我國豬糞中四環(huán)素類抗生素殘留及好氧堆肥消減研究進展

白金順，王偉紅，李艷麗，李兆君，趙林萍*

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，北京 100081；2. 中國農(nóng)業(yè)科學中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社有限公司，北京 100081）

畜牧業(yè)是我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)。2017年，畜牧業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值近30%的比例[1]。然而，伴隨著我國畜牧業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生的大量養(yǎng)殖糞污帶來了巨大的環(huán)境壓力[2]。當前，我國每年產(chǎn)生畜禽糞污約38億t，是世界最大的養(yǎng)殖糞污產(chǎn)生國。其中，我國生豬養(yǎng)殖規(guī)模世界第一，生豬糞污占全國畜禽糞污產(chǎn)生量的47%[3]。因而，加快豬糞無害化處理和資源化利用對我國畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

獸藥產(chǎn)業(yè)是支撐我國畜牧業(yè)快速發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。獸用抗生素因其具有促進動物生長和預防動物疾病等作用在畜禽養(yǎng)殖中被廣泛使用。研究表明，我國每年約8萬t抗生素被應用于畜牧養(yǎng)殖中，占全國總抗生素用量的52%[4]。然而，40%～90%的獸用抗生素會以原體或代謝物形式隨糞尿排出體外[5]。進入環(huán)境的抗生素可對環(huán)境非靶標生物產(chǎn)生生態(tài)毒性作用，同時通過食物鏈富集和誘導抗性基因產(chǎn)生傳播，也會對人體健康帶來威脅[6]。目前，獸用抗生素環(huán)境殘留與污染已成為畜禽養(yǎng)殖中一個倍受關(guān)注的問題。

四環(huán)素類抗生素是畜禽養(yǎng)殖業(yè)中使用量最大的抗菌藥物，約占獸用抗生素總用量的57%[7]，因其具有高親水性、低揮發(fā)性和高吸附系數(shù)等特性[8]，在糞便中具有強持久性[9]，一些報道表明四環(huán)素類抗生素也是畜禽糞便中檢出頻率和濃度最高的抗生素類型[4，10]。近年來有關(guān)畜禽糞便中四環(huán)素類抗生素殘留及消減效果等研究不斷增加[11-13]。本文以我國畜禽糞污中產(chǎn)生量最大的豬糞為研究對象，聚焦使用量最大且具有強持久性的四環(huán)素類抗生素，根據(jù)已發(fā)表相關(guān)文獻，對豬糞中四環(huán)素類抗生素的殘留水平、好氧堆肥消減效果進行綜述，同時對目前存在的問題和未來的研究重點進行展望，為豬糞中四環(huán)素類抗生素風險評估和有效控制提供科學依據(jù)和技術(shù)參考。

1 豬糞中四環(huán)素類抗生素殘留水平及其對農(nóng)田土壤及作物的潛在影響

1.1 殘留水平

四環(huán)素類抗生素是生豬養(yǎng)殖中常用的抗生素種類，與其自身化學特性有關(guān)，生豬體內(nèi)對四環(huán)素類抗生素吸收較少，用藥量的70%～95%被排出體外[6]，與其他種類抗生素相比，四環(huán)素類抗生素是豬糞中殘留量最大的獸藥類型[10]，對環(huán)境造成潛在污染。國內(nèi)學者對我國主要生豬養(yǎng)殖地區(qū)豬糞中四環(huán)素類抗生素殘留量開展了諸多調(diào)查研究[14]。其中，土霉素、四環(huán)素、金霉素是相關(guān)報道廣泛關(guān)注的3種四環(huán)素類抗生素。表1列出了不同地區(qū)豬糞中四環(huán)素類抗生素殘留量的情況。

表1 我國不同地區(qū)豬糞中四環(huán)素類抗生素殘留濃度及檢出率

總體上，我國豬糞中四環(huán)素類抗生素殘留在mg·kg-1量級，大多數(shù)濃度范圍在0～100 mg·kg-1之間，部分報道含量可達100 mg·kg-1以上。受養(yǎng)殖規(guī)模、抗生素使用數(shù)量、抗生素種類使用偏好、采樣時間及地點等因素影響，豬糞中四環(huán)素類抗生素殘留濃度在不同生產(chǎn)區(qū)域間、不同抗生素種類間、不同研究報道間均存在較大差異。Wang等[26]報道我國不同地區(qū)豬糞中的四環(huán)素最高含量從59.06 mg·kg-1到172.90 mg·kg-1不等。張樹清等[17]對我國多地的畜禽糞便中殘留的四環(huán)素類抗生素做了對比分析，浙江、北京等發(fā)達地區(qū)的畜禽糞便中抗生素殘留量明顯高于其他地區(qū)，可能與發(fā)達地區(qū)抗生素使用量較高有關(guān)。不同生豬養(yǎng)殖規(guī)模和生育期對抗生素殘留有一定影響，張慧敏等[27]和單英杰等[21]報道發(fā)現(xiàn)，浙江地區(qū)規(guī)模化養(yǎng)殖場較家庭散戶四環(huán)素、金霉素和土霉素用量均顯著較高。沈穎[28]通過對北京、上海、重慶的養(yǎng)豬場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)幼齡期生豬糞便四環(huán)素類抗生素含量顯著高于成年期，這與幼齡期喂養(yǎng)抗生素用量較多有關(guān)。另外，不同種類四環(huán)素類抗生素間也有明顯差異，但不同報道結(jié)果不一。張樹清等[17]對北京養(yǎng)豬場糞污抗生素殘留情況進行調(diào)查，結(jié)果為土霉素＞金霉素＞四環(huán)素；而夏天驕等[18]的研究結(jié)果由高到低的次序是土霉素＞四環(huán)素＞金霉素，這可能與不同養(yǎng)豬場養(yǎng)殖過程中的抗生素使用偏好有關(guān)。然而，盡管抗生素含量總體偏高，但最新研究表明，一些地區(qū)近年來呈現(xiàn)整體下降的良好態(tài)勢，彭秋等[20]對重慶市大型養(yǎng)殖場糞便中四環(huán)素類抗生素殘留進行了分析，發(fā)現(xiàn)2019年畜禽糞便中四環(huán)素類抗生素含量較2014年均有大幅度下降，且檢出率也有所降低。

2019年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部第194號公告，指出自2020年元旦起，我國飼料中全面禁止添加抗生素，這一政策對減少濫用抗生素造成的危害和維護動物源食品安全和公共衛(wèi)生安全具有深遠意義。從歐盟對抗生素的禁用歷史來看，在禁用的最初幾年使用量仍然會有所攀升，但長期來看，總體上會呈現(xiàn)穩(wěn)定或下降的趨勢。所以，未來的研究應持續(xù)關(guān)注和跟蹤新政策形勢下不同區(qū)域的豬糞中四環(huán)素類抗生素的殘留情況和污染風險。

1.2 對農(nóng)田土壤及作物的潛在影響

四環(huán)素類抗生素可通過畜禽糞便-土壤-作物體系逐級傳遞[29]，在不同介質(zhì)中具有檢出頻率較高、污染遷移高、擴散范圍廣等特點[30-31]，對農(nóng)田土壤和作物帶來顯著影響[32-33]。

土壤是抗生素使用的主要受體。近年來，四環(huán)素類抗生素在土壤環(huán)境中頻繁檢出，檢出水平在μg·kg-1到mg·kg-1量級不等[34]。曾巧云等[35]對我國農(nóng)業(yè)土壤中四環(huán)素類抗生素污染現(xiàn)狀進行了綜述，發(fā)現(xiàn)土壤中土霉素、金霉素和四環(huán)素的質(zhì)量分數(shù)分別為0～8400、0～5520和0～2450 μg·kg-1，且部分已超過國際規(guī)定的毒害限量標準。蔬菜地土壤因畜禽糞肥還田量大、四環(huán)素含量高而報道較多[36-39]，例如：朱秀輝等[40]檢測廣州市周圍菜地土壤中抗生素的殘留濃度結(jié)果表明，所檢測的樣品中土霉素的最高濃度可達903.1 μg·kg-1，平均濃度為38.4 μg·kg-1。畜禽糞便直接或間接還田是農(nóng)田土壤四環(huán)素類抗生素殘留的主要來源[41]。張慧敏等[27]發(fā)現(xiàn)畜禽糞便還田土壤中土霉素、四環(huán)素和金霉素的檢出率分別為93%、88%和93%，殘留量分別是未還田土壤的38、13和12倍。朱秀輝等[40]采用層次分析法對菜地土壤中四環(huán)素類抗生素的污染源解析結(jié)果表明，糞肥是土壤中四環(huán)素類抗生素的主要來源，其所占比例大于50%。

土壤中四環(huán)素類抗生素積累會改變土壤微生物群落特性，并潛在影響作物生長。于曉雯等[42]發(fā)現(xiàn)四環(huán)素類抗生素會降低土壤細菌群落的多樣性，改變細菌群落的豐富度，隨著時間的推移影響程度逐漸減小，但增加了土壤真菌群落的多樣性。有關(guān)抗生素污染對作物毒性效應模擬試驗表明，四環(huán)素類抗生素污染可對作物生長產(chǎn)生明顯的抑制作用，鮑艷宇等[43]在土培條件下發(fā)現(xiàn)褐土中殘留四環(huán)素和土霉素濃度與小麥根（芽）生長抑制率顯著相關(guān)。林琳等[44]在小白菜上也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。Li等[45-46]發(fā)現(xiàn)土霉素污染土壤可通過抑制根系活性、光合作用影響小麥生長。但不同作物和基因型對四環(huán)素類抗生素具有不同響應敏感性，Zhao等[47]在水培條件下對高粱、綠豆、大麥等10類作物開展了四環(huán)素毒理效應研究，發(fā)現(xiàn)不同作物具有不同敏感性。解曉瑜等[48]發(fā)現(xiàn)不同小麥基因型間對土霉素有響應差異。

由此可見，農(nóng)田土壤四環(huán)素類抗生素污染普遍存在，盡管難以直接關(guān)聯(lián)豬糞中四環(huán)素殘留對土壤四環(huán)素類抗生素殘留的貢獻，但豬糞作為最大的畜禽糞污來源，其中存在的大量殘留四環(huán)素將是帶給農(nóng)田土壤和作物污染風險的重要因素之一。

2 豬糞好氧堆肥四環(huán)素類抗生素消減效果及其主要影響因素

2.1 消減效果

畜禽糞污抗生素消減是降低農(nóng)田抗生素污染的重要源頭控制對策之一。不同畜禽糞便處理方式對抗生素消減有不同影響[49]，好氧堆肥是指在充分供氧的條件下，主要利用好氧微生物進行的堆肥處理過程[50]，是畜禽糞便抗生素消減、實現(xiàn)無害化處理的經(jīng)濟有效且使用最為廣泛的方法之一[51]。

雖然大量研究表明，通過好氧堆肥可以有效去除糞便中殘留的抗生素[52-53]。但大多數(shù)研究報道建立在模擬試驗條件的基礎(chǔ)上，且受堆體溫度、濕度和碳氮比等理化性質(zhì)[14]、抗生素種類及殘留量[54]、微生物特性等因素的綜合影響[55]。豬糞中四環(huán)素類抗生素消減效果存在較大變異（表2），Bao等[56]研究了堆肥對育肥豬糞中金霉素消減的研究，發(fā)現(xiàn)豬糞中金霉素消減率僅為27%；而Wu等[57]研究表明豬糞經(jīng)過50 d堆肥后，四環(huán)素、土霉素和金霉素的消減率分別為70%、92%和74%。

表2 我國豬糞中四環(huán)素類抗生素消減率

2.2 主要影響因素

好氧堆肥對豬糞中四環(huán)素類抗生素的消減效果與堆體理化參數(shù)密切相關(guān)，保持適宜水分是高效消減的重要條件之一。研究表明，在初始含水量為60%時的四環(huán)素類抗生素降解率顯著高于含水量為40%和70%時的降解率[58，60]?？刂瓢l(fā)酵溫度是實現(xiàn)物料中有機物降解和病菌無害化的基本要求。一般而言，四環(huán)素類抗生素降解率隨堆體溫度提高而增加，沈穎等[58]不同溫度的研究結(jié)果表明，在初始溫度為55℃時的四環(huán)素類抗生素降解率顯著高于溫度為35和45℃時的降解率。堆體酸堿度可通過影響微生物的生長狀況，進而影響抗生素的降解效果。鄭麗英[61]研究了金霉素在不同pH條件下的降解情況，發(fā)現(xiàn)在堿性和中性條件下金霉素的降解率明顯大于酸性條件下的降解率。堆體碳氮比及養(yǎng)分含量與四環(huán)素類抗生素消減效率密切相關(guān)，Bao等[56]發(fā)現(xiàn)金霉素消減率與堆體全碳、全氮、碳氮比、全磷、氮磷比具有相關(guān)關(guān)系。張樹清等[62]通過添加高碳氮比的麥秸與豬糞混合堆肥較單獨豬糞堆肥具有更強的金霉素、四環(huán)素和土霉素去除效果。豬糞中抗生素殘留量也對抗生素消減有顯著影響，研究表明高量抗生素可對堆肥微生物產(chǎn)生短暫抑制作用[63]，進而降低抗生素去除率[64]。勾長龍等[12]研究表明低劑量組較高劑量組四環(huán)素類抗生素消減率更高，且主要發(fā)生在高溫階段。好氧堆肥對不同類型四環(huán)素類抗生素消減效率影響不同，報道結(jié)果并不一致。張樹清等[62]研究表明，四環(huán)素類抗生素降解去除率大小為四環(huán)素＞金霉素＞土霉素，而Chai等[59]發(fā)現(xiàn)在相同條件下，四環(huán)素類抗生素降解率大小為金霉素＞四環(huán)素＞土霉素。

好氧堆肥實際上是基質(zhì)微生物的發(fā)酵過程[65]，因而微生物是影響好氧堆肥降解效果的關(guān)鍵因素之一[13]。研究表明，好氧堆肥對土霉素降解效率在滅菌和不滅菌狀態(tài)下分別為100%和82%，而高溫滅菌則顯著降低抗生素降解效果，同時，無論在添加抗生素還是在自然無添加狀態(tài)下，均表現(xiàn)為滅菌顯著降低豬糞中四環(huán)素的降解效率[66]。沈穎等[58]證明了放線菌、真菌、細菌都可以有效降解抗生素，且不同菌的最適溫度不同。張樹清等[17]發(fā)現(xiàn)通過接種BM菌劑可提高堆肥過程中抗生素消減效果。目前，通過高效降解菌提高畜禽糞便堆肥中抗生素降解效果被認為是一種高效、低成本的無害化處理方法[67]。國內(nèi)已開展一些有關(guān)抗生素降解菌的相關(guān)研究，主要集中在菌株篩選與鑒定以及優(yōu)化去除效果等方面。沈東升等[68]將其實驗室篩選的土霉素降解菌接種于堆肥中，發(fā)展TJ-1接種可提高降解率20%。成潔等[69]證明四環(huán)素降解菌TJ-2對3種抗生素的降解率分別為58.3%、63.9%和65.5%，且TJ-2能以四環(huán)素類抗生素作為唯一碳源。趙晨光等[13]開展了接種四環(huán)素高溫降解菌對不同抗生素濃度豬糞堆肥的影響研究，發(fā)現(xiàn)較高濃度40 mg·kg-1的抗生素具有更好的處理效果。趙晨光等[13]進一步通過接種從豬糞中篩選到的耐高溫降解菌，在堆肥14 d土霉素、四環(huán)素和金霉素降解率分別可達85.8%、91.0%和98.6%。也有研究表明混合外源菌劑接種有利于抗生素降解，肖禮等[70]在豬糞中添加白腐真菌及其混合外源菌劑，單一白腐真菌處理下的豬糞中降解率最小，四環(huán)素和土霉素的含量隨堆肥時間顯著下降，經(jīng)過42 d后兩種抗生素降解率可達90%以上。

3 研究展望

生豬養(yǎng)殖是近20年來我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)中發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一，其集約化、規(guī)?；潭炔粩嗵岣?。四環(huán)素類抗生素作為生豬養(yǎng)殖中廣泛使用的重要獸藥類型，其在豬糞中普遍殘留，對土壤和作物的潛在風險已得到廣泛關(guān)注。盡管基于好氧堆肥技術(shù)的豬糞中四環(huán)素類抗生素消減效果也取得較多試驗證明，但堆肥條件及微生物特性對消減效率也有較大影響。因而，如何合理利用好氧堆肥技術(shù)有效控制豬糞中四環(huán)素類抗生素污染，為生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展提供重要支撐，本研究認為需要加強以下3方面的研究工作。

（1）標準制定方面。我國豬糞產(chǎn)生量大且四環(huán)素類抗生素殘留量高，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大風險，但我國尚無針對豬糞中四環(huán)素類抗生素的消減標準。同時，目前國內(nèi)外圍繞基于堆肥的豬糞中四環(huán)素類抗生素消減技術(shù)和消減濃度開展了一定研究，但整體上存在消減技術(shù)繁多而缺少統(tǒng)一規(guī)范的問題，導致消減效率存在較大變異，現(xiàn)有的畜禽養(yǎng)殖糞便相關(guān)處理國家標準中對抗生素的處理工藝也無體現(xiàn)。另外，盡管2016年國家發(fā)布了有機肥中四環(huán)素類抗生素含量測定的強制性國家標準，但在實際操作中如何實現(xiàn)四環(huán)素類抗生素含量降低成為養(yǎng)豬場和有機肥企業(yè)在糞便處理中極其重要但也頗為挑戰(zhàn)的技術(shù)問題。因而，建立操作規(guī)范和市場認可的豬糞中四環(huán)素類抗生素強化消減技術(shù)標準迫在眉捷，為實現(xiàn)豬糞中四環(huán)素類抗生素無害化利用提供技術(shù)途徑。

（2）風險評估方面。有關(guān)豬糞中四環(huán)素類抗生素殘留對土壤、作物的可能不利影響已研究較多，但主要基于抗生素模擬試驗添加或長期豬糞高量施用條件下的研究結(jié)果，盡管在優(yōu)化堆肥條件下四環(huán)素類抗生素消減效率也可達到80%～90%以上，但對于豬糞中微量四環(huán)素類抗生素殘留在土壤和作物中的遷移與積累機制仍需進一步研究，關(guān)于豬糞中四環(huán)素類抗生素的安全閾值尚未建立。因而，應在加強微量四環(huán)素類抗生素環(huán)境遷移、累積機制基礎(chǔ)上，建立豬糞中四環(huán)素類抗生素風險評估和預警體系，為實現(xiàn)豬糞四環(huán)素類抗生素污染控制提供科學依據(jù)。

（3）基礎(chǔ)研究方面。與國內(nèi)外有關(guān)四環(huán)素類抗生素消減效果已有較多報道相比，四環(huán)素類抗生素生物降解機制方面研究仍相對較少，盡管部分研究通過模型模擬等方法對四環(huán)素類抗生素降解途徑進行相關(guān)預測，但關(guān)于其消減產(chǎn)物的穩(wěn)定性、再轉(zhuǎn)化過程及其環(huán)境風險仍不清楚。同時，堆肥作為實現(xiàn)糞便無害化、資源化利用的關(guān)鍵手段，在此過程中如何實現(xiàn)抗生素最大程度消減條件下有效保蓄營養(yǎng)元素是頗為關(guān)鍵的問題之一。因而，有必要加強豬糞四環(huán)素類抗生素消減途徑及其消減產(chǎn)物轉(zhuǎn)化機制與環(huán)境行為的研究，并強化豬糞好氧堆肥中四環(huán)素類抗生素與營養(yǎng)元素協(xié)同轉(zhuǎn)化機制的研究，不斷提高豬糞中四環(huán)素類抗生素生物轉(zhuǎn)化的科學認知水平。