甄永康，顾亚兰，王梦芝*，贡玉清，李佩真，徐 俊

（1.扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州 225009；2.江苏省畜牧总站，江苏南京 210036；3.江西省农科院农产品质量安全与标准研究所，江西南昌 330000）

铜（Copper）是所有畜禽维持健康和生长发育所必需的微量元素之一，其参与体内许多营养与代谢过程。铜具有加速红细胞成熟形成血红蛋白、维持被毛正常的颜色与亮度、参与骨骼形成、增强动物抵抗力和作为多种氧化酶、过氧化物歧化酶等辅酶部分等作用。此外，铜能够加速动物生长发育，尤其对仔猪效果比较明显。研究发现，在饲粮中添加200 mg/kg硫酸铜能够提升仔猪的日采食量和平均日增重，降低耗料增重比。铜在动物体内的主要吸收场所为小肠，吸收率较低，90%的铜会经粪便排出体外。养殖户长期以来在仔猪日粮中过量添加铜（普遍超过猪最大耐受量250 mg/kg），但这些铜未被仔猪利用而直接排出体外，造成了一系列问题，如猪铜中毒而生长受阻、引发贫血和繁殖障碍；高铜有机肥施肥的牧草被反刍动物采食后，容易引起溶血等疾病；同时，过量排放铜不仅造成资源浪费，还会使高铜在土壤中蓄积危害其他土壤和水生动植物健康，高铜排放的危害引起重视。近年来，国内外关于铜的限量问题更新了相关政策，一些措施也能够降低粪便中铜含量，本文综合讨论铜的促生长机理、限量标准、饲料铜添加与排放、减排与治理及微生物利用技术等，以期为畜牧生产中治理粪便铜污染提供参考。

1 铜对动物的促生长作用及机理

饲料铜源主要包括硫酸铜、碱式氯化铜、有机铜和螯合态铜等，不同形式铜盐添加剂均有明显的促进生长作用。铜对猪的促生长剂量为200 mg/kg以上，禽类为100～200 mg/kg，而反刍动物为25 mg/kg左右，某些超过了畜禽对铜的最大耐受量（表1）。对仔猪来说，铜促生长的机理为：①高铜刺激仔猪促生长激素相关因子的合成与分泌，加速机体生长；②高铜提高猪抗氧化酶活性，如谷胱甘肽过氧化物酶、超氧化物歧化酶等，增强机体的抗氧化与清除自由基能力；③高铜提高仔猪胃肠道内胃蛋白酶、胰酶等各种消化酶活性，加速胃肠道蠕动，提高对饲料中粗蛋白、粗脂肪消化率，提高饲料转化率；④高铜加速仔猪胃分泌胃酸，降低胃pH，抑制有害菌生长，提高有益菌活性，预防仔猪腹泻，从而有益健康。有资料指出，饲喂母猪高铜日粮可以提高仔猪出生和断奶时的体重。当猪体重继续增长时（60 kg以上），铜促生长作用逐渐减弱甚至停止，若继续使用高铜可能会破坏猪肠道内环境，造成铜中毒，生产中育肥中期阶段应适当选用低铜日粮。

表1 不同动物对铜的最大耐受量[1]

对反刍动物来说，铜是瘤胃微生物繁殖的必需元素，羊日粮中添加不超过25 mg/kg的铜能提高消化率、促进生长、改善屠宰性能和肉品质，若添加铜超过100 mg/kg会降低羊淋巴细胞数量和血液中红细胞体积分布宽度，导致血液内谷胱甘肽浓度降低，红细胞脆性增大，甚至出现溶血的毒理作用。高铜对牛来说，能提高泌乳牛瘤胃乙酸含量，降低丙酸含量，提高乙酸与丙酸比值和瘤胃菌群相对丰度，促进瘤胃微生物降解纤维素，提高生产性能。

2 国内外饲料添加剂中铜限量调整

2.1 我国饲料添加剂中铜限量调整 2018年1月20日，《饲料添加剂安全使用规范》新版发布，猪饲料中允许添加的铜限量进一步完善，同时2009年发布的旧版规范废止。规范中修改了部分关于微量元素铜的限量标准，具体修改细则见表2。

表2 《饲料添加剂安全使用规范》微量元素铜的限量调整

新标准的修改如下：①旧标准允许30 kg内的仔猪和60 kg内的育肥猪饲料中添加高铜，而新标准只允许25 kg内仔猪添加高铜；②旧标准中30 kg内仔猪饲料最高允许铜添加量为200 mg/kg，60 kg内的育肥猪最高允许量为150 mg/kg，大于60 kg的成年猪最高允许35 mg/kg铜，新标准只允许25 kg内的仔猪使用不超过125 mg/kg的CuSO和110 mg/kg的Cu（OH）Cl；③Cu（OH）Cl的使用量较其他铜化合物得到扩大。

新规范的发布更加严格且精细控制了仔猪日粮中铜含量，对于养殖企业来说必须做出相应的调整才能适应新规范，在国家允许下进行养殖活动。据报导，Cu（OH）Cl的作用价值较高，大约是CuSO作用价值的1.1～1.3倍，仔猪日粮中若添加最高限量的Cu（OH）Cl，约110 mg/kg，其相当于132～154 mg/kg CuSO的效果，选用Cu（OH）Cl替代CuSO一样能得到促进仔猪生长作用。另外，新规范的发布体现了农业部门对养殖业环境保护问题更加重视，也表明我国的环境保护发展形势依然严峻，必须注重可持续发展与环境保护才能高效发展畜牧业。

2.2 欧盟饲料添加剂中铜限量调整 欧盟2018年7月在欧盟官方杂志公布的2018/1039号条例中说明了关于动物营养铜源的更改，具体细则如表3。

表3 欧盟关于动物营养铜源限量标准[19]

欧盟关于铜限量的新标准与国内一样，均在仔猪方面降低了铜的使用量且细分更加明确，我国关于仔猪饲料中CuSO限量“一刀切”，均为125 mg/kg，而欧盟标准中特殊允许了哺乳以及断奶4周内的仔猪使用150 mg/kg铜源，更加证明了高铜对于仔猪生长的促进作用是不可替代的。

因此，无论基于国内还是欧盟标准，即使调整了铜限量，但是仔猪日粮中使用高铜的问题仍然存在，更存在部分小型企业对于标准的“偷工减料”现象，不能基于新标准的发布就认为生态问题已经得到改善，从而放松生态环境保护，应采取各种措施来最大化降低养殖业对环境的污染。

3 动物饲料铜添加与排放情况

3.1 动物日粮中高铜的添加与排泄情况 铜盐饲料添加剂具有价格低廉、促增长效果显著等优点，在养殖业已得到广泛应用。在新版《饲料添加剂安全使用规范》发布之前，仔猪日粮中铜的添加量普遍超过250 mg/kg，一些精饲料或添加剂中甚至超过1 000 mg/kg。可见，猪饲料中铜添加量已经达到了高铜标准，90%的铜会随着粪便排出体外，粪便中铜含量最低约40 mg/kg，最高甚至超过1 200 mg/kg。仔猪饲料中铜含量最多，其次为肥育猪和母猪，粪便中铜含量与此类似。在粪便中，铜分为5种主要形态，即铁锰氧化物结合态、可互换态、有机态、碳酸盐结合态和不溶物形态，铜在畜禽排泄物中的形式大多为铁锰氧化物结合和有机态，其余的较少。同时，养殖场污水中的铜污染也不容小觑。卫丹等调查的10家猪场沼液中铜含量为0.82～8.8 mg/L，远超养殖污水排放限量0.5 mg/L；新《规范》发布后，高铜添加与排放情况得到较好的改善，但过量添加与排放的铜仍是养殖业铜污染最主要的来源。

查阅资料可知，我国不同地区牛、羊粪便中铜的排放量较猪粪而言含量较低。其中，羊粪中铜含量为26.8～45.7 mg/kg，牛粪中铜含量为23.8～55.5 mg/kg。另外，长期施用牛粪肥料的土壤中铜含量大约为18.8 mg/kg，牛精料补充料中铜含量大约为40.7 mg/kg。牛、羊粪中铜在土壤中的排放量较少，但不加以处理铜仍会长期在土壤中累积而造成危害。

3.2 动物粪便中铜过量排放的危害 粪便中过量的铜排放到土壤中，不仅会对土壤造成危害，而且对水源和动植物等都有较大影响。危害主要有：①会导致高铜在土壤中不断蓄积，尤其是表层土壤，土壤中铜含量高于80 mg/kg会造成土壤板结而影响微生物活动；②施加高铜猪粪发酵成的有机肥料会导致铜在农作物体内蓄积产生危害；③粪便固液分离后部分可交换态的铜会储存在污水中，如果不加以无害化处理直接排放，会对水生动植物造成危害，降低水体自净能力，当水中铜含量高于0.1～0.2 mg/L时，会有大量鱼类死亡；④铜在猪日粮中长期过量添加会引起猪中毒反应，造成猪呕吐、肝硬化等疾病，同时还田后铜会经过食物链进入其他动植物、人体内，危害人体健康。新《规范》的发布从源头上控制了高铜的添加量与添加形式，只有采取源头控制与粪便高铜治理技术相结合，才能最大程度上减少其对环境的危害，缓解我国养殖高铜治理的压力。

4 粪便高铜减排与治理技术

新《规范》发布后，饲料中高铜添加与排泄量均得到了较大程度的改善，真正做到了源头减排。姜山等2020年测定山东地区畜禽粪便中金属含量时发现，猪粪中铜含量为115.14 mg/kg，牛粪中铜仅0.44 mg/kg，为2009年猪粪铜含量的1/5左右（500 mg/kg计算）；徐国茂等对江西地区猪场重金属含量测定发现，饲料铜含量为71.00 mg/kg，饮水铜含量为24.15 mg/kg，铜添加量远低于标准，养殖企业合法合规地使用铜饲料添加剂产品，有序开展生产。但尿液铜含量为0.44 mg/kg，粪便铜含量为687.04 mg/kg，仍较高，原因可能是规模化养殖集约程度高、养殖密度大，导致猪采食饲料不均，猪采食过量而粪铜增加，或粪便长期堆积未清理而导致铜蓄积。因此，在源头减排基础上还需要结合粪铜治理技术。

目前，土壤和污水治理重金属离子的方法大致分为：添加石灰、硫化钠等发生化学反应使铜析出；吸附、过滤、萃取和离子交换等物理法去除铜和生物吸附、修复处理铜等。粪便中高铜的处理技术相关研究较少，但其也是由土壤和污水处理法发展和改进而得到的一门技术。目前，使用较多的方法包括加热固定法、化学改良剂修复法、化学沥浸法和生物技术处理法等。

4.1 改良剂修复法 一些无毒的化学改良剂可以有效降低粪便堆肥发酵过程中某些金属离子的生物有效性，如石灰石、海泡石、膨润土、沸石等。刘浩荣等在粪便堆肥过程中添加了沸石、海泡石和膨润土等改良剂，结果显示，可交换态的铜较处理前分别下降了5.83%、6.09%和1.49%，可见海泡石用于钝化效果最好，沸石次之，膨润土效果最差；周颖等进一步采用改良的海泡石-赤泥作为粪便堆肥钝化剂，当海泡石添加量为5%时，铜残渣明显析出，可交换态铜的浓度较处理前下降了36.79%，堆肥后的产品作为生物有机肥，油菜对有机肥中铜的吸收率降低了约10%，效果较好。

4.2 化学沥浸法 舒美惠等研究了粪便中的铜和锌在使用低分子酸处理时的去除量，并优化了浓度、时间和pH，结果表明，柠檬酸、草酸、酒石酸和苹果酸均有一定的去除效果，其中草酸对铜的处理效果最高，去除率达59.85%，柠檬酸次之，为46.8%，同时柠檬酸对锌的去除率高达82.35%。可见，柠檬酸对两种金属离子的去除效果最好。邢剑等的沥浸试验也得到类似的结论，其中草酸在pH为2时对铜的去除率为65.34%，盐酸和硫酸在pH为1.5时对铜的去除率为55%，有机酸的沥浸效果高于无机酸，由于仔猪粪便中铜浓度较高，使用化学沥浸处理粪便中铜的效果不如育肥猪与母猪。

4.3 生物技术处理法 张美娜利用鼠尾藻吸附利用污水中的铜、锌等离子，结果表明，不同重金属离子达到最大去除率时，加入的鼠尾藻的量也有所不同，分别为：铜离子在加入13 g/L鼠尾藻时的去除率最高，约91%；锌离子在加入10 g/L鼠尾藻时的去除率最高，约99%，试验证明了鼠尾藻对铜混合重金属具有较强的去除能力；王战勇等以啤酒酵母为材料研究其对铜离子的利用，结果表明：在pH为4，铜离子浓度为100 mg/L，啤酒酵母添加量为1.0 g/L，温度为25℃时，吸附2.5 h达到最高利用量，为91.82 mg/g干酵母，且红外光谱分析表明主要是酵母细胞中的羧基与羟基发挥作用；另外，龙丹丹等的试验也证明了产菌核米曲霉其菌丝体和菌核对铜离子具有很高的吸附力，且铜离子处理后导致米曲霉丝球和菌核之间空隙增大，表面积扩大，吸附利用率增大。

以上方法均能够有效解决高铜排放问题，在生产中得到了实际运用，但也存在许多缺点，如使用化学改良剂钝化只能短期内降低铜的危害作用，无法解决铜一直蓄积的问题；化学沥浸法对投加的化学药剂有一定要求，避免其造成二次污染；生物沥浸法中生物培养过程繁琐等。总的来说，微生物处理法相关研究较新颖，微生物对铜进行吸附或生物转化后，可将铜进一步解吸附而回收利用，更符合生态畜牧要求。

5 微生物去除铜及固定化技术研究现状

细菌、真菌和藻类等微生物在一定含量范围内，可以针对铜或其他重金属进行利用，从而达到去除目的，在工业、畜牧业土壤和污水污染防治中已得到较好利用。微生物利用铜技术最早由Rushhoft在1949年提出，常见的可以利用铜的微生物种类繁多，细菌类主要包括芽孢杆菌、大肠杆菌和假单胞菌等，真菌类包括酵母菌、米曲霉和黑曲霉等，藻类包括普通小球藻、褐藻等。除铜以外，锌、锰、镍、镉、铅和汞等其他重金属也可以利用微生物去除。

5.1 微生物对铜的利用机理 微生物利用铜是一个复杂的过程，受各种代谢、过程条件和环境等因素影响。微生物对于铜的利用主要表现为2个方面，分别为微生物表面吸附和胞内聚集。表面吸附是指微生物细胞表面含有可以键合铜离子的活性官能团（如羟基、氨基和巯基等），官能团与铜产生螯合反应而利用；胞内聚集是指活性微生物通过主动运输作用将细胞表面的铜离子转运至细胞内，从而大量聚集。细菌方面，其含有的肽聚糖和磷酸壁主要发挥吸附和利用双重作用。真菌方面，真菌细胞壁上的带负电荷的官能团使得细胞壁表面呈负电性，通过离子交换和静电吸附而结合铜离子。藻类方面，藻类细胞壁上的果胶、木聚糖等都具有结合铜离子的能力。

5.2 微生物利用铜的影响因素 由于不同微生物细胞结构差异大且成分复杂，不同的微生物类型、利用环境、铜含量、土著菌作用以及其他离子对铜抑制等因素会导致不同的微生物吸附率不同，利用铜的参数也不一致。影响因素大致分为菌种因素、重金属因素和环境因素3方面：菌种因素主要包括使用的菌种种类、投加量、前处理（菌种洗涤、活化和酸、碱处理等）和过程处理（直接投加或使用包埋材料固定）等；重金属因素包括金属的种类、初始浓度、共存离子（混合金属离子可能存在竞争抑制作用）；环境因素包括pH（pH会影响菌种生化特性、离子物理性质等）、温度（温度高会导致微生物利用时能量消耗增大）、利用介质（液体环境或粪便、土壤中等）。因此，不同因素会导致利用机理不同，利用率也有所不同。整体而言，真菌由于其具有带负电荷的官能团、羧基和羟基、菌丝、菌核和孢子等，利用效率较高。

5.3 微生物固定化吸附方法 微生物具有体积微小、数量大、处于游离状态和生物活性强等特点，因此，菌种往往难以固定。寻找合适的包被材料对其包被后，游离的微生物被固定在特定的空间内，既能保持生物活性，又能便于铜的吸附和解析附，从而提高利用效率。近年来，微生物固定化吸附剂成为研究热点，常见的包埋材料包括海藻酸钠（SA）、聚乙烯醇（PVC）、聚氧化乙烯（PEO）、琼脂和海藻酸钙等，或混合2种及以上制作复合包埋材料，其中以海藻酸钠混合其他包埋材料研究较深入，合适的包埋材料固定菌种后单位面积菌种生物量增大，铜利用率也会有所提升。朱一民等直接采用海藻酸钠吸附铜，在pH为6.0、温度为30℃时，每克海藻酸钠最高可以吸附140～150 mg铜，在铜含量为800 mg/L时可去除81%的铜，在铜含量为40 mg/L时可去除99%的铜，可见该材料本身便对铜离子具有较高的吸附作用。

此外，通过在海藻酸钠中包埋一定的材料，如微生物、活性炭等，或进行改性，其对铜利用率会有所提升。吴昊等使用海藻酸钠、聚氧化乙烯为原料，活性炭为包埋物制作吸附颗粒，连续3 d测定其对铜的去除率，最高达95.57%。杜淑雯等使用海藻酸钠为原料，废弃淤泥生物质炭（SC）为包埋物制备吸附剂，最高可去除98.7%的铜。大量新型材料直接吸附铜也有较高的研究热度，如李林波等将氧化石墨烯/改性磁性壳聚糖复合制成吸附剂，对100 mL、50 mg/L铜离子体系下的吸附量高达70.3 mg/g；李静等制备磁性纳米复合吸附剂PFM（PAM＠FeO/MnO），对铜吸附率达97%，效果显著。上述吸附剂均具有复合材料、纳米级、磁性、机械强度高等特点，与菌种进行混合包被，吸附效率会提高，进一步加强到粪便、土壤中推广高铜利用，应用前景广泛。

6 结 语

当前，无抗、低排、生态化养殖已成为主流。在养殖过程中，遵守国家标准，采取一系列综合处理措施才能合理处理粪便中的高铜排放问题。只有从源头上限铜减排、开发低铜饲料添加剂与高铜替代物、采用良好的畜禽饲养管理、使用钝化和沥浸法，或利用包埋材料制成的生物吸附剂处理铜，使其达到国家允许排放及制作有机肥的标准，才能最大化减少高铜危害，发展生态畜牧。微生物铜吸附剂吸附利用效率较高、制作简便，符合生态化理念，具有一定的利用前景。