综述：动物粪便中优先污染物金属的存在与归趋：法规、影响及缓解措施

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：The presence and fate of priority pollutant metals in animal manure: Legislation, impact and mitigation

本综述系统评述了2000-2024年间关于畜禽粪便中优先污染物金属的研究，重点关注了汞（Hg）、铊（Tl）、锑（Sb）等研究不足但风险较高的金属。文章揭示了直接还田的原始粪便存在显著的生态与健康风险，而现有法规主要针对处理后的有机肥料，存在监管空白。综述评估了热解（Pyrolysis）、厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）和堆肥（Composting）等处理技术对降低金属生物有效性的效果，并指出其对主要金属（如Zn、Cu）有效，但对研究不足金属的归趋影响尚不明确。文章最后呼吁加强针对性研究、完善法规框架并实施严格的质量控制，以实现畜禽粪便的可持续管理。

　　

引言

动物粪便作为有机肥料广泛应用于农业生产中，以提升土壤肥力并减少对化肥的依赖。然而，原始粪便的直接还田会引入多种金属污染物，带来显著的环境和健康风险。尽管锌（Zn）、铜（Cu）、铅（Pb）等金属已被广泛研究，但汞（Hg）、铊（Tl）、锑（Sb）等被列为优先污染物的金属在粪便中的存在、归趋及风险却鲜有关注。本文旨在系统回顾相关文献，识别研究不足的金属，评估其环境与健康风险，并探讨现有缓解策略的有效性。

材料与方法

本研究通过Scopus数据库检索了2000年至2024年间发表的同行评审文献，关键词包括“manure”、“metal”、“heavy metal”等。经过筛选，最终纳入188篇研究报告，涵盖了牛、鸡、猪和羊四种粪便中的金属浓度数据。所有浓度数据统一转换为mg kg^-1以进行比较。采用非参数统计方法分析不同粪便类型和地区间的浓度差异。生态风险通过风险商数（Risk Quotient, RQ）进行评估，其计算公式为污染物测量浓度（C）与预测无效应浓度（Predicted No-Effect Concentration, PNEC）的比值（RQ = C / PNEC）。RQ > 1表示高风险，0.1 < RQ ≤ 1表示中等风险，RQ ≤ 0.1表示低风险。

结果与讨论

3.1 发表趋势与定量分析

自2000年以来，报告粪便中金属含量的出版物数量呈上升趋势，约70%的研究来自亚洲，尤其是中国，其次是欧洲（20%）。猪粪是研究最多的粪便类型（约占38%），其次是牛粪和鸡粪，而羊粪的研究相对较少。Zn和Cu是报告频率最高的金属，这与其在饲料中作为添加剂广泛使用有关。不同大陆和牲畜种类的金属浓度模式存在差异，鸡粪和猪粪通常显示出更高的Zn和Cu含量。

3.2 管控粪便中金属含量的法规

目前，欧盟、美国、中国和印度等主要国家和地区均未对直接施用于农田的原始粪便中的金属含量设立专门的法规限值。现有法规（如欧盟的《肥料产品法规》EU 2019/1009）主要针对经过堆肥或厌氧消化等处理后的有机肥料。然而，全球约有92%的原始粪便未经处理直接还田，这导致了巨大的监管漏洞，使得潜在的有害金属可能在水土环境中累积。

3.3 牲畜接触金属的途径

牲畜主要通过饲料摄入接触金属，尤其是在集约化养殖系统中，饲料中常添加必需微量元素（如Zn、Cu），但也可能含有超过安全限量的镉（Cd）、铅（Pb）等有毒金属。在粗放式养殖系统中，动物可能通过采食受污染的土壤、牧草或饮用水而暴露于金属。工业活动、废水灌溉和大气沉降也是环境中金属的重要来源。

3.4 原始粪便中研究不足的金属

除了常见的Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Ni和As之外，本研究重点识别了六种研究不足但被列为优先污染物的金属：Hg、Sb、Be、Se、Ag和Tl。

3.4.1 汞（Hg）

汞是毒性最强的金属之一，在多种粪便中均有检出，浓度范围从低于检测限至14.93 mg kg^-1（鸡粪）。其RQ值大多超过1，表明存在高生态风险。汞可抑制植物光合作用，并通过食物链富集，对人类肾脏、神经系统和心血管系统造成损害。

3.4.2 硒（Se）

硒是必需微量元素，但过量则有毒。在猪粪、牛粪和鸡粪中均有检出，浓度最高达3.46 mg kg^-1，远超其在土壤中的PNEC值（0.044 mg kg^-1），RQ > 1，存在高风险。硒在土壤中流动性强，易污染地下水，高浓度硒会对植物造成氧化胁迫，并导致人类心血管疾病和皮肤炎症。

3.4.3 铍（Be）

铍是一种致癌物。目前仅在奥地利和美国的少数研究中报道了其在粪便中的含量（0.16 - <0.18 mg kg^-1）。由于缺乏土壤PNEC值，无法计算RQ，其生态风险尚不明确。铍暴露可影响植物种子萌发，并导致人类肺部疾病。

3.4.4 锑（Sb）

锑是一种具有致癌潜力的类金属。在粪便中检出的浓度较低（猪粪0.21 mg kg^-1，牛粪最高0.84 mg kg^-1），低于其土壤PNEC值（37 mg kg^-1），RQ < 0.1，当前数据显示生态风险较低。但其长期累积效应仍需关注。锑(III)毒性较强，可抑制植物生长并破坏人体细胞信号通路。

3.4.5 银（Ag）

银及其纳米颗粒（Ag NPs）因其抗菌性被广泛应用。在粪便中检出浓度在<0.1 至 1.40 mg kg^-1之间。根据有限数据计算，其RQ处于中等风险水平。银的积累可能降低土壤微生物多样性，并对植物和人类细胞产生毒性效应。

3.4.6 铊（Tl）

铊的毒性可与铅、汞相比，是一种新兴的土壤污染物。目前仅有一篇美国研究报告了牛粪中的Tl含量（<0.1 mg kg^-1）。由于数据极度匮乏且缺乏PNEC值，其通过粪便施入农田后的生态风险和食物链转移潜力亟待研究。Tl可导致植物叶片失绿，并严重危害人类中枢神经系统。

3.5 缓解策略

为降低粪便中金属的风险，常用的处理技术包括热解、厌氧消化（AD）和堆肥。

3.5.1 热解

热解是在缺氧条件下高温（通常250-1200°C）处理粪便，产生生物炭、生物油和合成气。该过程会使金属总浓度因有机质分解而升高，但能显著将金属从可交换态（F1）和可还原态（F2）等生物有效形态，转化为更稳定的可氧化态（F3）和残渣态（F4），从而大大降低其生物有效性和淋溶风险。例如，在800°C下热解猪粪和羊粪，可使Cd、Zn、Cu等金属的毒性形态降低55%-99%。缺点是能耗和成本较高。

3.5.2 厌氧消化（AD）

厌氧消化是利用微生物在无氧条件下分解有机物产生沼气。该过程同样会使金属在消化液中浓缩，但通过微生物活动和有机物转化，可以改变金属形态，降低其生物有效性。例如，猪粪厌氧消化后，Zn和Cu的毒性形态可分别降低68%和8%。添加生物炭或与其他物料（如玉米秸秆）共消化可以优化效果。厌氧消化的资本投入相对较低，并能实现能源回收，但处理时间较长。

3.5.3 堆肥

堆肥是在有氧条件下利用微生物将有机物转化为稳定的腐殖质。通过腐殖化过程，堆肥产物中的溶解性有机质（DOM）能够通过络合、吸附等作用固定金属，降低其移动性。添加膨松剂（如稻草）或进行蚯蚓堆肥（Vermicomposting）可以进一步促进金属的稳定化。例如，在猪粪堆肥中添加硼渣或磷矿石可降低Cu的生物有效性。堆肥技术简单、成本低，但需要较大场地和较长时间。

需要注意的是，这些处理技术对于主要金属（如Zn、Cu）的毒性降低效果较为明确，但对于Hg、Se、Sb、Tl等研究不足的金属，其处理效果和归趋行为尚不清楚。

结论

本综述指出，畜禽粪便中不仅存在常规监测的金属风险，Hg、Se等研究不足的金属也呈现出不容忽视的生态高风险。当前针对原始粪便的法规存在空白，无法有效管控其带来的环境与健康威胁。热解、厌氧消化和堆肥等技术能有效降低主要金属的生物有效性，但其对新兴污染物的 mitigation 效果有待深入研究。未来应加强对研究不足金属的监测与毒理学研究，建立针对原始粪便的法规限值和基于证据的施用指南，并在研究中推行严格的质量保证/质量控制（QA/QC）措施，包括使用空白样和认证标准物质（CRMs），以保障数据的可靠性，最终实现畜禽粪便的安全可持续管理。