畜禽糞便中抗生素殘留情況及對(duì)環(huán)境的影響及其處理方法

       抗生素又稱抗菌素，是由放線菌、細(xì)菌、真菌等微生物生長(zhǎng)到一定階段產(chǎn)生的次級(jí)代謝物質(zhì)，或者直接采用化學(xué)合成或半合成法制得的相似或相同的物質(zhì)，其在一定濃度范圍內(nèi)具有殺死或抑制病原菌的作用 。畜禽養(yǎng)殖業(yè)的抗生素使用量約占全世界總產(chǎn)量的70％，而我國(guó)近幾年每年抗菌類藥物的使用量達(dá)到6000 t 。抗生素在腸道內(nèi)的吸收很少，只有少量抗生素會(huì)被機(jī)體吸收，在體內(nèi)經(jīng)過(guò)羥基化、裂解和葡萄糖苷酸化等過(guò)程生成無(wú)毒無(wú)害的物質(zhì)，約60％～90％會(huì)以原形隨糞尿排出體外，所以會(huì)產(chǎn)生大量含有抗生素的糞便。

        2011 年我國(guó)畜禽糞便產(chǎn)總量為21. 21 億ｔ，約等于同時(shí)期工業(yè)固體廢棄物總量的2 倍，秸稈總量3 倍多。其中絕大部分畜禽糞尿未經(jīng)過(guò)處理便直接施于農(nóng)田，甚至有些直接隨污水排入水體。畜禽糞便中殘存的抗生素被施入土壤后不僅使土壤中微生物的生態(tài)平衡，并且抗生素會(huì)通過(guò)富集在植物體中進(jìn)入食物鏈；畜禽糞便中的抗生素也會(huì)隨著滲透流失等途徑進(jìn)入水體，使水環(huán)境受到污染，并對(duì)其中的生物產(chǎn)生毒害作用；環(huán)境中殘留的抗生素將會(huì)誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性或?qū)е聫?qiáng)耐藥性細(xì)菌的產(chǎn)生，甚至誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性基因并在同類細(xì)菌中轉(zhuǎn)移，對(duì)人類健康產(chǎn)生進(jìn)一步危害。

       抗生素的使用大致分為3 個(gè)階段：1950—1960 年，抗生素種類較少且多以治療為目的，人畜共用；1960—1980 年抗生素的種類增加，開(kāi)始出現(xiàn)用于畜禽飼料添加劑的抗生素； 1980 年后， 除了知道抗生素作為添加劑能顯著提高生產(chǎn)性能外，人們開(kāi)始關(guān)注大量使用抗生素帶來(lái)的畜禽糞便抗生素殘留、細(xì)菌耐藥性、對(duì)環(huán)境影響以及危害人類健康等問(wèn)題 。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，1995 年全球生產(chǎn)的抗生素約70％用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)， 并且飼料添加劑中抗生素類占到了45. 8％。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003 年美國(guó)約9.20 × 10³ｔ 的抗生素， 其中包括三分之一的四環(huán)素用于畜牧業(yè)規(guī)模化養(yǎng)殖 。歐洲國(guó)家一年的抗生素用量為5.0 × 10³ ｔ，四環(huán)素類抗生素約占二分之一， 其主要用作獸藥進(jìn)行疾病的治療 。

       近二三十年，我國(guó)畜牧業(yè)得到巨大的發(fā)展，規(guī)?；潭鹊奶岣呤箍股赜米黠暳咸砑觿└映B(tài)化和頻繁化。2007 年的一項(xiàng)調(diào)查報(bào)告顯示：我國(guó)抗生素的年生產(chǎn)量為2.1 ×10⁵ｔ， 其中46.1％被用于畜牧業(yè)，這相當(dāng)于美國(guó)1999 年獸用抗生素的4 倍。美國(guó)、日本等國(guó)已經(jīng)限制抗生素作為飼料添加劑的種類和用量， 歐盟已經(jīng)全面禁止， 而我國(guó)在畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中將抗生素用于飼料還相當(dāng)?shù)钠毡?。與此同時(shí)， 我國(guó)抗生素的使用也存在很多問(wèn)題：盲目、濫用抗生素問(wèn)題突出；長(zhǎng)時(shí)間使用、過(guò)量用藥現(xiàn)象普遍存在；一些禁用抗生素的使用屢禁不止；人用抗生素用作獸用；一些原料藥不經(jīng)加工直接使用；藥物配伍不當(dāng)現(xiàn)象明顯；不按規(guī)定休藥期使用等。

       畜禽排泄物中普遍含有四環(huán)素類、泰樂(lè)菌素、磺胺二甲嘧啶、青霉素等， 這些抗生素的殘留量一般在μg /kg 級(jí)，以四環(huán)素類藥物金霉素的殘留為最高，遠(yuǎn)高于磺胺二甲嘧啶和泰樂(lè)菌素，表 1 中列出了常見(jiàn)畜禽糞便中檢測(cè)到的抗生素種類及含量。張慧敏等通過(guò)對(duì)浙江北部集約化養(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便殘留量的調(diào)查顯示：四環(huán)素類抗生素檢出率較高，且四環(huán)素、土霉素和金霉素的平均殘留量為3.36、6.48 和3.79 ｍｇ／kg（干重）。其中畜禽糞便中殘留抗生素濃度為豬糞最高， 其次為雞糞， 牛糞最低。張樹(shù)清等通過(guò)對(duì)我國(guó)7 個(gè)地區(qū)規(guī)?；B(yǎng)殖廠中豬糞和雞糞采樣， 系統(tǒng)分析了其中殘留的抗生素。結(jié)果顯示，四環(huán)素在雞糞中的檢測(cè)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于豬糞。通常同一種抗生素在豬糞中檢測(cè)量高于家禽排泄物和牛糞，上述差異的出現(xiàn)可能與養(yǎng)殖品種的不同及飼料中使用抗生素情況差異有關(guān)。

       美國(guó)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)中動(dòng)物糞池中的土霉素、金霉素的檢測(cè)濃度分別為2.37 和3.94 ｍｇ／L，而中國(guó)規(guī)?；B(yǎng)殖廠中畜禽糞便中土霉素和金霉素的殘留量平均值分別為20.94 和15.26 ｍｇ／kg（干重），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國(guó)， 這可能由中國(guó)畜牧業(yè)為了提高生產(chǎn)性能普遍將抗生素用作飼料添加劑所致。Zhao 等研究中， 通過(guò)對(duì)北京、上海、重慶的規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)， 豬糞中四環(huán)素類抗生素的殘留量最高并且其含量與豬的生長(zhǎng)階段有關(guān)，平均含量為：仔豬＞種豬＞育肥豬。因此，畜禽糞便中抗生素的殘留多少除了跟抗生素種類、物種的不同以及是否作為飼料添加劑有關(guān)而且還可能和動(dòng)物的發(fā)育階段相關(guān)。

       畜禽糞便中殘留的抗生素進(jìn)入環(huán)境的最主要途徑是隨糞便施入土壤，這些未經(jīng)處理過(guò)的畜禽糞便其抗生素也會(huì)被土壤顆粒吸附，并且能夠長(zhǎng)期積累。當(dāng)土壤中的抗生素積累到一定量時(shí)，它會(huì)顯著影響土壤中的細(xì)菌、真菌和放線菌等生物，不僅影響微生物種類群落結(jié)構(gòu)，還會(huì)誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生耐藥性，抑制或增強(qiáng)微生物的代謝途徑等。有研究表明，當(dāng)每千克土樣中四環(huán)素含量超過(guò)１mg 時(shí)可以顯著抑制土壤中脫氫酶和磷酸酶的活力，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中泰樂(lè)菌素對(duì)土壤中的微生物群落功能和結(jié)構(gòu)有明顯的影響 ?？股乜梢砸种苹蛘咧苯託⑺牢⑸?，它的存在使得土壤中的微生態(tài)結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而影響有機(jī)質(zhì)的腐爛和分解使土壤肥力下降 。Ｄijck 等研究表明，畜禽糞便中的抗生素可以抑制土壤中多種微生物的生長(zhǎng)包括細(xì)菌、真菌、放線菌等，而這些微生物的減少會(huì)阻礙土壤中的硝化和礦化作用，從而阻礙了土壤正常的養(yǎng)分循環(huán)。

       另一方面，土壤中的抗生素可以被部分植物吸收并在植物體內(nèi)積累，并且不同植物和植物的不同部位對(duì)抗生素的積累能力和速度有很大差異。Ｍｉｇｌｉｏｒｅ 等研究表明，菜豆、蘿卜和香瓜有很強(qiáng)的富集恩諾沙星的能力，培養(yǎng)一段時(shí)間后植物體內(nèi)的濃度遠(yuǎn)高于基質(zhì)中的濃度，并隨著基質(zhì)初始濃度的增加而呈上升趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)室條件下，多種植物對(duì)磺胺甲嘧啶有富集作用，基質(zhì)含磺胺甲嘧啶（13～2000 mg／kg） 的試驗(yàn)表明，植物根部的積蓄能力顯著高于莖部。

       抗生素因其生物降解性及揮發(fā)性差故容易富集在水體底泥中，如果長(zhǎng)期在水體中殘留，不僅對(duì)水體中的微生物群落結(jié)構(gòu)和種群造成損害還會(huì)對(duì)水生生物產(chǎn)生影響，甚至破壞水體中的生態(tài)系統(tǒng)。目前，對(duì)低劑量抗生素長(zhǎng)期暴露下對(duì)水生生物毒性的研究還比較少，現(xiàn)在最主要的方式是以短期急性毒性試驗(yàn)為主。俞道進(jìn)等研究發(fā)現(xiàn)， 模型池塘中殘留100 mg／L 土霉素即對(duì)該系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的毒害。并且水體中抗生素殘留對(duì)微生物的影響隨微生物種類的不同而有差異，一般物種越高級(jí)所受影響越小。Hulling-Scrcnsen 在集約化養(yǎng)殖場(chǎng)用抗生素添加劑對(duì)藻類的毒性影響試驗(yàn)中表明，抗生素對(duì)銅綠微囊藻的影響顯著高于綠藻，后者約是前者的百分之一。

       環(huán)境中的抗生素如果不加以控制，會(huì)在不同的介質(zhì)中慢慢積累，最終危害人類的身體健康。飼料添加劑中的抗生素可被動(dòng)物腸道少量吸收并且隨著血液運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)器官，它不僅能存在于動(dòng)物各組織中，也可以存在其副產(chǎn)品中如肉、蛋、乳等。現(xiàn)有的水體凈化工藝缺乏對(duì)抗生素的去除措施，且缺少相應(yīng)的檢測(cè)裝置，抗生素仍能通過(guò)日常生活用水進(jìn)入人體，雖然只是痕量，但是長(zhǎng)期飲用會(huì)對(duì)人類的健康產(chǎn)生威脅。

       土壤中殘留的的抗生素會(huì)富集在蔬菜水果中，如果食用后將會(huì)對(duì)人類健康產(chǎn)生損害。一些動(dòng)物性食品殘留的抗生素也會(huì)通過(guò)飲食進(jìn)入人體，導(dǎo)致部分人群發(fā)生致敏反應(yīng)，產(chǎn)生抗體；甚至可以干擾人類的免疫系統(tǒng)內(nèi)分泌系統(tǒng)，嚴(yán)重的話可致突變、致癌、致畸等。

       畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中使用的抗生素，絕大部分未被動(dòng)物腸道吸收，而是隨著動(dòng)物尿液和糞便直接排出體外，在這期間動(dòng)物腸道長(zhǎng)期處于一個(gè)高抗生素的環(huán)境，極易誘導(dǎo)出耐藥菌株從而產(chǎn)生抗生素抗性基因（ARGs）。同時(shí)這些含有抗生素的糞便進(jìn)入到不同介質(zhì)后會(huì)再次誘導(dǎo)出抗生素抗性基因，使得ARGs 豐度上升造成了嚴(yán)重環(huán)境污染。盡管目前對(duì)ARGs 的遷移、轉(zhuǎn)化和消亡規(guī)律還缺乏明確的認(rèn)識(shí)， 但ARGs 的檢出率及相對(duì)豐度是判斷ARGs 污染程度的重要指標(biāo)。Ｊｉ 等在中國(guó)東南地區(qū)規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)及周邊取樣檢測(cè)到抗性基因的存在， 并且發(fā)現(xiàn)ARGs 污染與該樣本中抗生素濃度有微弱的正相關(guān)關(guān)系；Cheng 等通過(guò)在我國(guó)東部畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中取樣，檢測(cè)出了四環(huán)素類抗性基因和磺胺類抗性基因；Ｗｕ 等通過(guò)分析北京、天津及浙江嘉興三地的規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)周邊的土壤， 發(fā)現(xiàn)了15 種四環(huán)素類抗性基因的存在；在我國(guó)珠海地區(qū)的養(yǎng)殖場(chǎng)，鄒世春等在周邊取樣均檢測(cè)到多種四環(huán)素類抗性基因。以上研究表明，畜禽糞便中ARGs 污染問(wèn)題已逐漸嚴(yán)重， 并且ARGs 的轉(zhuǎn)移、消亡規(guī)律還尚不明確，早日采取措施是必要且必須的。

       用堆肥的方法處理畜禽糞便，不僅可以進(jìn)行無(wú)害化處理并且可以提高養(yǎng)分利用率，同時(shí)由于微生物和高溫的作用可以加快畜禽糞便中殘留抗生素的降解。是一種簡(jiǎn)單有效、成本低廉的畜禽廢物處理手段，且國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了動(dòng)物糞便堆肥處理抗生素的探究。張樹(shù)清等通過(guò)人為添加四環(huán)素、土霉素和金霉素到豬糞麥秸堆肥中，發(fā)現(xiàn)其去除率分別為：85.97％，84.46％，75.60％。而在雞糞麥秸堆肥中去除率分別為：66.56％，82.44％和72.95％，說(shuō)明不同類型的堆肥對(duì)抗生素的分解能力具有差異性。潘尋等通過(guò)檢測(cè)堆肥不同階段及通風(fēng)方式對(duì)抗生素的去除情況發(fā)現(xiàn)，堆肥的高溫階段是抗生素去除的主要階段，且溫度越高去除效果越好，而翻堆加機(jī)械通風(fēng)的方式可以快速提高堆肥的溫度并延長(zhǎng)高溫持續(xù)時(shí)間。Selvam 等研究發(fā)現(xiàn)攜帶抗性基因的大腸桿菌的死亡主要在堆肥高溫階段，并且在堆肥腐熟后抗性基因絕對(duì)豐度變低。堆肥不僅能在較短的時(shí)間內(nèi)殺滅畜禽糞便中有害物質(zhì)，且能降解其中的抗生素和抗性基因，腐熟后還可以作為有機(jī)肥施入土壤增加肥力，并且成本低廉，因此是很有前景的發(fā)展方向。

       另外，畜禽糞便中含有大量的有機(jī)質(zhì)，如果利用得當(dāng)不僅解決了畜禽糞便抗生素殘留的難題，而且能夠使得這些物質(zhì)能源化利用。沼氣發(fā)酵處理畜禽糞便利用產(chǎn)生的沼氣既可以點(diǎn)燈做飯解決日常生活中的能源問(wèn)，也可以利用畜禽糞便進(jìn)行燃燒發(fā)電。但是，沼氣發(fā)酵并沒(méi)有從根本上去除抗生素，其沼液和沼渣仍含有較高濃度的抗生素，利用之前還需去除殘留抗生素以減少后續(xù)污染。目前其處理手段主要有物化處理方式和生物處理方式。物化處理方式包括混凝沉淀、吸附、氣浮、反滲透、微電解和高級(jí)氧化處理方法，其中大部分抗生素的去除率都在80％以下，但也有少數(shù)工藝去除率較高。生物處理方法主要以厭氧一好氧組合工藝居有SBR 法、UASB 法和生物膜法等，大部分處理手段效果都較為理想，高于物理處理方式，因此也是具有潛力的發(fā)展方向。但是沼氣發(fā)酵由于成本高，產(chǎn)氣效率低一直以來(lái)使得它難以大量推廣。

       畜禽糞便中含有大量未分解吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如粗蛋白、維生素、脂肪及微量元素），如果對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)加工即可轉(zhuǎn)化成粗制飼料繼續(xù)飼喂較低等的動(dòng)物。糞便飼料化作為一種理想的可循環(huán)的畜禽糞便資源高效利用技術(shù)，其安全性同樣引人矚目，抗生素殘留的污染必須考慮其中。同樣糞便飼料化過(guò)程當(dāng)中抗生素的去除又是一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題，如果能通過(guò)分離、篩選及基因工程改造獲得安全有效抗生素降解菌株或者酶產(chǎn)品，畜禽糞便中抗生素問(wèn)題也會(huì)迎刃而解。

       我國(guó)對(duì)畜禽糞便中抗生素殘留造成的環(huán)境污染問(wèn)題關(guān)注和監(jiān)控工作起步較晚，目前還沒(méi)有引起足夠的認(rèn)識(shí)，但我國(guó)抗生素使用和殘留情況已經(jīng)不容樂(lè)觀。我們要研究解決的問(wèn)題很多，如抗生素降解規(guī)律、抗性基因的遷移和消亡規(guī)律、抗生素的毒害機(jī)制及其對(duì)人類生存環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響等。養(yǎng)殖業(yè)廢棄物無(wú)害化處理是畜禽養(yǎng)殖業(yè)繼續(xù)快速發(fā)展面臨的重大問(wèn)題，如何安全有效地去除畜禽糞便中抗生素殘留是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。就筆者查閱資料及相關(guān)研究認(rèn)為畜禽糞便中抗生素殘留的問(wèn)題應(yīng)重點(diǎn)放在以下幾個(gè)方面：

       （1）抗生素替代品的研發(fā)。只有從源頭上解決了抗生素使用問(wèn)題，隨之而來(lái)的環(huán)境問(wèn)題將會(huì)迎刃而解；（2）堆肥技術(shù)處理畜禽糞便中抗生素殘留。重點(diǎn)放在堆肥條件的優(yōu)化，明確抗生素降解的機(jī)理，功能性微生物的篩選或基因工程改造：（3）開(kāi)展不同環(huán)境中抗生素殘留的調(diào)查，杜絕畜禽養(yǎng)殖業(yè)濫用抗生素現(xiàn)象，改善我國(guó)抗生素使用現(xiàn)狀。