河北省规模肉鸭场粪污重金属和抗生素调查分析

2021-03-15马金智朱志平卢连水张万钦薛鹏英江旭东

农业环境科学学报 2021年2期

马金智，朱志平*，卢连水，张万钦，薛鹏英，江旭东

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京100081;2.河北东风养殖有限公司,河北沧州062350）

随着畜禽养殖产业结构的调整，我国肉鸭养殖规模逐渐朝着规模化、集约化发展。2019年世界肉鸭出栏量约64.42亿只，中国大陆肉鸭出栏质量占全球比重约68%[1]。如此大规模的肉鸭养殖势必会产生大量粪污。晏婷等[2]通过监测肉鸭4个季节的粪污排放特征，得出生长期内一只肉鸭平均产粪量为314.7 g·d−1。按出栏一只肉鸭饲养周期42 d[3]计算,仅2019年我国肉鸭粪污产生量达到0.58亿t。肉鸭粪污中存在着丰富的N、P、K等营养元素以及重金属和抗生素等污染物质[4−6]，具备资源利用价值与污染环境双重特质。若没有得到合理的处理利用，会造成环境污染、制约肉鸭产业的发展。目前，我国畜禽养殖废弃物研究主要集中在猪、鸡、牛[7−10]等几种主要畜禽上，对于肉鸭养殖废弃物研究较少，尤其是肉鸭粪污中重金属与抗生素的污染特征鲜有报道。因此，有必要对肉鸭粪污中重金属与抗生素排放状况进行调查，为肉鸭粪污科学处理和安全还田利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

肉鸭粪污中重金属与抗生素的排放可能与生长季节、养殖方式、饲料摄入有关。因此，以生长后期的北京鸭为研究对象，采样地点为河北省肉鸭养殖主产县——献县和肃宁县的典型规模化肉鸭养殖场。于2019年8月（夏季）和10月（秋季）定点监测献县的8家规模化肉鸭养殖场饲料和粪污样品中重金属含量，并于2020年4月在肃宁县按不同养殖方式[11]采集17家规模化肉鸭养殖场（包含地面养殖4家、垫料养殖5家、网上平养8家）的粪污，分析重金属与抗生素含量。

地面养殖和垫料养殖为肉鸭直接与地面、垫料接触的养殖模式，饲养密度为3～4只·m−2；网上平养为在距地面一定高度搭建网架床，使得肉鸭与粪便不接触的养殖模式，饲养密度为4～5只·m−2；各采样点的饲料均为养殖场从饲料厂购买的全价饲料。饲料样品直接从养殖场采样，低温密闭贮存，粪污样品的采集、运输、制备、保存依据《畜禽粪污监测技术规范》（GB/T 25169—2010）标准执行。

1.2 检测内容

检测不同季节肉鸭饲料与粪污中重金属，及不同养殖方式下肉鸭粪污中重金属与抗生素。重金属包括Cu、Zn、As、Pb、Cd、Cr。抗生素包括四环素类（四环素、多西环素、金霉素、土霉素）、磺胺类（磺胺嘧啶、磺胺脒、磺胺间甲氧嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺间二甲氧嘧啶、磺胺对甲氧嘧啶、磺胺甲噁唑）、大环内酯类（泰勒菌素、红霉素）、喹诺酮类（环丙沙星、氧氟沙星、诺氟沙星、恩诺沙星）总计17种抗生素。

1.3 检测方法

重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr采用HNO3−HClO4消解−原子吸收分光光度法测定，As采用原子荧光光度法测定，设置5%的平行样和标准样品GSV−2进行质量控制[12]。抗生素采用液相色谱−串联质谱法[13]测定，质量控制采取空白样、平行样、标准物质控制法。

1.4 数据处理

使用Microsoft Office Excel 2019进行数据处理并作图，试验结果用“平均值±标准差”表示。采用IBM SPSSStatistics 25.0进行显著性检验和相关性分析，以P＜0.01表示差异极显著，P＜0.05作为差异显著性判断标准。

表1 不同季节肉鸭饲料中重金属含量（mg·kg−1）Table 1 Heavy metals content of meat duck feed in different seasons（mg·kg−1）

2 结果与分析

2.1 不同季节肉鸭饲料和粪污中重金属含量变化特征

2.1.1 不同季节肉鸭饲料重金属含量特征

肉鸭饲料中重金属含量测定结果见表1。肉鸭饲料中各项重金属含量分布差异较大，以Cu、Zn为主，As、Pb、Cr、Cd的含量较低，分布呈现出Zn＞Cu＞Cr＞Pb＞As＞Cd的规律。饲料Cu、Zn的含量夏季分别为（15.18±19.79）mg·kg−1和（20.89±3.79）mg·kg−1，秋季分别为（8.88±2.32）mg·kg−1和（99.86±12.33）mg·kg−1。对肉鸭饲料中重金属进行整体分析，饲料中Cu、Zn含量占饲料重金属总量的16%、82%。对不同季节肉鸭饲料中重金属进行方差分析，秋季饲料Zn含量极显著高于夏季（P＜0.01）。依据《饲料卫生标准》（GB 13078—2017）中As、Pb、Cd、Cr的限量标准分别为2、5、0.5、5 mg·kg−1，本研究所有样品的As、Pb、Cd、Cr均未超标。依据我国农业部2625号公告，Cu、Zn限量标准分别为25、120 mg·kg−1，本试验仅夏季有12.5%的样品Cu超标，其余样品均未超标。

2.1.2 不同季节肉鸭粪污中重金属含量特征

不同季节肉鸭粪污中重金属含量测定结果见表2。不同季节肉鸭粪污中各项重金属含量分布与饲料呈现相一致的规律。粪污中各项重金属含量之间存在较大差异，以Cu、Zn为主，粪污Cu、Zn含量夏季分别为（73.18±8.58）mg·kg−1和（115.01±17.50）mg·kg−1，分别占夏季重金属总排放量的36%、57%；秋季分别为（62.05±7.58）mg·kg−1和（538.75±97.75）mg·kg−1，分别占秋季重金属总排放量的10%、87%。不同季节重金属排放量呈现夏季小于秋季的特点。对肉鸭粪污中重金属进行整体分析，粪污中Cu、Zn含量占粪污中重金属总量的16%、80%。对不同季节肉鸭粪污中重金属进行方差分析，夏季粪污Cu含量显著高于秋季（P＜0.05）,而秋季粪污中Zn含量是夏季Zn含量的4.66倍，极显著高于夏季（P＜0.01）。依据《有机肥料标准》（NY 525—2012），As、Pb、Cd、Cr的限量标准分别为15、50、3、150 mg·kg−1，不同季节肉鸭粪污中重金属均未超标。《德国腐熟堆肥重金属限量标准》中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr的限量标准分别为100、400、150、1.5、100 mg·kg−1，依据此标准，秋季粪污Zn有87.5%超标。

表2 不同季节肉鸭粪污中重金属含量（mg·kg−1）Table 2 Heavy metals content in duck manure in different seasons（mg·kg−1）

2.1.3 不同季节肉鸭饲料与粪污中重金属的相关性与累积系数分析

对不同季节肉鸭饲料与粪污中重金属的相关性进行分析，肉鸭饲料与粪污中Zn呈极显著正相关（r=0.96，P＜0.01），即饲料中Zn的含量越多，粪污中Zn残留量越多，Cu、Cr、As、Pb无显著相关性（P＞0.05），Cd因在饲料中未检出故也不具备相关性。将粪污中某种重金属的质量分数除以对应饲料中该种重金属质量分数记为累积系数，Cu、Zn、As、Pb、Cd、Cr的累积系数分别为1.34～12.06、3.59～8.12、0～5.67、1.43～38.00、0、2.15～13.50。由累积系数知饲料中各项重金属经肉鸭体内排出均出现了不同程度的累积。

2.2 不同养殖方式肉鸭粪污中重金属及抗生素含量特征

2.2.1 不同养殖方式肉鸭粪污中重金属含量特征

从表3可见，不同养殖方式下肉鸭粪污中重金属含量特征呈现出与不同季节相一致的规律，以Cu、Zn为主。地面养殖Cu、Zn含量分别为（102.95±18.53）mg·kg−1和（435.75±270.94）mg·kg−1，分别占地面养殖重金属总排放量的18%、77%；垫料养殖Cu、Zn含量分别为（112.00±22.44）mg·kg−1和（303.60±81.64）mg·kg−1，分别占垫料养殖重金属总排放量的24%、66%；网上平养Cu、Zn含量分别为（95.60±41.36）mg·kg−1和（577.13±161.42）mg·kg−1，分别占网上平养重金属总排放量的13%、78%。对不同养殖方式肉鸭粪污中重金属进行方差分析，网上平养的Zn含量显著高于垫料养殖（P＜0.05）,地面养殖的As含量显著高于网上平养（P＜0.05）。依据《有机肥料标准》（NY 525—2012），As、Pb、Cd、Cr的限量标准分别为15、50、3、150 mg·kg−1，不同养殖方式下肉鸭粪污中重金属均未超标。依据《德国腐熟堆肥重金属限量标准》,Cu、Zn、Pb、Cd、Cr的限量标准分别为100、400、150、1.5、100 mg·kg−1，地面养殖粪污Cu有50%超标、Zn有25%超标，垫料养殖粪污Cu有60%超标、Zn有20%超标，网上平养粪污Cu有50%超标、Zn有88%超标、Cr有25%超标。

2.2.2 不同养殖方式肉鸭粪污中抗生素含量特征

不同养殖方式肉鸭粪污中抗生素含量见表4，由表可知3种养殖方式下肉鸭粪污中8种磺胺类抗生素与2种大环内酯类抗生素均未检出。四环素类中的四环素在地面养殖、垫料养殖、网上平养的含量分别为0.43、0.32、0.43 ng·g−1，检出率依次是100%、60%、37.5%。多西环素与土霉素仅地面养殖检测到，分别为0.45、45.22 ng·g−1，检出率均为100%。金霉素仅网上平养检测到，含量为16.03 ng·g−1，检出率为12.5%。喹诺酮类中的环丙沙星在地面养殖、垫料养殖、网上平养的含量分别为2.62、0.71、0.33 ng·g−1，检出率均为100%。喹诺酮类中的氧氟沙星在地面养殖、垫料养殖、网上平养的含量分别为10.00、10.96、9.69 ng·g−1，检出率依次为100%、40%、87.5%。喹诺酮类中的诺氟沙星仅网上平养中检测出，含量为4.42 ng·g−1，检出率为25%。喹诺酮类中的恩诺沙星在地面养殖、垫料养殖、网上平养的含量分别为12.02、0.76、0.70 ng·g−1，检出率依次为100%、80%、75%。肉鸭粪污中四环素类和喹诺酮类含量分别占全部抗生素含量的55%和45%，对肉鸭粪污中抗生素进行方差分析，地面养殖中的环丙沙星和恩诺沙星分别与垫料养殖和网上平养的环丙沙星和恩诺沙星存在显著性差异（P＜0.05）。

表3 不同养殖方式肉鸭粪污中重金属含量（mg·kg−1）Table 3 Heavy metals content in duck manure from different breeding modes（mg·kg−1）

表4 不同养殖方式下肉鸭粪污中抗生素含量Table 4 Antibiotic content in manure of meat duck under different breeding modes

3 讨论

饲料是畜禽生长过程中获得营养物质的必经途径，其中的微量元素是维持生命代谢和生长所必需的物质[14]，本研究中肉鸭饲料和粪污中重金属含量呈现以Cu、Zn为主的特点，与单英杰等[15]研究一致，且肉鸭粪污中存在Cu、Zn、Cr超标现象，与茹淑华等[16]对河北省猪、鸡、牛粪中重金属含量调查研究得出重金属超标前3位的是Cu、Zn、Cr相一致，分析产生的原因是Cu、Zn是动物生长必需的微量元素，能促进动物的生长发育[17]，Cr能改善胴体的品质[18]，因此，为了促进肉鸭的生长，动物饲料中会对Cu、Zn、Cr的添加有所偏重，但只有少部分被动物吸收，绝大多数会随着粪污排出到动物体外[19]，从而导致肉鸭粪污中Cu、Zn含量较高且存在Cu、Zn、Cr超标的现象。因此，肉鸭粪污还田，需根据施用环境和处理方式，防止相关重金属累积造成超限的问题。对肉鸭饲料和粪污中重金属进行相关性分析，饲料与粪污中Zn呈正相关关系，这与洑琴等[20]对肉鸭的研究结果相一致，Cd在饲料中未检出却在粪污中出现了累积，在统计学上不具备相关性，这与Wang等[21]研究结果一致，分析Cd在粪污中出现累积的可能原因是来源于高Cd补充剂[22]。秋季肉鸭饲料中Zn含量极显著高于夏季（P＜0.01），分析原因是饲料中添加适量的Zn可以提高动物的采食量和日增体质量，夏季气温高，肉鸭容易产生热应激，采食量和日增体质量都会下降，而秋季环境温度适宜，适度提高肉鸭饲料的Zn可以提高采食量，从而实现出栏体质量增加的目标[23−25]。

在肉鸭生长过程中，为预防疾病与促进生长，会对其使用药用抗生素和饲用抗生素[26]。肉鸭粪污中抗生素主要是四环素类和喹诺酮类，呈现出四环素类＞喹诺酮类的规律，其中磺胺类和大环内酯类未检出，这与任君焘等[27]对猪、鸡、牛粪中抗生素的调查呈现出的规律基本一致。据报道四环素类抗生素是畜禽养殖业中使用量最高的[28]，而本研究肉鸭粪污中四环素含量最高，可能原因也是来自于肉鸭养殖中的高使用量。3种养殖方式抗生素排放量呈现出地面养殖＞网上平养＞垫料养殖的特点，说明垫料养殖环境优于地面养殖和网上平养。我国目前尚无针对畜禽粪污抗生素排放浓度的限量标准，但据报道堆肥中喹诺酮类抗生素很难降解[29]。因此，在肉鸭养殖过程中应注意喹诺酮类抗生素的使用。