畜禽養(yǎng)殖廢棄物中抗生素的微生物降解研究進(jìn)展

謝曉杰,許雙燕,王文凡,楊 健,趙卓群,王 敏,鄭華寶

(浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 311300)

近年來(lái),我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?；⒓s化發(fā)展水平不斷提高,但高密度的養(yǎng)殖模式也引發(fā)了一系列的畜禽疾病,用于預(yù)防、治療畜禽疾病的抗生素類藥物也被使用得更加頻繁。然而,動(dòng)物體攝入的抗生素并不能完全地被代謝吸收,超過(guò)70%的抗生素會(huì)隨尿液和糞便排出體外[1],釋放到環(huán)境中,并導(dǎo)致環(huán)境中抗生素的殘留。長(zhǎng)期的抗生素選擇壓力會(huì)誘導(dǎo)抗生素耐藥菌的產(chǎn)生,引發(fā)嚴(yán)重的抗性基因污染問(wèn)題[2-3],對(duì)公共健康造成巨大威脅。據(jù)報(bào)道,如果抗生素抗性基因的傳播失控,預(yù)計(jì)在2050年將導(dǎo)致全球超過(guò)1 000萬(wàn)人死亡,造成近100萬(wàn)億美元的全球財(cái)政負(fù)擔(dān)[4-5]。為此,本文綜述了畜禽養(yǎng)殖廢棄物中抗生素的殘留現(xiàn)狀、危害,總結(jié)了抗生素降解菌的降解特征和抗生素的生物降解途徑,討論了抗生素降解菌在堆肥中的應(yīng)用,以期為畜禽廢棄物中抗生素污染的治理提供參考。

1 畜禽養(yǎng)殖廢棄物中抗生素污染狀況與危害

在畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中,合理使用抗生素添加劑能夠有效地治療動(dòng)物感染性疾病,促進(jìn)畜禽生長(zhǎng)[6-7]。我國(guó)是世界上最大的抗生素生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó),據(jù)統(tǒng)計(jì),2020年的抗生素產(chǎn)量達(dá)22.3萬(wàn)t[8-9],其中用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)的抗生素達(dá)3.27萬(wàn)t[10]?？股卦谛笄蒺B(yǎng)殖中的大量使用,導(dǎo)致其在畜禽養(yǎng)殖廢棄物中大量殘留。

1.1 畜禽養(yǎng)殖廢棄物

畜禽養(yǎng)殖廢棄物是指在畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的畜禽糞便、廢飼料、養(yǎng)殖廢水、惡臭氣體,以及散落的毛、羽等廢棄物[11]。據(jù)估算,我國(guó)每年產(chǎn)生的畜禽養(yǎng)殖廢棄物已達(dá)38億t,但綜合利用率不足60%[12],其中,畜禽糞便約占40%,總量約為15億t[13]。

目前,我國(guó)畜禽養(yǎng)殖廢棄物最主要的處理方向?yàn)榉柿匣痆14]和能源化[15-16]。肥料化處理是利用堆肥、生物發(fā)酵技術(shù)將畜禽養(yǎng)殖廢棄物轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料;能源化處理是以畜禽養(yǎng)殖廢棄物為原料制備沼氣、沼液和沼渣,從而實(shí)現(xiàn)廢棄物的再利用[17-18]。然而,我國(guó)多數(shù)畜禽養(yǎng)殖企業(yè)不具備糞污的深加工處理能力,一些地方將堆積發(fā)酵后的糞便直接施于農(nóng)田,導(dǎo)致畜禽養(yǎng)殖廢棄物中殘留的抗生素進(jìn)入環(huán)境,造成抗生素污染[19]。

1.2 畜禽養(yǎng)殖廢棄物中抗生素的污染狀況

現(xiàn)代集約化畜禽養(yǎng)殖常用抗生素來(lái)控制疾病,促進(jìn)畜禽生長(zhǎng)[20]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2017年全球獸用抗生素消費(fèi)總量約為93 309 t,預(yù)計(jì)到2030年全球獸用抗生素消費(fèi)總量將達(dá)到104 079 t,較2017年增長(zhǎng)11.5%[21]。大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家獸用抗生素的使用量占抗生素生產(chǎn)總量的50%～80%[22]。據(jù)一項(xiàng)發(fā)表于2015年的報(bào)道,美國(guó)獸用抗生素使用總量達(dá)11 148 t,占抗生素銷售總量的80%[23-24]。我國(guó)是世界上最大的獸用抗生素消費(fèi)國(guó),2020年獸用抗生素使用量高達(dá)32 776 t[10],預(yù)計(jì)到2030年我國(guó)的獸用抗生素消費(fèi)量將占全球獸用抗生素消費(fèi)總量的43%[21]。

由于多數(shù)養(yǎng)殖戶缺乏專業(yè)的疫病防治知識(shí),抗生素不規(guī)范、不合理、超量使用等現(xiàn)象在我國(guó)畜禽養(yǎng)殖中較為普遍[25]。有調(diào)查表明,2020年我國(guó)每生產(chǎn)1 t動(dòng)物產(chǎn)品的獸用抗生素使用量約為165 g[10]。動(dòng)物攝入的抗生素不能被機(jī)體完全吸收,30%～90%會(huì)以原形或代謝產(chǎn)物的形式殘留在畜禽糞便中[26-28]。受畜禽養(yǎng)殖業(yè)中各種畜禽(主要指豬、牛、雞等)生理特性、生活習(xí)慣和養(yǎng)殖環(huán)境等差異的影響,不同畜禽糞便中的抗生素種類、含量存在顯著差異[29],但總體而言,畜禽糞便中不同類型抗生素的殘留量從高到低依次為四環(huán)素類>氟喹諾酮類>磺胺類>大環(huán)內(nèi)酯類[30-32]。Wang等[33]調(diào)查了浙江省不同養(yǎng)殖場(chǎng)豬糞中的抗生素殘留,發(fā)現(xiàn)金霉素殘留量最高,達(dá)到57.95 mg·kg-1。任君燾等[34]對(duì)山東東營(yíng)地區(qū)畜禽糞便中的抗生素殘留進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)畜禽糞便中磺胺類抗生素的檢出率為6%～100%,氟喹諾酮類抗生素的檢出率為62%～100%,四環(huán)素類抗生素的檢出率為98%～100%,大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的檢出率為0%～50%。彭秋等[35]對(duì)重慶地區(qū)的畜禽糞便進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)豬糞中四環(huán)素類抗生素的檢出率為82.8%,土霉素、四環(huán)素和金霉素的最大檢出量分別為11.59、53.14、23.06 mg·kg-1。Alavi等[36]對(duì)伊朗5個(gè)城市養(yǎng)殖場(chǎng)的糞便進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)四環(huán)素和土霉素的最大檢出量分別為5.36、13.77 mg·kg-1。Ezzariai等[37]對(duì)糞便中的四環(huán)素類、氟喹諾酮類、大環(huán)內(nèi)酯類、磺胺類抗生素進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)四類抗生素的殘留量為1～136 000 μg·kg-1。

畜禽糞便中殘留的抗生素會(huì)通過(guò)自然滲透、雨水淋溶、徑流沖刷,以及有機(jī)肥施用等方式進(jìn)入水體與土壤中,導(dǎo)致畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)周圍環(huán)境中的抗生素含量超標(biāo)[38]。有研究表明,養(yǎng)豬場(chǎng)附近的地表水、地下水和土壤中均發(fā)現(xiàn)四環(huán)素類和磺胺類抗生素殘留,且最大檢出量可達(dá)10-9級(jí)別[39]。陳軍平等[40]調(diào)查了江西南昌地區(qū)12個(gè)規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)下游水體中的抗生素殘留情況,發(fā)現(xiàn)四環(huán)素、金霉素、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲惡唑、諾氟沙星、氧氟沙星的檢出率分別為58.3%、33.3%、66.7%、75.0%、41.7%、100.0%。畜禽糞便有機(jī)肥中抗生素的殘留和遷移也會(huì)導(dǎo)致土壤污染。Qian等[41]調(diào)查了浙江省糞肥中的抗生素含量,發(fā)現(xiàn)恩諾沙星檢出率為39.3%,含量為6.7～4 091 ng·L-1。Li等[42]對(duì)山東壽光地區(qū)施用畜禽糞便有機(jī)肥的集約化蔬菜種植區(qū)土壤中的氟喹諾酮類抗生素進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)土壤中環(huán)丙沙星和諾氟沙星的最大檢出量分別為0.652、0.288 mg·kg-1。

1.3 畜禽養(yǎng)殖廢棄物中抗生素殘留的危害

部分抗生素性質(zhì)穩(wěn)定,在環(huán)境中難以自然降解,當(dāng)其累積到一定量后會(huì)嚴(yán)重影響土壤與水體中微生物的活性和群落結(jié)構(gòu),對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面作用,并最終影響整個(gè)生物圈的物質(zhì)循環(huán)[43-45]。殘留在土壤中的抗生素還會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能發(fā)生改變,并影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤酶活性[46-48]。周椿富等[49]研究發(fā)現(xiàn),抗生素殘留會(huì)抑制土壤中的脲酶活性,減慢土壤物質(zhì)循環(huán),降低土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性。方林發(fā)等[50]在重慶開(kāi)州區(qū)菜地土壤的研究發(fā)現(xiàn),四環(huán)素類和喹諾酮類抗生素對(duì)土壤動(dòng)物和微生物存在潛在毒性。水體與沉積物中殘留的抗生素會(huì)干擾水環(huán)境中微生物的正常功能,影響氮、磷循環(huán)[51-53]。Devries等[54]研究表明,沉積物中的硝化菌和反硝化菌對(duì)質(zhì)量濃度低至1 ng·L-1的抗生素仍較為敏感。龍婷婷[55]研究了四環(huán)素對(duì)生物脫氮除磷效果的影響,發(fā)現(xiàn)若活性污泥系統(tǒng)長(zhǎng)期暴露于5、10 mg·L-1的四環(huán)素中,其硝化作用和反硝化作用均會(huì)受到影響,總氮去除率從85.4%分別降至78.6%和75.6%,系統(tǒng)的除磷能力也受到一定的抑制。

環(huán)境中殘留的抗生素被動(dòng)植物吸收后,還會(huì)通過(guò)食物鏈富集,最終流向人類。有研究表明,土壤中殘留的抗生素及其代謝產(chǎn)物會(huì)沿木質(zhì)部向莖、葉遷移,繼而貯存于植物體的各有機(jī)組分中[56-57]。李彥文等[58]調(diào)查了廣州市長(zhǎng)期施用有機(jī)肥的蔬菜樣品,發(fā)現(xiàn)96%的市售蔬菜樣品中均可檢測(cè)到不同程度的喹諾酮類抗生素殘留,殘留量在1.0～1 683.1 μg·kg-1。抗生素在動(dòng)物體的蓄積也會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物副產(chǎn)品,如肉、蛋、乳、內(nèi)臟等,存在抗生素殘留[59]。貝亦江等[60]對(duì)2018—2019年浙江省養(yǎng)殖水產(chǎn)品中的6種喹諾酮類抗生素進(jìn)行調(diào)研,發(fā)現(xiàn)6種喹諾酮類抗生素的檢出率為0～24.2%,殘留量為0～964 μg·kg-1。人類若長(zhǎng)期食用受抗生素污染的食物,可能會(huì)導(dǎo)致抗生素在體內(nèi)蓄積,當(dāng)其達(dá)到一定濃度后,會(huì)導(dǎo)致人體中毒和各器官病變,產(chǎn)生過(guò)敏反應(yīng)、腎病、肝損傷、骨髓毒性和致癌等副作用,嚴(yán)重危害人類健康[61]。

畜禽廢棄物中殘留的抗生素排泄到環(huán)境后,會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生選擇壓力。大量研究表明,抗生素長(zhǎng)期選擇壓力會(huì)促進(jìn)耐藥細(xì)菌的產(chǎn)生,導(dǎo)致抗生素抗性基因的傳播[62-63]?？股乜剐曰驈V泛分布于土壤、水體、空氣和畜禽糞便中,可通過(guò)多種方式直接或間接地在環(huán)境介質(zhì)中傳播擴(kuò)散,并進(jìn)入人體微生物組,導(dǎo)致人體產(chǎn)生抗生素耐藥性[64-65]。有研究表明,在環(huán)境中非親子之間的耐藥性菌株可以通過(guò)結(jié)合、轉(zhuǎn)化和傳導(dǎo)等多種方式進(jìn)行抗性基因的水平轉(zhuǎn)移[66-67],親子之間的耐藥性菌株可通過(guò)自我繁殖的方式將抗性基因垂直轉(zhuǎn)移給子代,從而導(dǎo)致抗性基因的擴(kuò)散[38]。馮天舒等[68]在高原鼠兔和高原鼢鼠腸道微生物中檢出3種四環(huán)素類抗性基因(tetQ、tetM-01、tetG-01)、2種磺胺類抗性基因(sul1、sul2)和1種多重耐藥性基因(floR),這些抗生素抗性基因會(huì)轉(zhuǎn)移至人體,并對(duì)人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2 抗生素的微生物降解

2.1 抗生素的環(huán)境行為

抗生素進(jìn)入水、土壤等環(huán)境介質(zhì)后繼而發(fā)生吸附/解吸[69]、遷移[70]、降解[71]等行為,直接或間接地影響抗生素在環(huán)境中的生態(tài)毒理效應(yīng)[72]。吸附/解吸是一種典型的抗生素環(huán)境行為[73],親和力較強(qiáng)的抗生素在進(jìn)入環(huán)境后會(huì)被穩(wěn)定吸附在土壤顆粒表面,并長(zhǎng)期發(fā)揮作用。但與沉積物結(jié)合的抗生素也會(huì)發(fā)生解吸反應(yīng),將抗生素再次釋放到環(huán)境中[74]。同時(shí),部分抗生素在進(jìn)入環(huán)境后會(huì)通過(guò)地表徑流和雨水淋溶向下遷移,進(jìn)入更深的土壤層或地下水系統(tǒng)中[70],導(dǎo)致土壤、地表水、地下水和沉積物中出現(xiàn)多種抗生素的殘留[75-76]。一般而言,抗生素的吸附/解吸和遷移行為與抗生素本身的理化性質(zhì)和環(huán)境因子密切相關(guān)[77]。

在自然條件下,環(huán)境中的抗生素會(huì)通過(guò)物理、化學(xué)和生物方式被降解[78]?？股氐淖匀唤到膺^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多種轉(zhuǎn)化產(chǎn)物[79],但一些產(chǎn)物可能具有與母體相當(dāng)甚至更強(qiáng)的毒性,如Xu等[80]研究發(fā)現(xiàn),磺胺吡啶的光化學(xué)降解產(chǎn)物就比母體化合物的毒性更大。

光解、水解和生物降解是抗生素自然衰減的主要途徑。在畜禽養(yǎng)殖廢棄物殘留抗生素的處理方法中,通過(guò)微生物降解將抗生素分解成毒性較低或無(wú)毒害作用的小分子產(chǎn)物,是目前最為經(jīng)濟(jì)有效的方法之一,此方法條件簡(jiǎn)單,易控制,成本較低[81]。因此,有必要對(duì)抗生素的微生物降解進(jìn)行深入研究。

2.2 抗生素降解菌的降解特征

近年來(lái),學(xué)者通過(guò)篩選、馴化等方式獲得了許多抗生素降解菌,這些降解菌多為細(xì)菌,實(shí)驗(yàn)室降解條件多為溫度30～40 ℃,pH值5.8～9.0,抗生素質(zhì)量濃度20～300 mg·L-1。一些降解菌能夠以抗生素作為唯一碳源或氮源[82-101],如甲基菌屬(Methylobacillussp.)、新型黏質(zhì)沙雷氏菌(Serratiamarcescens)、不動(dòng)桿菌屬(Acinetobactersp.)HS51株和假單胞菌屬(Pseudomonassp.)T4株等。但也有一些降解菌不能直接利用抗生素,需外加碳、氮源(如酵母、葡萄糖或蛋白胨等)才能有效降解抗生素[102-117],如斯氏普羅威登斯菌(Providenciastuartii)、肺炎克雷伯菌(Klebsiellapneumoniae)、蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)、煙草節(jié)桿菌(Arthrobacternicotianae)等,外加碳、氮源可通過(guò)增加微生物的生物量進(jìn)而提高其對(duì)抗生素的降解[118]。將當(dāng)前報(bào)道的部分抗生素降解微生物及其降解性質(zhì)整理于表1。

表1 降解抗生素的微生物及其降解條件Table 1 Antibiotics-degrading microbes and degradation conditions

值得注意的是,目前針對(duì)抗生素污染的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和降解菌篩選多是在單一抗生素條件下開(kāi)展的,在實(shí)驗(yàn)室設(shè)定的最佳條件下,降解菌能夠在較短時(shí)間內(nèi)降解高濃度的抗生素,但實(shí)際環(huán)境中的抗生素殘留量遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)室水平[76-77]。同時(shí),野外水體、土壤中并不具備豐富的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì),以及適宜的溫度和pH值等條件,多種抗生素常以復(fù)合共存的形式出現(xiàn),其危害遠(yuǎn)大于單一抗生素[119]。González-Pleiter等[120]發(fā)現(xiàn),當(dāng)兩種抗生素以混合物形式存在時(shí),即使在非常低的濃度下,也會(huì)對(duì)藻類表現(xiàn)出毒害作用。Backhaus等[121]研究發(fā)現(xiàn),混合抗生素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于單一抗生素。因此,未來(lái)應(yīng)加大對(duì)環(huán)境濃度下抗生素的降解研究,同時(shí)進(jìn)一步篩選能夠同時(shí)降解多種抗生素的菌株。

2.3 抗生素的微生物降解途徑與機(jī)理

微生物降解抗生素的過(guò)程較為復(fù)雜。在特定環(huán)境下,微生物產(chǎn)生的酶可通過(guò)直接或間接修飾改變抗生素的結(jié)構(gòu)使其失活,并逐步將其分解成小分子化合物[122-123]。微生物降解抗生素的途徑主要包括羥基化/去羥基化、官能團(tuán)氧化、碳鏈斷裂、水解和基團(tuán)轉(zhuǎn)移等[81,124]。不同種類的抗生素結(jié)構(gòu)不同,其生物降解途徑也存在明顯差異[122]。

對(duì)抗生素生物降解途徑的研究有助于抗生素污染生物防治的開(kāi)展。四環(huán)素類、磺胺類、大環(huán)內(nèi)酯類、喹諾酮類抗生素是畜禽養(yǎng)殖廢棄物中最常檢測(cè)到的抗生素[10],以下圍繞這4種抗生素的生物降解途徑進(jìn)行綜述。

磺胺類抗生素中苯環(huán)上的對(duì)氨基苯磺酰胺基是使其具有抗菌活性的主要結(jié)構(gòu)。若磺胺類抗生素中的苯環(huán)被其他芳環(huán)或芳雜環(huán)取代,或在苯環(huán)上引入其他基團(tuán),均會(huì)降低磺胺類抗生素的抑菌效果[128-129]。研究表明,微生物可通過(guò)水解、脫硫(—SO2)、脫氨基(—NH2)、氧化等反應(yīng)降解磺胺類抗生素[91,118,130]。Du等[91]研究發(fā)現(xiàn),水生產(chǎn)堿桿菌(AlcaligenesaquatillisFA)通過(guò)脫硫、脫氨基等途徑降解磺胺對(duì)甲氧嘧啶。Jiang等[130]研究發(fā)現(xiàn),磺胺甲惡唑可在微生物的作用下通過(guò)水解、脫硫、脫氨基等反應(yīng)生成不同的中間產(chǎn)物,包括苯胺、3-氨基-5-甲基異惡唑、4-氨基苯硫酚和磺胺等。

微生物通過(guò)水解、斷裂酯鍵、脫糖等反應(yīng)破壞大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的分子結(jié)構(gòu),從而降低其抗菌活性[102-103]。Zhang等[103]在研究產(chǎn)酸克雷伯氏菌(KlebsiellaoxytocaTYL-T1)對(duì)泰樂(lè)菌素的降解時(shí)發(fā)現(xiàn),在降解菌的作用下,泰樂(lè)菌素經(jīng)過(guò)糖基轉(zhuǎn)移、氧化還原、酯鍵斷裂等途徑發(fā)生降解。

喹諾酮類抗生素在降解菌的作用下經(jīng)取代、羥基化、去氨基化等反應(yīng)轉(zhuǎn)化成小分子物質(zhì)[131-133]。Liao等[133]研究發(fā)現(xiàn),在微生物的作用下,環(huán)丙沙星可通過(guò)丟失哌嗪基團(tuán)、苯環(huán)上的環(huán)丙基和氟原子,以及去氨基和去羥基化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)降解。

總的來(lái)說(shuō),不同抗生素在微生物作用下的降解位點(diǎn)和方式大抵相同,但不同微生物降解抗生素時(shí)發(fā)生反應(yīng)的順序不同,所產(chǎn)生的中間產(chǎn)物也有所不同;因此,對(duì)不同菌株降解抗生素的中間產(chǎn)物進(jìn)行研究依然很有必要。

3 微生物降解去除畜禽養(yǎng)殖廢棄物中抗生素的應(yīng)用進(jìn)展

消減畜禽養(yǎng)殖廢棄物中的抗生素是降低水體和土壤中抗生素污染的重要對(duì)策之一[134]。在處理畜禽養(yǎng)殖廢棄物的各種方法中,堆肥因具有成本低、有機(jī)物降解快、無(wú)害化程度高的特點(diǎn),而成為我國(guó)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用中最主要和最常用的措施之一[135]。在堆肥過(guò)程中,微生物可通過(guò)各種生化反應(yīng)將畜禽糞便中的有機(jī)質(zhì)分解并轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)。根據(jù)堆肥中氧氣的供應(yīng)情況,可將堆肥分為好氧堆肥和厭氧發(fā)酵兩類[136]。

好氧堆肥和厭氧發(fā)酵過(guò)程中,抗生素的去除效果與堆體溫度、含水量、抗生素種類和濃度、微生物等密切相關(guān)[137]。溫度會(huì)影響堆體的理化性質(zhì)和微生物的代謝活動(dòng),進(jìn)而影響畜禽糞污中抗生素的消減效果[138-139]。Feng等[140]研究了高溫(52 ℃)和低溫(15 ℃)條件下豬糞厭氧堆肥中紅霉素的去除情況,發(fā)現(xiàn)溫度升高可有效縮短紅霉素的半衰期。水分會(huì)調(diào)節(jié)堆體溫度,影響微生物代謝和抗生素水解,一般來(lái)說(shuō),堆肥原料中的含水量應(yīng)控制在50%～70%,含水量過(guò)低不利于微生物的生長(zhǎng)代謝,但過(guò)高則會(huì)堵塞堆料的縫隙,進(jìn)而影響抗生素的消減[141]。不同類型的抗生素,其分子結(jié)構(gòu)不同,理化性質(zhì)也有所差異;因此,堆肥過(guò)程中不同抗生素的去除效果也有所差別。Kim等[142]研究了豬糞堆肥中不同抗生素的消減情況,發(fā)現(xiàn)40 d堆肥結(jié)束后,金霉素、磺胺甲嘧啶、泰樂(lè)菌素的去除率各不相同?？股氐某跏假|(zhì)量分?jǐn)?shù)不同,堆肥后其消減效果也明顯不同。孟磊等[143]開(kāi)展的雞糞堆肥研究發(fā)現(xiàn),不同初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)的喹諾酮類抗生素降解速率從高到低依次為60 mg·kg-1>30 mg·kg-1>15 mg·kg-1。

堆肥是由微生物主導(dǎo)的發(fā)酵過(guò)程[134],溫度、含水量、抗生素的種類和含量均會(huì)直接或間接地影響堆體中微生物的生長(zhǎng)代謝活動(dòng),進(jìn)而影響堆肥中抗生素的降解和轉(zhuǎn)化[144]。在好氧堆肥過(guò)程中,微生物可通過(guò)各種代謝活動(dòng)分解有機(jī)物、釋放能量,進(jìn)而保障微生物正常的生長(zhǎng)繁殖[145]。在厭氧發(fā)酵過(guò)程中,微生物會(huì)產(chǎn)生各種水解酶,并通過(guò)各種水解酸化作用將大分子有機(jī)物分解成小分子有機(jī)物,進(jìn)而提高厭氧發(fā)酵的效率[146]。大量研究表明,在堆肥過(guò)程中添加外源抗生素降解菌劑可加速畜禽養(yǎng)殖廢棄物中抗生素的去除,并顯著提升堆肥的質(zhì)量[147]。李瑋琳等[148]將抗生素降解菌劑接種到豬糞堆肥中,發(fā)現(xiàn)抗生素去除率達(dá)81.95%,與對(duì)照組相比,抗生素降解率提高了42.18%。趙晨光等[149]將篩選的4株抗生素降解菌接種到豬糞堆肥中,14 d后,土霉素、四環(huán)素、金霉素的降解率分別為85.75%、90.95%、98.56%。張錦[150]將抗生素混合降解菌劑加入豬糞、雞糞堆肥中,發(fā)現(xiàn)豬糞、雞糞中磺胺二甲嘧啶的去除率分別為77.48%、45.39%。仇天雷等[151]研究發(fā)現(xiàn),添加復(fù)合菌劑后,堆肥中的土霉素在47 d后降解至檢測(cè)限以下,而未接種菌劑的對(duì)照組,其土霉素降解效果不明顯。

外源接種抗生素降解菌劑會(huì)提高堆肥中抗生素的去除效果,具有較好的發(fā)展前景;但是,在堆肥中能夠降解抗生素的微生物一般都是耐藥菌,這些菌株攜帶大量的抗性基因,因此應(yīng)格外注意堆肥過(guò)程中添加外源抗生素降解菌可能誘發(fā)的抗性基因污染風(fēng)險(xiǎn)[152-154]。目前,關(guān)于外源添加的抗生素降解菌中抗生素抗性基因的研究較少,考慮到堆肥中應(yīng)用抗生素降解菌存在抗性基因傳播風(fēng)險(xiǎn),未來(lái)可將降解菌內(nèi)發(fā)揮作用的酶提取出來(lái)并應(yīng)用到堆肥中,以提高抗生素降解效果,降低抗性基因污染風(fēng)險(xiǎn)。

4 研究展望

畜禽養(yǎng)殖廢棄物作為抗生素的“天然儲(chǔ)存庫(kù)”,如不能得到及時(shí)妥善的處置,將會(huì)導(dǎo)致土壤、水體中的抗生素含量超標(biāo),給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)負(fù)面作用。同時(shí),殘留的抗生素被動(dòng)植物吸收后,還會(huì)通過(guò)食物鏈富集,嚴(yán)重威脅人體健康?？股亟到饩翘烊淮嬖诘摹敖到鈩?具有效率高、適應(yīng)面廣的優(yōu)點(diǎn)。將微生物與堆肥相結(jié)合,是實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物無(wú)害化處理的有效措施,頗具發(fā)展前景。為了更好地解決畜禽養(yǎng)殖廢棄物中抗生素殘留污染的問(wèn)題,未來(lái)研究可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行:(1)加強(qiáng)對(duì)環(huán)境條件下抗生素降解菌的篩選研究,馴化、篩選能夠同時(shí)降解多種抗生素的菌株,或?qū)σ押Y選到的單一抗生素降解菌進(jìn)行復(fù)配,以便更好地降解復(fù)雜環(huán)境中殘留的多種抗生素;(2)加強(qiáng)對(duì)微生物降解抗生素機(jī)理、途徑、產(chǎn)物毒性的研究,進(jìn)而促進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物中殘留抗生素的去除;(3)可將抗生素降解酶制成酶制劑,并應(yīng)用于堆肥中,進(jìn)而有效治理抗生素污染,防止抗性基因進(jìn)一步傳播。