王 倩

(北京市畜牧總站，北京 102200)

畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了大量的養(yǎng)殖廢棄物，給自然環(huán)境承載力帶來巨大的挑戰(zhàn)，大多數(shù)畜禽養(yǎng)殖場，畜禽糞污處理設(shè)施落后，處理技術(shù)參差不齊，畜禽養(yǎng)殖中產(chǎn)生的畜禽糞便和污水對周圍的水源、土壤、空氣可造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，對畜禽養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和畜禽產(chǎn)品的質(zhì)量安全構(gòu)成威脅[1]。

近年來，國家越發(fā)重視畜禽糞污的還田利用和養(yǎng)殖污染監(jiān)管，2020年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、生態(tài)環(huán)境部出臺(tái)相關(guān)政策，鼓勵(lì)畜禽糞污還田利用，明確了畜禽糞污還田利用有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求[2]。畜禽糞便含有豐富的有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)民一直將處理后的畜禽糞便作為有機(jī)肥來使用。一直以來，人們多關(guān)注糞便中氮、磷等污染問題，對糞便中重金屬元素關(guān)注較少[3]。由于飼料中添加過量的微量元素，畜禽糞便中的重金屬含量明顯增加[4-5]，銅、鋅常被添加于動(dòng)物飼料中以促進(jìn)動(dòng)物生長、改善動(dòng)物皮毛顏色等[6]。有機(jī)鉻和有機(jī)砷制劑能刺激動(dòng)物生長，改善肉質(zhì)，并且具有廣譜高效抗菌的作用，常作為飼料添加劑[7-8]。鎘、鉛、汞等元素會(huì)由伴生礦物、機(jī)械工具磨削或大氣沉降物而進(jìn)入飼料中[9]。飼料中的重金屬只能被動(dòng)物吸收一小部分，剩下的大部分會(huì)隨糞尿排出[10]。重金屬超標(biāo)的畜禽糞便一旦還田會(huì)造成土壤重金屬累積，并促進(jìn)重金屬向土壤深層遷移，過量重金屬會(huì)抑制植物生長，或者通過食物鏈危害人類健康[11]。畜禽糞便如果未經(jīng)檢測就還田可能會(huì)對環(huán)境造成污染。因此，需要建立一種檢測畜禽糞便中重金屬元素的方法，對糞便科學(xué)規(guī)范還田起輔助支撐作用。

電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法具有可同時(shí)測定多種金屬元素、精密度和靈敏度比較高、線性范圍寬、分析速度快的優(yōu)點(diǎn)[12-13]。樣品前處理方法中微波消解應(yīng)用廣泛，具有多種優(yōu)點(diǎn)，包括簡單、快速、節(jié)省化學(xué)試劑、減輕環(huán)境污染等[14-15]。本文建立了可同時(shí)檢測畜禽糞便中Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg 7種重金屬元素的微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法，適用于畜禽糞便還田前的多種重金屬檢測，對種養(yǎng)結(jié)合、農(nóng)牧循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展起促進(jìn)作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與主要工作參數(shù)

NexlON 2000-C電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國PerkinElmer公司)，每次檢測前需采用1.0 μg/L的Be、Ce、Fe、In、Li、Mg、Pb、U調(diào)諧液對儀器進(jìn)行手動(dòng)調(diào)諧，調(diào)諧優(yōu)化后主要工作參數(shù)見表1；CPA224S電子分析天平(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司)，MARS 240/50微波消解儀(美國CEM公司)，恒溫干燥箱，樣品研磨儀，0.25 mm樣品篩。

表1 ICP-MS儀器的主要工作參數(shù)

1.2 主要試劑

硝酸(優(yōu)級純)、氫氟酸(優(yōu)級純)、鹽酸(優(yōu)級純)均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，99.99%高純液氬，氦氣，Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液購自中國計(jì)量科學(xué)研究院，金(Au)標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 mg/L)、Re、Rh內(nèi)標(biāo)溶液(10 μg/mL)購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心，混合內(nèi)標(biāo)溶液(10 μg/mL)購自美國PerkinElmer公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備

取糞便樣品500 g充分混勻，經(jīng)65 ℃烘干至恒重后，研磨，過0.25 mm樣品篩，置于潔凈、干燥的容器中備用。

1.3.2 樣品消解

精確稱取樣品0.25 g(精確至0.001 g)于消解管中，加入8 mL硝酸，混勻。將消解管放入微波消解儀中，800 W下20 min內(nèi)升溫至160 ℃，保持20 min。冷卻后，在趕酸器上100 ℃趕酸10 min，用純水轉(zhuǎn)移并定容至50 mL。此溶液作為7種重金屬元素的測定溶液，若Cu、Zn測定結(jié)果過高，再將此溶液進(jìn)行5倍或10倍稀釋作為Cu、Zn的測定溶液。同時(shí)進(jìn)行全試劑空白消解。

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)工作溶液和內(nèi)標(biāo)溶液

以5%硝酸溶液為介質(zhì)，加入金溶液(1 000 μg/L) 作為汞標(biāo)準(zhǔn)溶液的穩(wěn)定劑，按照表2所示，對各濃度梯度進(jìn)行逐級稀釋，作為標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。Ge作為Cu、Zn、Cr的內(nèi)標(biāo)，Bi作為Hg和Pb的內(nèi)標(biāo)，Rh作為As和Cd的內(nèi)標(biāo)，內(nèi)標(biāo)混合溶液濃度為500 μg/L。

表2 7種元素在標(biāo)準(zhǔn)系列溶液中的濃度

2 結(jié)果與討論

2.1 消解體系和消解溫度的選擇

消解體系中所用的酸一般有硝酸、鹽酸、氫氟酸、過氧化氫等[16]，由于之前的研究已經(jīng)驗(yàn)證過，H2O2在消解中所起作用不大[17]，所以在消解體系用酸選擇中，先不考慮H2O2。HNO3由于其強(qiáng)氧化性和強(qiáng)酸性，可以把大部分的物質(zhì)消解掉，因此是消解體系中最常用的酸。HF主要作用是消解硅酸鹽[18]，大部分糞便中不含硅酸鹽，因此，把HF作為備選，可以對比下有無HF對消解效果的影響。加入HCl的主要目的是和硝酸組成王水增強(qiáng)氧化性，尤其是檢測Hg時(shí)加入HCl，氯離子和汞離子形成氯化物，有助于增強(qiáng)汞的穩(wěn)定性，避免汞的逃逸，確保檢測的準(zhǔn)確[19-20]。因此，為了同時(shí)檢測糞便中Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg 7種重金屬元素，設(shè)置了三種消解體系進(jìn)行選擇，即HNO3(8 mL)、HNO3(2 mL)+HCl(6 mL)、HNO3(2 mL)+HCl(6 mL)+HF(1 mL)。至于消解溫度，檢測Hg元素時(shí)，由于Hg元素較其他元素易逃逸，因此一般選擇較低溫度進(jìn)行消解，檢測其他重金屬元素時(shí)，一般選擇較高溫度，如180 ℃，因此，設(shè)置了160 ℃和180 ℃兩個(gè)消解溫度進(jìn)行選擇。具體分組情況如表3所示。6組均20 min升溫到所設(shè)溫度，并保持20 min。

表3 消解體系和消解溫度分組

6組消解條件下按照樣品消解要求處理后進(jìn)行上機(jī)測定，結(jié)果如表4所示，6組樣品各元素回收率在80.3%～120%。各組回收率均符合要求，表明各組消解條件均可達(dá)到徹底消解糞便的目的。在此前提下，由于酸種類越少，引入雜離子越少，干擾就越少，也會(huì)減少污染的風(fēng)險(xiǎn)，因此，選擇8 mL HNO3消解體系。由于160 ℃和180 ℃條件下，所測結(jié)果相差不大，最終選擇160 ℃消解溫度。為了防止消解液放置時(shí)間過久Hg可能會(huì)逃逸，因此建議樣品消解后，3 d內(nèi)完成上機(jī)測試。

表4 各組消解條件下7種元素的回收率

2.2 干擾消除及內(nèi)標(biāo)元素的選擇

采用KED模式(He碰撞模式)來消除質(zhì)譜干擾，通過內(nèi)標(biāo)元素校正來減弱或消除非質(zhì)譜干擾，主要是基體效應(yīng)。內(nèi)標(biāo)元素通過篩選出與目標(biāo)金屬元素抑制/增強(qiáng)強(qiáng)度一致的金屬元素來確定[17]。具體方法如下：準(zhǔn)備純水(A)、50 μg/L的多金屬元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(B)、糞便樣品消解液(C)、加標(biāo)(50 μg/L)的同一糞便樣品消解液(D)，將四種溶液分別上機(jī)，測定各種金屬元素的信號強(qiáng)度，用I代表強(qiáng)度值(cps)，R代表各金屬元素被基體效應(yīng)抑制/增強(qiáng)的程度，那么R=(ID-IC)/(IB-IA)[17]。與目標(biāo)金屬元素抑制/增強(qiáng)程度一致的金屬元素可作為其內(nèi)標(biāo)。其中多金屬元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液為目標(biāo)金屬元素Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg和內(nèi)標(biāo)元素Re、Rh、Ge、Bi、In、Sc、Tb、Y、Li、Ru、Os的混合溶液，D溶液中加標(biāo)指的是所有這些目標(biāo)元素和內(nèi)標(biāo)元素的加標(biāo)。通過此方法最終篩選出各金屬元素的內(nèi)標(biāo)，Ge作為Cu、Zn、Cr的內(nèi)標(biāo)，Bi作為Hg和Pb的內(nèi)標(biāo)，Rh作為As和Cd的內(nèi)標(biāo)。

2.3 Hg的吸附效應(yīng)

Hg在檢測過程中具有很強(qiáng)的吸附效應(yīng)，尤其是檢測較高濃度的樣品。在這種情況下，Hg與其他金屬元素混合在一起，不僅自身吸附效應(yīng)影響檢測的準(zhǔn)確性，還有可能影響其他元素。針對此種情況，對標(biāo)準(zhǔn)溶液介質(zhì)進(jìn)行了相應(yīng)的探索和改進(jìn)。分別采用純水、HNO3(2%)、HNO3(5%)以及含金(1 000 μg/L)的HNO3(5%)為介質(zhì)，配制標(biāo)準(zhǔn)溶液系列并上機(jī)測定。發(fā)現(xiàn)以水為介質(zhì)配制7種元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列時(shí)，吸附效應(yīng)是最強(qiáng)的，Hg的線性相關(guān)系數(shù)才達(dá)到0.996，其他元素線性相關(guān)系數(shù)在0.998及以上；當(dāng)用HNO3(2%)為介質(zhì)配制標(biāo)準(zhǔn)溶液系列時(shí)，吸附效應(yīng)明顯減輕，各元素的線性相關(guān)系數(shù)均能達(dá)到0.999；HNO3濃度增加到5%時(shí)，線性更好，加入金(1 000 μg/L)的HNO3(5%)為介質(zhì)時(shí)，不僅線性更好，所有元素線性相關(guān)系數(shù)均在0.999 6及以上，且Hg的測定更加穩(wěn)定，因此實(shí)驗(yàn)選擇加入金(1 000 μg/L)的HNO3(5%)為標(biāo)準(zhǔn)溶液系列的介質(zhì)，可配制7種元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，而不需要單獨(dú)配制Hg的標(biāo)準(zhǔn)溶液，做到了僅檢測一次標(biāo)準(zhǔn)溶液系列，即可同時(shí)檢測7種元素，大大節(jié)省了檢測時(shí)間。

2.4 線性關(guān)系與檢出限

將Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg 7種元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列由低濃度到高濃度依次上機(jī)測定，采用KED模式(He碰撞模式)，以各金屬元素響應(yīng)值和內(nèi)標(biāo)元素響應(yīng)值的比值為縱坐標(biāo)，各金屬元素的濃度(μg/L)為橫坐標(biāo)，得到線性回歸方程，線性過原點(diǎn)，線性相關(guān)系數(shù)均大于0.999 5，如表5所示。將全試劑空白溶液平行測定11次，計(jì)算各元素的標(biāo)準(zhǔn)偏差，其3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差即為各元素的檢出限，如表5所示，7種金屬元素的檢出限在0.005～0.305 μg/L，表明此方法具有較高的檢出能力。

表5 7種元素的線性相關(guān)系數(shù)和檢出限

2.5 方法的精密度和準(zhǔn)確度

選取2份糞便樣品，每份糞便樣品稱量6個(gè)平行樣進(jìn)行前處理后上機(jī)測定，計(jì)算各個(gè)元素的平均含量及其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，見表6，所有金屬元素的RSD為0.70%～5.6%，精密度較高。在已知糞便中7種金屬元素含量本底值的前提下，按照各種元素1倍本底值左右的量進(jìn)行加標(biāo)，加標(biāo)后按照正常前處理程序進(jìn)行微波消解、趕酸、定容并測定，計(jì)算各元素加標(biāo)后含量以及加標(biāo)回收率，見表7。7種金屬元素的加標(biāo)回收率為83.6%～112%，表明此方法準(zhǔn)確性良好。

2.6 部分畜禽養(yǎng)殖場糞便重金屬檢測分析

用建立的方法對部分畜禽養(yǎng)殖場的糞便進(jìn)行檢測，包括雞糞6份、鴨糞3份、牛糞12份、豬糞9份共30份樣本。糞便中7種重金屬元素的含量均值見表8，從均值來看，糞便中Zn含量最高，其次為Cu，Cr、Pb含量次之，As、Cd和Hg是含量最低的。從畜禽種類來看，豬糞的各種重金屬元素含量相對來說是最高的，尤其是Cu和Zn；四種畜禽糞便中，Cu和Zn含量最低的是牛糞。

重金屬對植物具有低濃度促進(jìn)生長，而高濃度抑制其生長的作用[9]。如Cu過量后會(huì)引起中毒反應(yīng)，引起失綠癥，抑制植物生長；Zn過量后會(huì)影響光合作用和營養(yǎng)物質(zhì)流失，導(dǎo)致生長緩慢、葉片枯黃；Cd過量后會(huì)降低植物體內(nèi)酶的活性，影響植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收等[18]。各種重金屬過量后均最終導(dǎo)致抑制植物生長的作用。國家標(biāo)準(zhǔn)《畜禽糞便還田技術(shù)規(guī)范》(GB/T 25246—2010)規(guī)定了制作肥料的畜禽糞便中重金屬Cu、Zn、As的含量限值(按照不同的土壤pH值和作物種類進(jìn)行規(guī)定)，中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《有機(jī)肥料》(NY/T 525—2012)規(guī)定了有機(jī)肥料中重金屬Cr、As、Cd、Pb、Hg的限量指標(biāo)(分別為≤150、15、3、50、2 mg/kg)。畜禽糞便樣本中7種重金屬元素的含量范圍值如表9所示，所測的6份雞糞樣本、3份鴨糞樣本和12份牛糞樣本中，7種重金屬元素均未超過標(biāo)準(zhǔn)限值。9份豬糞樣本中，重金屬Cr、As、Cd、Pb、Hg均未超過標(biāo)準(zhǔn)限值，Cu和Zn均為部分樣本超標(biāo)。根據(jù)Cu含量測定結(jié)果，22.2%的豬糞樣本不能用于pH<6.5土壤上蔬菜的種植(限值85 mg/kg)，但對于pH<6.5土壤上水稻、旱田作物和果樹的種植，并未超出標(biāo)準(zhǔn)限值(限值分別為150、300和400 mg/kg)，對于pH值在6.5～7.5以及>7.5的土壤上蔬菜、水稻、旱田作物和果樹的種植，豬糞樣本中Cu含量均未超過標(biāo)準(zhǔn)限值(限值分別為170、300、600和800 mg/kg)。根據(jù)Zn含量測定結(jié)果，11.11%的豬糞樣本不能用于pH<6.5土壤上蔬菜的種植(限值500 mg/kg)，但對于pH<6.5土壤上水稻、旱田作物和果樹的種植，并未超出標(biāo)準(zhǔn)限值(限值分別為900、2 000和1 200 mg/kg)，對于pH值在6.5～7.5以及>7.5的土壤上蔬菜、水稻、旱田作物和果樹的種植，豬糞樣本中Zn含量均未超過標(biāo)準(zhǔn)限值(限值分別為pH值在6.5～7.5：700、1 200、2 700和1 700 mg/kg，pH>7.5：900、1 500、3 400和2 000 mg/kg)。

表6 方法的精密度

表7 方法的準(zhǔn)確度

表8 部分畜禽養(yǎng)殖場糞便中7種元素含量均值

表9 部分畜禽養(yǎng)殖場糞便中7種元素含量范圍

3 結(jié)論

畜禽養(yǎng)殖場產(chǎn)生的大量糞便會(huì)給環(huán)境造成污染，但糞便是有機(jī)肥的重要原料，并且，糞便還可以經(jīng)過科學(xué)處理后直接還田用于農(nóng)作物種植。糞便中的重金屬含量對植物的生長至關(guān)重要，本文建立了一種微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法，可同時(shí)檢測畜禽糞便中Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg 7種重金屬元素的方法。方法用時(shí)短、操作簡便、準(zhǔn)確度高、檢出限低、實(shí)用性強(qiáng)，用建立的方法檢測了30份畜禽糞便樣本，檢測結(jié)果對糞便科學(xué)還田具有指導(dǎo)意義。本方法的建立對于形成糞污農(nóng)田良性循環(huán)，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境不斷優(yōu)化具有積極的輔助作用。