畜禽糞便堆肥中抗生素和重金屬殘留及控制研究進展

嚴蓮英，劉桂華，秦 松，胡 崗，范成五*

(1.貴州大學 農(nóng)學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，貴州 貴陽 550006；3.貴州省土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006；4.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550006)

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畜禽糞便堆肥中抗生素和重金屬殘留及控制研究進展

嚴蓮英1，劉桂華2,3,4，秦 松2,3,4，胡 崗1，范成五2,3,4*

(1.貴州大學 農(nóng)學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，貴州 貴陽 550006；3.貴州省土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006；4.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550006)

規(guī)?；B(yǎng)殖畜禽類糞便中會含有多種抗生素類藥物殘留和重金屬元素，對其在農(nóng)業(yè)中的利用產(chǎn)生了負面影響，針對這種狀況，總結(jié)了我國抗生素和微量重金屬元素在畜禽糞便中的來源、殘留及其復合污染特征，概述了這兩類物質(zhì)在畜禽糞便堆肥處理過程中的無害化處理技術(shù)，并對此提出了一些展望和建議。

畜禽糞便；堆肥；抗生素；重金屬；抗性基因

我國人口眾多，加上近幾年人們對畜禽產(chǎn)品需求的不斷提高，促使我國養(yǎng)殖業(yè)逐漸從傳統(tǒng)的散養(yǎng)模式向規(guī)?；?、集約化發(fā)展[1]。銅、鋅、砷等微量重金屬元素及抗生素類飼料添加劑因為能促進動物生長、預防和治療疾病及提高飼料利用率而成為必不可少的成分，然而，有的養(yǎng)殖者為謀求暴利，添加劑的用量普遍超標，威脅著我國畜禽產(chǎn)品的質(zhì)量安全，并且，畜禽對這些添加劑吸收利用率很低，導致進入環(huán)境的糞便含有大量重金屬和抗生素的原藥或代謝物[2]。據(jù)統(tǒng)計，2010年末，我國排放的畜禽糞便總量約為22.35億t[3]，如不妥善處理，重金屬進入食物鏈后易在動物體內(nèi)累積，造成中毒現(xiàn)象，嚴重時可致癱瘓、畸變和癌變等[4]；抗生素使環(huán)境中出現(xiàn)多重耐藥致病菌[5]，嚴重威脅我們的生存環(huán)境和健康。廢物資源化利用是最合理的處置方式，養(yǎng)分含量豐富的畜禽糞便施入土壤不但可以減少化肥的用量，還能改良土壤[6]，但是，畜禽糞便中經(jīng)常檢測出的抗生素和重金屬及由其污染和復合污染產(chǎn)生的多重耐藥抗性基因，成為畜禽糞便資源化利用的主要障礙因子。堆肥是實現(xiàn)畜禽糞便處理及資源化利用的有效途徑[7]，不僅能有效鈍化重金屬[8]，還能有效降解抗生素[9]，大大減小其農(nóng)用風險。因此，對畜禽糞便所含抗生素和重金屬的來源、殘留污染、復合污染及無害化研究并進行總結(jié)分析，對畜禽糞便處理和資源化利用具有重要意義，可為畜禽糞便堆肥處理提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1　畜禽糞便中重金屬和抗生素污染

1.1重金屬污染

1.1.1來源銅、鋅、砷等微量重金屬元素既能提高飼料效率、防治疾病、促生長和增進繁殖，本身也是動物必需的養(yǎng)分，被普遍添加到飼料中[2]，如銅能促進動物進食，也能使其體內(nèi)相關(guān)酶的活性提高[10]；砷能抑制和殺滅動物腸道寄生蟲，提高動物免疫力[11]等。因此，適量的添加劑，能促進養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，但有些養(yǎng)殖者為了謀求暴利，其添加量普遍超標。潘尋等[12]對山東豬用配合飼料進行檢測，發(fā)現(xiàn)其中砷、銅、鋅檢出值分別為34.1、211.9、2883.1 mg/kg，超過國家標準17～35倍；朱建春等[13]對陜西育肥豬飼料進行檢測，其鉻、銅、鋅、砷、鉛、鎘元素分別超出國家標準中的含量限值的5.44、134.27、10.98、60.08、7.67和110.86倍；楊柳等[14]通過檢測發(fā)現(xiàn)四川豬飼料中銅、砷最大含量分別超過國家標準的29和4.7倍。通過以上調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國大部分飼料重金屬含量都超標，畜禽對其利用率很低，排出體外的部分成為畜禽糞便中重金屬殘留的主要來源。

1.1.2殘留近年來，我國的重金屬污染越來越嚴重，許多學者認為畜禽糞便是環(huán)境中重金屬污染的原因之一。鮑艷宇等[15]采用污泥無害化標準評價畜禽糞便中的重金屬，發(fā)現(xiàn)所調(diào)查的仔豬糞和肉豬糞中的銅分別為599.9 mg/kg和589.1 mg/kg，仔豬糞中的鋅含量為1966 mg/kg，母豬糞中的鎘含量為107.4 mg/kg，嚴重超標；楊柳等[14]利用有機肥重金屬含量標準對四川的豬糞進行評價，發(fā)現(xiàn)除銅含量較標準高外，其余重金屬元素基本低于國標限值；王飛等[16]調(diào)查發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)畜禽糞便有機肥中重金屬砷、汞、鎘、鉻、銅、鉛、鋅、鎳含量的平均值分別為3.21、0.33、0.21、45.42、69.22、87.40、274.58、16.50 mg/kg，對照中國有機肥行業(yè)標準(NY 525─2011)，鉛的超標率高達80.56%，其他元素不超標，對照德國腐熟堆肥標準，汞、鉻、銅、鉛、鋅、鎳的超標率分別達11.11%、8.33%、13.89%、16.67%、19.44%、2.78%。畜禽糞便中重金屬含量普遍超標，將會對環(huán)境造成巨大壓力，但是許多學者調(diào)查糞便中重金屬是否超標引用的標準不甚統(tǒng)一，所規(guī)定的允許排放量也參差不齊，因此在判定和分析排向環(huán)境的糞便中重金屬是否超標有害具有一定的局限性。

1.2獸用抗生素污染

1.2.1來源抗生素是較常見的新型污染物PPCPs中的一種，它能抑制或干擾致病微生物的生活代謝，被廣泛用于預防與治療動物疾病和促進生長[17]，如四環(huán)類抗生素具有較強的抗炎、提高免疫作用且價格低廉[18]，磺胺類藥物是用于動物各種細菌感染疾病防治的一種廣譜抑菌劑，能抑制大多數(shù)革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌[19]。據(jù)統(tǒng)計，中國2013年使用抗生素達16.2萬t，其中52%為獸用抗生素，且獸用抗生素占常見的36種抗生素的比例高達84.3%[20]，然而，有60%～90%的抗生素不能被畜禽吸收而以原形或代謝產(chǎn)物的形式隨著糞便排出體外[21]，致使畜禽排泄物成為環(huán)境中抗生素污染的主要來源之一。

1.2.2殘留

1.2.2.1抗生素殘留沒有參加代謝的大部分抗生素及其在動物體內(nèi)誘導出的抗性基因(ARGs)會隨著動物尿液和糞便直接排出體外[22]，會抑制有益微生物的活性，干擾生態(tài)系統(tǒng)的活動，對人類和動物的健康造成威脅。抗生素進入環(huán)境后經(jīng)吸附-解吸、遷移和降解等過程后，殘留于各種環(huán)境介質(zhì)中的濃度不一：土壤含量單位為μg/kg，地表水含量單位為μg/L，沉積物含量單位為μg/kg～mg/kg之間[23]。Zhao等對我國規(guī)?；B(yǎng)殖場畜禽糞便調(diào)查發(fā)現(xiàn)，環(huán)丙沙星、恩諾沙星在牛糞中含量分別為29.59、46.70 mg/kg，在豬糞中含量分別為33.98、33.26 mg/kg[24]；Pan等指出豬糞中四環(huán)素類抗生素殘留量竟達764.4 mg/kg[25]；陳永山等調(diào)查了浙江苕溪流域某規(guī)?；B(yǎng)豬場排放的廢水，發(fā)現(xiàn)四環(huán)素、土霉素、金霉素和強力霉素等的殘留最高單體污染濃度可達13.65 μg/L[26]。畜禽糞便中抗生素含量如此高，如不經(jīng)過無害化處理，將會大量殘留于環(huán)境中，張志強等通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)27.3%施用畜禽肥的菜田土壤中TCs總量超過歐盟規(guī)定的生態(tài)安全觸發(fā)線[27]；應(yīng)光國等利用10年對我國主要河流進行調(diào)查，預測珠江流域抗生素排放密度最高，阿莫西林的環(huán)境濃度最高，達3384 ng/L，其次為氟洛芬，達2867 ng/L，諾氟沙星、青霉素等另外5種抗生素濃度也較高，均高于1000 ng/L。目前我國沒有關(guān)于環(huán)境中抗生素濃度排放標準，但1000 ng/L以上已是非常高的水平[20]。

1.2.2.2抗性基因殘留抗生素在動物腸道內(nèi)可抑制本土微生物的生長，使微生物具有選擇壓力，向耐藥方向選擇演變，更嚴重的可誘導致病微生物產(chǎn)生抗性基因，促進抗性基因轉(zhuǎn)移[28]，尤其是產(chǎn)生具有抗藥性的超級致病菌[5]。動物體內(nèi)誘導出的抗性菌株隨糞便排出后，通過基因水平轉(zhuǎn)移污染土壤和地下水環(huán)境[29]，張俊等發(fā)現(xiàn)干土中四環(huán)素抗性基因含量達4.63×105～37.42×105copies/g[30]，Ling等[31]在中國南方北江中發(fā)現(xiàn)了2種磺胺類抗性基因和7種四環(huán)素類抗性基因。進入土壤的抗生素還會使其中的微生物選擇變成新一代的抗性菌群[24]。除了畜禽糞便直接進入環(huán)境造成抗生素和抗性基因污染外，將含有抗生素和抗性基因的有機肥施入土壤是另一個重要污染來源。彭雙等通過研究表明：農(nóng)田土壤連續(xù)施用含有四環(huán)素抗性基因(TRGs)的糞肥會使土壤中tetG、tetL、tetB(P)、tetO的含量明顯增加[32]?？剐曰蚣瓤梢源怪鞭D(zhuǎn)移，又可以水平轉(zhuǎn)移，一些不具有致病性的耐藥細菌還能通過橫向傳播把耐藥基因傳遞給致病菌，使環(huán)境中抗性基因污染日益嚴重，對環(huán)境和人類的健康危害程度更大[33]。盡管抗生素和抗性基因?qū)ν寥牢⑸锒加杏绊懀步艿日J為環(huán)境中抗生素對動物和植物的直接毒害作用也許遠遠比不上其殘留產(chǎn)生的抗性基因污染[34]，具體的污染機制還有待進一步研究。

1.3抗生素和重金屬的復合污染

所謂“復合污染”，主要指2種以上的污染物同時存在及疊加的環(huán)境污染機制及綜合生態(tài)毒理效應(yīng)[35]。許多常用的抗生素(如四環(huán)素和對苯二酚)都具有羧基、羰基或?qū)Χ涵h(huán)，這些基團能夠成為金屬的電子供體，然后通過絡(luò)合作用與多種金屬結(jié)合，所絡(luò)合形成的污染物毒性比原污染物更大[36]，如農(nóng)田土壤長期施用畜禽有機肥可能引起重金屬和抗生素的復合污染、更為復雜和嚴重的生態(tài)風險[37]。環(huán)境中污染物的濃度不同，則產(chǎn)生復合生態(tài)效應(yīng)的作用也不同。閆雷等指出當土霉素的濃度為1和200 mg/kg時，其與10 mg/kg鎘的復合污染對土壤微生物呼吸及3種酶活性主要為拮抗作用，但當土霉素的濃度為50 mg/kg時，與10 mg/kg鎘的復合污染對土壤微生物呼吸及3種酶活性則主要為協(xié)同作用。土霉素與鎘脅迫復合污染對微生物呼吸產(chǎn)生強烈的抑制作用，最高抑制率和激活率分別可達98.9%和300.8%[38]。對于抗生素和重金屬的復合污染研究目前較少且不是很成熟，需要進一步深入研究。

2　堆肥對糞便重金屬和抗生素的無害化研究

2.1重金屬的無害化研究

2.1.1對重金屬形態(tài)及有效性的影響重金屬的化學形態(tài)與生物有效性密切相關(guān)。許多研究指出堆肥能有效鈍化畜禽糞便中的重金屬，如何增明等[8]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過堆肥處理后，殘渣態(tài)Zn和As含量升高，可交換態(tài)Zn和As含量降低，表明Zn和As向有效性低的形態(tài)轉(zhuǎn)化，碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳結(jié)合態(tài)及有機結(jié)合態(tài)Cu含量增加，可交換態(tài)與殘渣態(tài)Cu含量下降，總體有效性降低。堆肥之所以能降低重金屬的有效性，這是因為畜禽糞便中含有大量溶解態(tài)有機質(zhì)可充當重金屬的“載體”或“配位體”，使其移動性和有效性升高，而堆肥過程可降解溶解態(tài)有機質(zhì)，從而減小其對重金屬的絡(luò)合作用，此外堆肥可以生成可螯合某些重金屬的胡敏酸等大分子，降低其移動性和有效性[39]。

2.1.2對重金屬鈍化效果目前，我國以畜禽糞便為原料的有機肥中仍存在重金屬超標情況，所以，許多學者試著向畜禽糞便堆肥過程中添加不同的重金屬鈍化劑，以減小其生物有效性和環(huán)境風險，物理鈍化劑：如生物炭[40]、膨潤土[8]、沸石[41]等，這是由于其具有較大的靜電力、離子交換性能及較大的空腔表面，可以吸附重金屬而使重金屬的生物有效性降低。進行物理吸附，雖然操作簡單，但堆肥產(chǎn)品與吸附劑較難分離，對重金屬鈍化效率不高?；瘜W鈍化劑主要是通過絡(luò)合、沉淀和離子交換作用，使重金屬有效性降低，例如添加含有較高堿性物質(zhì)的鈣鎂磷肥和粉煤灰[42]、磷礦粉[43]、石灰[44]等，可以提高堆體pH，通過沉淀作用降低重金屬有效性。此外，腐殖酸[41]可以通過螯合作用使重金屬有效性降低。添加化學鈍化劑對重金屬鈍化效果好，但易對環(huán)境造成二次污染。同時，Lu等指出混合鈍化劑比單一鈍化劑鈍化效果好，如秸稈+海泡石+粉煤灰(2.5%)+磷礦(5.0%)對Cu具有很好的鈍化作用[45]。生物鈍化劑的部分微生物菌劑可以富集重金屬離子，還可以通過強烈的微生物代謝形成大量的腐殖酸類物質(zhì)，將重金屬離子轉(zhuǎn)化為不易被植物吸收的形態(tài)或積累在微生物體內(nèi)，從而使其濃度降低或毒性減小[40]。目前，對生物鈍化劑的研究尚且不足，仍需進一步深入研究。近幾年也有研究者開發(fā)了綠色的畜禽糞便重金屬鈍化劑，如李治宇等將木醋液添加比例為0.50%對Cu和Zn的鈍化效果均達到最大值，分別為13.5%和30.2%[46]，Li等添加木醋對Cu和Zn的最大鈍化值只為18.78%和8.25%，新型鈍化劑雖然對環(huán)境無明顯污染，但鈍化效果不是很顯著[47]。

2.2抗生素的無害化研究

堆肥化處理可有效消減畜禽糞便中的四環(huán)素類抗生素，并且對抗性基因的擴散和傳播具有一定的控制效果[2,29]，潘尋等向堆體中添加量均為100 mg/kg的4種抗生素，經(jīng)過28 d的高溫堆肥，磺胺二甲嘧啶、土霉素、金霉素和泰妙霉素的去除率分別為98.1%、92.8%、93.36%和91.25%[48]；Hu等向以雞糞、豬糞和水稻秸稈為原料的混合物干物質(zhì)添加四環(huán)素、金霉素和土霉素等四環(huán)素類抗生素60 mg/kg，經(jīng)過45 d堆肥，四環(huán)素對堆肥過程無明顯影響，四環(huán)素的去除率達93%以上[49]。這是因為堆肥產(chǎn)生的高溫可以去除不能承受高溫的抗性菌株和抗性質(zhì)粒等，并且考慮加入能直接滅殺腸道微生物的化學抑制劑(如石灰氮、胺類、吲哚等)，實現(xiàn)降低畜禽糞便ARGs豐度的效果[50-51]，從而有效防止抗性基因的擴散，降低新型污染物的污染水平。同時，又有研究指出堆肥雖然可以有效去除抗生素，但不能控制抗性基因的擴散[52]。所以，加強對抗性基因的研究迫在眉睫。

2.3復合污染的無害化研究

環(huán)境中重金屬離子和抗生素的共存將產(chǎn)生極其復雜的生態(tài)危害和環(huán)境行為，并影響對應(yīng)的污染防治技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用[53]，在一定條件下易形成抗生素-金屬離子絡(luò)合物，重金屬的存在對抗生素的去除有利有弊，其主要影響因素包括：抗生素的官能團數(shù)量與組成、環(huán)境的pH和金屬離子的電負性[54]。如土霉素在中、高濃度鋅脅迫條件下，半衰期明顯延長，降解速率顯著降低[55]。劉崇敏等利用兩性表面活性劑改性蒙脫石對Cd2+和和雙酚A(BPA)復合污染吸附，具有良好的效果，這是因為兩性表面活性劑由于其親水基同時具有親水基團和疏水基團，對Cd2+的吸附主要是通過配位吸附和靜電吸附作用，而對BPA的吸附主要是疏水作用，利用其對黏土進行改性，可以得到具有同時吸附重金屬和有機物能力的兩性的黏土，可用于復合污染物的去除[56]，因此可以考慮在堆肥過程中將其添加到堆體中，以減少其復合污染。由于復合污染機理極其復雜，目前對于堆肥中重金屬和抗生素復合污染的研究還較少，亟待進一步的深入研究。

3　展望與建議

目前，重金屬和抗生素對環(huán)境的污染嚴重威脅人類的安全和健康，而蓬勃發(fā)展的養(yǎng)殖業(yè)帶來的巨大經(jīng)濟效益致使抗生素和重金屬很難被禁用，應(yīng)采取綜合措施減少其對環(huán)境和人類的危害。

(1)規(guī)范化飼料生產(chǎn)加工，加強監(jiān)管力度，避免過量添加重金屬和抗生素添加劑。開發(fā)綠色飼料添加劑，代替重金屬和抗生素添加劑。例如微生態(tài)制劑不僅能減少排泄物中的臭氣，還能使畜禽腸道菌群保持平衡，提高養(yǎng)分利用率。

(2)在不影響堆肥過程的情況下，研發(fā)新型滅菌劑和化學消毒劑。如胺類、吲哚等對殘留的腸道微生物進行清除，可有效去除ARGs，也可加入重金屬的鈍化劑，如生物炭、膨潤土、海泡石等在一定程度上可以鈍化堆肥過程中的重金屬。

(3)抗生素種類繁多，加強研究其組成和產(chǎn)生抗性基因的機理，加快研發(fā)有效控制抗生素和重金屬復合污染的關(guān)鍵技術(shù)。

(4)建立畜禽養(yǎng)殖排泄物中抗生素的檢測方法與標準，建立新型污染物的長效監(jiān)測及健康評估機制。

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(責任編輯：曾小軍)

Research Progress in Residue and Control of Antibiotics and Heavy Metals in Animal Manure

YAN Lian-ying1, LIU Gui-hua2,3,4, QIN Song2,3,4, HU Gang1, FAN Cheng-wu2,3,4*

(1. College of Agronomy, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Guizhou Institute of Agricultural Resources and Environment, Guiyang 550006, China; 3. Guizhou Institute of Soil and Fertilizer, Guiyang 550006, China; 4. Guizhou Provincial Engineering and Technology Research Center for Agricultural Resources and Environment, Guiyang 550006, China)

The animal manure from large-scale livestock and poultry raising generally contains many kinds of residual veterinary antibiotics and trace heavy metals, which has led to several negative influences on the utilization of animal manure in agricultural production. In view of this situation, this paper summarizes the origin and residue of antibiotics and trace heavy metal elements in animal manure, as well as their compound pollution characteristics in China, sums up the harmless treatment technology of these two kinds of materials in the composting process of livestock and poultry manure, and puts forward prospects and suggestions.

Animal manure; Compost; Antibiotic; Heavy metal; Resistant gene

2016-03-29

貴州省科技廳農(nóng)業(yè)攻關(guān)項目“貴州畜禽糞便高效處理技術(shù)研究與示范”(黔科合NY字[2010]3073號)；貴州省科研機構(gòu)

嚴蓮英(1990─)，女，貴州黎平人，碩士研究生，研究方向：土壤肥料與作物生長。*通訊作者：范成五。

X53

A

1001-8581(2016)09-0090-05

服務(wù)企業(yè)行動計劃項目“貴州農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬檢測與控制技術(shù)研發(fā)平臺建設(shè)”(黔科合服企[2015]4007)；貴州省農(nóng)科院科技成果培育與人才培養(yǎng)項目“重金屬(Cd、As等)污染農(nóng)田土壤固化修復技術(shù)研究與集成示范”[黔農(nóng)科院CR合字(2014)12號]。