畜禽养殖废弃物重金属铜的污染治理及循环利用.pdf

'广东农业科学2011年第17期127畜禽养殖废弃物重金属铜的污染治理及循环利用敖子强，熊继海，王顺发，吴永明，桂双林（江西省科学院能源研究所，江西南昌330029）摘要：利用对重金属吸收转化能力强的富集植物李氏禾（LeerisiaOrygidesL.）、凤眼莲﹝Eichhorniacrassipes（Mart.）Solms﹞、鸭跖草（SetcreaseapurpureaBoom）、酸模（RumexacetosaL.）等构建人工湿地吸收畜禽养殖废弃物中的重金属铜，并将其重新作为饲料添加剂从而循环利用废弃物中的铜，同时也可以防止因重金属铜的迁移扩散而造成的更大范围的污染。关键词：饲料添加剂；重金属污染；植物吸收；迁移扩散中图分类号：X5文献标识码：A文章编号：1004-874X(2011)17-0127-03PollutioncontrolandrecyclingofcopperinthelivestockwasteAOZi-qiang,XIONGJi-hai,WANGShun-fa,WUYong-ming,GUIShuang-lin（ResearchInstituteofEnergyResources,JiangxiAcademyofSciences,Nanchang330029,China）Abstract:Artificialwetlandswereconstructedtoabsorbtheheavymetalsofwastewaterforcontrollingeffectivelythemigrationanddiffusionofcopperinthelivestockandpoultrywaste.LeerisiaOrygidesL.,Eichhorniacrassipes（Mart.）SolmsSetcreaseapurpureaBoomandRumexacetosaL.wereselectedtoabsorbandtransformtheheavymetals.Thiscouldrecycledandreusedcopperinthewasteasfeedadditiveandcouldavoidedthemigrationanddiffusionofcoppertopollutethewiderrange.Keywords:feedadditive;heavymetalpollution;absorptionofplants;migrationanddiffusion近几十年来，随着工农业生产的快速发展，铜的用途紧迫的任务。越来越广泛，用量也迅速增加。铜矿的过度开采，农业生1畜禽养殖重金属铜污染的来源产上含铜杀菌剂的大量使用及工业生产中含铜污染物的大量排放，使得生态系统中铜污染程度不断加重，铜污染铜是动物必需的微量元素之一，具有促进新陈代谢[1]已成为世界性问题。据国家农业部《农业生物质能产业和生长繁殖、维持生产性能、促进机体造血、增强机体抵发展规划（2007—2015年）》，全国现有猪、牛、鸡三大类畜抗力等作用，高铜在改善饲料营养物质的消化吸收、抵抗禽规模化养殖场约391万处，其中各类畜禽规模化养殖微生物、促进生长素的分泌、使采食量增加等方面具有不小区已达4万多个。预计到2015年，我国规模化养殖场可估量的作用，当铜缺乏时可引发多种动物疾病的发生，[2]畜禽粪便资源的实物量将达到32.5亿t。规模化、集约化因此铜元素在饲料中是必需添加的微量元素之一。在猪饲养的同时全价颗粒饲料也得到了迅速推广普及，一些的饲养标准中一般规定每千克饲粮含铜4～6mg，高剂量具有促生长、抗病菌的特殊功效的饲料也日渐增多，如高铜的添加量是正常量的20～40倍，国内外许多试验研究剂量铜元素由于具有提高生长速度和饲料利用率的功表明，饲粮中添加150～250mg/kg铜（以硫酸铜作为铜效，在动物饲养中的应用也日趋广泛。但随之也带来了一[3]源）有促进仔猪生长和提高饲料利用率的效果。目前，在系列的问题，许多未被畜禽吸收的高铜元素积累在畜禽猪饲粮中添加高剂量铜已在畜牧业生产中得到广泛的认粪便中被排放到土壤和水体中，不仅污染水体、土壤等周可和应用。[3-4]边环境，也通过食物链进入人体，影响人类的健康。在我国的饲料行业需要在饲料中添加铜来弥补一些植环境污染日趋严重、饲料资源日趋紧缺的情况下，如何合物原料中含铜不足的问题，若按正常生理需要量来添加，理有效地使用饲料添加剂来提高动物的饲料利用率，降以配合饲料含6mg/kg计算，仅2004年上半年全国猪配低畜禽养殖对环境的污染，提高畜禽产品的品质，是当前合饲料产量达1063万t，猪浓缩饲料410万t，猪添加剂畜牧业所面临的重要难题。另外，如何生产绿色畜禽产预混料59万t，则需要铜609t，而实际生产中却是高剂品、减少畜禽养殖对环境的污染已越来越引起世界各国量添加，若按配合饲料添加200mg/kg计算，则2004年的重视。因此，大力加强畜禽养殖废弃物重金属的调控以上半年需铜量为1.5万t。两者用量之差相当大，铜的促及寻求经济有效的循环利用方法，已成为当前一个十分生长作用主要在猪的生长前期（15～40kg）起作用，生长后期几乎无作用，而目前的养猪业几乎全程使用，且由于收稿日期：2011-07-07铜经动物消化道排泄后不能回收利用，这无疑是一种资基金项目：江西省科学院引进博士项目；国家农业科技成果转[4]源浪费。化基金项目（2006GB2C500156）；国家科技支撑计划重点项目（2007天然饲料和动物体内的微量元素都是与有机配位体BAB23C02）作者简介：敖子强（1975-），男，博士，助理研究员，E-mail：aozi结合的络合物（包括螯合物），而无机态的微量元素在动物qiang6282163.com肠道内必须先与有机配位体结合，才能被更好地吸收。一 128般情况下断奶仔猪对铜的表观吸收率为10%～20%，成年况制定饲料行业标准，降低铜的使用剂量，同时严格按照动物的吸收率一般不高于5%～10%，而被吸收的铜又有畜禽的生长阶段进行添加，如加拿大国家饲料协会已将[3]60%～80%随胆汁排入消化道，猪对胆汁铜的利用率极低，日粮中铜和锌的最大限量分别规定为125、500mg/kg。[4][5]绝大部分铜最终排出体外。据钱莘莘报道，饲养期内粪3.2构建人工湿地，利用富集植物修复铜污染铜与日粮中添加的铜量有密切关系，添加量越多，排泄量土壤和水体重金属污染是重要的环境问题，过多的铜越大；在饲养3个月内粪铜的排泄量逐渐增加，90d时为排放于土壤和水体中，造成土壤板结肥力下降和水生生物[6]高峰值，之后逐渐下降，粪铜下降，体铜升高。关受江等死亡。采用物理或化学的传统治理方法，费用高且效果不报道，高铜（150、200、250和300mg/kg）日粮猪通过粪便明显。研究发现禾本科、鸭跖草科、雨久花科、蓼科等植物每日排出的铜分别占食入量的98.95%、97.86%、87.30%对土壤中的铜元素具有积累和富集的能力。这些植物在[4]和96.06%。综上所述，畜禽养殖废弃物由于饲料中添加我国不但分布广泛，生长较快，而且生物种群大，因其具有[3]高铜易导致潜在的重金属铜污染。成本低廉、操作技术简单等优点而倍受青睐。目前植物修复尚处于摸索阶段，大范围的工程应用较少，但对其富2重金属铜污染的危害集铜的机理和规律以及对铜污染植物的根际过程和机理畜禽养殖废弃地的铜污染一方面造成资源浪费，微量已经进行了大量的研究。研究已初步形成了铜污染土壤元素铜在消化道吸收率低，高剂量时更低。试验表明：断植物修复的技术体系，田间示范研究的结果表明利用植物[8]奶仔猪消化率为5%～10%，成年动物一般也不高于5%～修复手段治理重金属污染土壤是完全可行的。重金属铜10%。猪饲喂高剂量的铜（250mg/kgCuSO4）从粪便中排富集植物的使用能够吸收人工湿地土壤中的铜，同时又可出的铜量是对照组的14倍，铜通过粪便进一步浓缩，浓度以做为饲料的添加剂，减少畜禽养殖成本，促进畜禽养殖可达700～1000mg/kg，在铜价日趋上涨的今天，造成饲业朝着健康良性的方向发展。料成本的不断上涨和可利用资源的极大浪费。另一方面通过植物的根系直接将大量的污染元素吸收到植物造成环境污染。铜是不可降解物质，日粮中的铜经机体代体中从而修复被污染的土壤，这种技术在土壤污染治理方谢后有90%以上随粪便排出体外，造成资源浪费的同时面具有极大的潜力，己引起广泛的关注。目前，世界上已发也严重污染了环境。长期使用高铜粪肥施肥，将导致土壤现400多种超富集植物以及更多的重金属耐性植物和富和水中铜的长期蓄积，从而对植物产生毒害作用，严重影集植物。李氏禾、凤眼莲、鸭跖草、酸模等表现出较强的蓄响植物的生长发育，以至减产。含高浓度微量元素的动物积铜的潜力，这些植物能够适应湿地生长并且对铜污染的[8]粪便一旦污染水源，可降低水的自净能力，使水质恶化、水土壤中的重金属铜起到吸附固定的作用，因此可用作湿[3]地植物吸收转化畜禽养殖废弃物中的铜，从而减少重金属生生物死亡。铜是植物生长必需的微量元素，其参与多种酶的合铜污染。成，植物根对铜的吸收似乎是被动的，当铜被特殊载体搬凤眼莲，俗称洋水仙、水葫芦，属雨久花科，多年水生移时，植物对铜的吸收过程就变成主动过程。铜可以有机草本植物，原产南美，于20世纪30年代作为畜禽饲料引铜络合物的形式被植物吸收。由于铜被植物根细胞吸收，入我国。凤眼莲有发达的须根和根毛，叶肉肥厚，具有喜低铜土壤的植物常常出现缺铜症状。铜可在植物的木质暖怕冷、喜肥怕瘦、喜光怕阴的特性，繁殖速度快、耐污性部和韧皮部中搬运，并与氨基酸产生络合作用。最常见的强，在污染水体中的生长速度为天然水体中的两倍，被认植物铜中毒症状有：生长减缓、根系发育差、叶片萎黄。铜为是一种高效、廉价的污水净化植物，对消除污染、改善[9]最基本的毒性效应是它可以干扰植物根系酶功能，并影和提高水质等具有重大意义。在凤眼莲对重金属的富[7]集作用中根部的贡献远大于茎叶部，根部对重金属的吸响植物光合作用和脂肪酸的合成。如果施用高铜猪粪有机肥，不但对土壤造成污染，而且影响农作物的生长和品收、吸附量是茎叶部的几十至几百倍，根部对重金属的富质。集作用除重金属大量被根部吸收外，吸附也占了很大比[9]例。凤眼莲根系的吸附能力非常强，在pH为3.5～5.5的3重金属铜污染的防治对策2+[10]范围内，凤眼莲对Cu的饱和吸附量为35600mg/kg，3.1减少饲料铜的添加量用于处理含铜590mg/L、铅300mg/L、铬250mg/L和汞[11]在饲料中添加高剂量铜、锌可以促进采食及机体的750mg/L的废水时，其植株未出现中毒症状。它对重金生长，但机理仍不明确。据Bruade等进行的大量试验报属亦有较强的富集作用，可净化的重金属有Cu、Zn、Cr、[12][13]道和我国学者的研究表明，高铜的促生产作用仅在猪的Cd、Pb、As、Hg、Ag等。Mehra等研究表明，凤眼莲能够[14]生长前期较为明显，对生长后期几乎没有作用。在实际饲吸收除Co、Al、Fe外几乎所有的金属元素。Zhu等指出2+2+养条件下，日粮含铜为6mg/kg时就可以满足哺乳仔猪凤眼莲富集痕量金属Cd、Cu等具有良好的效果。对铜的需要，日粮低于3mg/kg时才不利于仔猪的生长酸模（Rumexacetosa）为多年生草本植物，广泛分布发育。美国现行的生长猪日粮中铜的含量大约为25于我国各地山坡、路边、荒地或沟谷溪边，是长江中下游铜mg/kg，一般认为，猪饲料中铜的含量应按照从小猪到生矿区的优势植物。酸模根系深达1.5～2.0m，在冬季结冰条长肥育猪后期逐渐降低的方法来设计。因而根据实际情件下仍可保持较强的生命力，可作为冬季低温季节污染修 129复的优势种[15]。酸模是一种典型的金属型植物，常在铜矿[4]李佳,解鹏.饲料添加高铜的利弊及取代高铜的策略[J].中国畜牧和富铜的多种金属矿区自然分布，能耐受或富集Cu、Pb、兽医,2006,33(1):6-9.[5]钱莘莘.高铜在组织中残留及排泄规律的研究[J].中国畜牧杂志,Zn等多种重金属。同时酸模根系发达、生长快、种子易收[16]1998,34(3):36-37.集、繁殖容易，生物量相对较大，株高可达1~1.2m。姜[6]关受江,田有庆,胡明照.高铜添加剂对猪生长和屠体的影响[J].[17]理英等在铜含量最高点即诸暨矿区发现酸模体内铜含动物营养学报,1995,7(3):64.量为1006mg/kg（干重）。[7]唐世荣.污染环境植物修复的原理与方法[M].北京:科学出版社,李氏禾（LeersiahexandraSwartz）又名秕壳草，繁殖非2006:40-41.常迅速，且可高密度生长，单位面积生物量大，适合生长[8]李松岩.猪饲料中高剂量的铜锌对环境的影响及其控制[D].江苏:于潮湿和水生环境中，为重金属污染的土壤和水体的修南京农业大学,2005.复提供了优良的种质资源。李氏禾对铜有很强的富集能[9]达良俊,陈鸣.凤眼莲不同部位对重金属的吸收、吸附作用研究[J].力，叶中铜的平均质量分数为1717.85mg/kg，根和茎中上海环境科学,2003,22(11):765-767.[10]张永奇,张显万.凤眼莲对铜离子的生物吸附研究[J].中国稀土学铜的平均质量分数为533.42mg/kg，叶中铜的质量分数与报,2004,22（Z1）:472-475.水和淤泥中铜的质量分数之比分别为291.88和14.01，表[11]许德芝.凤眼莲在不同种类的污水甲中吸附能力的研究[J].贵州明李氏禾为铜污染的水体和土壤的修复提供了一种新的环保科技,1995(1):20-21.[18]具有潜力的物种资源。[12]蔡青,雷泽湘,胡宏伟,等.凤眼莲净化含铜废水的效果研究[J].长鸭跖草（CommelinacommunisL.）俗称蓝花草、三角江大学学报,2009,6(2):69-71.菜、竹叶草、蝴蝶花等，属鸭跖草科1年生草本植物。鸭跖[13]MehraA,FaragoME,BanezjeeDK.AstudyEichhrnia草生长繁茂、多分枝，节部着地即能生根，因此其对环境crassipesgrowingintheoverbankandfloodplainsoilsofthe的适应能力极强，喜湿、耐旱，其生物量较大，且能在铜矿riverYamunainDelhi,India[J].EnvironmentalMonitoringand[19]Assessment,2000,60:25-45.区或铜污染的土壤上正常生长。有研究表明，鸭跖草能[14]ZhuYL,ZayedAM,QianJH,etal.Phytoaccumulationof吸收和积累相当高浓度的铜，被认为是一种可应用于重traceelementsbywetlandplants:II.waterhyacinth[J].Journal[20-22]金属铜污染土壤修复的植物。ofEnvironmentalQuality,1999,28:339-344.4结语[15]何闪英,高永杰,申屠佳丽,等.铜和模拟酸雨复合胁迫对酸模铜富集、生长及抗氧化酶系统的影响[J].应用生态学报,2011,22(2):铜是动植物生长的必需元素，由于饲料作物中铜481-487.的含量不能满足畜禽养殖的要求，铜作为饲料添加剂[16]张军,陈功锡,杨兵,等.麻阳铜矿植被组成特征及优势种植物铜使用时，处理不当易导致重金属铜污染。利用人工湿地含量[J].生态学杂志,2010,29(12):2358-2364.[17]姜理英,石伟勇,杨肖娥,等.铜矿区超积累Cu植物的研究[J].应用结合铜的富集植物李氏禾、凤眼莲、鸭跖草、酸模等吸生态学报,2002,13(7):906-908.收转化畜禽养殖废弃物中的铜，不仅可以防止因重金[18]刘杰,孙家君,王敦球,等.有机酸对铬超富集植物李氏禾吸收Cu属铜迁移扩散而带来的更大范围的污染，还可以重新的影响[J].生态环境2008,17(2):641-645.利用植物中的铜作为饲料添加剂，节约了成本，增加了[19]黄春艳,付迎春,王宇,等.鸭跖草生物学特性初步研究[J].杂草科经济效益。学,2002（1）:18-20.参考文献：[20]束文圣,杨开颜,张志权,等.湖北铜绿山古铜矿冶炼渣植被与优势植物的重金属含量研究[J].应用与环境生物学报,2001,7(1):7-[1]张文韬,黄保健,郭世荣,等.铜对空心菜光合作用及保护酶活性12.的影响[J].江苏农业学报,2010,26(2):303-307.[21]刘小红,薛艳,周东美,等.矿区Cu耐性植物研究初探[J].农业环境[2]农业部.农业生物质能产业发展规划(2007—2015年)[R].2007:4-科学学报,2005,24(1):50-54.28.[22]田胜尼,彭少麟,张玉琼,等.铜胁迫对鸭跖草的生长及生理特性[3]段有刚,施杏芬,朱五文,等.猪饲料中添加高铜的危害及控制对的影响[J].中国农学通报,2009,25(9):144-147.策[J].畜牧兽医科技信息,2006（8）:91-92.'