甄永康，顧亞蘭，王夢芝*，貢玉清，李佩真，徐 俊

（1.揚州大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚州 225009；2.江蘇省畜牧總站，江蘇南京 210036；3.江西省農(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與標準研究所，江西南昌 330000）

銅（Copper）是所有畜禽維持健康和生長發(fā)育所必需的微量元素之一，其參與體內(nèi)許多營養(yǎng)與代謝過程。銅具有加速紅細胞成熟形成血紅蛋白、維持被毛正常的顏色與亮度、參與骨骼形成、增強動物抵抗力和作為多種氧化酶、過氧化物歧化酶等輔酶部分等作用。此外，銅能夠加速動物生長發(fā)育，尤其對仔豬效果比較明顯。研究發(fā)現(xiàn)，在飼糧中添加200 mg/kg硫酸銅能夠提升仔豬的日采食量和平均日增重，降低耗料增重比。銅在動物體內(nèi)的主要吸收場所為小腸，吸收率較低，90%的銅會經(jīng)糞便排出體外。養(yǎng)殖戶長期以來在仔豬日糧中過量添加銅（普遍超過豬最大耐受量250 mg/kg），但這些銅未被仔豬利用而直接排出體外，造成了一系列問題，如豬銅中毒而生長受阻、引發(fā)貧血和繁殖障礙；高銅有機肥施肥的牧草被反芻動物采食后，容易引起溶血等疾??；同時，過量排放銅不僅造成資源浪費，還會使高銅在土壤中蓄積危害其他土壤和水生動植物健康，高銅排放的危害引起重視。近年來，國內(nèi)外關(guān)于銅的限量問題更新了相關(guān)政策，一些措施也能夠降低糞便中銅含量，本文綜合討論銅的促生長機理、限量標準、飼料銅添加與排放、減排與治理及微生物利用技術(shù)等，以期為畜牧生產(chǎn)中治理糞便銅污染提供參考。

1 銅對動物的促生長作用及機理

飼料銅源主要包括硫酸銅、堿式氯化銅、有機銅和螯合態(tài)銅等，不同形式銅鹽添加劑均有明顯的促進生長作用。銅對豬的促生長劑量為200 mg/kg以上，禽類為100～200 mg/kg，而反芻動物為25 mg/kg左右，某些超過了畜禽對銅的最大耐受量（表1）。對仔豬來說，銅促生長的機理為：①高銅刺激仔豬促生長激素相關(guān)因子的合成與分泌，加速機體生長；②高銅提高豬抗氧化酶活性，如谷胱甘肽過氧化物酶、超氧化物歧化酶等，增強機體的抗氧化與清除自由基能力；③高銅提高仔豬胃腸道內(nèi)胃蛋白酶、胰酶等各種消化酶活性，加速胃腸道蠕動，提高對飼料中粗蛋白、粗脂肪消化率，提高飼料轉(zhuǎn)化率；④高銅加速仔豬胃分泌胃酸，降低胃pH，抑制有害菌生長，提高有益菌活性，預(yù)防仔豬腹瀉，從而有益健康。有資料指出，飼喂母豬高銅日糧可以提高仔豬出生和斷奶時的體重。當(dāng)豬體重繼續(xù)增長時（60 kg以上），銅促生長作用逐漸減弱甚至停止，若繼續(xù)使用高銅可能會破壞豬腸道內(nèi)環(huán)境，造成銅中毒，生產(chǎn)中育肥中期階段應(yīng)適當(dāng)選用低銅日糧。

表1 不同動物對銅的最大耐受量[1]

對反芻動物來說，銅是瘤胃微生物繁殖的必需元素，羊日糧中添加不超過25 mg/kg的銅能提高消化率、促進生長、改善屠宰性能和肉品質(zhì)，若添加銅超過100 mg/kg會降低羊淋巴細胞數(shù)量和血液中紅細胞體積分布寬度，導(dǎo)致血液內(nèi)谷胱甘肽濃度降低，紅細胞脆性增大，甚至出現(xiàn)溶血的毒理作用。高銅對牛來說，能提高泌乳牛瘤胃乙酸含量，降低丙酸含量，提高乙酸與丙酸比值和瘤胃菌群相對豐度，促進瘤胃微生物降解纖維素，提高生產(chǎn)性能。

2 國內(nèi)外飼料添加劑中銅限量調(diào)整

2.1 我國飼料添加劑中銅限量調(diào)整 2018年1月20日，《飼料添加劑安全使用規(guī)范》新版發(fā)布，豬飼料中允許添加的銅限量進一步完善，同時2009年發(fā)布的舊版規(guī)范廢止。規(guī)范中修改了部分關(guān)于微量元素銅的限量標準，具體修改細則見表2。

表2 《飼料添加劑安全使用規(guī)范》微量元素銅的限量調(diào)整

新標準的修改如下：①舊標準允許30 kg內(nèi)的仔豬和60 kg內(nèi)的育肥豬飼料中添加高銅，而新標準只允許25 kg內(nèi)仔豬添加高銅；②舊標準中30 kg內(nèi)仔豬飼料最高允許銅添加量為200 mg/kg，60 kg內(nèi)的育肥豬最高允許量為150 mg/kg，大于60 kg的成年豬最高允許35 mg/kg銅，新標準只允許25 kg內(nèi)的仔豬使用不超過125 mg/kg的CuSO和110 mg/kg的Cu（OH）Cl；③Cu（OH）Cl的使用量較其他銅化合物得到擴大。

新規(guī)范的發(fā)布更加嚴格且精細控制了仔豬日糧中銅含量，對于養(yǎng)殖企業(yè)來說必須做出相應(yīng)的調(diào)整才能適應(yīng)新規(guī)范，在國家允許下進行養(yǎng)殖活動。據(jù)報導(dǎo)，Cu（OH）Cl的作用價值較高，大約是CuSO作用價值的1.1～1.3倍，仔豬日糧中若添加最高限量的Cu（OH）Cl，約110 mg/kg，其相當(dāng)于132～154 mg/kg CuSO的效果，選用Cu（OH）Cl替代CuSO一樣能得到促進仔豬生長作用。另外，新規(guī)范的發(fā)布體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)部門對養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境保護問題更加重視，也表明我國的環(huán)境保護發(fā)展形勢依然嚴峻，必須注重可持續(xù)發(fā)展與環(huán)境保護才能高效發(fā)展畜牧業(yè)。

2.2 歐盟飼料添加劑中銅限量調(diào)整 歐盟2018年7月在歐盟官方雜志公布的2018/1039號條例中說明了關(guān)于動物營養(yǎng)銅源的更改，具體細則如表3。

表3 歐盟關(guān)于動物營養(yǎng)銅源限量標準[19]

歐盟關(guān)于銅限量的新標準與國內(nèi)一樣，均在仔豬方面降低了銅的使用量且細分更加明確，我國關(guān)于仔豬飼料中CuSO限量“一刀切”，均為125 mg/kg，而歐盟標準中特殊允許了哺乳以及斷奶4周內(nèi)的仔豬使用150 mg/kg銅源，更加證明了高銅對于仔豬生長的促進作用是不可替代的。

因此，無論基于國內(nèi)還是歐盟標準，即使調(diào)整了銅限量，但是仔豬日糧中使用高銅的問題仍然存在，更存在部分小型企業(yè)對于標準的“偷工減料”現(xiàn)象，不能基于新標準的發(fā)布就認為生態(tài)問題已經(jīng)得到改善，從而放松生態(tài)環(huán)境保護，應(yīng)采取各種措施來最大化降低養(yǎng)殖業(yè)對環(huán)境的污染。

3 動物飼料銅添加與排放情況

3.1 動物日糧中高銅的添加與排泄情況 銅鹽飼料添加劑具有價格低廉、促增長效果顯著等優(yōu)點，在養(yǎng)殖業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。在新版《飼料添加劑安全使用規(guī)范》發(fā)布之前，仔豬日糧中銅的添加量普遍超過250 mg/kg，一些精飼料或添加劑中甚至超過1 000 mg/kg。可見，豬飼料中銅添加量已經(jīng)達到了高銅標準，90%的銅會隨著糞便排出體外，糞便中銅含量最低約40 mg/kg，最高甚至超過1 200 mg/kg。仔豬飼料中銅含量最多，其次為肥育豬和母豬，糞便中銅含量與此類似。在糞便中，銅分為5種主要形態(tài)，即鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、可互換態(tài)、有機態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和不溶物形態(tài)，銅在畜禽排泄物中的形式大多為鐵錳氧化物結(jié)合和有機態(tài)，其余的較少。同時，養(yǎng)殖場污水中的銅污染也不容小覷。衛(wèi)丹等調(diào)查的10家豬場沼液中銅含量為0.82～8.8 mg/L，遠超養(yǎng)殖污水排放限量0.5 mg/L；新《規(guī)范》發(fā)布后，高銅添加與排放情況得到較好的改善，但過量添加與排放的銅仍是養(yǎng)殖業(yè)銅污染最主要的來源。

查閱資料可知，我國不同地區(qū)牛、羊糞便中銅的排放量較豬糞而言含量較低。其中，羊糞中銅含量為26.8～45.7 mg/kg，牛糞中銅含量為23.8～55.5 mg/kg。另外，長期施用牛糞肥料的土壤中銅含量大約為18.8 mg/kg，牛精料補充料中銅含量大約為40.7 mg/kg。牛、羊糞中銅在土壤中的排放量較少，但不加以處理銅仍會長期在土壤中累積而造成危害。

3.2 動物糞便中銅過量排放的危害 糞便中過量的銅排放到土壤中，不僅會對土壤造成危害，而且對水源和動植物等都有較大影響。危害主要有：①會導(dǎo)致高銅在土壤中不斷蓄積，尤其是表層土壤，土壤中銅含量高于80 mg/kg會造成土壤板結(jié)而影響微生物活動；②施加高銅豬糞發(fā)酵成的有機肥料會導(dǎo)致銅在農(nóng)作物體內(nèi)蓄積產(chǎn)生危害；③糞便固液分離后部分可交換態(tài)的銅會儲存在污水中，如果不加以無害化處理直接排放，會對水生動植物造成危害，降低水體自凈能力，當(dāng)水中銅含量高于0.1～0.2 mg/L時，會有大量魚類死亡；④銅在豬日糧中長期過量添加會引起豬中毒反應(yīng)，造成豬嘔吐、肝硬化等疾病，同時還田后銅會經(jīng)過食物鏈進入其他動植物、人體內(nèi)，危害人體健康。新《規(guī)范》的發(fā)布從源頭上控制了高銅的添加量與添加形式，只有采取源頭控制與糞便高銅治理技術(shù)相結(jié)合，才能最大程度上減少其對環(huán)境的危害，緩解我國養(yǎng)殖高銅治理的壓力。

4 糞便高銅減排與治理技術(shù)

新《規(guī)范》發(fā)布后，飼料中高銅添加與排泄量均得到了較大程度的改善，真正做到了源頭減排。姜山等2020年測定山東地區(qū)畜禽糞便中金屬含量時發(fā)現(xiàn)，豬糞中銅含量為115.14 mg/kg，牛糞中銅僅0.44 mg/kg，為2009年豬糞銅含量的1/5左右（500 mg/kg計算）；徐國茂等對江西地區(qū)豬場重金屬含量測定發(fā)現(xiàn)，飼料銅含量為71.00 mg/kg，飲水銅含量為24.15 mg/kg，銅添加量遠低于標準，養(yǎng)殖企業(yè)合法合規(guī)地使用銅飼料添加劑產(chǎn)品，有序開展生產(chǎn)。但尿液銅含量為0.44 mg/kg，糞便銅含量為687.04 mg/kg，仍較高，原因可能是規(guī)?；B(yǎng)殖集約程度高、養(yǎng)殖密度大，導(dǎo)致豬采食飼料不均，豬采食過量而糞銅增加，或糞便長期堆積未清理而導(dǎo)致銅蓄積。因此，在源頭減排基礎(chǔ)上還需要結(jié)合糞銅治理技術(shù)。

目前，土壤和污水治理重金屬離子的方法大致分為：添加石灰、硫化鈉等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使銅析出；吸附、過濾、萃取和離子交換等物理法去除銅和生物吸附、修復(fù)處理銅等。糞便中高銅的處理技術(shù)相關(guān)研究較少，但其也是由土壤和污水處理法發(fā)展和改進而得到的一門技術(shù)。目前，使用較多的方法包括加熱固定法、化學(xué)改良劑修復(fù)法、化學(xué)瀝浸法和生物技術(shù)處理法等。

4.1 改良劑修復(fù)法 一些無毒的化學(xué)改良劑可以有效降低糞便堆肥發(fā)酵過程中某些金屬離子的生物有效性，如石灰石、海泡石、膨潤土、沸石等。劉浩榮等在糞便堆肥過程中添加了沸石、海泡石和膨潤土等改良劑，結(jié)果顯示，可交換態(tài)的銅較處理前分別下降了5.83%、6.09%和1.49%，可見海泡石用于鈍化效果最好，沸石次之，膨潤土效果最差；周穎等進一步采用改良的海泡石-赤泥作為糞便堆肥鈍化劑，當(dāng)海泡石添加量為5%時，銅殘渣明顯析出，可交換態(tài)銅的濃度較處理前下降了36.79%，堆肥后的產(chǎn)品作為生物有機肥，油菜對有機肥中銅的吸收率降低了約10%，效果較好。

4.2 化學(xué)瀝浸法 舒美惠等研究了糞便中的銅和鋅在使用低分子酸處理時的去除量，并優(yōu)化了濃度、時間和pH，結(jié)果表明，檸檬酸、草酸、酒石酸和蘋果酸均有一定的去除效果，其中草酸對銅的處理效果最高，去除率達59.85%，檸檬酸次之，為46.8%，同時檸檬酸對鋅的去除率高達82.35%?？梢?，檸檬酸對兩種金屬離子的去除效果最好。邢劍等的瀝浸試驗也得到類似的結(jié)論，其中草酸在pH為2時對銅的去除率為65.34%，鹽酸和硫酸在pH為1.5時對銅的去除率為55%，有機酸的瀝浸效果高于無機酸，由于仔豬糞便中銅濃度較高，使用化學(xué)瀝浸處理糞便中銅的效果不如育肥豬與母豬。

4.3 生物技術(shù)處理法 張美娜利用鼠尾藻吸附利用污水中的銅、鋅等離子，結(jié)果表明，不同重金屬離子達到最大去除率時，加入的鼠尾藻的量也有所不同，分別為：銅離子在加入13 g/L鼠尾藻時的去除率最高，約91%；鋅離子在加入10 g/L鼠尾藻時的去除率最高，約99%，試驗證明了鼠尾藻對銅混合重金屬具有較強的去除能力；王戰(zhàn)勇等以啤酒酵母為材料研究其對銅離子的利用，結(jié)果表明：在pH為4，銅離子濃度為100 mg/L，啤酒酵母添加量為1.0 g/L，溫度為25℃時，吸附2.5 h達到最高利用量，為91.82 mg/g干酵母，且紅外光譜分析表明主要是酵母細胞中的羧基與羥基發(fā)揮作用；另外，龍丹丹等的試驗也證明了產(chǎn)菌核米曲霉其菌絲體和菌核對銅離子具有很高的吸附力，且銅離子處理后導(dǎo)致米曲霉絲球和菌核之間空隙增大，表面積擴大，吸附利用率增大。

以上方法均能夠有效解決高銅排放問題，在生產(chǎn)中得到了實際運用，但也存在許多缺點，如使用化學(xué)改良劑鈍化只能短期內(nèi)降低銅的危害作用，無法解決銅一直蓄積的問題；化學(xué)瀝浸法對投加的化學(xué)藥劑有一定要求，避免其造成二次污染；生物瀝浸法中生物培養(yǎng)過程繁瑣等?？偟膩碚f，微生物處理法相關(guān)研究較新穎，微生物對銅進行吸附或生物轉(zhuǎn)化后，可將銅進一步解吸附而回收利用，更符合生態(tài)畜牧要求。

5 微生物去除銅及固定化技術(shù)研究現(xiàn)狀

細菌、真菌和藻類等微生物在一定含量范圍內(nèi)，可以針對銅或其他重金屬進行利用，從而達到去除目的，在工業(yè)、畜牧業(yè)土壤和污水污染防治中已得到較好利用。微生物利用銅技術(shù)最早由Rushhoft在1949年提出，常見的可以利用銅的微生物種類繁多，細菌類主要包括芽孢桿菌、大腸桿菌和假單胞菌等，真菌類包括酵母菌、米曲霉和黑曲霉等，藻類包括普通小球藻、褐藻等。除銅以外，鋅、錳、鎳、鎘、鉛和汞等其他重金屬也可以利用微生物去除。

5.1 微生物對銅的利用機理 微生物利用銅是一個復(fù)雜的過程，受各種代謝、過程條件和環(huán)境等因素影響。微生物對于銅的利用主要表現(xiàn)為2個方面，分別為微生物表面吸附和胞內(nèi)聚集。表面吸附是指微生物細胞表面含有可以鍵合銅離子的活性官能團（如羥基、氨基和巰基等），官能團與銅產(chǎn)生螯合反應(yīng)而利用；胞內(nèi)聚集是指活性微生物通過主動運輸作用將細胞表面的銅離子轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)，從而大量聚集。細菌方面，其含有的肽聚糖和磷酸壁主要發(fā)揮吸附和利用雙重作用。真菌方面，真菌細胞壁上的帶負電荷的官能團使得細胞壁表面呈負電性，通過離子交換和靜電吸附而結(jié)合銅離子。藻類方面，藻類細胞壁上的果膠、木聚糖等都具有結(jié)合銅離子的能力。

5.2 微生物利用銅的影響因素 由于不同微生物細胞結(jié)構(gòu)差異大且成分復(fù)雜，不同的微生物類型、利用環(huán)境、銅含量、土著菌作用以及其他離子對銅抑制等因素會導(dǎo)致不同的微生物吸附率不同，利用銅的參數(shù)也不一致。影響因素大致分為菌種因素、重金屬因素和環(huán)境因素3方面：菌種因素主要包括使用的菌種種類、投加量、前處理（菌種洗滌、活化和酸、堿處理等）和過程處理（直接投加或使用包埋材料固定）等；重金屬因素包括金屬的種類、初始濃度、共存離子（混合金屬離子可能存在競爭抑制作用）；環(huán)境因素包括pH（pH會影響菌種生化特性、離子物理性質(zhì)等）、溫度（溫度高會導(dǎo)致微生物利用時能量消耗增大）、利用介質(zhì)（液體環(huán)境或糞便、土壤中等）。因此，不同因素會導(dǎo)致利用機理不同，利用率也有所不同。整體而言，真菌由于其具有帶負電荷的官能團、羧基和羥基、菌絲、菌核和孢子等，利用效率較高。

5.3 微生物固定化吸附方法 微生物具有體積微小、數(shù)量大、處于游離狀態(tài)和生物活性強等特點，因此，菌種往往難以固定。尋找合適的包被材料對其包被后，游離的微生物被固定在特定的空間內(nèi)，既能保持生物活性，又能便于銅的吸附和解析附，從而提高利用效率。近年來，微生物固定化吸附劑成為研究熱點，常見的包埋材料包括海藻酸鈉（SA）、聚乙烯醇（PVC）、聚氧化乙烯（PEO）、瓊脂和海藻酸鈣等，或混合2種及以上制作復(fù)合包埋材料，其中以海藻酸鈉混合其他包埋材料研究較深入，合適的包埋材料固定菌種后單位面積菌種生物量增大，銅利用率也會有所提升。朱一民等直接采用海藻酸鈉吸附銅，在pH為6.0、溫度為30℃時，每克海藻酸鈉最高可以吸附140～150 mg銅，在銅含量為800 mg/L時可去除81%的銅，在銅含量為40 mg/L時可去除99%的銅，可見該材料本身便對銅離子具有較高的吸附作用。

此外，通過在海藻酸鈉中包埋一定的材料，如微生物、活性炭等，或進行改性，其對銅利用率會有所提升。吳昊等使用海藻酸鈉、聚氧化乙烯為原料，活性炭為包埋物制作吸附顆粒，連續(xù)3 d測定其對銅的去除率，最高達95.57%。杜淑雯等使用海藻酸鈉為原料，廢棄淤泥生物質(zhì)炭（SC）為包埋物制備吸附劑，最高可去除98.7%的銅。大量新型材料直接吸附銅也有較高的研究熱度，如李林波等將氧化石墨烯/改性磁性殼聚糖復(fù)合制成吸附劑，對100 mL、50 mg/L銅離子體系下的吸附量高達70.3 mg/g；李靜等制備磁性納米復(fù)合吸附劑PFM（PAM＠FeO/MnO），對銅吸附率達97%，效果顯著。上述吸附劑均具有復(fù)合材料、納米級、磁性、機械強度高等特點，與菌種進行混合包被，吸附效率會提高，進一步加強到糞便、土壤中推廣高銅利用，應(yīng)用前景廣泛。

6 結(jié) 語

當(dāng)前，無抗、低排、生態(tài)化養(yǎng)殖已成為主流。在養(yǎng)殖過程中，遵守國家標準，采取一系列綜合處理措施才能合理處理糞便中的高銅排放問題。只有從源頭上限銅減排、開發(fā)低銅飼料添加劑與高銅替代物、采用良好的畜禽飼養(yǎng)管理、使用鈍化和瀝浸法，或利用包埋材料制成的生物吸附劑處理銅，使其達到國家允許排放及制作有機肥的標準，才能最大化減少高銅危害，發(fā)展生態(tài)畜牧。微生物銅吸附劑吸附利用效率較高、制作簡便，符合生態(tài)化理念，具有一定的利用前景。