concentrations of pig、dairy、poultry manures（mg/kg） 糞便種類 銅 鋅 鎘 錳

6、鎳 鉛 鉻 *表中重金屬含量的數(shù)值均為測(cè)定結(jié)果的平均值 1.2 畜禽糞便中重金屬的存在形態(tài) 畜禽糞便中重金屬主要以水溶態(tài)、可交換態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、氧化物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)等形態(tài)存在4。其中交換態(tài)重金屬是植物直接有效的形態(tài)，同時(shí)也具有較大的淋溶率，對(duì)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)較大，碳酸鹽結(jié)合態(tài)也具有較強(qiáng)的活性，其活性主要受環(huán)境pH的影響，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)相對(duì)較穩(wěn)定，但重金屬的不同形態(tài)之間存在著一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)有效態(tài)重金屬降低時(shí)，其他形態(tài)重金屬會(huì)不斷轉(zhuǎn)化為有效態(tài)重金屬，因此鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)的生物有效性雖不如交換態(tài)高，但仍具有潛在的有效性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)15 。 畜禽糞便中大部分的Cd、Cu和Zn是

7、以有機(jī)絡(luò)合態(tài)存在的，水溶態(tài)重金屬含量一般很少。另外，還有研究表明，豬糞中水溶態(tài)Cu和有機(jī)結(jié)合態(tài)Cu分別占總量的2%和6769，67的Zn以氧化物結(jié)合態(tài)存在，69的Mn以碳酸鹽結(jié)合態(tài)存在16 ；家禽糞便中90的As 以水溶態(tài)存在，說(shuō)明家禽糞便中As具有較強(qiáng)的生物有效性和淋溶率17。畜禽糞便中重金屬的存在形態(tài)主要與不同重金屬元素自身的化學(xué)性質(zhì)及畜禽糞便的特性有關(guān)，而后者又與動(dòng)物飼料和畜禽糞便排放后的處理方式有關(guān)。2 畜禽糞便中重金屬造成的危害 2.1 畜禽糞便對(duì)土壤環(huán)境的污染 土壤重金屬污染在一定時(shí)期內(nèi)不表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境的危害性，但長(zhǎng)期施用含有大量重金屬的糞肥必然導(dǎo)致土壤重金屬含量的增加。據(jù)測(cè)算18

8、，一個(gè)萬(wàn)頭豬場(chǎng)，連續(xù)使用高Cu日糧，每年可向豬場(chǎng)周邊土壤排放約2t的Cu，導(dǎo)致土壤中Cu嚴(yán)重富集。日本土壤肥料學(xué)會(huì)報(bào)道，如果把日本養(yǎng)豬業(yè)所產(chǎn)生的豬糞全部施用到土壤中，土壤中Cu含量將在23年內(nèi)超過(guò)80mg/kg的限量標(biāo)準(zhǔn)。 當(dāng)土壤中重金屬的含量超出土壤的承受限度，或土壤環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，重金屬就可能突然活化， 引起嚴(yán)重的生態(tài)危害，被稱為“化學(xué)定時(shí)炸彈（Chemical Time Bombs，簡(jiǎn)稱CTBs）。通常情況下，重金屬首先危害土壤微生物，不適應(yīng)重金屬環(huán)境的微生物數(shù)量會(huì)逐漸降低，甚至滅絕，從而影響土壤環(huán)境。已有研究表明，大量施用含高Cu、Zn的豬糞，可能會(huì)使土壤中有效態(tài)Cu、Zn的濃度升

9、高達(dá)到對(duì)植物毒害的水平，使蔬菜根系生長(zhǎng)受到抑制。Jinadasa等19對(duì)悉尼一些地區(qū)蔬菜和菜園土壤中Cd的含量調(diào)查研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于家禽糞肥長(zhǎng)期施用引起了菜園土壤中Cd和Zn含量的增加。 2.2 畜禽糞便重金屬對(duì)水環(huán)境的污染 畜禽糞便作為有機(jī)肥施用，其中的重金屬進(jìn)入土壤。由于畜禽糞便中含有大量有機(jī)質(zhì)，施入土壤可以增加土壤中有機(jī)質(zhì)尤其是可溶性有機(jī)碳（DOC）的含量，可溶性有機(jī)碳易與重金屬形成可溶性金屬絡(luò)合物，從而通過(guò)淋失而污染地下水。DelCastilho等20人研究得出，可溶性重金屬濃度與施用牛糞糞漿的土壤中可溶性有機(jī)碳成正相關(guān)。這些可溶性金屬絡(luò)合物可能會(huì)通過(guò)淋溶作用而使地下水的質(zhì)量受到破壞。也

10、有研究發(fā)現(xiàn)，由于連續(xù)施用豬糞糞漿，田間排出的水中Mn的濃度從0.05mg/L上升到14mg/L，Co的積累量從0.8mg/L上升到50mg/L，Zn的積累量從17.3mg/L上升到100mg/L。施用含高量重金屬的畜禽糞便會(huì)增加重金屬在土壤中的淋溶，所以進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉或經(jīng)雨水淋洗，土壤中的重金屬極易進(jìn)入地表水或地下水，對(duì)水環(huán)境造成污染。 2.3 畜禽糞便重金屬對(duì)植物生長(zhǎng)的危害 重金屬對(duì)農(nóng)作物也有很強(qiáng)的毒害作用，其影響在于：一方面，重金屬能破壞植物的一些組織和功能，從而降低一些農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，如土壤鎘含量過(guò)高會(huì)破壞植物葉片的葉綠素結(jié)構(gòu)并最終導(dǎo)致植物衰亡；土壤中銅、鋅含量超過(guò)一定限度時(shí)，作物根部

11、會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p害，使植物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收受到影響，從而導(dǎo)致植物生長(zhǎng)不良甚至死亡。施用豬糞可明顯提高土壤Zn含量、有效態(tài)含量及菜心Zn含量，連續(xù)2茬施 用豬糞達(dá)到或超過(guò)40g/kg時(shí)，土壤和菜心均出現(xiàn)Zn污染。另一方面，重金屬經(jīng)食物鏈在植物體內(nèi)富集。研究表明，隨著表層土壤鎘污染的加重，水稻籽粒中的鎘含量逐步提高，當(dāng)上層土壤鎘含量達(dá)到5mg/kg時(shí)，水稻籽粒中的鎘含量達(dá)到0.2640.337mg/kg，而上層土壤鎘達(dá)到10mg/kg時(shí)，籽粒中的鎘可高達(dá)0.4180.554mg/kg。據(jù)估計(jì)，人體中的重金屬鎘70%來(lái)自于食品中的蔬菜，而蔬菜作物及其可食用部分中積累的鎘主要來(lái)源于菜園土壤，部分來(lái)自灌溉

12、水2。3、造成畜禽糞便重金屬污染的主要因素 畜禽糞便造成重金屬污染的原因主要有兩個(gè)方面，一是飼料中過(guò)量添加銅、鋅、砷、鎘等微量元素；二是銅、鋅、砷、鎘等微量元素生物效價(jià)太低，導(dǎo)致畜禽糞便中重金屬元素含量增加。 微量元素作為酶的必需組分和激活劑，是維持動(dòng)物生命活動(dòng)和生長(zhǎng)發(fā)育的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，它在保證動(dòng)物體健康生長(zhǎng)和高效生產(chǎn)方面起著十分重要的作用。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，高銅可分別提高仔豬、生長(zhǎng)豬和肥育豬日增重22.1%、6.5%、3.6%，使豬肉中8種氨基酸含量提高6.61%,高鋅可以促進(jìn)仔豬的生長(zhǎng)。因此，一些飼料廠和養(yǎng)殖場(chǎng)向飼料中大量添加銅、鋅、砷等微量元素。目前我國(guó)尚未對(duì)飼料中Cu、Zn、As等重金屬含量作出限量標(biāo)準(zhǔn)，加拿大、美國(guó)飼料協(xié)會(huì)規(guī)定日糧中Cu的最大限量為125mg/kg，Zn的最大限量標(biāo)準(zhǔn)為500mg/kg21 ，而現(xiàn)階段我國(guó)豬日糧中銅(硫酸銅的形式)的添加量已經(jīng)達(dá)到150250mg/kg,鋅(氧化鋅的形式)的添加量則高達(dá)20003000mg/k