沼渣沼液農用安全風險

涂 成,閆 湘,李秀英，王曼如

(中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

在國家及各級政府的關注扶持下，我國的沼氣發展迅速，由沼氣工程產生的沼渣沼液資源越來越豐富。據報道，我國畜禽養殖場沼氣工程年生產沼肥約3.85×108t。沼液含水溶性的有機質、腐植酸、營養元素及氨基酸、維生素、酶等生物活性物質，可被作物吸收利用。沼渣有機質和養分含量較高，是營養元素種類齊全、速效緩釋兼備的優質有機肥料[1]。因此，肥用是沼渣沼液目前最主要的利用方式[2]。

現代規?；B殖為加快畜禽生長速度、提高飼料利用率和預防疾病，常在飼料中添加銅、鋅、鐵、砷等元素和激素類、抗生素等物質，這些物質過量則形成危害，它們大部分排出畜禽體外，導致畜禽糞便中存在重金屬、獸藥、抗生素等殘留。將含有有害成分的沼渣沼液直接還田存在一定的安全隱患，如土壤中重金屬的富集、抗生素的增加、土壤的次生鹽漬化與地下水污染等[3]。有害物質經動植物吸收進入食物鏈以及在農業環境中積累將導致農業產品的污染和環境風險。國外對沼肥的安全風險有一些研究[4-5]，而國內主要針對沼渣沼液養分物質的農用效果進行研究[6-14]，對生態環境風險研究方面較少。董志新等[1]研究不同原料沼氣肥的重金屬含量，發現部分沼渣沼液As超標。施用重金屬超標的沼肥將影響農產品質量安全。研究發現，施用沼肥后所有供試作物Pb含量幾乎全部超出GB 2762-2005(食品中污染物限量)規定的限量值[15]。有研究對太湖地區施用沼肥后的農產品進行健康風險評估，表明谷類和蔬菜中的Pb、As、Cd均超出FAO/WHO的限定[16]。沼肥重金屬超標同時也會導致土壤重金屬富集。張利等[17]發現沼肥農田施用會導致土壤重金屬Pb、As和Hg含量的升高。段然等[18]則對連續施用沼肥6年的土壤進行測定，發現沼肥與對應土壤中重金屬、獸藥殘留量具有相關性(相關系數為0.910)，長期施用沼肥存在安全風險。潛在生態風險指數RI分析結果表明，云南、河南和湖北的沼液RI介于130～260之間，屬于中等生態危害，存在一定的生態風險[19]。此外，我國畜禽糞便中四環素類抗生素殘留量高于發達國家，四環素和土霉素的殘留量高于金霉素[20]。通過檢測豬糞和雞糞中抗生素的含量，發現四環素類、喹諾酮類和磺胺二甲嘧啶抗生素有不同程度的檢出[21]。張樹清等[22]對我國7個省、市、自治區規?；B殖廠豬糞和雞糞中殘留的四環素類抗生素做了分析研究，結果表明3種抗生素含量平均值為12.20～20.94 mg/kg。畜禽糞便中抗生素含量高將導致沼液沼渣中的抗生素殘留。衛丹等[23]對嘉興市規?；B豬場沼液水質調查，檢出10種不同抗生素，其濃度范圍為10.1～1 090 μg/L。環境中存在的抗生素可能會使一些微生物產生抗性基因，導致某些致病菌對藥物產生抗性，威脅人類的安全。沼渣沼液中的激素和微生物的研究較少，須進一步研究。目前我國對沼肥生產和使用管理還很薄弱，對其含有的有毒有害物質尚未制定限量標準，無法保證沼渣沼液的安全農用。因此，沼渣沼液的安全利用應深入研究。本文對沼渣沼液的農用安全風險問題進行了分析，總結了其農田利用存在的問題，為我國沼渣沼液農田利用提供依據。

1 沼渣沼液成分分析

經厭氧消化后的沼渣沼液是一種較為復雜的有機復合體，并且根據原料的不同其成分和性狀差異較大。針對沼渣沼液，目前在成分分析方面的工作開展的很少。據測定，沼渣沼液含有機質30%～50%，腐植酸10%～25%，氮素0.8%～1.5%，磷素0.4%～0.6%，鉀素0.6%～1.2%[24]。沼渣沼液中的養分含量不穩定，波動范圍較大。

沼渣沼液的有害物質主要為重金屬、抗生素、激素類及微生物等。為了防病促長，規模養殖場普遍添加含Zn、Cu等重金屬的添加劑，違規過量添加As(促皮毛光滑)、Cr(替代瘦肉精)等有害重金屬，導致沼液中有害重金屬含量超標。鐘攀等[24]研究發現，在重慶地區采集的所有沼液中，As的總超標率達到60%，超標現象嚴重，是沼液的主要污染重金屬，此外還含有Cr、Hg、Cd等重金屬。養殖過程中抗生素和激素的盲目濫用，也將導致沼渣沼液中含量增加。研究結果表明,以母體或代謝物的形式隨尿或糞便排出體外的量約占抗生素用藥量的40%～90%[25]。此外，沼渣沼液中還含有一些致病菌。研究表明，畜禽糞便廢棄物中含有150多種人畜共患病的潛在致病源，一旦進入適宜的環境，便會大量生長繁殖，造成疾病的爆發和流行[26]。農村沼氣池平均發酵溫度在30 ℃左右，高溫發酵也只有58～62 ℃，無法徹底殺滅病源微生物和寄生蟲卵。

2 沼渣沼液肥用過程中存在的問題

目前，沼渣沼液主要的利用方式是農田作肥用，較為成熟的肥用模式有以下幾種：一是澆灌施用；二是作為葉面肥施用；三是沼渣沼液分離后將沼渣制成有機肥料施用。沼液在農業上的應用主要包括沼液浸種、沼液作葉面肥噴施、用作生物農藥等[27]。沼渣中的有機質成分可以改善農田土壤結構，從而改良土壤[14]。沼渣沼液肥用方面的報道多集中在其應用效果方面，尤其是對作物產量及品質方面的研究較多，另外對于土壤肥力及作物抗病效果也有些報道，但少有沼渣沼液安全性方面的研究。

2.1 營養成分不穩定

由于發酵原料及工藝的不同，導致發酵后產生的沼渣沼液中營養成分的不穩定，將直接影響其農田肥用效果。研究表明，沼液中的營養元素基本上是以速效養分形式存在的，包括氮(0.03%～0.08%)、磷(0.02%～0.07%)、鉀(0.05%～1.40%)等大量營養元素和鈣、銅、鐵、鋅、錳等中、微量營養元素，還含有17種氨基酸和活性酶[28]。沼渣原料較多，即使是單一原料，其成分變化范圍也較大，若使用混合原料，將會導致其營養成分更加不穩定[29]。沼液大量元素養分遠遠低于NY 1107-2010的要求，有機質含量較低也無法達到NY 525-2012要求(表1)。沼渣有機質含量較高，但大量元素總量較低，難以滿足NY 525-2012要求(表2)。

原料不同的沼氣池產出的沼渣沼液中的營養成分有所差異，并且某些營養元素的差異較大，因此在肥用時須掌握沼渣沼液的養分含量。研究表明，全施沼肥的處理可能由于沼肥的肥效不高而不能完全滿足作物的需肥要求而影響產量提高，沼肥須與化肥配合施用才能提高產量[15]。沼肥作為肥料登記時須考慮其產品的不穩定性，如何保證沼肥的產品質量須進一步研究。

表1 不同原料沼液的理化特性

表2 不同原料沼渣的理化特性

注：a表示有機質測定方法為常規分析方法(鮑士旦.土壤農化分析[M].北京：中國農業出版社,2000.)；b表示有機質測定方法按NY 525-2012標準。

2.2 重金屬與微量元素

養殖過程中存在重金屬過量添加的現象，造成畜禽糞便中重金屬含量超標。飼料中Cu和Zn添加量最多，而As、Cr次之[35]。研究表明，參照德國腐熟堆肥中部分重金屬限量標準，我國有機物料一些重金屬均有不同程度的超標[36]。微量元素和重金屬在沼氣發酵的過程中無法分解且發酵的過程可能影響其價位導致其活性增強。如表3，聶瑩等[37]通過研究豬糞沼液，發現各種重金屬的含量低于國家《城鎮垃圾農用控制標準》的標準限值。沈其林等[32]研究發現豬糞沼液沒有超出農田灌溉水質標準，不會對環境造成污染。也有一些研究表明，沼渣沼液重金屬含量超標。鐘攀等[24]研究重慶地區的沼氣肥，與農田灌溉水質標準(GB 5084-92)比較發現除Pb外沼液重金屬均存在不同超標現象,并以As較嚴重，超標率為60%；而沼渣中的As含量最高為11.06 mg/kg，未超出NY 525-2012中As的限量要求(15 mg/kg)。董志新[1]研究豬糞沼渣重金屬含量，發現豬糞As含量達到21.6 mg/kg，超出NY 525-2012要求。長期施用含重金屬超標的沼渣沼液導致土壤中重金屬的富集，同時影響農產品質量安全。李元高等[31]研究養豬廢水經厭氧膜生物反應器發酵后產生的沼液和沼渣，表明其重金屬均低于NY 1110-2010和NY 525-2012，表明經過處理后的沼渣沼液可能會達到標準要求。Bo等[38]通過對土壤-植物系統的重金屬進行分析，表明沼肥中As和Cd健康風險較大。就未處理的沼渣沼液而言，與NY 525-2012比較，可以得出As含量超標的可能性較大。若長期大量施用As含量較高的沼渣，將導致土壤中As的積累和污染。

表3 不同原料沼渣沼液的重金屬含量 (mg/kg)

目前，沼渣沼液污染物的研究主要以Cu和Zn為主[29]?！缎笄蒺B殖業水污染物排放標準》(征求意見稿)及《農用污泥中污染物控制標準》(GB 4284-84)均規定了Cu、Zn限量。但農業部發布的有機肥料標準(NY 525-2012)僅對Hg、As、Cd、Pb、Cr有限量要求，對Cu、Zn并未限量。若沼渣沼液中Cu、Zn含量過高，則會威脅農田及農產品安全。豬糞沼渣中Cu和Zn的含量較高，分別為853和2 628 mg/kg，遠遠超過了《德國腐熟堆肥標準》中對重金屬Zn、Cu的限定[30]。參照《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2005)關于重金屬的規定，沼液中所有的元素均超標，其中Cu、Zn超標率分別為237%、1 624.5%[39]。研究發現，豬糞沼渣Cu、Zn含量高達780、2 060 mg/kg，豬糞干沼渣中Cu、Zn含量則達到1 016、2 628 mg/kg[29]，干沼渣Cu、Zn含量高于沼渣。此外，Cu、Zn含量也與取樣時間有關。研究表明，以農業和食品廢棄物為原料的沼肥中的Cu、Zn含量隨著取樣時間波動范圍為23～93、132～422 mg/kg[40]。有機肥中的Cu、Zn含量隨原料、時間等波動，若沒有相應的限量，則難以把控。目前，農業部水溶肥料標準中規定單一微量元素含量高于0.05%或0.5 g/L時應計入技術指標，以上數據表明沼液沼渣均高于該標準。但沼肥不同于水溶肥料，其組成復雜，還含有很多微生物，Cu、Zn的存在還可能影響細菌的耐藥性[4]。因此，沼液沼渣農用時也應重視Cu、Zn含量高的問題。

2.3 抗生素含量及其檢測方法

抗生素被機體吸收的較少，大部分隨糞尿排出體外。抗生素對土壤的微生物具有一定的影響，另外殘留在土壤的抗生素也對植物生長有影響，并且能通過植物根系進入植物體內，進而通過食物鏈危及人類安全。糞便中的抗生素主要來源于飼料添加劑，其次還有注射用抗生素，用于治療豬的疾病。養殖場通常使用四環素類、磺胺類、喹諾酮類和大環內醋類，其中以四環素類、磺胺類為主[35]。目前有關畜禽糞便中抗生素的研究較多，而沼渣沼液中抗生素研究較少[20-22]。當原料中四環素濃度為900 mg/L時，沼液中的四環素殘留量為14.52 mg/L，而沼渣中的殘留量為636.7 mg/kg[41]。研究發現，豬場廢水中磺胺、磺胺甲二唑含量分別為3.1、3.2 μg/L，且在厭氧發酵中不會降解[42]。衛丹等[23]研究表明，豬場沼液10種抗生素中最高達1 090 μg/L，遠高于歐盟的水環境抗生素閾值(10 ng/L)。研究表明，施用豬糞后水稻土中抗生素抗性基因種類顯著增加(P<0.05)[43]。目前，關于土壤和水環境中抗生素的研究較多，而沼渣沼液中抗生素研究較少。在重金屬污染的環境中，細菌不僅具備重金屬抗性并且具備多種抗生素抗性，抗生素抗性基因的污染水平也隨之升高。研究發現，抗生素抗性基因與某些重金屬如Cu、Zn、Hg呈顯著正相關[44]，表明重金屬與抗生素的復合污染會增加抗性基因的豐度。重金屬和抗生素對細菌產生抗生素和重金屬抗性的協同、交叉等機制，可能會加劇抗生素抗性基因的污染。

目前，抗生素的檢測方法有微生物法、酶聯免疫吸附法、液相色譜法、氣相色譜法等[45]。丁佳麗等[46]優化了固相萃取與高效液相色譜串聯質譜聯用的分析條件，分析了廢水和污泥中常見的11種獸用抗生素，回收率達73.0%～105.2%，相對標準偏差為3.1%～10.2%。國家質量監督檢驗檢疫總局、國家標準化管理委員會批準發布GB/T 32951-2016《有機肥料中土霉素、四環素、金霉素與強力霉素的含量測定高效液相色譜法》，為在有機肥料產品質量指標中設定抗生素殘留限值提供技術支撐。

2.4 激素和微生物風險

目前，國內從未批準過激素類藥物用于促進動物生長，已批準的激素類藥物主要用于治療種畜繁殖和產科疾病，這與歐盟的規定是一致的。沼渣沼液中關于激素的研究較少。有研究通過液質聯用、核磁共振等技術，首次定量分析了豬糞發酵沼液中的植物激素和喹啉類成分[47]。有研究估算了東北三省畜禽養殖類固醇激素排放量，表明激素含量可能對當地水體有潛在污染風險[48]。借鑒英、美等發達國家的相關研究，通過估算北京、天津、重慶及上海畜禽養殖業類固醇雌激素和雄激素的年排放量，表明其有可能對當地地表水系統產生生態危害[49]。激素的檢測方法主要有氣相色譜法(GC)、液相色譜法(LC)、液-質聯用法(LC-MS)、毛細管電泳檢測(CE)和酶聯免疫法(ELISA)等[50]。現階段對環境激素的檢測方法有很多，都存在一定的不足，且主要以價格昂貴、步驟復雜的儀器分析方法為主，而這些方法均不適宜大量全面推廣。因此，對于像環境激素這些痕量物質的檢測方法，需要進一步發展和推廣。此外，有機肥標準并未對激素類物質進行限定，這將導致其安全風險被忽視。

發酵過程所涉及的微生物種類復雜，各種微生物數量也在不斷變化。人畜糞便中含有大量的致病微生物和寄生蟲，主要有傷寒桿菌、副傷寒桿菌、痢疾桿菌、脊髓灰質炎病毒、大腸桿菌、血吸蟲卵、鉤蟲卵、蛔蟲卵等[51]。研究表明，沼液中有些拮抗微生物有較好的抑菌防病效果[52-53]。沼氣發酵處理可以顯著降低糞大腸菌群含量，平均可減少92.9%，但厭氧消化后的沼液中仍含有較高濃度的糞大腸菌群，不能達到無害化要求[54]。也有研究表明，沼液中含有蟲卵，沼渣則含有螨卵102～538個/mL，戶用沼氣池沼渣中寄生蟲卵偏多,含蛔蟲卵68～2 700個/g，并含有鞭蟲和活卵[55]。有研究發現沼液中微生物含量為102～107CFU/mL，大腸桿菌是普遍存在的[40]。Bonetta等[56]發現，沼肥中大腸桿菌含量遠超出意大利肥料標準(<1 000 CFU/g)及歐盟相關標準，致病菌沙門氏菌屬在所有的樣品中均有不同程度的檢出。有些沼氣池因管理不善，會造成沼肥中仍有活卵，不符合農用衛生標準。德國對于沼肥的安全利用有嚴格的規定，如果沼肥要做飼料利用,必須在90 ℃的高溫下處理1 h；如果要達到處理瘋牛病菌(BSE)的效果，則需要更高的溫度、更高的壓力和更長的時間[57]。沼渣沼液要想作為一種肥料安全使用，必須高溫殺滅寄生蟲卵和各種病原菌，殺死危害作物的各種病蟲，并且抑制有害微生物的活性。此外，抗生素的存在使沼肥中微生物的抗性增加，誘導產生了具有忍耐性的抗性菌株，農田利用必然會增加環境抗生基因的豐度。環境致病菌耐藥性的增加和擴散,將會對人類的公共健康構成潛在威脅。

目前，沼渣沼液中激素含量和致病微生物研究較少，其對土壤微生物及植物的具體影響尚不清楚。因此，這方面亟需進一步研究。

3 建議與展望

沼渣沼液在提高農產品產量及品質、改善土壤理化性狀等方面有顯著效果，但其生態環境安全風險不容忽視。針對沼渣沼液存在的問題，提出以下解決方案。

(1)沼渣沼液營養物質成份含量難以進行質量控制，施用前應進行養分分析，與化肥配合施用，以滿足作物生長需求。

(2)沼渣沼液中的重金屬、抗生素、激素等殘留量高，應對飼料生產加大監管力度，同時引導養殖戶合理使用獸藥，對畜禽糞便不定期抽查。

針對沼渣沼液施用所存在的環境風險，應開展其有害物質環境風險評價的研究，深入研究沼渣沼液主要污染物的含量和變化趨勢及其作用機理，建立沼渣沼液安全利用的標準及相關法律，嚴格監督沼渣沼液的農業利用。目前，沼渣沼液中的重金屬、抗生素等的有效去除大部分處于實驗室研究階段，須進行生產性試驗研究。如何有效降低沼渣沼液有害物質將是今后其安全農用的重點研究方向。