金爾光，崔華威,2，陳 潔，周 源，萬平民，華 娟，吳利軍，胡修忠，龔 萍*

(1.武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 畜牧獸醫(yī)研究所，湖北 武漢 430208；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物醫(yī)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

天然雌激素(簡稱雌激素)是由動物卵巢、胎盤及腎上腺皮質(zhì)等器官分泌的具有生物活性的化合物，主要通過與雌激素受體結(jié)合發(fā)揮調(diào)節(jié)和維持機(jī)體正常的內(nèi)分泌功能及生殖細(xì)胞的生長、分化等機(jī)能。隨著集約化規(guī)?；竽翗I(yè)的發(fā)展，畜禽場糞污產(chǎn)量明顯增加。糞污中除了有機(jī)質(zhì)、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)外，還含有雌酮(E)、17α-雌二醇(17α-E)、17β-雌二醇(17β-E)、雌三醇(E)等雌激素。2010年中國畜禽的雌激素排放總量達(dá)1 240 t，其中80%以上進(jìn)入土壤和水體；美國和歐盟年排放量為83 t，2004年英國畜禽場總雌激素排泄量的17β-E活性當(dāng)量(EQQ)為789 kg，約為人類的4倍。畜禽糞污中的雌激素通過地表徑流、土壤滲濾、還田利用等方式進(jìn)入土壤和水體，污染土壤和水體，對生態(tài)系統(tǒng)、動植物生長發(fā)育和人類健康構(gòu)成潛在威脅，控制和消減糞污中雌激素已引起了科技工作者的廣泛關(guān)注。近年來，圍繞糞污中雌激素消減路徑及其機(jī)制開展了大量研究，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過活性碳、生物濾膜等截留雌激素；高效氧化主要是在強(qiáng)氧化作用下將雌激素轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)或礦化為二氧化碳和水；生物降解則是通過功能性菌株或菌群的生理代謝將雌激素轉(zhuǎn)化為低活性或無活性的物質(zhì)。

1 糞污中天然雌激素留存現(xiàn)狀

1.1 天然雌激素的特性與形態(tài)

天然雌激素具有疏水性、易吸附性、遷移性、環(huán)境持久性、難降解性、生物富集性等特性。隨畜禽糞尿排出的雌激素以高活性游離態(tài)和低活性的結(jié)合態(tài)存在，其中糞便中多為游離態(tài)，尿液中主要是結(jié)合態(tài)，在環(huán)境微生物作用下結(jié)合態(tài)可轉(zhuǎn)化為游離態(tài)。研究表明，牛糞尿中的雌激素大部分是E、17α-E、17β-E及其相應(yīng)的硫酸鹽和葡糖苷鹽結(jié)合物，豬和家禽排出的是E、17β-E、E及其相應(yīng)的硫酸鹽和葡糖苷鹽結(jié)合物。王真等發(fā)現(xiàn)新鮮奶牛糞便中除含有游離態(tài)雌激素E、17β-E和E，還含有葡糖苷酸鹽和硫酸鹽結(jié)合態(tài)雌激素。Zhang等報(bào)道，豬尿液中除游離態(tài)雌激素E、17β-E和E外，還有結(jié)合態(tài)雌激素雌酮-3-硫酸鈉鹽(E-3S)、17β-雌二醇-3-硫酸鈉鹽(17β-E-3S)、雌酮-3-葡糖苷酸鈉鹽(E-3G)和17β-雌二醇-3-葡糖苷酸鈉鹽(17β-E-3G)，且結(jié)合態(tài)雌激素總量遠(yuǎn)高于游離態(tài)雌激素。

1.2 糞尿中的天然雌激素

雌激素的產(chǎn)生和排泄量因畜禽種類、年齡、性別、生理周期、生長階段等不同存在很大差異，不同種類畜禽糞尿中雌激素種類、含量及主要排出途徑也不同。牛和羊通過糞便排出的雌激素比例分別為91%～96%和50%～70%，豬和家禽通過尿液排出的雌激素比例分別為90%～99%和69%。Raman等測算美國的奶牛和豬E、E(雌二醇)的日排出總量分別為20～80 kg/d和10～30 kg/d。Andaluri等報(bào)道，家禽和奶牛糞便中E、17α-E、17β-E含量分別為44.2、92.7、149.8和16.1、6.2、16.6 ng/g。胡雙慶等檢測結(jié)果顯示，上海市典型豬場尿液和糞便中E、17β-E、E的總量分別為8 846.0 ng/L和84.6 ng/g，奶牛場尿液和糞便中E、17β-E的總量分別為2 600.9 ng/L和72.5 ng/g，雞場糞便中雌激素總量為60.9 ng/g，雌激素的排放量依次為豬場>奶牛場>雞場。張夢濤等調(diào)查發(fā)現(xiàn)，奶牛糞便中的雌激素主要為E、17α-E和17β-E，且不同生理階段糞便中的雌激素總量存在顯著差異，依次為泌乳牛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

畜禽糞尿中含有雌激素，因而包括尿液、沖洗欄舍的污水、沼液等污水中也含有雌激素。Hutchins等的檢測結(jié)果顯示，母豬場沼氣池和一級氧化塘出水中E、E、E含量分別為9 600～24 900、2 200～3 000、5 000～10 400 ng/L，保育豬場氧化塘出水中E、E、E分別為390～620、40～50、180～220 ng/L。Hanselman等報(bào)道，沖洗奶牛場糞污的污水中E、17α-E、17β-E分別為879、2 282、643 ng/L。Zheng等檢測發(fā)現(xiàn)，奶牛場新鮮污水中E、17α-E和17β-E含量分別為300、2 200和250 ng/L。楊倫研究表明，奶牛場厭氧池出水(包括沼液、尿液、牛舍沖洗水)和厭氧池出水經(jīng)過好氧工藝處理后出水中E、17α-E、17β-E、E-3S、E的含量分別為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，厭氧池出水經(jīng)過好氧處理后的出水中E、17α-E和17β-E含量明顯降低。

1.4 糞污源肥料中的天然雌激素

畜禽糞便、糞污干濕分離后的固體、糞污厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣等堆肥或制備有機(jī)肥是一種較常見的糞污處理方式。研究證實(shí)糞污源肥料中含有雌激素。Lorenzen等報(bào)道，豬糞源有機(jī)肥中雌激素EQQ達(dá)5 965 ng/g(干重)。袁哲軍調(diào)查發(fā)現(xiàn)，豬場沼渣肥中E、17β-E和E總量達(dá)30.46 ng/g，奶牛場糞污高溫堆肥產(chǎn)物中E和17β-E總量為8.96 ng/g。韓進(jìn)等檢測發(fā)現(xiàn)，雞糞、豬糞及牛糞源有機(jī)肥中均含有雌激素，雞糞和豬糞源有機(jī)肥中17β-E、E分別為2.71、270.22和41.84、609.71 μg/kg(干重)，牛糞源有機(jī)肥中E為50.96 μg/kg(干重)。王真等的試驗(yàn)表明堆肥可明顯去除奶牛糞便中雌激素，堆肥70 d總雌激素(E、17β-E和E)EQQ值由305.52降至53.55 μg/kg，降低82.47%；進(jìn)一步檢測發(fā)現(xiàn)其中E、17β-E、E-3S、E-3S、E-3G、17β-雌二醇17-硫酸鉀鹽(E-17S)和17β-雌二醇17-葡糖苷酸鈉鹽(E-17G)殘留量分別為69.28、11.98、1.75、9.5、3.89、16.4、4.44 μg/kg，說明奶牛糞便堆肥產(chǎn)物中仍然含有一定量雌激素。

2 糞污中天然雌激素的主要危害

2.1 污染土壤和水體

糞污中的雌激素通過地表徑流、還田利用等途徑進(jìn)入土壤和地表水，進(jìn)入土壤中的雌激素一部分被土壤顆粒吸附殘留在土壤中，一部分通過雨水淋溶、土壤滲濾等遷移至周邊水體或地下水，對土壤和水環(huán)境構(gòu)成威脅。Schuh等發(fā)現(xiàn)，施用120 m/hm豬場糞污池糞肥6個月后農(nóng)田土壤中17β-E顯著升高。Finlay-Moore等用肉雞糞便改良土壤，土壤中17β-E含量由55 ng/kg增加至最高值675 ng/kg。王代懿調(diào)查發(fā)現(xiàn)，施用雞糞后的蔬菜大棚土壤中E、17α-E、17β-E、E均值分別達(dá)2 103、323、87、15 ng/kg，認(rèn)為畜禽糞便還田會引起土壤中雌激素升高。Zhang等在長期大量施用畜禽糞便(雞糞、牛糞為主)的蔬菜大棚排水溝水中檢出E、17β-E、17α-E、E。Kjaer等發(fā)現(xiàn)，施用豬糞3個月后農(nóng)田排水系統(tǒng)中E和17β-E最大質(zhì)量濃度分別可達(dá)68.1和2.5 ng/L。Chen等檢測臺南地區(qū)畜禽養(yǎng)殖區(qū)附近河流中的雌激素水平，發(fā)現(xiàn)上游和下游E、17β-E、E的含量分別為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較嚴(yán)重。袁哲軍等研究顯示，豬場、奶牛場、雞場周邊河流中E、17β-E、E的均值分別為35.77、24.08、12.19 ng/L。

2.2 影響動植物生長發(fā)育和人類健康

糞污中的雌激素進(jìn)入水環(huán)境和土壤，威脅水生生物和土壤微生物多態(tài)性，或通過農(nóng)作物及其它生物體進(jìn)行富集，進(jìn)而對動植物生長發(fā)育和人類健康產(chǎn)生影響。Huang等研究發(fā)現(xiàn)，河流水中的雌激素和雄激素可誘導(dǎo)食蚊魚雄魚雌化或雌魚雄化。Orozco-Hern等報(bào)道，1 ng/L的17β-E可誘導(dǎo)鯉魚血細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞遺傳毒性。田琳等發(fā)現(xiàn)，在500～2 000 ng/kg的E脅迫下農(nóng)田土壤微生物多樣性減少。魏瑞成等研究發(fā)現(xiàn)，17β-E的脅迫會影響蘿卜發(fā)芽勢、發(fā)芽率和根長，隨著濃度增加蘿卜根部和地上部分的雌激素累積量增加，表明雌激素對蘿卜生長和食用安全有潛在威脅。Shargil等報(bào)道，萵苣可吸收土壤中的雌激素，甚至達(dá)到對人體健康產(chǎn)生危害的水平。此外，雌激素可引起男性精子數(shù)量和質(zhì)量下降，還可誘發(fā)女性卵巢癌、乳腺癌等疾病。

3 糞污中天然雌激素檢測技術(shù)

雌激素檢測方法主要有色譜分析法、生物分析法和免疫分析法。色譜分析法有氣相色譜(GC)和液相色譜法(LC)；生物分析法主要有酵母雌激素篩選法(YES)、人類乳腺細(xì)胞增殖法(E-Screen)等；免疫分析法主要有酶聯(lián)免疫分析法(ELISA)、放射免疫分析法(RIA)等。近年來，對畜禽糞污中微量雌激素檢測進(jìn)行了大量研究，建立了氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)、氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(GC-MS/MS)、液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)、液相色譜-質(zhì)譜串聯(lián)(LC-MS/MS)、高效液相色譜-質(zhì)譜(HPLC-MS)、高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(HPLC-MS/MS)等方法，但各種方法在靈敏性、準(zhǔn)確性、高效性、操作性等方面存在一定差異。GC-MS和LC-MS檢測限達(dá)到微克級，GC-MS/MS和LC-MS/MS檢測限達(dá)到納克級。GC-MS的靈敏度高，選擇性強(qiáng)，能同時分析多種成分，檢測前需要對樣品進(jìn)行衍生化處理，且處理過程較繁雜，檢測物可能有一定程度損失。HPLC-MS/MS法有高分辨率、高靈敏度、高選擇性、檢測范圍廣、易操作等優(yōu)勢，不需要衍生化過程，應(yīng)用較廣泛。Hanselman等用固相萃取-氣相色譜-質(zhì)譜(SPE-GC-MS)檢測奶牛場污水中E、17α-E、17β-E、E，平均回收率達(dá)90%以上。鄭溪報(bào)道，GC-MS法檢測奶牛糞便中E、17α-E、17β-E和E，檢出限為7.49-26.37 μg/kg。袁哲軍研究發(fā)現(xiàn)，SPE-HPLC-MS/MS法具有較高靈敏度和較低檢測限、檢測范圍廣、效率高等優(yōu)點(diǎn)，最低檢測限為0.17 μg/L，適用于檢測分析畜禽糞污中的雌激素。Koh等報(bào)道，SPE-HPLC-MS/MS檢測污水中17β-E、E的檢測限量為0.2 ng/L，結(jié)合態(tài)雌激素和E檢測限量為0.1 ng/L。Tang等用LC-MS/MS與YES法檢測豬場污水中雌激素，發(fā)現(xiàn)兩種方法的檢測結(jié)果差異較大，LC-MS/MS法的雌激素EEQ值為118.4 ng/L，YES法為31.5 ng/L。

4 天然雌激素消減技術(shù)

4.1 天然雌激素降解菌的研究

研究表明，細(xì)菌、真菌、酶和藻類可將雌激素降解或轉(zhuǎn)化為低活性或危害性較小的化合物。研究發(fā)現(xiàn)許多微生物菌株對雌激素有明顯去除作用。楊俊等研究發(fā)現(xiàn)，在pH 7.5和30 ℃條件下，從廢水處理站活性污泥中分離的芽孢桿菌菌株E-Y在7 d內(nèi)可將無機(jī)鹽培養(yǎng)基中0.5～50 mg/L的17β-E完全降解。Hashimoto等用新鞘氨醇桿菌菌株JEM1降解雌激素，5 d內(nèi)污水中E和17β-E去除率分別達(dá)81%和94%。周莉娜研究發(fā)現(xiàn)，黃孢原毛平革菌對液相和滅菌土壤培養(yǎng)體系中17β-E去除率分別達(dá)95%和90%以上。

應(yīng)用固定化技術(shù)、復(fù)合菌劑等有利于提高雌激素的去除效果。張偉研究發(fā)現(xiàn)，包埋硝化菌顆粒主要通過自養(yǎng)硝化菌的生物降解和包埋顆粒材料的吸附去除污水中E和17β-E。Liu等報(bào)道，固定化新鞘氨醇桿菌菌株ARI-1可明顯去除糞便中雌激素，該菌株與奶牛糞便共培養(yǎng)7 d，E和17β-E的去除率達(dá)100%，E的去除率為98.91%。林泳墨的研究表明，乙酸鈣不動桿菌LM1和假單胞菌LY1組成的復(fù)合菌劑降解17β-E的效果明顯優(yōu)于單一菌株。李欣用sp.ARI-1+sp.JX-2+sp.S組合的固定化混合菌劑處理奶牛糞便7 d，糞便中E和E完全去除，E去除96.06%。

4.2 物理化學(xué)方法

物理化學(xué)方法主要有活性炭、濾膜技術(shù)、氧化技術(shù)、光解技術(shù)等?；钚蕴亢蜑V膜吸附主要通過物理吸附作用截留雌激素，并沒有真正意義上去除雌激素?；钚蕴勘缺砻娣e大，吸附能力強(qiáng)，可高效吸附污水中雌激素，且可重復(fù)利用，應(yīng)用較廣泛。黃濤發(fā)現(xiàn)，雞糞制備的生物炭對液體中的17β-E有很好吸附性，認(rèn)為可用于高效去除水環(huán)境中的17β-E。Suzuki等研究了沼氣池厭氧消化結(jié)合原活性炭去除17β-E的效果，ELISA測定豬糞漿經(jīng)過厭氧消化后17β-E降低至2 μg/L，用原活性炭進(jìn)一步吸附后降至0.46 μg/L，表明厭氧消化結(jié)合原活性炭有利于去除其中的雌激素。榮榮報(bào)道，雞糞和玉米秸稈堆肥過程中添加5%～15%稻殼生物炭有利于促進(jìn)17β-E降解，提高去除效率，降低生物活性。

程愛華等報(bào)道，BDXN-90芳香聚酰胺復(fù)合納濾膜可有效去除水中的E、E、E，截留率達(dá)90%以上。張戈的靜態(tài)吸附試驗(yàn)表明，石墨烯-大孔吸附樹脂混合吸附劑對水體中17β-E和E的去除率分別達(dá)97.51%和 96.51%。Yang等報(bào)道，膜生物反應(yīng)器可有效去除豬場污水中雌激素，總雌激素EQQ值降低90%以上。

Ermawati等研究發(fā)現(xiàn)，奶牛場糞污厭氧和好氧工藝處理后進(jìn)一步臭氧深度氧化，其中的雌激素活性完全消除。孫敏霞報(bào)道，F(xiàn)enton氧化法可明顯去除牛糞中E和E等雌激素。

4.3 生物發(fā)酵處理

生物發(fā)酵處理是在一定條件下通過微生物的分解代謝降解糞污中有機(jī)物，是一種最常見的糞污處理方法。鄭溪報(bào)道，高溫好氧堆肥對奶牛糞便中E、17α-E、17β-E和E的去除率分別達(dá)99.63%、86.81%、100%和100%。韓進(jìn)等研究了堆肥對糞便中雌激素的降解效果，堆肥前雞糞、豬糞、牛糞中總雌激素EQQ分別為3 595.86、268.04、1 207.12 μg/kg，堆肥32 d后EEQ殘留率分別為10.1%、10.6%和0，表明堆肥有利于促進(jìn)糞便中雌激素降解，降低雌激素殘留量。王代懿等研究發(fā)現(xiàn)，不同溫度(38、50、70 ℃)下厭氧和好氧堆肥均可明顯去除新鮮奶牛糞便中E和17β-E，但好氧堆肥去除雌激素效果更好，50 ℃條件下E和17β-E去除率分別達(dá)98.0%和100%。王欣的模擬試驗(yàn)表明，添加EM菌劑好氧堆肥更有利于豬和奶牛糞便中殘存E和E的降解。

盡管堆肥可明顯去除糞污中雌激素，但并未完全去除，堆肥產(chǎn)物中仍有雌激素殘留，依然存在潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。Derby等研究發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)和翻堆堆肥對豬場產(chǎn)仔舍的糞污中雌激素E有明顯去除作用，去除率分別為77.89%和93.57%，但17β-E并沒有去除。Bartelt-Hunt等認(rèn)為堆肥可明顯去除肉牛糞便中的雌激素，但不能完全降解或礦化全部雌激素。王真等研究發(fā)現(xiàn)，堆肥70 d后牛糞源糞肥中依然殘留有E-3S、E-3S、E-17S、E-3G、E-17G、E和17β-E。

厭氧發(fā)酵處理對污水中雌激素有一定去除效果，但去除效果并不理想。Gadd等研究發(fā)現(xiàn)，奶牛場擠奶廳污水經(jīng)厭氧處理后水相中游離態(tài)雌激素濃度和雌激素活性明顯增加。Zhang等報(bào)道，厭氧消化對奶牛場和豬場污水中總雌激素去除效率有限，去除率范圍為14.7%～21.8%。

4.4 組合工藝處理

應(yīng)用組合工藝處理可明顯提高污水中雌激素去除率。Tang等報(bào)道，厭氧/好氧工藝(A/O)對豬場污水中雌激素?zé)o明顯去除效果，但上流式厭氧污泥床+分步進(jìn)水序批式反應(yīng)器可去除78.0%的雌激素。Furuichi等利用上流式厭氧污泥床結(jié)合生物濾池工藝處理豬場污水，發(fā)現(xiàn)雌激素活性降低97%以上。Ren等報(bào)道，序批式活性污泥法對豬場污水中雌激素去除量達(dá)99%以上。Zhang等報(bào)道，氣浮聯(lián)合工藝處理奶牛場干濕分離后的污水，總雌激素除去率達(dá)97.6%。Gadd等應(yīng)用厭氧池+兼氧池和厭氧池+好氧池+沉降池+熟化池污水處理系統(tǒng)分別處理奶牛場擠奶廳污水，出水中總雌激素含量為15～300 ng/L和15～1 400 ng/L，雌激素EQQ為3.3～25和3.2～43 ng/L，分別降低62%～94%和98%～100%，表明兩種方式均可去除污水中雌激素，降低雌激素活性，但EQQ值超過10 ng/L，利用前還需要進(jìn)一步處理。

4.5 自然生態(tài)處理

自然生態(tài)處理指利用自然界的自我凈化功能消減污水中雌激素等有害物質(zhì)，達(dá)到凈化污水的目的，是一種較經(jīng)濟(jì)的處理方式。主要有氧化塘、氧化塘+人工濕地等。Shappell等研究發(fā)現(xiàn)，氧化塘+人工濕地系統(tǒng)可有效去除豬場污水中的雌激素，氧化塘污水經(jīng)人工濕地處理后總雌激素EEQ降低83%～93%，且出水EQQ低于10 ng/L。Tang等報(bào)道，濕地對養(yǎng)豬場污水中E、E和E去除率為86%、46%和59%；氧化塘與濕地處理相結(jié)合，雌激素總?cè)コ拭黠@提高(83%～93%)。歐陽彤等研究發(fā)現(xiàn)，無回流多級AO+潛流式人工濕地對污水中E、E、E去除率分別達(dá)96.04%、92.45%和85.09%。

5 展 望

近年來，國內(nèi)外科技工作者圍繞畜禽養(yǎng)殖場糞污中雌激素的危害、檢測技術(shù)、去除技術(shù)與機(jī)理等開展了廣泛研究，在雌激素降解菌及其降解效果、雌激素消減技術(shù)等方面取得了一系列成果。中國對畜禽糞污中雌激素的研究相對較晚，在糞污中雌激素污染現(xiàn)狀、消減技術(shù)、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估等方面還有許多亟待深入研究的問題。

一是進(jìn)一步加強(qiáng)糞污中雌激素高效降解微生物研究。開展細(xì)菌、真菌、酶和藻類、生物工程菌及菌株組合對糞污中雌激素降解作用及應(yīng)用效果研究，為高效降解糞污中雌激素提供菌種保障。二是進(jìn)一步加強(qiáng)微生物降解雌激素作用機(jī)理研究。開展畜禽糞污中雌激素種類、數(shù)量、存在形式及生物降解過程中的轉(zhuǎn)化行為、代謝產(chǎn)物、歸宿等研究，揭示雌激素的降解、吸附、遷移機(jī)制，為應(yīng)用微生物降解雌激素提供理論依據(jù)。三是進(jìn)一步加強(qiáng)畜禽糞污中痕量雌激素檢測技術(shù)研究。開展糞污、糞污源產(chǎn)物及污水樣本的前處理技術(shù)及雌激素高效、準(zhǔn)確、低檢測限等檢測與活性分析技術(shù)研究，提高檢測技術(shù)的靈敏性、準(zhǔn)確性和效率。四是進(jìn)一步加強(qiáng)糞污處理產(chǎn)物及污水中雌激素最低限值標(biāo)準(zhǔn)研究。英國污水中雌激素的最低限值為1 ng/L，歐盟質(zhì)量環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中E的限制值為0.5 ng/L，中國飲用水標(biāo)準(zhǔn)中雌激素EQQ安全閾值為0.4 ng/L。但中國在糞污源有機(jī)肥、糞污還田利用、污水排放等方面尚沒有雌激素限值標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步開展痕量雌激素生理毒性、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估等研究，制定雌激素殘留安全閾值相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為有效控制糞污中雌激素生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及其資源化安全利用、保護(hù)生態(tài)環(huán)境及人類健康提供保障。