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动物荷尔蒙激素的环境释放:规模化养猪场中雄激素、孕激素及糖皮质激素的污染特征及归趋

2021-01-20 10:24:36 来源:金沙官网环境研究院 点击:


应光国教授团队文章Water Research:两个配备集成污水处理系统的规模化养猪场中雄激素、孕激素及糖皮质激素的污染特征及归趋

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论文DOI:10.1016/j.watres.2021.116836

 图文摘要 

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 成果简介 

近日,金沙官网环境研究院应光国教授团队在Water Research上发表了题为“Occurrence and fate of androgens, progestogens and glucocorticoids in two swine farms with integrated wastewater treatment systems”的研究论文(DOI:10.1016/j.watres.2021.116836),研究了华南地区两个具有集成污水处理系统的规模化养猪场中,类固醇雄激素、孕激素及糖皮质激素的污染特征、环境归趋和去除情况等。在两个养猪场的污水和粪便中分别检出31种和22种目标激素,其中包含多种合成激素。该研究评估了养猪场对环境类固醇激素的贡献,发现养猪场对雄烯二酮、表雄甾酮、黄体酮和5α-氢化黄体酮等天然激素的贡献量远高于人类污水处理厂。所研究的两个污水处理系统均能有效去除类固醇激素,其中沼气池-A2/O-氧化塘系统对目标激素的去除性能优于升流式厌氧污泥反应床(UASB-两级串联A/O-氧化塘系统。研究还指出,尽管目标激素去除率较高,但出水中仍检出多种具有较高环境风险的合成类固醇激素,对水生生物构成潜在威胁。这项研究的结果表明,养猪场是环境中类固醇激素的重要来源,应采用适当的处理设施以减少潜在的生态环境风险。

 全文速览 

类固醇激素是典型的环境内分泌干扰物,目前关于动物废污中类固醇激素的相关研究还比较有限。本研究调查了40种类固醇雄激素、孕激素及糖皮质激素在华南地区两个配备集成污水处理系统的规模化养猪场中的污染特征及归趋。在两个养猪场的污水中共检出31种目标激素,浓度范围为0.12 ng / L(醋酸甲羟孕酮)至11,200 ng / L5α-氢化黄体酮),粪便中共检出22种目标类固醇激素。检出激素包括一些合成类固醇激素,可能来自外源添加或转化。研究发现养猪场中母猪对雄烯二酮(41.5μg/ d),表雄甾酮(268μg/ d),孕酮(661μg/ d)和5α-氢化黄体酮(982μg/ d)等内源性激素的排放量高于人类排放量。两种污水处理系统都能有效去除目标激素,大部分激素去除率超过90%。相比之下,沼气池-A2/O-氧化塘系统的激素去除性能优于升流式厌氧污泥反应床(UASB-两级串联A/O-氧化塘系统。尽管目标激素的去除率较高,在出水中仍检出22种目标激素,包含14种合成类固醇激素,且大多数合成类固醇激素对水生生物具有较高风险。这项研究的发现表明,动物废污中存在大量的类固醇激素,尤其是一些合成类固醇激素,对生态环境构成潜在威胁,应清除后再向环境排放。

 引言 

集约型动物养殖场是环境中类固醇激素的一个主要来源,养猪场作为典型的集约型动物养殖场所亦是环境中类固醇激素的重要来源之一。养殖过程中,除了由动物本身代谢排放的天然类固醇激素外,一些人工合成的类固醇激素物质也用作生长促进剂或基于其他目的被添加使用,这些合成的类固醇激素物质也会跟随动物代谢释放到环境中,给环境中的生物带来潜在风险。近年来,随着类固醇激素物质在养殖场及其周边环境中频繁检出,研究者们开始越来越多地关注动物养殖场中的类固醇激素,有研究指出,通过养殖场向环境排放的类固醇激素的量可能与人体排放量相当,甚至超过人体排放量。目前关于养殖环境中类固醇激素的研究主要集中在雌激素化合物,而对于其他几类类固醇激素,尤其是对于合成类固醇雄激素和孕激素等在养猪场废水和粪便中的分布及去除研究还比较有限,且研究所涉及的养殖粪污处理设施往往比较简易。中国是畜牧养殖大国,生猪年产量世界领先,大量养猪场废水和粪便向环境排放,其中包含的类固醇激素的量值得重视。目前,有关养猪场中类固醇雄激素、孕激素和糖皮质激素的来源、污染特征,尤其关于其在养殖场集成污水处理系统中的去除情况和归趋等的研究仍十分有限。

 图文导读 

养殖场污水处理系统工艺流程

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Fig. 1 The technical flow charts of waste treatment systems in Farms LC and ST; (a) Farm LC; (b) Farm ST. Copyright 2021, Elsevier Inc.

本研究中的养猪场均配有集成污水处理系统,但采用的处理工艺不同,分别为:沼气池-A2/O-氧化塘(LC)、升流式厌氧污泥反应床(UASB)-两级串联A/O-氧化塘(ST)LC养猪场的养殖废水处理设施采用固液分离器-沼气池-A2/O-絮凝沉淀过滤+紫外消毒-脱水污泥机-三级氧化塘的处理工艺,ST养猪场的养殖废水处理设施采用固液分离器-UASB-两级 A/O-沉淀过滤+氯消毒-两级氧化塘的处理工艺

 

养猪场污水处理系统中类固醇激素的污染特征

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Fig. 2 Concentrations (ng/L) of steroid hormones in the wastewater of WTS in Farms LC and ST. Copyright 2021, Elsevier Inc.

在两个养猪场的废水中共检测到31种目标激素,包括12种雄激素,17种孕激素和2种糖皮质激素。在LC养猪场中目标激素的检出浓度为0.12±0.05 ng / L(醋酸甲羟孕酮)至2,900±201 ng / L5α-氢化黄体酮),ST养猪场中目标激素的检出浓度为0.12±0.03 ng / L(醋酸甲羟孕酮)至11,200±201 ng / L5α-氢化黄体酮)。检出激素中包含多种合成类固醇激素,而内源性类固醇激素具有相对较高的检出频率和检出浓度,雄烯二酮、14-雄烯二酮和黄体酮等三种天然类固醇在动物饲养环境中普遍存在。此外,合成类固醇激素如17α-羟孕酮醋酸酯,17β-勃地酮,屈螺酮,醋酸美伦孕酮,醋酸甲羟孕酮和司坦唑醇等也具有较高的检出频率及浓度。

粪便及污泥中类固醇激素的污染特征

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Fig. 3. Concentrations (ng/g) of steroid hormones in the swine feces and dewatered sludge from Farms LC and ST. Copyright 2021, Elsevier Inc.

粪便中共检出22种目标激素,其中LC养猪场检出19种,ST养猪场检出17种,大多数为合成类固醇激素,浓度相对较低,范围从0.85±0.06 ng / g17β-勃地酮)到21.7±4.53 ng / g(左炔诺酮)。两个养猪场中5α-氢化黄体酮的检出浓度分别为7,000±1620 ng / gLC)和2,070±1250 ng / gST),在检出激素中占主导地位,其他内源性类固醇激素(例如黄体酮、表雄甾酮、雄烯二酮等在粪便中的检测浓度也相对较高,范围从数百到数千ng / g。在两个养猪场的脱水污泥中共检出十六种目标激素,其中LC养猪场检出10种,ST养猪场检出15种,大部分激素检出浓度为几ng / g,检出激素以表雄甾酮、5α-氢化黄体酮以及黄体酮为主。此外,在ST养猪场中,糖皮质激素泼尼松龙的检出浓度高达247±73.0 ng / g

 

生态环境风险评估

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Fig. 4. Risk assessment of 15 steroid hormones in the effluent of lagoons based on their estimated risk quotients (RQs). Copyright 2021, Elsevier Inc.

经过污水处理系统处理后,出水中部分激素被完全去除,大部分浓度显著降低,然而仍有一些目标激素残留并向环境传递。在LC养猪场的出水中共检测到18种目标激素,其中12种为合成类固醇激素,ST养猪场的出水中检出20种目标类固醇,同样包括12种合成类固醇激素。 5α-氢化黄体酮仍占主导地位,检出浓度高达22.1±5.05 ng / LLC)和76.5±9.22 ng / LST),而其他检出激素浓度范围则为0.几到几ng / L。通过风险熵值计算可知,出水中大部分合成类固醇激素具有较高的环境风险,尤其是17α-群勃龙,17β-群勃龙,5α-二氢睾酮和甲基睾酮等合成雄激素的风险熵值远大于1,表明环境风险极高,而出水中的其他合成孕激素亦具有中高风险。

养猪场中目标激素的质量负荷

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Fig. 5. Excretion mass loadings (g/year) of target steroid hormones in the two swine farms via feces and urine.. Copyright 2021, Elsevier Inc.

在养猪场LCST中,通过尿液和粪便排放的三类目标激素的总质量负荷分别为1.29kg /年和1.54kg /年。在LC养猪场中,19.3%的目标激素来自尿液,80.6%来自粪便,而在ST养猪场中,目标激素72.1%来自尿液,28.0%来自粪便。经过污水处理系统的处理后,两个养猪场出水中三类目标激素的总质量负荷显著降低至0.46 g / 年(LC)和2.41 g / 年(ST),凸显出集成污水处理系统对于减少类固醇激素污染物从养猪场向环境传递所起的关键作用。

 小结 

本论文对广东省内两个配备集成污水处理系统的规模化养猪场中40种类固醇激素的污染特征及环境归趋进行了调查研究,对检出的合成激素进行来源分析后发现大部分源于外源性添加或转化;同时,对以养猪场为源的类固醇激素排放量进行了估算,发现部分天然激素的排放量远高于同种物质由人体代谢排放的量,应该引起重视;研究评价了不同污水处理系统对目标激素的去除情况,发现沼气池-A2/O-氧化塘系统的激素去除性能较优于升流式厌氧污泥反应床(UASB-两级串联A/O-氧化塘系统;此外,研究对出水中的检出激素进行了风险评估,发现大部分合成激素对水生生物构成潜在威胁。本论文的研究结果表明,养猪场是环境中类固醇激素的重要来源,应采用适当的处理设施以减少潜在的生态环境风险。

参考文献:

Zhang J-N, Chen J, Yang L, Zhang M, Yao L, et al. Occurrence and fate of androgens, progestogens and glucocorticoids in two swine farms with integrated wastewater treatment systems. Water research, 2021: 116836. DOI:10.1016/j.watres.2021.116836