饲料中重金属和抗生素对土壤和蔬菜的影响

饲料中重金属和抗生素对土壤和蔬菜的影响 王 　瑾 ,韩剑众①　(浙江工商大学 食品质量与安全系 /浙江省食品安全重点实验室 ,浙江 杭州 　310035) 摘要 : 长期施用规模养殖场猪粪和未施猪粪土壤调查结果明 ,施猪粪土壤及蔬菜 (韭菜、青菜、芹菜、萝卜 )中铜、锌、砷含量均 显著高于对照组 ( P < 0. 05) ,土壤中铜、锌、砷含量最高分别为对照组的 11倍、5倍和 2倍 ,蔬菜中铜、锌含量最高均为对照组的 4 倍 ,砷为对照组的 3倍 ;施猪粪土壤中铜超标最高达 133. 98% ,锌为 52. 05% ,砷为 12. 04% ;施猪粪蔬菜锌超标最高达 117% ;在 施用粪肥的土壤和韭菜根中检测出土霉素和金霉素 ,对照组中则未检出。 关键词 : 饲料添加剂 ; 重金属 ; 抗生素 ; 土壤 ; 蔬菜 中图分类号 : X53; X56; X592　　文献标识码 : A　　文章编号 : 1673 - 4831 (2008) 04 - 0090 - 04 Effects of Heavy M eta ls and An tib iotics on So il and Vegetables. WANG J in, HAN J ian2zhong ( Food Quality and Safety Department of Zhejiang Gongshang University /Key Laboratory of Food Safety of Zhejiang Province, Hangzhou 310035, China) Abstract: The soil app lied with p igmanure from large2scale p ig farm s and the soil never treated with p ig manure were investigated. Results show that the contents of copper, zinc and arsenic in the experimental soilwere 11, 5 and 2 times respectively as high as those in the control soil and 4, 4 and 3 times as high in the vegetables ( leeks, pakchoi, celery, radish) growing in the experimental soil as those in the control group s ( P < 0. 05) . The contents of copper, zinc and arsenic in the experimental soil all exceeded standard by 133. 98% , 52. 05% and 12. 04% , and the content of zinc in the experimental vegetables was 117% higher than standard. A lso, oxytetracycline and chlortetracy2 cline were detected in the experimental soil and in the roots of experimental leek, but not in control group. Key words: feed additive; heavy metal; antibiotic; soil; vegetable 　　传统上猪粪一直是绿色有机肥料的典型 ,但基于现代饲 料工业的畜牧养殖业所用饲料中含有各种添加剂 ,包括抗生 素和多种重金属元素 ,而这些添加剂绝大部分随畜禽粪便排 出体外 [ 1 - 2 ]。由于重金属及相关抗菌素在土壤中相对稳定、 难降解、毒性强、有积累效应等 [ 3 ] ,因此 ,含有这些饲料添加 剂残留的畜禽粪便是否会影响土壤质量 ,并最终危及农产品 的安全 ,近年来一直是国内外饲料添加剂 (兽药 )生态毒理研 究的焦点。 饲料中常用的重金属添加剂有铜、锌、有机胂制剂等 ,常 用的抗生素包括四环素类、氯霉素、磺胺类、呋喃唑酮等。通 常 ,饲料中铜和锌的添加量分别为 200～250和 200～400 mg·kg- 1 (乳猪中可达 2 000～2 500 mg·kg- 1 ) ;作为最常用 的有机胂制剂 ,对氨基苯胂酸 (阿散酸 )和硝基羟基苯胂酸 (洛克沙胂 )在猪饲粮中的安全添加量分别为 50～100和 30～50 mg·kg- 1 ;抗生素中金霉素、土霉素和磺胺类药物的 添加量一般为 50～100、25～75和 100～200 mg·kg- 1。在 对山东、浙江、江苏等多个省份规模化养殖场猪粪检测中发 现 ,风干猪粪中铜和锌含量普遍在 500和 1 000 mg·kg- 1以 上 (仔猪风干粪便中锌可高达 10 000 mg·kg- 1 ) ,砷在 50 mg ·kg- 1以上 ;土霉素和金霉素平均分别为 9. 09和 3. 57 mg· kg- 1 [ 4 - 5 ]。 为了客观地比较现代畜牧养殖业对土壤及农作物的影 响 ,对浙江义乌 (建场于 1998年 )、宁波 (建场于 1996年 )和 萧山 (建场于 2002年 ) 3个大型规模化养殖场 (年出栏在 2 万头以上 )使用猪粪的土壤进行细菌、真菌和放线菌等调查 , 以及饲料中重金属元素 (铜、锌、砷 )和抗生素 (土霉素、金霉 素 )在环境中转移的研究 ,以期为了解饲料添加剂 (兽药 )的 生态毒理及其在食物链的迁移提供参考。 1　材料与 1. 1　试验材料 选择的 3个养猪场具有不同土壤类型 ,即黄壤 (义乌 )、 涂砂田 (萧山 )、黄黏泥 (宁波 )。猪场所用饲料中重金属和 抗生素含量 :义乌猪场铜 220 mg·kg- 1 ,锌 160 mg·kg- 1 (乳 猪饲料为 2 800 mg·kg- 1 ) ,砷 110 mg·kg- 1 (阿散酸 ) ,金霉 素 100 mg·kg- 1 ,磺胺二甲嘧啶 100 mg·kg- 1 ,普鲁卡因青 霉素 50 mg·kg- 1 ;萧山猪场铜 180 mg·kg- 1 ,锌 170 mg· kg- 1 (乳猪饲料为 2 400 mg·kg- 1 ) ,砷 90 mg·kg- 1 (阿散 酸 ) ,土霉素 110 mg·kg- 1 ;余姚猪场铜 200 mg·kg- 1 ,锌 160 mg·kg- 1 (乳猪饲料为 2 500 mg·kg- 1 ) ,砷 50 mg·kg- 1 (洛 克沙胂 ) ,弗吉尼亚霉素 (速大肥 ) 30 mg·kg- 1。采用无菌操 作法采集 0—20 cm表层土壤 , 5点法采样混匀后按 4分法留 取带根土 2 kg左右 ,装入灭菌塑料袋封口标号 ,同时采取该 地种植的蔬菜 2 kg左右。以采自普通种植田的土壤及蔬菜 基金项目 :浙江省科学技术厅“新苗人才计划” 收稿日期 : 2008- 03- 18 ①通讯联系人 　生态与农村环境学报 　2008, 24 (4) : 90 - 93 Journal of Ecology and Rural Environm ent 为对照组。土壤样品 1份经自然风干磨碎 ,过 0. 15 mm孔径 筛后供重金属含量测定 ; 1份立即放置于 - 20 ℃冰箱中供抗 生素检测。蔬菜样品 1份将地上部分和地下部分分开后在 60 ℃烘箱中烘干至恒重 ,测水分含量 ,然后将干样粉碎过 0125 mm孔径筛 ,装入纸袋储于干燥器内以备重金属测试 ; 1 份将地上部分和地下部分分开后立即放置于 - 20 ℃冰箱中 供抗生素检测。 1. 2　试验方法 1. 2. 1　试验处理 义乌、宁波和萧山对照土壤施肥情况为 1 hm2 施用氮、 磷、钾复合肥 2 550 kg ,其中 1 500 kg基施 , 1 050 kg分 2次 追施。经调查 ,对照土壤肥料施用历史均为 5～8 a,且施肥 量基本按此标准不变 ;现代集约化养殖场的猪粪中一般有机 质、氮、磷、钾含量分别为 500、25、20、10 g·kg- 1 ,试验组从建 场次年开始仅施用猪粪。除基施外 ,另按当地习惯在蔬菜生 长周期内追施 3～5次 , 666. 7 hm2 施猪粪 (湿基 ) 2～3 t· a - 1 ,不再添加其他任何品种化肥 ,施肥量与复合肥施用量相 当。施猪粪土壤和对照土壤均采用相同的当季露地自然土 培 ,非保护性轮作栽培方式。 1. 2. 2　测定方法 (1) pH测定方法 　按 NY/T 1121. 2—2006中土壤 pH测 定方法进行。 (2)重金属检测 　土壤消化采用王水 + HClO4 法 [ 6 ] ,蔬 菜消化采用 HNO3 和 HClO4 混酸法 [ 7 ] ,消化好的土壤和蔬菜 样品采用 ICP2MS进行重金属含量测定。 　　 (3)抗生素检测 仪器和试剂 　W aters 2695 高效液相色谱仪 (W aters 2996, PDA紫外检测器 ) ,超声波清洗器 ,高速冷冻离心机 ,涡 旋震荡器 , OASIS HLB固相萃取柱 ( 3 mL小柱 ,吸附量 60 mg, W aters公司产品 ) ,强阴离子交换柱 ( SAX) (3 mL小柱 , 吸附量 500 mg, Agilent公司产品 )。土霉素 (OTC)和金霉素 (CTC)均为 Fluka公司产品 ;甲醇、乙腈均为色谱纯。 色谱条件 　色谱柱 : Hanbon Sci&Tech L ichrospher C18 (250 mm ×4. 6 mm, 5μm ) ;流速 : 110 mL·m in - 1 ;进样环体 积 : 20μL;柱温 : 25 ℃;检测波长 : 350 nm; 1和 15 m in时分离 OTC和 CTC的洗脱梯度 : VA ∶VB ∶VC = 20. 0∶75. 0∶5. 0和 VA ∶ VB ∶VC = 37. 0∶48. 0∶15. 0 (VA 为乙腈体积 , VB 为纯水体积 , VC 为 0. 01 mol·L - 1草酸体积 )。经预备试验 ,以 3倍信噪比求 得 OTC和 CTC的检出限分别为 22和 50μg·L - 1。 样品检测 　土壤样品采用 EDTA2Mcllvaine缓冲溶液提 取 ,用 SAX2HLB串联小柱纯化和富集 ,用丙酮 (含 100 mL· L - 1甲醇 )洗脱。洗脱液经高纯氮气吹干后 ,再用 1 mL甲醇 定容 ,密封冷藏于 4 ℃待测。蔬菜样品称样量为 10 g,用与 土壤样品相同的方法提取后过 HLB小柱 ,其余操作步骤均 与土壤样品相同 [ 8 - 9 ]。 2　结果与 2. 1　重金属 　　施猪粪土壤和对照土壤中重金属含量见表 1。 表 1　施用猪粪对土壤中重金属含量及其超标情况的影响 Table 1　Effect of p ig manure applica tion on the con ten t of heavy m eta ls in so il 地点 处理 pH 铜 平均值 / (mg·kg - 1 ) 超标率 / % 锌 平均值 / (mg·kg - 1 ) 超标率 / % 砷 平均值 / (mg·kg - 1 ) 超标率 / % 义乌 施猪粪 6. 46 116. 99 ±3. 72 a 133. 98 351. 83 ±33. 87 a 40. 73 28. 01 ±0. 11 a 12. 04 对照 6. 11 11. 38 ±0. 49 b N 64. 95 ±5. 41 b N 13. 55 ±0. 65 b N 宁波 施猪粪 6. 82 127. 62 ±6. 64 a 27. 62 380. 12 ±9. 79 a 52. 05 4. 45 ±0. 18 a N 对照 6. 02 31. 01 ±1. 65 b N 105. 61 ±4. 96 b N 2. 05 ±0. 23 b N 萧山 施猪粪 7. 40 96. 58 ±5. 04 a N 287. 20 ±24. 42 a 14. 88 8. 55 ±0. 70 a N 对照 8. 27 　8. 47 ±0. 49 b N 66. 37 ±11. 23 b N 4. 36 ±0. 15 b N 同列数据中不同英文字母表示在α= 0. 05水平上差异显著 ; N—未超标 ;依据 GB 15618—1995土壤环境质量二级标准评价重金属超标情况。 　　由表 1可知 ,施用猪粪土壤铜、锌和砷含量均显著高于 对照组 ( P < 0. 05) ,其中 ,萧山组铜含量达对照组的 11倍 ,义 乌组锌和砷含量分别为对照组的 5倍和 2倍。采用 GB 15618—1995土壤环境质量二级标准进行评价表明 ,在施用 猪粪肥后 ,均有土壤重金属超标现象 ,其中义乌组土壤铜、锌 和砷含量均超过土壤二级标准 ,且超标幅度较大 ,而在对照 组中均未发现重金属超标。 蔬菜中铜、锌和砷含量见表 2。由表 2可知 ,施用猪粪组 蔬菜重金属含量除个别组与对照相比无显著差异外 ,绝大多 数显著高于对照 ( P < 0. 05)。其中 ,青菜差异性最为明显 ,施 用猪粪后义乌青菜地上部分铜、锌含量约为对照组的 4倍。 GB 13106—91蔬菜中锌限量卫生指标为 20 mg·kg- 1 ,义乌 和宁波施猪粪地芹菜地上部分锌含量已超出该标准 117%和 5% ;其中义乌对照芹菜中的锌也略有超标 ,这可能和当地土 壤类型和土壤中锌本底值以及蔬菜类型有关。除义乌施猪 粪组和对照组芹菜中的锌以及宁波施猪粪组芹菜中的砷以 外 ,其他蔬菜地下部分中 3种金属的含量都高于地上部分 , 由此可见 ,与其他试验蔬菜相比 ,芹菜可能更容易富集锌 ,因 ·19·　第 4期 　　　　　　　　　　　　王 　瑾等 :饲料中重金属和抗生素对土壤和蔬菜的影响 此存在着较大的食用安全隐患。 表 2　施用猪粪对蔬菜中重金属含量的影响 Table 2　Effect of p ig manure applica tion on the con ten t of heavy m eta ls in vegetables mg·kg- 1 元素 地点 处理 地上部分 韭菜 青菜 芹菜 地下部分 韭菜 青菜 芹菜 萝卜 Cu 义乌 施猪粪 0. 50 ±0. 01 a 1. 54 ±0. 03 a 0. 87 ±0. 01 a 7. 67 ±0. 27 a 11. 49 ±0. 40 a 5. 64 ±0. 22 a 0. 84 ±0. 06 a 对照 0. 53 ±0. 01 a 0. 41 ±0. 02 b 0. 50 ±0. 01 b 4. 06 ±0. 08 b 　2. 71 ±0. 28 b 3. 10 ±0. 16 b 0. 37 ±0. 03 b 宁波 施猪粪 0. 90 ±0. 04 a 1. 88 ±0. 05 a 3. 44 ±0. 10 a 25. 72 ±1. 29 a 12. 04 ±0. 46 a 10. 41 ±0. 12 a 0. 41 ±0. 01 a 对照 0. 56 ±0. 01 b 0. 98 ±0. 05 b 0. 90 ±0. 06 b 10. 43 ±0. 84 b 11. 09 ±0. 29 a 9. 24 ±0. 4 a 0. 36 ±0. 01 b 萧山 施猪粪 1. 00 ±0. 03 a 0. 87 ±0. 02 a 13. 83 ±0. 38 a 　7. 48 ±0. 53 a 0. 45 ±0. 01 a 对照 0. 49 ±0. 02 b 0. 30 ±0. 01 b 6. 56 ±0. 44 b 　3. 30 ±0. 07 b 0. 27 ±0. 02 b Zn 义乌 施猪粪 4. 43 ±0. 11 a 11. 70 ±0. 41 a 43. 39 ±0. 66 a 47. 10 ±1. 86 a 53. 90 ±1. 25 a 31. 09 ±0. 69 a 4. 16 ±0. 02 a 对照 2. 91 ±0. 26 b 2. 61 ±0. 13 b 28. 24 ±1. 53 b 15. 20 ±0. 94 b 16. 65 ±0. 99 b 16. 56 ±0. 76 b 2. 77 ±0. 08 b 宁波 施猪粪 4. 95 ±0. 22 a 11. 76 ±0. 26 a 21. 08 ±0. 85 a 82. 44 ±2. 00 a 60. 84 ±1. 19 a 49. 69 ±1. 35 a 5. 02 ±0. 04 a 对照 2. 33 ±0. 20 b 5. 52 ±0. 21 b 7. 32 ±0. 71 b 34. 29 ±1. 43 b 32. 29 ±2. 95 b 46. 12 ±0. 75 a 4. 49 ±0. 39 a 萧山 施猪粪 4. 87 ±0. 04 a 6. 57 ±0. 21 a 20. 77 ±0. 88 a 52. 94 ±3. 22 a 3. 76 ±0. 05 a 对照 1. 87 ±0. 06 b 2. 93 ±0. 11 b 10. 39 ±0. 50 b 15. 577 ±0. 40 b 2. 50 ±0. 21 a A s 义乌 施猪粪 0. 020 ±0. 001 0. 079 ±0. 003 　　 N 0. 571 ±0. 017 0. 974 ±0. 028 0. 347 ±0. 019 　　 N 对照 　　 N 　　 N 　　 N 　　 N 　　 N 　　 N 　　 N 宁波 施猪粪 0. 046 ±0. 003 0. 061 ±0. 002 1. 103 ±0. 043 0. 622 ±0. 029 0. 615 ±0. 025 　　 N 　　 N 对照 　　 N 　　 N 　　 N 　　 N 　　 N 　　 N 　　 N 萧山 施猪粪 0. 119 ±0. 012 0. 049 ±0. 003 1. 698 ±0. 054 0. 833 ±0. 021 0. 041 ±0. 002 对照 　　 N 　　 N 　　 N 0. 245 ±0. 028 　　 N 同列数据中不同英文字母表示在α= 0. 05水平上差异显著 ; N—未检出 ;蔬菜以鲜重计。 2. 2　抗生素 施猪粪土壤和对照土壤中抗生素含量见表 3。 表 3　施用猪粪对土壤中土霉素 ( O TC )和金霉素 ( CTC )含 量的影响 Table 3　Effect of p ig manure applica tion on the con ten t of oxytetracycline( O TC) and chlortetracycline ( CTC) in so il mg·kg- 1 地点 处理 OTC CTC 义乌 施猪粪 0. 539 3 1. 559 2 对照 N N 宁波 施猪粪 0. 440 4 0. 435 3 对照 N N 萧山 施猪粪 1. 231 9 0. 680 4 对照 0. 072 4 N N—未检出。 由表 3可知 ,除萧山对照土壤检测到少量 OTC外 ,其余 对照土壤均未检测到 OTC和 CTC,而施猪粪土壤中均检测到 OTC和 CTC。 实测结果还表明 ,虽然在所有蔬菜的地上部分均未检测 到 OTC和 CTC,但在义乌和萧山的韭菜根中已有检出。其 中 ,义乌韭菜根中 OTC为 0. 027 7 mg·kg- 1 , CTC为 0. 139 5 mg·kg- 1 ;萧山韭菜根中 OTC为 01036 4 mg·kg- 1。 3　讨论 迄今为止 ,对于施用粪肥对环境及食品安全的研究较 少。本研究发现施用粪肥的土壤中铜、锌、砷 3种重金属含 量均大大超标。由此导致施用粪肥蔬菜中重金属含量普遍 高于对照组 ,其中芹菜中锌含量存在严重超标现象。土壤中 的重金属先在植物根系中富集 ,随后不断转移至地上部分 , 这对地上可食部分安全存在很大隐患。重金属在蔬菜中具 有迁移特性 ,据报道 ,砷作为饲料添加剂使用后 ,通过食物链 和生态系统循环 ,逐级加大累积量。土壤中砷含量每升高 1 mg·kg- 1 ,甘薯块根中砷含量即上升 0. 28 mg·kg- 1 ,不到 10 a,该地区甘薯中砷含量即超过国家卫生标准 ,不能供食 用 [ 10 ]。由于重金属在土壤和农作物中具有累积效应 ,因此 , 如何修复这些重金属含量高的土壤 ,控制重金属在农产品中 的残留 ,显然是食品安全研究人员所面临的新问题。此外 , 随粪肥进入土壤环境的大量抗生素也必将对土壤环境和农 作物产生一定影响。有文献报道 ,链霉素、土霉素在土壤环 境中降解很少并能够在环境中蓄积。土壤中抗生素类药物 污染可以抑制植物种子发芽 ,影响根系和下胚轴以及叶片的 生长 ,且随着污染的加重和时间的延长 ,对植物生长的影响 增大。用含有四环素的动物粪便处理土壤 ,如果质量浓度达 到 0. 009～0. 012 mg·L - 1 ,将对猩猩木的液体培养物产生毒 害作用。土霉素和金霉素对杂色豆的生长有负面影响 ,它们 ·29· 　　　　　　　　　　　　　　生 　态 　与 　农 　村 　环 　境 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　第 24卷 减少了植株的生节、鲜重 ,并影响植物对钙、钾和镁的吸收。 特别值得注意的是 ,磺胺类药物和四环素类药物在环境中稳 定性好 ,容易被植物所吸收积累 ,从而通过食物链危及人类 健康 [ 11 - 16 ]。HAMSCHER等 [ 17 ]报道 ,在施用动物排泄物的 0—40 cm土壤表层检测到土霉素和金霉素 ,其残留量最高分 别达 32. 3和 26. 4 mg·kg- 1。本研究结果证实 ,所有施用粪 肥的土壤中均可检测到 OTC和 CTC,并在韭菜根中也检测到 相应抗生素 ,同时在萧山的对照组中也检测到微量 OTC,这 可能与对照土壤处在猪场下游方向 ,从而受到猪场废弃物污 染有关。在其他蔬菜中尚未检出抗生素残留 ,这可能与这些 猪场的建成时间、试验选择的蔬菜品种、生长季节及饲料中 应用的抗生素等有关。饲料添加剂特别是作为促进生长、预 防疾病的各种抗生素对土壤环境的影响 ,它们的迁移特性和 转化规律是否会最终进入蔬菜的可食部分等问题仍需深入 开展研究。 参考文献 : [ 1 ]　SILV IA D C, MA IA J, LOPEZ A, et al. 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