畜禽养殖场粪污中天然雌激素现状及其消减技术研究进展

金尔光，崔华威,2，陈 洁，周 源，万平民，华 娟，吴利军，胡修忠，龚 萍*

(1.武汉市农业科学院 畜牧兽医研究所，湖北 武汉 430208；2.华中农业大学 动物医学院，湖北 武汉 430070)

天然雌激素(简称雌激素)是由动物卵巢、胎盘及肾上腺皮质等器官分泌的具有生物活性的化合物，主要通过与雌激素受体结合发挥调节和维持机体正常的内分泌功能及生殖细胞的生长、分化等机能。随着集约化规模化畜牧业的发展，畜禽场粪污产量明显增加。粪污中除了有机质、氮、磷等营养物质外，还含有雌酮(E)、17α-雌二醇(17α-E)、17β-雌二醇(17β-E)、雌三醇(E)等雌激素。2010年中国畜禽的雌激素排放总量达1 240 t，其中80%以上进入土壤和水体；美国和欧盟年排放量为83 t，2004年英国畜禽场总雌激素排泄量的17β-E活性当量(EQQ)为789 kg，约为人类的4倍。畜禽粪污中的雌激素通过地表径流、土壤渗滤、还田利用等方式进入土壤和水体，污染土壤和水体，对生态系统、动植物生长发育和人类健康构成潜在威胁，控制和消减粪污中雌激素已引起了科技工作者的广泛关注。近年来，围绕粪污中雌激素消减路径及其机制开展了大量研究，在物理吸附、高效氧化、生物降解等方面取得了一定成效，其中物理吸附主要通过活性碳、生物滤膜等截留雌激素；高效氧化主要是在强氧化作用下将雌激素转化为小分子物质或矿化为二氧化碳和水；生物降解则是通过功能性菌株或菌群的生理代谢将雌激素转化为低活性或无活性的物质。

1 粪污中天然雌激素留存现状

1.1 天然雌激素的特性与形态

天然雌激素具有疏水性、易吸附性、迁移性、环境持久性、难降解性、生物富集性等特性。随畜禽粪尿排出的雌激素以高活性游离态和低活性的结合态存在，其中粪便中多为游离态，尿液中主要是结合态，在环境微生物作用下结合态可转化为游离态。研究表明，牛粪尿中的雌激素大部分是E、17α-E、17β-E及其相应的硫酸盐和葡糖苷盐结合物，猪和家禽排出的是E、17β-E、E及其相应的硫酸盐和葡糖苷盐结合物。王真等发现新鲜奶牛粪便中除含有游离态雌激素E、17β-E和E，还含有葡糖苷酸盐和硫酸盐结合态雌激素。Zhang等报道，猪尿液中除游离态雌激素E、17β-E和E外，还有结合态雌激素雌酮-3-硫酸钠盐(E-3S)、17β-雌二醇-3-硫酸钠盐(17β-E-3S)、雌酮-3-葡糖苷酸钠盐(E-3G)和17β-雌二醇-3-葡糖苷酸钠盐(17β-E-3G)，且结合态雌激素总量远高于游离态雌激素。

1.2 粪尿中的天然雌激素

雌激素的产生和排泄量因畜禽种类、年龄、性别、生理周期、生长阶段等不同存在很大差异，不同种类畜禽粪尿中雌激素种类、含量及主要排出途径也不同。牛和羊通过粪便排出的雌激素比例分别为91%～96%和50%～70%，猪和家禽通过尿液排出的雌激素比例分别为90%～99%和69%。Raman等测算美国的奶牛和猪E、E(雌二醇)的日排出总量分别为20～80 kg/d和10～30 kg/d。Andaluri等报道，家禽和奶牛粪便中E、17α-E、17β-E含量分别为44.2、92.7、149.8和16.1、6.2、16.6 ng/g。胡双庆等检测结果显示，上海市典型猪场尿液和粪便中E、17β-E、E的总量分别为8 846.0 ng/L和84.6 ng/g，奶牛场尿液和粪便中E、17β-E的总量分别为2 600.9 ng/L和72.5 ng/g，鸡场粪便中雌激素总量为60.9 ng/g，雌激素的排放量依次为猪场>奶牛场>鸡场。张梦涛等调查发现，奶牛粪便中的雌激素主要为E、17α-E和17β-E，且不同生理阶段粪便中的雌激素总量存在显著差异，依次为泌乳牛1 540.13 μg/kg>干奶牛1 114.51 μg/kg>青年牛432.90 μg/kg。

1.3 污水的天然雌激素

畜禽粪尿中含有雌激素，因而包括尿液、冲洗栏舍的污水、沼液等污水中也含有雌激素。Hutchins等的检测结果显示，母猪场沼气池和一级氧化塘出水中E、E、E含量分别为9 600～24 900、2 200～3 000、5 000～10 400 ng/L，保育猪场氧化塘出水中E、E、E分别为390～620、40～50、180～220 ng/L。Hanselman等报道，冲洗奶牛场粪污的污水中E、17α-E、17β-E分别为879、2 282、643 ng/L。Zheng等检测发现，奶牛场新鲜污水中E、17α-E和17β-E含量分别为300、2 200和250 ng/L。杨伦研究表明，奶牛场厌氧池出水(包括沼液、尿液、牛舍冲洗水)和厌氧池出水经过好氧工艺处理后出水中E、17α-E、17β-E、E-3S、E的含量分别为709.06、260.31、304.92、24.06、16.31 ng/L和80.09、94.94、208.48、22.33、18.92 ng/L，厌氧池出水经过好氧处理后的出水中E、17α-E和17β-E含量明显降低。

1.4 粪污源肥料中的天然雌激素

畜禽粪便、粪污干湿分离后的固体、粪污厌氧发酵产生的沼渣等堆肥或制备有机肥是一种较常见的粪污处理方式。研究证实粪污源肥料中含有雌激素。Lorenzen等报道，猪粪源有机肥中雌激素EQQ达5 965 ng/g(干重)。袁哲军调查发现，猪场沼渣肥中E、17β-E和E总量达30.46 ng/g，奶牛场粪污高温堆肥产物中E和17β-E总量为8.96 ng/g。韩进等检测发现，鸡粪、猪粪及牛粪源有机肥中均含有雌激素，鸡粪和猪粪源有机肥中17β-E、E分别为2.71、270.22和41.84、609.71 μg/kg(干重)，牛粪源有机肥中E为50.96 μg/kg(干重)。王真等的试验表明堆肥可明显去除奶牛粪便中雌激素，堆肥70 d总雌激素(E、17β-E和E)EQQ值由305.52降至53.55 μg/kg，降低82.47%；进一步检测发现其中E、17β-E、E-3S、E-3S、E-3G、17β-雌二醇17-硫酸钾盐(E-17S)和17β-雌二醇17-葡糖苷酸钠盐(E-17G)残留量分别为69.28、11.98、1.75、9.5、3.89、16.4、4.44 μg/kg，说明奶牛粪便堆肥产物中仍然含有一定量雌激素。

2 粪污中天然雌激素的主要危害

2.1 污染土壤和水体

粪污中的雌激素通过地表径流、还田利用等途径进入土壤和地表水，进入土壤中的雌激素一部分被土壤颗粒吸附残留在土壤中，一部分通过雨水淋溶、土壤渗滤等迁移至周边水体或地下水，对土壤和水环境构成威胁。Schuh等发现，施用120 m/hm猪场粪污池粪肥6个月后农田土壤中17β-E显著升高。Finlay-Moore等用肉鸡粪便改良土壤，土壤中17β-E含量由55 ng/kg增加至最高值675 ng/kg。王代懿调查发现，施用鸡粪后的蔬菜大棚土壤中E、17α-E、17β-E、E均值分别达2 103、323、87、15 ng/kg，认为畜禽粪便还田会引起土壤中雌激素升高。Zhang等在长期大量施用畜禽粪便(鸡粪、牛粪为主)的蔬菜大棚排水沟水中检出E、17β-E、17α-E、E。Kjaer等发现，施用猪粪3个月后农田排水系统中E和17β-E最大质量浓度分别可达68.1和2.5 ng/L。Chen等检测台南地区畜禽养殖区附近河流中的雌激素水平，发现上游和下游E、17β-E、E的含量分别为376.1、57.9、78.8和87.7、14.0、20.4 ng/L，表明河流上游的雌激素污染程度较严重。袁哲军等研究显示，猪场、奶牛场、鸡场周边河流中E、17β-E、E的均值分别为35.77、24.08、12.19 ng/L。

2.2 影响动植物生长发育和人类健康

粪污中的雌激素进入水环境和土壤，威胁水生生物和土壤微生物多态性，或通过农作物及其它生物体进行富集，进而对动植物生长发育和人类健康产生影响。Huang等研究发现，河流水中的雌激素和雄激素可诱导食蚊鱼雄鱼雌化或雌鱼雄化。Orozco-Hern等报道，1 ng/L的17β-E可诱导鲤鱼血细胞产生细胞遗传毒性。田琳等发现，在500～2 000 ng/kg的E胁迫下农田土壤微生物多样性减少。魏瑞成等研究发现，17β-E的胁迫会影响萝卜发芽势、发芽率和根长，随着浓度增加萝卜根部和地上部分的雌激素累积量增加，表明雌激素对萝卜生长和食用安全有潜在威胁。Shargil等报道，莴苣可吸收土壤中的雌激素，甚至达到对人体健康产生危害的水平。此外，雌激素可引起男性精子数量和质量下降，还可诱发女性卵巢癌、乳腺癌等疾病。

3 粪污中天然雌激素检测技术

雌激素检测方法主要有色谱分析法、生物分析法和免疫分析法。色谱分析法有气相色谱(GC)和液相色谱法(LC)；生物分析法主要有酵母雌激素筛选法(YES)、人类乳腺细胞增殖法(E-Screen)等；免疫分析法主要有酶联免疫分析法(ELISA)、放射免疫分析法(RIA)等。近年来，对畜禽粪污中微量雌激素检测进行了大量研究，建立了气相色谱-质谱(GC-MS)、气相色谱-串联质谱(GC-MS/MS)、液相色谱-质谱(LC-MS)、液相色谱-质谱串联(LC-MS/MS)、高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)、高效液相色谱-串联质谱(HPLC-MS/MS)等方法，但各种方法在灵敏性、准确性、高效性、操作性等方面存在一定差异。GC-MS和LC-MS检测限达到微克级，GC-MS/MS和LC-MS/MS检测限达到纳克级。GC-MS的灵敏度高，选择性强，能同时分析多种成分，检测前需要对样品进行衍生化处理，且处理过程较繁杂，检测物可能有一定程度损失。HPLC-MS/MS法有高分辨率、高灵敏度、高选择性、检测范围广、易操作等优势，不需要衍生化过程，应用较广泛。Hanselman等用固相萃取-气相色谱-质谱(SPE-GC-MS)检测奶牛场污水中E、17α-E、17β-E、E，平均回收率达90%以上。郑溪报道，GC-MS法检测奶牛粪便中E、17α-E、17β-E和E，检出限为7.49-26.37 μg/kg。袁哲军研究发现，SPE-HPLC-MS/MS法具有较高灵敏度和较低检测限、检测范围广、效率高等优点，最低检测限为0.17 μg/L，适用于检测分析畜禽粪污中的雌激素。Koh等报道，SPE-HPLC-MS/MS检测污水中17β-E、E的检测限量为0.2 ng/L，结合态雌激素和E检测限量为0.1 ng/L。Tang等用LC-MS/MS与YES法检测猪场污水中雌激素，发现两种方法的检测结果差异较大，LC-MS/MS法的雌激素EEQ值为118.4 ng/L，YES法为31.5 ng/L。

4 天然雌激素消减技术

4.1 天然雌激素降解菌的研究

研究表明，细菌、真菌、酶和藻类可将雌激素降解或转化为低活性或危害性较小的化合物。研究发现许多微生物菌株对雌激素有明显去除作用。杨俊等研究发现，在pH 7.5和30 ℃条件下，从废水处理站活性污泥中分离的芽孢杆菌菌株E-Y在7 d内可将无机盐培养基中0.5～50 mg/L的17β-E完全降解。Hashimoto等用新鞘氨醇杆菌菌株JEM1降解雌激素，5 d内污水中E和17β-E去除率分别达81%和94%。周莉娜研究发现，黄孢原毛平革菌对液相和灭菌土壤培养体系中17β-E去除率分别达95%和90%以上。

应用固定化技术、复合菌剂等有利于提高雌激素的去除效果。张伟研究发现，包埋硝化菌颗粒主要通过自养硝化菌的生物降解和包埋颗粒材料的吸附去除污水中E和17β-E。Liu等报道，固定化新鞘氨醇杆菌菌株ARI-1可明显去除粪便中雌激素，该菌株与奶牛粪便共培养7 d，E和17β-E的去除率达100%，E的去除率为98.91%。林泳墨的研究表明，乙酸钙不动杆菌LM1和假单胞菌LY1组成的复合菌剂降解17β-E的效果明显优于单一菌株。李欣用sp.ARI-1+sp.JX-2+sp.S组合的固定化混合菌剂处理奶牛粪便7 d，粪便中E和E完全去除，E去除96.06%。

4.2 物理化学方法

物理化学方法主要有活性炭、滤膜技术、氧化技术、光解技术等。活性炭和滤膜吸附主要通过物理吸附作用截留雌激素，并没有真正意义上去除雌激素。活性炭比表面积大，吸附能力强，可高效吸附污水中雌激素，且可重复利用，应用较广泛。黄涛发现，鸡粪制备的生物炭对液体中的17β-E有很好吸附性，认为可用于高效去除水环境中的17β-E。Suzuki等研究了沼气池厌氧消化结合原活性炭去除17β-E的效果，ELISA测定猪粪浆经过厌氧消化后17β-E降低至2 μg/L，用原活性炭进一步吸附后降至0.46 μg/L，表明厌氧消化结合原活性炭有利于去除其中的雌激素。荣荣报道，鸡粪和玉米秸秆堆肥过程中添加5%～15%稻壳生物炭有利于促进17β-E降解，提高去除效率，降低生物活性。

程爱华等报道，BDXN-90芳香聚酰胺复合纳滤膜可有效去除水中的E、E、E，截留率达90%以上。张戈的静态吸附试验表明，石墨烯-大孔吸附树脂混合吸附剂对水体中17β-E和E的去除率分别达97.51%和 96.51%。Yang等报道，膜生物反应器可有效去除猪场污水中雌激素，总雌激素EQQ值降低90%以上。

Ermawati等研究发现，奶牛场粪污厌氧和好氧工艺处理后进一步臭氧深度氧化，其中的雌激素活性完全消除。孙敏霞报道，Fenton氧化法可明显去除牛粪中E和E等雌激素。

4.3 生物发酵处理

生物发酵处理是在一定条件下通过微生物的分解代谢降解粪污中有机物，是一种最常见的粪污处理方法。郑溪报道，高温好氧堆肥对奶牛粪便中E、17α-E、17β-E和E的去除率分别达99.63%、86.81%、100%和100%。韩进等研究了堆肥对粪便中雌激素的降解效果，堆肥前鸡粪、猪粪、牛粪中总雌激素EQQ分别为3 595.86、268.04、1 207.12 μg/kg，堆肥32 d后EEQ残留率分别为10.1%、10.6%和0，表明堆肥有利于促进粪便中雌激素降解，降低雌激素残留量。王代懿等研究发现，不同温度(38、50、70 ℃)下厌氧和好氧堆肥均可明显去除新鲜奶牛粪便中E和17β-E，但好氧堆肥去除雌激素效果更好，50 ℃条件下E和17β-E去除率分别达98.0%和100%。王欣的模拟试验表明，添加EM菌剂好氧堆肥更有利于猪和奶牛粪便中残存E和E的降解。

尽管堆肥可明显去除粪污中雌激素，但并未完全去除，堆肥产物中仍有雌激素残留，依然存在潜在生态风险。Derby等研究发现，静态和翻堆堆肥对猪场产仔舍的粪污中雌激素E有明显去除作用，去除率分别为77.89%和93.57%，但17β-E并没有去除。Bartelt-Hunt等认为堆肥可明显去除肉牛粪便中的雌激素，但不能完全降解或矿化全部雌激素。王真等研究发现，堆肥70 d后牛粪源粪肥中依然残留有E-3S、E-3S、E-17S、E-3G、E-17G、E和17β-E。

厌氧发酵处理对污水中雌激素有一定去除效果，但去除效果并不理想。Gadd等研究发现，奶牛场挤奶厅污水经厌氧处理后水相中游离态雌激素浓度和雌激素活性明显增加。Zhang等报道，厌氧消化对奶牛场和猪场污水中总雌激素去除效率有限，去除率范围为14.7%～21.8%。

4.4 组合工艺处理

应用组合工艺处理可明显提高污水中雌激素去除率。Tang等报道，厌氧/好氧工艺(A/O)对猪场污水中雌激素无明显去除效果，但上流式厌氧污泥床+分步进水序批式反应器可去除78.0%的雌激素。Furuichi等利用上流式厌氧污泥床结合生物滤池工艺处理猪场污水，发现雌激素活性降低97%以上。Ren等报道，序批式活性污泥法对猪场污水中雌激素去除量达99%以上。Zhang等报道，气浮联合工艺处理奶牛场干湿分离后的污水，总雌激素除去率达97.6%。Gadd等应用厌氧池+兼氧池和厌氧池+好氧池+沉降池+熟化池污水处理系统分别处理奶牛场挤奶厅污水，出水中总雌激素含量为15～300 ng/L和15～1 400 ng/L，雌激素EQQ为3.3～25和3.2～43 ng/L，分别降低62%～94%和98%～100%，表明两种方式均可去除污水中雌激素，降低雌激素活性，但EQQ值超过10 ng/L，利用前还需要进一步处理。

4.5 自然生态处理

自然生态处理指利用自然界的自我净化功能消减污水中雌激素等有害物质，达到净化污水的目的，是一种较经济的处理方式。主要有氧化塘、氧化塘+人工湿地等。Shappell等研究发现，氧化塘+人工湿地系统可有效去除猪场污水中的雌激素，氧化塘污水经人工湿地处理后总雌激素EEQ降低83%～93%，且出水EQQ低于10 ng/L。Tang等报道，湿地对养猪场污水中E、E和E去除率为86%、46%和59%；氧化塘与湿地处理相结合，雌激素总去除率明显提高(83%～93%)。欧阳彤等研究发现，无回流多级AO+潜流式人工湿地对污水中E、E、E去除率分别达96.04%、92.45%和85.09%。

5 展 望

近年来，国内外科技工作者围绕畜禽养殖场粪污中雌激素的危害、检测技术、去除技术与机理等开展了广泛研究，在雌激素降解菌及其降解效果、雌激素消减技术等方面取得了一系列成果。中国对畜禽粪污中雌激素的研究相对较晚，在粪污中雌激素污染现状、消减技术、生态风险评估等方面还有许多亟待深入研究的问题。

一是进一步加强粪污中雌激素高效降解微生物研究。开展细菌、真菌、酶和藻类、生物工程菌及菌株组合对粪污中雌激素降解作用及应用效果研究，为高效降解粪污中雌激素提供菌种保障。二是进一步加强微生物降解雌激素作用机理研究。开展畜禽粪污中雌激素种类、数量、存在形式及生物降解过程中的转化行为、代谢产物、归宿等研究，揭示雌激素的降解、吸附、迁移机制，为应用微生物降解雌激素提供理论依据。三是进一步加强畜禽粪污中痕量雌激素检测技术研究。开展粪污、粪污源产物及污水样本的前处理技术及雌激素高效、准确、低检测限等检测与活性分析技术研究，提高检测技术的灵敏性、准确性和效率。四是进一步加强粪污处理产物及污水中雌激素最低限值标准研究。英国污水中雌激素的最低限值为1 ng/L，欧盟质量环境标准中E的限制值为0.5 ng/L，中国饮用水标准中雌激素EQQ安全阈值为0.4 ng/L。但中国在粪污源有机肥、粪污还田利用、污水排放等方面尚没有雌激素限值标准，需要进一步开展痕量雌激素生理毒性、生态风险评估等研究，制定雌激素残留安全阈值相关技术标准，为有效控制粪污中雌激素生态风险及其资源化安全利用、保护生态环境及人类健康提供保障。