中国是一个人口众多的农业大国,种养循环在中国的农业生产中起着至关重要的作用。种养循环系统是一种综合农业生产模式,它将农作物种植和畜牧业养殖相结合,通过互补资源,达到提高农业效率和可持续性的目的[1-2]。农业生产的谷物、农作物秸秆和粮食加工副产物等,可以作为养殖业的饲料,而畜牧养殖产生的废弃物(如粪污)则可以作为肥料用于农作物种植,从而形成一个循环的系统[3⇓-5]。种养循环系统在农业生产中的重要性主要体现在:提升资源利用效率、保护生态环境、提升经济效益、保障食品安全和有利于农业可持续发展[2,6]。
1 种养循环系统概述
种养循环系统是一种可持续的农业生产模式,其要素主要包括有机物质、水、养分、作物、畜禽、能源和废弃物,其核心理念是通过最大限度地循环利用资源,包括水、养分、能源和有机物质等,以减少废弃物的产生,提高资源利用效率,同时保护环境。随着我国现代农业的迅速发展,畜禽养殖业的规模不断扩大,但同时也引发了一系列问题[13]。养殖业的集约化导致了大量的畜禽废弃物产生,而这些废弃物的无害化处理和资源化利用率并不高[14]。因此,农业种植业和畜禽养殖业之间的协调发展也受到了挑战,这导致资源的浪费和环境污染问题不断加剧[15]。国内外诸多农业绿色发展产能提升案例均表明发展种养循环是解决这一问题的最佳途径之一,它通过协调种植业和养殖业的发展,实现废弃物、生物质和养分等资源的循环利用(图2),这种生产方式可以将废弃物资源化,同时转变传统的线性增长模式,实现资源节约和高效利用[16]。推进种养循环发展不仅能够有效解决农业废弃物问题,而且是实现绿色生产的关键途径,有助于应对农业面临的污染挑战。推广种养循环农业发展模式对于乡村振兴和农业的绿色、低碳、可持续发展至关重要,将有力推动农业朝着高质量可持续发展的方向迈进。
建立种养循环农业发展模式是基于特定地区的种植业和养殖业特征以及资源条件,通过策划和管理种养系统,调整和优化内部结构和产业组合,延伸产业价值链,充分利用生产过程中每个物质环节,以实现多层次、多级别的物质和能量资源循环利用[16-17],其目标在于最大程度地利用自然资源,减少对购买性资源的依赖,实现可再生资源的高效循环利用,并控制有害生物和污染物的影响。这一模式在我国循环农业实践中占据着显著且主导性的地位,与当地的自然条件、产业类型以及资源分布密切相关,例如结合种植业与生猪养殖的“猪-沼/肥-种植系统”循环模式[18⇓-20]、结合了种植业和草食动物养殖的“牧草/秸秆-草食动物养殖-沼/肥-种植系统”循环模式[21-22],以及涉及稻田的多种种养结合模式,如稻鸭共生、稻田养鱼、稻虾共作等[23⇓-25]。这些发展模式已经取得了显著的经济和生态效益,并在实践中积累了丰富的经验。国内常见的种养循环系统模式见表1。
表1 国内常见的种养循环系统模式Table 1 Domestic common crop-livestock recycling system model |
| 模式 Models | 主要元素 Major element | 输入 Input | 输出 Output | 参考文献 References |
|---|---|---|---|---|
| 猪-沼/肥-种植系统 Pig-biogas/fertilizer-growing system | 猪、植物、食用菌 | 秸秆、稻草、 饲料、猪粪 | 粮食、蔬菜、茶叶、藻类、 草、水果、猪肉、沼气、有机肥 | [18⇓-20] |
| 牧草/秸秆-草食动物养殖-沼/ 肥-种植系统 Pasture/straw-herbivore farming- biogas/fertilizer-growing system | 牛、羊、植物 | 秸秆、牛粪、 羊粪、残余饲料 | 牛肉、羊肉、沼气、水稻、 玉米、蔬菜、有机肥 | [21-22] |
| 稻田种养结合生态循环农业 Rice-farming combined with ecological recycling agriculture | 水稻、鱼、虾、 蟹、鸭、鳖 | 稻田害虫、杂草、 浮游生物 | 稻米、鱼、鸭、 蟹、虾、鳖、有机肥 | [23⇓-25] |
2 种养循环系统中的典型有害物质对动物的危害
表2 种植和/或养殖系统中有害物质的危害Table 2 Hazards of harmful substances in planting and/or farming systems |
| 有害物质种类 Harmful substance types | 模式 Modes | 存留程度 Retention degrees | 危害 Hazards | 参考文献 References |
|---|---|---|---|---|
| 重金属 Heavy metals | 畜禽养殖场 | 铁(Fe):1.28×106 μg/L; 锌(Zn):2.71×104 μg/L | 猪粪便中重金属Fe和Zn 超过国家标准1 000 μg/L,严重 污染当地土壤和水资源 | [26] |
| 农药残留 Pesticide residues | 农场 | 检测出4~10种农药残留, 平均浓度为140 μg/kg土壤 | 农药残留改变了 土壤中真菌群落组成及丰富度 | [27] |
| 抗生素及抗性基因 Antibiotics and resistance genes | 畜禽养殖场 | 45株大肠杆菌共检出16种抗性 基因,如喹诺酮类药物的耐药 基因qnrS、四环素类的抗性基 因tetA、氨基糖苷类药物的 耐药基因aadA | 抗生素的使用增强了大肠杆菌 等细菌的抗药性,进一步 增加了公共传播的风险 | [26] |
| 微/纳米塑料 Micro/nano-plastics | 家庭牧场 | 每千克干土2×103颗 | 绵羊通过采食作物摄入微/ 纳米塑料,造成肠梗阻、 消化不良等问题 | [28] |
| 微/纳米塑料 Micro/nano-plastics | 农场 | 每千克有机肥 8.88×103颗 | 有机肥中存在高浓度微/纳米 塑料污染,长期施用会使土壤大 量积累微/纳米塑料 | [29] |
| 抗生素及抗性基因 Antibiotics and resistance genes | 农田养鸡场 | 每克鸡粪14.9个微/纳米塑料; 每克鸡粪6.24×108条 抗性基因 | 养鸡场中的微/纳米塑料显著 提高了抗性基因的传递频率 | [30] |
| 微/纳米塑料 Micro/nano-plastics | 农场 | 1.33 g/cm3土壤 | 土壤微/纳米塑料污染导致农田 作物产量和品质降低 | [31] |
2.1 农药残留的来源及其对动物的危害
农药在农业生产中广泛应用,以控制病虫害并保护作物。然而,农药的使用不仅局限于施用的区域,其在生态系统中的迁移和转化也引发了一系列环境问题[32-33]。当农药直接施用在作物上时,其残留可以通过多种途径进入到种养循环系统中,例如,这些作物被用作养殖业或畜牧业的饲料时,农药残留可以被动物摄入并在其体内积累[34-35];同时,农药也可以通过农田的地表径流进入到水体系统中,污染养殖池塘或自然水体,进而影响其中的水生生物[36]。此外,农药在环境中的存在形态也可能发生变化,通过生物性(如微生物降解)或非生物性(如光降解)过程,农药的化学性质可能发生改变,这进一步影响它们对生物体的潜在影响[37],例如,杀螟硫磷在降解过程中能生成毒性更强的代谢物3-甲基-4硝基苯酚和3-甲基-4硝基苯甲醚,加剧其对生物体的危害[38]。农药在生态系统中的生物放大效应也不容忽视。农药通过食物链向上层生物转移的过程中,其在捕食性物种体内的浓度逐级升高,这对顶级捕食者的生存构成威胁[39]。
有机磷农药(organophosphorus pesticides,OPPs)常被应用于种养循环系统中,用于防治害虫和杂草。目前已有研究表明,OPPs对畜禽产生不良影响主要表现在神经系统方面,这种毒性效应主要在幼龄和怀孕动物中表现得更为明显,包括头晕、恶心等神经毒性症状[40⇓⇓⇓-44]。OPPs的神经毒性作用主要通过干扰胆碱能机制导致胆碱能系统紊乱[45]。乙酰胆碱酯酶(acetylcholin esterase,AChE)是一种位于胆碱能突触中的关键酶,负责调控生物神经传导,OPPs通过抑制AChE活性干扰了肌肉神经的正常呼吸和信号传递过程[46]。乙酰胆碱受体(acetylcholine receptors,AChRs)分为烟碱型乙酰胆碱受体(nicotinic acetylcholine receptors,N-AChRs)和毒蕈碱型乙酰胆碱受体(muscarinic acetylcholine receptors,M-AChRs),它们分别调节不同的神经活动[47-48]。在体内,OPPs引起神经系统中乙酰胆碱(acetylcholine,ACh)的过度积累,对N-AChRs和M-AChRs产生持续的刺激效应[49]。这种持续刺激N-AChRs可能导致骨骼肌和节后神经元的过度兴奋,而M-AChRs则与心脏活动、消化腺分泌等密切相关[50]。这一作用机制涉及到AChE的活性位点被OPPs的磷酸基磷酸化[51],由此产生的磷酸化酶通常裂解非常缓慢或根本不裂解[53],并保持抑制状态以抑制AChE的活性[52⇓-54]。这导致ACh在突起的间隙中过度积累,使得突触后膜上的ACh受体持续受到刺激,从而引发神经系统疾病[55-56]。OPPs在生态系统中的循环及其毒性机制示意图见图3。尽管OPPs引起的胆碱能机制功能障碍是其神经毒性的主要原因,但非胆碱能机制,如氧化应激、细胞凋亡和炎症,在OPPs引起的神经毒性中也起着至关重要的作用[57]。首先,中枢神经系统具有高氧化代谢率,富含多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFAs)和脂质,其自清除自由基的能力较差,因此,中枢神经系统对自由基损伤高度敏感[58]。在OPPs引起的阿尔茨海默病模型中,观察到海马体中存在严重的脂质过氧化[46]。其次,大脑富含多巴胺神经元,有高密度的静息胶质细胞和高铁水平,这也是大脑容易受到氧化应激的其他原因[59]。
图3 OPPs在生态系统中的循环及其毒性机制示意图A:生态系统OPPs循环示意图 schematic diagram of OPPs cycling in the ecosystem;B:OPPs通过作用于相应的受体来改变靶器官活性 OPPs change target organ activity by acting on the corresponding receptor;C:胆碱能神经元传递信息的示意图 schematic diagram of cholinergic neurons transmitting information;D:OPPs抑制胆碱的三步循环 OPPs inhibit the three step cycle of choline[60]。 Fig.3 Schematic diagram of cycling of OPPs in ecosystem and their toxicity mechanisms[60] |
肝脏不仅是脂质代谢的重要调控器[61],而且与肾脏一样,也是关键的解毒器官[62]。它们之间协同作用以保持机体的健康状态,当OPPs进入肝脏和肾脏时,部分通过新陈代谢排出体外,另一部分则经过解毒过程,转化为无害的小分子,随后被机体排泄或利用。然而,机体的排毒系统需要维持一定的平衡。一旦摄入的OPPs超过一定阈值,可能增加排毒器官的负担,导致一定程度的损害。OPPs对肝脏和肾脏功能的损害主要归因于其氧化特性,引发脂质过氧化,从而破坏细胞膜的完整性[63-64]。例如,在草甘膦的代谢过程中产生的乙醛酸对以半胱氨酸为基础的代谢酶具有抑制作用,导致脂质过度积累,损害细胞膜结构,从而引发细胞损伤[65]。
2.2 重金属的来源及其对动物的危害
重金属是指那些原子量较大且密度大于5 g/cm3的金属元素,它们在自然环境中广泛存在,包括铅、镉、汞、砷、铬等[66]。重金属污染已成为全球环境问题的一大关注焦点,其在农业生产和食品安全方面的影响尤为显著。重金属主要来源于农业生产中使用的投入品,如化肥、农药和畜禽粪便等[67]。一旦进入种养循环系统,这些重金属往往难以被清除或分解,因此它们会在环境中长时间残留。尽管植物和动物体内都需要一些重金属元素,但当它们的浓度超过一定水平时,就会对生物体产生毒性效应。重金属的积累可以被看作是生态系统中元素逐渐聚积的过程,而植物的根是土壤中重金属离子传输的主要接触点。这些重金属会在植物内部造成损害,并通过食物链的传递进一步危害人类健康[68-69]。这些残留的重金属被认为是生态系统所面临的重要胁迫因素之一,因其在环境中可长期且大量富集,并具有致癌性[70],还可能导致人体急性和慢性疾病,如肺癌、肾功能障碍、骨质疏松症和心力衰竭等[71],重金属在人体内的积累还可能影响中枢神经系统,成为某些健康问题的潜在因素,如癫痫、头痛和昏迷等。重金属污染被认为对成年人和儿童都构成健康威胁[72]。
水中的汞污染会导致鱼类表现出行为异常、生长发育迟缓、繁殖减少,甚至死亡。持久性有机污染物可能导致鱼类生病、畸形,甚至死亡[73]。汞的高毒性水平(在一个体重约80 kg的人体内超过4 mg)阻碍了身体细胞对葡萄糖的运输,从而减少了身体可用的能量,这导致出现抽搐、厌食、震颤、牙龈肿胀和行为紊乱[74]。据估计,由于怀孕母亲食用旗鱼、鲨鱼和金枪鱼,超过6万名胎儿在子宫内可能遭受甲基汞中毒[75]。铬存在于制革厂的废水中,已知会引起各种不良影响,这种健康危害取决于铬的氧化状态,六价形式的铬比三价形式的铬毒性更强。一项研究在接触非致死浓度的铬后,对淡水鱼进行了为期7和30 d的观察,发现了血液学变化,鱼类因暴露于六价铬而出现贫血[76]。另一项研究表明,罗非鱼暴露于六价铬后,鱼体内的糖原、蛋白质和胆固醇水平明显下降,鳃、肝脏和肾脏组织发生损伤[77]。家畜也受到重金属毒性的影响,比如来自饮用水的污染,可能是因为附近环境中存在高浓度的空气污染源或者摄入了受污染的食物,不同重金属的毒性表现会受到接触剂量、接触时间、物种、性别以及环境和营养因素等多种因素的影响[78];单次高剂量暴露和长时间低剂量暴露之间存在明显差异,长期接触重金属通常导致一系列毒性效应,包括诱发变异、致癌、致畸、免疫抑制、健康状况下降以及生殖功能受损[79-80]。
2.3 微/纳米塑料的来源及其对动物的危害
塑料由于其独特的物理化学性质和广泛的应用领域,已成为科技发展的一个重要分支。然而,随着其在工业、消费品和医学等领域的广泛应用,这些塑料进入环境,给生态系统和人类健康带来潜在风险。土壤作为生态系统的基础,其健康状况直接关系到农业生产和食品安全。塑料通过在环境中物理破碎、化学分解和生物降解等过程变为粒径更小、表面积更大的塑料微粒,粒径小于5 mm的塑料微粒称为微塑料,而粒径在1~100 nm的塑料微粒称为纳米塑料[81-82]。微/纳米塑料可以通过工业废物、生活垃圾等渠道进入土壤,这些微/纳米塑料会被作物根部吸收,并进一步传输到植物体内的各个部位,影响作物的生长发育和产量;这些微/纳米塑料还会通过作物进入食物链,对人类和其他动物的健康构成潜在威胁。水体的微/纳米塑料污染也不容忽视,工业废水和生活污水中的微/纳米塑料可以进入地下水或地表水,进而影响到水产养殖。另外,由于其在食品加工和储存中的潜在应用价值,例如食品或饲料包装中,进而对食品和饲料产生污染。尽管对于微/纳米塑料对大型陆生动物的影响的研究相对较少,但已有研究表明微/纳米塑料在羊[28]、鸡[83-84]、小鼠[85]和人类[86]中存在。
在人类日常生活中,微/纳米塑料几乎无处不在,不可避免地通过人类的饮食、皮肤接触和吸入进入体内。而对于家畜而言,摄取微/纳米塑料的主要途径是被微/纳米塑料污染的土壤、水和植物。在农作物收获后,塑料覆盖物(如地膜等)通常无法完全从土壤中清除。剩余的塑料覆盖物可能会分解成微/纳米塑料,随着风或水流的作用而散布。羊在田野中自由放牧,摄取蔬菜残渣,Beriot等[28]的研究指出,来自使用塑料覆盖物的农场的所有土壤样本都含有微/纳米塑料,而92%的放牧绵羊粪便样本中也检测到微/纳米塑料。然而,目前尚无关于绵羊摄入微/纳米塑料潜在影响的详细信息。在Lwanga等[83]在10个与野外环境相似的家庭农场中选取了植被和土壤样本,从土壤、蚯蚓和鸡的粪便中提取样本,结果显示,在所有样本中均检测到微塑料和大塑料。此外,摄入聚苯乙烯微塑料可导致鸡心脏严重的病理损伤和超微结构改变,包括心肌焦亡、炎症细胞浸润和线粒体损伤[84]。微/纳米塑料的有害作用还在啮齿类动物中得到证实,小鼠暴露于5 μm聚苯乙烯微塑料6周后,表现出肠道微生物失调、肠道功能障碍和代谢障碍,伴随着肠道黏液分泌减少和肠道屏障功能受损[85]。实际上,生物体通常摄入多种微/纳米塑料,其毒性效应常常呈累积性,例如,聚苯乙烯(0.120 mg/kg)和环氧康唑(0.080 mg/kg)微塑料的联合摄入会比单一接触源更严重地导致组织损伤、功能障碍和氧化应激,因为环氧康唑导致肠道屏障损伤,进而导致聚苯乙烯的大量摄入和积累,这会影响肝脏对环氧康唑的代谢清除[87]。在啮齿类动物中,微/纳米塑料的有害作用在病理环境下可能会加剧。Luo等[88]的研究发现,单纯灌胃聚苯乙烯微塑料对小鼠的肠道屏障和肝脏状态影响较小,但在结肠炎小鼠中,额外的聚苯乙烯微塑料暴露导致结肠长度缩短,组织病理损伤和炎症增加,黏液分泌减少,结肠通透性增加。除了对脏器的影响,添加0.01~1.0 mg/d聚苯乙烯微塑料饲喂4周后,小鼠海马体神经元松弛紊乱,脑组织活性氧(reactive oxygen species,ROS)、丙二醛(malondialdehyde,MDA)水平升高,谷胱甘肽(glutathione,GSH)水平降低;聚苯乙烯微塑料还诱导ACh水平下降,抑制环磷酸腺苷反应元件结合蛋白(cAMP response element-binding protein,CREB)/脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)通路;此外,聚苯乙烯微塑料通过诱导氧化应激和降低ACh水平,进而损害小鼠的学习和记忆功能[89]。
2.4 抗生素及抗性基因的来源及其对动物的危害
随着医学和生物技术的不断发展,新型抗生素层出不穷,为临床治疗提供了更多选择。除了在医学领域的应用外,自1950年美国食品药品监督管理局(FDA)首次批准抗生素用作饲料添加剂以来,这些药物在动物养殖业中得到了广泛应用。抗生素在预防和治疗动物传染性疾病、促进动物生长以及提高饲料转化率等方面发挥了重要的作用,抗生素的低剂量使用有助于促进畜禽生长,而高剂量使用则主要用于治疗疾病,因而在畜禽养殖中广泛被采用[90]。然而,近年来,由于养殖者为追求畜禽养殖的经济利益以及畜禽对抗生素的耐药性增强,抗生素的使用量不断增加,甚至存在不合理的高剂量使用趋势。抗生素进入土壤环境的源头主要有2个方面:一方面,养殖中使用的抗生素在畜禽体内未被完全代谢,通过排泄物进入土地,这些排泄物通常作为有机肥料施用到土壤中,导致抗生素在土壤中的“假持久性”[91];另一方面,养殖业和医疗机构使用的抗生素通过废水排放直接进入水环境,进而可能浸入土壤环境。此外,一些抗生素被添加到畜禽饲粮中,而部分未被动物吸收的抗生素则通过排泄物进入环境。
O'Neill[92]的研究显示,到2050年,每年因抗生素耐药性(antibiotic resistance,AR)导致的死亡人数可能达到1 000万,相当于每30 s就有1人死亡,远远超过癌症导致的死亡人数。抗生素耐药基因(antibiotic resistance genes,ARG)通常包含在质粒或整合子中,通过水平基因转移(horizontal gene transfer,HGT)方式传播给细菌,这通过缀合、转化和转导3种机制实现,使得细菌获得抗生素耐药性[93]。抗生素耐药细菌(antibiotic-resistant bacteria,ARB)在自然环境中积累,并可能随着外部环境中的ARG向环境迁移,加剧了抗生素耐药性传播的风险。2019年,中国工程院战略研究中心强调了研究抗生素耐药性在环境中的传播规律的重要性,这表明抗生素耐药性在自然环境中的传播已引起公众和研究界的广泛关注。
抗生素耐药性的传播涉及多种环境介质或生物介质,因此,除了水平基因转移外,依靠环境介质迁移也将在抗生素耐药性传播中发挥重要作用。同时,抗生素耐药性在通过环境介质迁移的过程中可能会发生高温热迁移,这意味着多种迁移方式的交叉效应可能导致抗生素耐药性传播范围更广。饮用水中存在的抗生素、抗性基因和抗性细菌可能破坏胃肠道微生物群的平衡,对人体健康产生不良影响[94]。预计在发展中国家,人类健康风险可能比发达国家更为显著,发展中国家的卫生保健系统不足,其特点是设施和药物匮乏,疾病负担加重,因此需要频繁使用抗生素[95]。对于我国广西壮族自治区博白县建中村地区地下水中含有的兽药抗生素、ARG和不动杆菌等细菌,目前尚未发现直接的人类健康风险,居民每天通过饮用地下水摄入的不动杆菌估计达100亿CFU,但目前尚不清楚环境中的ARB和地下水中的ARG是否对人类接触致病性ARB有重大影响[96]。另一项研究调查了饮用水中抗生素耐药性的潜在人类健康风险,报告称饮用被ARB和ARG污染的饮用水会导致人类抗生素耐药性的增长[97]。抗生素耐药性可能导致细菌毒力、致病性、疾病爆发和传播增强,从而导致人和动物发病率和死亡率增加[98]。
3 小结
种养循环系统中的有害物质主要有农药、重金属、微/纳米塑料和抗生素等。这些物质通过水、土壤和植物等途径进入动物体内,对其健康构成潜在威胁。有害物质通过土壤-植物-动物的食物链传递,在动物体内积累产生影响,这加剧了对动物生态系统的影响,同时也对人类通过食物链摄入有害物质产生潜在威胁。已有研究揭示了有害物质对动物的行为和生理特征的不良影响,如鱼类的生长发育受到阻碍、家畜和野生动物的免疫系统受损等。有害物质对动物的危害程度在不同地域和环境条件下存在差异,这也需要更多的地区性研究来明确不同地区动物面临的威胁及其机理。
目前,关于这些有害物质在种养循环系统中的迁移机制和对生物的影响还需要深入研究,主要有:1)农药和重金属在种养循环系统中的迁移过程和生物有效性需要更深入的研究,微/纳米塑料在环境中的迁移行为和生态效应的研究需要更加系统和深入,抗生素和抗性基因在环境中的传播和抗性形成的机制需要进一步揭示;2)需要进一步探索这些有害物质在种养循环系统中的迁移过程和生物影响的综合研究,包括它们的环境行为、生物有效性、生态效应以及公共卫生影响等;3)需要发展和采用新的技术和方法来解决这些问题,包括追踪标记技术、生物标记技术、高通量测序技术等。总体而言,了解有害物质对动物的影响有助于维护种养循环系统的生态平衡,保障食品安全,同时也提醒人们在农业生产和废弃物处理中更加注重环境友好和动物健康。