畜禽糞便中抗菌藥物降解方法及殘留檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

趙梓筱,蘇 薇,閆金坤,柳煥章,劉孟嘯,劉建釵*

(1.河北工程大學(xué)生命科學(xué)與食品工程學(xué)院,河北邯鄲 056038;2.河北工程技術(shù)學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃系,河北石家莊 050000;3.河北工程大學(xué)園林與生態(tài)工程學(xué)院,河北邯鄲 056038)

畜牧業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè),伴隨著畜牧業(yè)的發(fā)展,大量的養(yǎng)殖糞污也帶來(lái)了巨大的環(huán)境問(wèn)題。我國(guó)是世界上最大的養(yǎng)殖糞污產(chǎn)生國(guó),每年產(chǎn)生畜禽糞污約38億t[1],由于動(dòng)物糞便的有機(jī)養(yǎng)分含量高,被廣泛應(yīng)用于天然肥料來(lái)增加糧食產(chǎn)量。然而,糞便中的抗菌藥物殘留會(huì)造成水環(huán)境和土壤環(huán)境的污染,環(huán)境中的抗菌藥物會(huì)誘導(dǎo)抗性基因的產(chǎn)生,對(duì)人類以及生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了巨大的威脅[2]。因此,加快畜禽糞便無(wú)害化處理和資源化利用對(duì)我國(guó)畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 抗菌藥物的污染概況

隨著集約化養(yǎng)殖的大力發(fā)展,獸用抗菌藥物的用量也在不斷增加。畜禽攝入的抗菌藥物約有60%～90%以原型或代謝物的形式隨尿液、糞便排出[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球每年生產(chǎn)約10萬(wàn)t抗菌藥物,其中近三分之二用于畜牧業(yè)[4]。我國(guó)是世界上最大的抗菌藥物生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),抗菌藥物每年的生產(chǎn)量高達(dá)21萬(wàn)t,使用量達(dá)18.9萬(wàn)t,獸用抗菌藥物占使用量的一半以上[5]。2013年,我國(guó)磺胺類的使用量達(dá)到了7 920 t,用于獸藥的占76%,用于醫(yī)藥的占11%[6]。任君燾等[7]對(duì)山東東營(yíng)地區(qū)畜禽糞便殘留抗菌藥物進(jìn)行了調(diào)查,在豬糞、雞糞、牛糞中磺胺類抗菌藥物檢出率為6%～100%,氟喹諾酮類檢出率為62%～100%,四環(huán)素類檢出率為98%～100%,大環(huán)內(nèi)酯類檢出率0～50%,豬糞中四類抗菌藥物含量最高,雞糞次之,牛糞中最低。周倩[8]通過(guò)對(duì)天津不同規(guī)模豬場(chǎng)糞便中抗菌藥物的檢測(cè)發(fā)現(xiàn),所檢樣品中四環(huán)素類抗生素濃度達(dá)1 260.42 mg/kg,含量最高的單體抗菌藥物為土霉素。阮蓉[9]對(duì)天津市薊州區(qū)家庭養(yǎng)殖環(huán)境中獸用抗菌藥物殘留情況研究發(fā)現(xiàn),豬糞中抗菌藥物殘留最高,牛糞次之,雞糞最低。Manuel C C等[10]對(duì)畜禽糞便中抗菌藥物殘留情況的檢測(cè)結(jié)果顯示,豬糞中強(qiáng)力霉素的殘留量高達(dá)106.0 mg/kg。Pan X等[11]報(bào)道,在中國(guó)山東21家動(dòng)物飼養(yǎng)企業(yè)收集的126份豬糞樣品中,四環(huán)素類、磺胺類和大環(huán)內(nèi)酯類的檢出率分別為85%～97%、52%和5%。因此,畜禽糞便在利用之前應(yīng)采取有效的措施來(lái)降解其中抗菌藥物及耐藥基因?qū)Νh(huán)境和動(dòng)物及人類的影響。

2 糞便中抗菌藥物降解的方法

2.1 微生物強(qiáng)化堆肥法

堆肥法是使畜禽糞便無(wú)害化、資源化的一種有效手段,長(zhǎng)久以來(lái)在國(guó)內(nèi)外廣泛地被研究和應(yīng)用。糞污堆肥處理是在人為控制溫度、濕度、碳氮比、通風(fēng)條件等的基礎(chǔ)條件上,依靠自然界和畜禽糞便本身所存在的各種細(xì)菌、真菌等微生物在高溫發(fā)酵狀態(tài)下,使糞便中的大分子有機(jī)質(zhì)變?yōu)樾》肿拥挠袡C(jī)物[12]。微生物強(qiáng)化堆肥是通過(guò)向堆肥系統(tǒng)中加入特定的微生物,提高有效微生物的濃度,增強(qiáng)難降解有機(jī)物的降解能力,提高其降解速率。

Youngquist C P等[13]通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室和農(nóng)場(chǎng)規(guī)模的堆肥系統(tǒng)中16種抗菌藥物的研究,結(jié)果表明,在所有情況下,堆肥都可以顯著降低畜禽糞便中的抗菌藥物的殘留。肖文敏[14]試驗(yàn)表明,在低溫環(huán)境條件下,添加微生物菌劑的豬糞堆肥處理組中抗菌藥物的去除率明顯優(yōu)于未接種微生物菌劑的對(duì)照組。張學(xué)虎等[15]試驗(yàn)證明,在羊糞堆肥發(fā)酵中添加復(fù)合微生物菌劑的效果優(yōu)于自然狀態(tài)下的處理結(jié)果。陳文俊等[16]研究發(fā)現(xiàn),蛋雞糞堆肥以稻草為調(diào)理劑并添加2.5%微生物制劑能夠影響細(xì)菌多樣性并有效提高碳源利用。Liu Y等[17]研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)向堆肥豬糞中添加以黃孢原毛平革菌、黑曲霉和地衣芽孢桿菌為主的不同接菌劑能夠去除豬糞中多種抗菌藥物和抗性基因。

在微生物強(qiáng)化堆肥過(guò)程中的溫度、時(shí)間、碳氮比等都可以影響抗菌藥物的降解速率。Yu Y等[18]在探究溫度對(duì)畜禽糞便中四環(huán)素殘留發(fā)現(xiàn),四環(huán)素在70 ℃時(shí)降解的半衰期為1.66 ～7.62 h,60 ℃時(shí)為3.29～21.39 h,50 ℃為9.25～57.19 h,與對(duì)照組相比,堆肥過(guò)程中適當(dāng)升高溫度可以提高抗菌藥物的降解效率。堆肥處理中抗菌藥物的時(shí)間也隨抗菌藥物的種類有很大的差距。由于微生物對(duì)抗菌藥物消減的高效、環(huán)保和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),微生物降解已成為處理抗菌藥物污染的有效途徑。應(yīng)用微生物堆肥處理技術(shù)能夠較徹底,可針對(duì)性的降解特定抗菌藥物,且對(duì)環(huán)境不易產(chǎn)生二次污染,此方法將畜牧養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)種植有效結(jié)合,減輕畜牧養(yǎng)殖對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境造成的污染和破壞,實(shí)現(xiàn)能量資源的高效循環(huán)利用。

2.2 光降解法

光降解通常指吸收光子而導(dǎo)致有機(jī)物的分解反應(yīng)。光降解反應(yīng)機(jī)理主要在于分子吸收光能變成激發(fā)態(tài)從而發(fā)生各種反應(yīng)。光降解主要包括直接光解和間接光解[19]。直接光解是抗菌藥物直接吸收光能,使得抗菌藥物分子由基態(tài)轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài),在激發(fā)的狀態(tài)下改變其分子結(jié)構(gòu)。而間接光解是在抗菌藥物降解體系中加入光敏物質(zhì),這種物種在吸收光能后轉(zhuǎn)為激發(fā)態(tài),光敏物質(zhì)在激發(fā)態(tài)將能量傳給抗菌藥物,使得抗菌藥物分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。季秋潔[19]試驗(yàn)證明,在光照條件下的豬糞堆肥中,3種氟喹諾酮類抗菌藥物的降解較快,而避光條件下幾乎不降解。

影響抗菌藥物光降解的因素有很多,例如光照、pH、腐殖酸和金屬等都可以影響其降解程度。孟慶玲等[20]研究了太陽(yáng)光、氙燈、汞燈對(duì)3種頭孢類抗菌藥物的光降解。結(jié)果表明,3種頭孢類抗菌藥物在3種光源照射下均能發(fā)生直接光降解,但汞燈的降解速率最高。Razuc M等[21]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)環(huán)丙沙星濃度為60 mg/L時(shí),環(huán)丙沙星在pH為5、7、9的光降解符合一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)。

2.3 厭氧消化法

厭氧消化因其能產(chǎn)生沼氣,故又稱為沼氣發(fā)酵,指在沒(méi)有溶解氧、硝酸鹽和硫酸鹽的條件下,通過(guò)微生物生長(zhǎng)代謝各種有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分解并轉(zhuǎn)化為CH4、CO2、微生物細(xì)胞以及無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等的過(guò)程[22]。厭氧消化技術(shù)是畜禽糞便資源化、減量化、無(wú)害化的主要生物處理技術(shù)之一,其不僅可以有效解決糞污污染,還可以產(chǎn)生清潔的可再生能源,發(fā)酵后的沼液、沼渣也可代替化肥施于土壤中,對(duì)生態(tài)環(huán)境有著積極作用。靳紅梅等[23]采用批次室內(nèi)模擬發(fā)酵試驗(yàn)法對(duì)豬糞中磺胺嘧啶(SDZ)和磺胺二甲嘧啶(SM2)在中溫(37 ℃±1 ℃)厭氧消化條件下的吸附和降解特征進(jìn)行研究,結(jié)果顯示,SDZ和SM2的去除符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,去除率分別為58.7%和74.0%,降解半衰期分別為5.85 d和5.90 d。

溫度、pH、有機(jī)質(zhì)的含量、水分、金屬等都可以影響厭氧消化對(duì)抗菌藥物的降解。Massé D I等[24]研究發(fā)現(xiàn),土霉素在5 ℃和15 ℃的厭氧消化中去除率幾乎相同,在25 ℃時(shí),其去除率提高了20%。楊俠等[25]探究pH對(duì)污泥厭氧消化過(guò)程中抗菌藥物降解試驗(yàn)表明,pH為7.5時(shí),總抗菌藥物去除率最高,為55.7%;pH為5.5時(shí),總抗菌藥物去除率最低,僅為21.7%。厭氧消化法除了可以降低動(dòng)物糞便中抗菌藥物的濃度外,還可以產(chǎn)生甲烷,但該方法不能完全去除糞便中四環(huán)素類藥物[22]。因此,采用該方法降低糞便中抗菌藥物也存在一定的局限性。

2.4 植物修復(fù)法

植物修復(fù)是利用綠色植物的吸收、揮發(fā)、根濾、降解、穩(wěn)定等作用來(lái)富集或分解污染物,以達(dá)到清除污染物、修復(fù)和治理的目的[26],該技術(shù)具有修復(fù)范圍廣、成本低、不引起二次污染、增加被修復(fù)土壤的有機(jī)質(zhì)濃度等特點(diǎn)。章程[27]試驗(yàn)表明,植物對(duì)抗菌藥物具有降解能力,但降解的效果與植物的種類與其生長(zhǎng)環(huán)境是有關(guān)的。植物修復(fù)法對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)廢水中的抗菌藥物去除有良好的效果,但對(duì)畜禽糞便在固體狀態(tài)下的抗菌藥物去除效果不顯著。

3 糞便中抗菌藥物殘留的檢測(cè)

3.1 高效液相色譜法

畜禽糞便中抗菌藥物殘留量一般比較高,高效液相色譜法(high performance liquid chromatography,HPLC)具有分析速度快、分離能力強(qiáng)、靈敏度高等特點(diǎn),都滿足檢測(cè)的需要[3]。糞便檢測(cè)方法中高效液相色譜法比較合適,常用的檢測(cè)器有紫外檢測(cè)器(ultraviolet absorption detector,UVD)、二級(jí)陣列檢測(cè)器(diode array detector,DAD)、熒光檢測(cè)器(fluorescence detector,FD)等。DAD和UVD主要用于檢測(cè)含有紫外吸收基團(tuán)的獸藥,具有靈敏度高、低噪聲、線性范圍寬等特點(diǎn)。FD具有高靈敏度和選擇性的檢測(cè)器,只能檢測(cè)具有熒光性的獸藥,對(duì)待測(cè)分析物具有選擇性。

姚倩等[28]利用HPLC-UVD測(cè)定了海南省不同地區(qū)典型養(yǎng)殖場(chǎng)雞糞便中四環(huán)素和大環(huán)內(nèi)酯類抗菌藥物的含量及其分布特征。結(jié)果表明,四環(huán)素類總含量在0～2 839.3 μg/kg之間,以金霉素為主;而大環(huán)內(nèi)酯類總含量在0～845.2 μg/kg之間,以北里霉素為主。Yao F等[29]建立了豬、雞以及牛糞便中磺胺噻唑、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲惡唑的HPLC法,方法的回收率達(dá)62.65%～99.16%,檢出限為0.1～1.9 μg/kg,定量限為0.3～5.9 μg/kg。李云輝等[30]利用HPLC-FD測(cè)定了廣州市畜禽糞便中4種喹諾酮類抗菌藥物的含量,結(jié)果顯示,4種喹諾酮類抗菌藥物均被檢出,以環(huán)丙沙星為主。4種喹諾酮類抗菌藥物加標(biāo)回收率在65.8%～121.7%之間,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均低于8.0%,樣品定量限為0.46～1.23 μg/kg。

3.2 液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)

液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)(liquid chromatograph mass spectrometer,LC-MS)是通過(guò)接口裝置將分離性能優(yōu)異的液相色譜法與靈敏、專屬、能提供分子質(zhì)量和結(jié)構(gòu)信息的質(zhì)譜法相結(jié)合的現(xiàn)代分離分析技術(shù)[31]。此檢測(cè)方法檢測(cè)速度快、靈敏度高、重復(fù)性好,一次進(jìn)樣可同時(shí)分析檢測(cè)多種獸藥及其代謝物殘留的準(zhǔn)確性定量分析[32]。Pokrant E等[33]用5種不同抗菌劑對(duì)肉雞進(jìn)行處理后檢測(cè)肉雞糞便中抗菌劑的濃度,建立了LC-MS的多殘留檢測(cè)方法。結(jié)果表明,土霉素濃度為1 471.41 μg/kg,為整個(gè)采樣期間的濃度最高;氟苯尼考、泰樂(lè)菌素、恩諾沙星和環(huán)丙沙星在處理雞糞的18 d后消失;磺胺氯噠嗪在治療30 d后逐漸減少。近年來(lái),通常利用LC-MS進(jìn)行抗菌藥物檢測(cè),在對(duì)水中諾氟沙星等抗菌藥物進(jìn)行檢測(cè),每6 min就能完成一個(gè)樣品的檢測(cè),檢出限通常為0.3～1.0 ng/L,具有很高的檢測(cè)效率和靈敏度[34]。Kaddah M M Y等[35]利用LC-MS法對(duì)水環(huán)境中的16種頭孢菌素進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果發(fā)現(xiàn)其回收率在61.69%～167.67%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.45%～13.48%。

3.3 毛細(xì)管電泳法

毛細(xì)管電泳法(capillary electrophoresis,CE)又名高效毛細(xì)管電泳法(high performance capillary electrophoresis,HPCE),是近年來(lái)發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù),主要是用高壓直流電場(chǎng)為動(dòng)力,以毛細(xì)管為分離管道,在毛細(xì)管里根據(jù)抗菌藥物化合物樣品中離子的差異所產(chǎn)生的分配差異而實(shí)現(xiàn)的一種液相分離技術(shù)。此方法操作方便,分離速度快、效率高,應(yīng)用范圍廣[36],但由于毛細(xì)管的內(nèi)徑一般都小于100 μm,進(jìn)樣體積小、檢測(cè)光程短,因此檢測(cè)的靈敏度較低。汪雪雁等[37]以HPCE為檢測(cè)方法,對(duì)4種頭孢類藥物進(jìn)行色譜分析,結(jié)果顯示,4種頭孢類藥物的回收率為78.00%～83.04%,RSD為2.18%～3.79%。Yang J等[38]采用CE-二極管陣列檢測(cè)法對(duì)硝基咪唑類抗菌藥物進(jìn)行檢測(cè),其檢出限在16～97 ng/mL之間,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.32～0.55之間,加標(biāo)回收率在87.43%～104.8%之間。

4 小結(jié)與展望

近年來(lái),隨著集約化畜牧業(yè)的發(fā)展,獸用抗菌藥物的用量仍然很大,在當(dāng)前無(wú)法全面禁止使用抗菌藥物的背景下,倡導(dǎo)“減抗”“替抗”的必要性尤為重要,對(duì)減少抗菌藥物的使用起到了積極的改善作用,畜禽養(yǎng)殖業(yè)抗菌藥物的使用導(dǎo)致了動(dòng)物源性食品抗菌藥物的殘留,長(zhǎng)期使用這些食品會(huì)對(duì)人體健康造成危害,環(huán)境中的抗菌藥物殘留誘導(dǎo)耐藥基因的產(chǎn)生也會(huì)對(duì)土壤、微生物以及人類健康帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)。目前,迫切需要管理抗菌藥物在動(dòng)物和人類中的使用,這就需要有關(guān)部門從源頭對(duì)抗菌藥物進(jìn)行控制,對(duì)養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)行科學(xué)的用藥指導(dǎo),控制其使用量以及休藥期。此外,為有效阻斷畜禽糞便中抗菌藥物及耐藥基因的傳播,在使用前要對(duì)糞便進(jìn)行有效的處理。目前,常見的方法是使用微生物強(qiáng)化堆肥來(lái)去除糞便中抗菌藥物及耐藥基因的殘留,該方法降解較徹底、對(duì)環(huán)境不易產(chǎn)生二次污染,也可針對(duì)性地降解特定的抗菌藥物,減少其向環(huán)境中的輸入,降低對(duì)環(huán)境的危害。