禽畜废弃物中的抗生素及其在蔬菜等农作物中的富集

王 虹 蒋卫杰 余宏军 杨学勇

（中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

禽畜废弃物中的抗生素及其在蔬菜等农作物中的富集

王 虹 蒋卫杰*余宏军 杨学勇

（中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

有机肥作为重要的肥源在有机及可持续农业生产中占有重要地位。但是近些年来，抗生素在畜牧业中的大量使用导致了其在禽畜废弃物中的过量残留，这使得抗生素在“饲料—禽粪—土壤”这一环节中的积累逐渐加重，并通过植物的吸收等方式进入食物链，从而成为威胁人类健康的潜在因素。抗生素含量很可能成为“绿色壁垒”的重要指标，并成为限制我国蔬菜等农产品出口的因素之一。本文综述了禽畜废弃物中的主要抗生素及其降解方式和降解周期，阐述了抗生素对植物生长的影响及在蔬菜等农作物中的富集，并进一步探讨了今后的研究方向。

抗生素；有机肥料；蔬菜作物；综述

我国几千年的农业文明见证了有机肥料在农业中的特殊地位，其在维持土壤肥力、改良土壤结构、提供作物养分等方面起着重要的作用（罗安程和章永松，1999；徐阳春 等，2002；赵月平等，2006；周保 等，2007）。我国有机肥资源丰富，目前每年大约产出 40 亿 t有机废弃物，其中畜禽粪便排放量为26.1亿t，可见畜禽废弃物是我国主要的有机肥源（曹启民 等，2006）。值得注意的是，目前集约化禽畜养殖场的禽畜粪便已成为商品有机肥的重要来源，长期大量施用此种有机肥将对土壤、环境及农产品等产生严重的影响。早前的研究大多集中在禽畜废弃物中的重金属及病原菌对土壤、地下水及现存植物的危害上（Giusquiani et al.，1998）。近年来，一些抗生素被用作饲料添加剂及兽药广泛应用于畜牧业的生产。而大量研究表明，多数抗生素类药物不能被动物吸收，以原形或活性代谢产物的形式通过粪便排出体外（Kemper，2008），抗生素因此进入农业环境及食物链，成为危害人类身体健康的潜在威胁。这一问题虽已引起相关学者和公众的广泛关注，但是相关的研究多集中在抗生素的环境归属及其对地下水或地表水体系及鱼类养殖中的危害上（孙刚 等，2009）。有关抗生素在“饲料—禽粪—土壤—蔬菜”中的循环，目前国内未见相关的研究报道，国外已有研究表明：植物是可以直接吸收抗生素的（Migliore et al.，2003；Dollive et al.，2007）。因此，一些降解较慢的抗生素（磺胺类、四环素类等药物在自然界的降解需6～12个月）很有可能在蔬菜等作物中富集。

1 抗生素在禽畜废弃物中的残留

现阶段用于猪、牛等禽畜养殖及疾病控制的抗生素主要有四环素（tetracyclines），包括土霉素（oxytetracycline）及金霉素（chlortetracycline）等，泰乐菌素（tylosin）、磺胺甲嘧啶（sulfamethazine）、氨丙啉（amprolium）、莫能菌素（monensin）、维吉尼霉素（virginiamycin）、青霉素（penicillin）等（de Liguoro et al.，2003；Kumar et al.，2004，2005）。这些抗生素在肥料中的残留最高可达216 mg·L-1。Kumar等（2005）在4个养猪场取得的猪粪中检测到氯四环素及泰乐菌素的浓度分别高达7.73、4.03 mg·L-1，也就是说每公顷施入的5 万L肥料中可含387 g氯四环素和202 g泰乐菌素。同样，在对我国山东、浙江、江苏等多个省份规模化养殖场猪粪检测中发现，风干猪粪中土霉素和金霉素浓度平均分别为9.09、3.57 mg·kg-1（张树清 等，2005）。Boehm（1996）及Migliore等（1995）的研究表明，在堆肥过程中，有些抗生素在肥料中相对稳定，难降解，进而在农田中累积。将禽畜废弃物施于土壤0～40 cm的表层一段时间以后，在土壤中检测到了土霉素和金霉素的残留，其最大浓度分别高达32.3、26.4 mg·kg-1（Hamscher et al.，2002）。

2 抗生素在环境中的降解方式

抗生素在环境中的降解是由不同的途径共同完成的。这些途径主要有光解、水解等非生物降解及生物降解等。当抗生素对光敏感时，光氧化分解是降解抗生素的主要方式。如喹诺酮（quinolones）、四环素、硫胺类（sulphonamides）和泰乐菌素等抗生素为光不稳定型抗生素，可在光下发生降解（Turiel et al.，2005）。水解是抗生素在水环境和土壤中的另外一种非生物降解途径。各类抗生素中β-内酰胺类、大环内酯类和磺胺类易溶于水发生水解。生物降解是抗生素在土壤中降解的主要途径，土壤中的光合菌、乳酸菌、放线菌等微生物或者植物体可使抗生素发生降解，从而使抗生素的组成部分最终转化为没有生物毒性的无机或有机小分子。

3 抗生素在禽畜废弃物中的降解周期

禽畜排泄的抗生素多集中在其粪便中（Loke et al.，2002；Kolz et al.，2005a，2005b）。Boxall等（2003）报道了几种抗生素在肥料中的半衰期。其中，氨基糖苷类的半衰期为30 d，β-内酰胺类为5 d，大环内酯类的半衰期为2～21 d，磺胺类的半衰期为8～30 d，而喹诺酮类和四环素类抗生素的半衰期为100 d。由此可以看出虽然有一部分抗生素的半衰期较短，其在堆肥过程中即可发生降解，但是也有一些抗生素的半衰期较长，可在肥料中残留，从而被蔬菜等作物吸收。Kolz等（2005a，2005b）在 22 ℃条件下测定了肥料中抗生素的残留情况，研究发现，在厌氧条件下，90 %最初添加在肥料中的泰乐菌素（B和D）经过30～130 h可发生降解，而将其暴露于空气中时，经过12～26 h后，90 %的泰乐菌素即可发生降解。虽然泰乐菌素可以通过生物及非生物等方式发生降解，但也有相当一部分通过吸附等方式残留在肥料及土壤中。在堆置8个月的肥料中仍可检测到泰乐菌素及其降解产物的残留。很多学者的研究表明四环素类抗生素的半衰期较长，其在土壤及肥料中的残留量一般都高于大环内酯类、β-内酰胺类及磺胺类抗生素（Gavalchin ＆Katz，1994；Boxall et al.，2003）。此外，抗生素的降解还受土壤pH及温度的影响。如氯四环素于4、20、30 ℃的条件下在鸡粪与沙土的混合物中处理30 d后，其残余量分别为100 %、88 %、44 %（Gavalchin ＆ Katz，1994）。大环内酯和磺胺类在中性条件下降解慢，而β-内酰胺类在弱酸性至碱性条件下的降解速度都相当快（Volmer ＆ Hui，1998）。

4 抗生素对蔬菜等植物的生长影响及可能危害

迄今为止，抗生素对作物危害的研究非常有限（Migliore et al.，2003；Kong et al.，2007）。土壤中抗生素对植物的影响则根据抗生素种类、使用浓度及其在土壤中的吸附动力学及迁移率不同而有很大差异（Batchelder，1982；Jjemba，2002）。土霉素及氯四环素影响了菜豆的生长，导致了植株质量的降低，并影响植株对Ca、K及Mg的吸收；但是在同样条件下，相同浓度的土霉素及氯四环素处理则促进了萝卜和小麦的生长，玉米生长则不受这两种抗生素的影响（Batchelder，1982）。Migliore等（2003）在研究抗生素对黄瓜、莴苣、菜豆和萝卜生长影响的试验中发现，低浓度恩氟沙星（50～100 μg·L-1）促进了这 4种蔬菜的生长，高浓度则显著抑制了这 4种蔬菜主根、胚轴及子叶的长度，降低了叶片数量，其中对根的抑制效果最明显。用含有 400 mg·kg-1的四环素处理猩猩木的幼芽后，植株分生枝的生长受到抑制，从而使嫁接后的植株进行单轴生长。这可能是抗生素抑制了植株原生质及发枝相关酶的活性（Bradel et al.，2000）。一般在园林育苗及种植蔬菜的土壤中施用大量有机肥，而通过有机肥带入土壤的抗生素可能抑制幼苗发芽从而影响植物生长。现有的研究虽不能明确抗生素对植物生长危害的机制，但 Migliore等（1998）推测，抗生素对植物的毒性可能是植物体内该物质与叶酸相互竞争的结果，叶酸与嘌呤合成有关，而嘌呤是细胞分裂素和脱落酸的前体，因此植物吸收抗生素后降低了对叶酸的吸收，从而影响了其正常的生理功能。

5 抗生素在蔬菜等农作物中的富集特点

生长在含有抗生素的土壤及肥料中的植物可在其体内累积抗生素。Migliore等（2003）研究表明：黄瓜、莴苣、萝卜和菜豆对恩氟沙星的吸收具有明显的累积效应，初始恩氟沙星浓度越高则累积浓度越高，且远远高于培养基中的浓度。Dolliver等（2007）研究了在设施条件下，增施含有50、100 mg·L-1的磺胺甲嘧啶的猪粪后，玉米、莴苣及马铃薯对该抗生素的吸收情况，结果表明，在此土壤条件下生长45 d的3种作物中均检测到了磺胺甲嘧啶。

不同植物对不同种类抗生素的吸收和富集的差异很大。一些抗生素可被胡萝卜的根部、莴苣的叶片（Boxall et al.，2006）及玉米（Kumar et al.，2005；Grote et al.，2007）等作物吸收。玉米、洋葱和甘蓝只吸收氯四环素而不吸收泰乐菌素（Kumar et al.，2005）。这可能与不同植物吸收和转运抗生素能力不同有关。植物对不同抗生素吸收量也不同。Dolliver等（2007）研究发现，玉米、莴苣及马铃薯等作物中磺胺甲嘧啶的含量为 0.008～0.100 mg·kg-1（FW），显著高于 Kumar等（2005）报道的氯四环素的含量〔0.002～0.014 mg·kg-1（FW）〕及Boxll等（2006）报道的恩氟沙星、氟苯尼考及三甲氧苄二氨嘧啶的含量〔0.003～0.038 mg·kg-1（FW）〕。但是Migliore等（1996）的研究表明另外一种磺胺类抗生素——磺胺二甲氧哒嗪在大麦中的累积为11～19 mg·kg-1（DW），显著高于 Dolliver等（2007）报道的磺胺甲嘧啶的浓度〔0.1～1.2 mg·kg-1（DW）〕，这可能与Migliore等（1996）所使用的初始抗生素浓度较高有关。

有学者在研究抗生素在植物不同部位的累积中发现，磺胺甲嘧啶在不同植物组织中的含量0.1～1.2 mg·kg-1（FW）不等（Dolliver et al.，2007）。也有研究表明植物的根中更容易积累抗生素。Migliore等（1995，1996，1998）研究了在土培及培养基条件下300 mg·kg-1的磺胺间二甲氧嘧啶（sulphadhnethoxine）在豌豆、玉米及大麦等作物中的富集情况。研究发现，在处理10 d和20 d后，叶片及根部的抗生素浓度为1 000～2 000 mg·kg-1（DW）。王瑾等（2008）在长期施用规模养殖场猪粪及未施猪粪的土壤中种植韭菜后，在其根部检测出土霉素及金霉素，而对照植株中则未检测到抗生素的残留。此外，土壤中的抗生素更容易在直接接触土壤的块茎及块根的外皮中积累。如Boxall等（2006）和Dolliver等（2007）的研究表明，与果实的其他部位相比，萝卜及马铃薯的外皮中抗生素的含量最高，其浓度由外到内逐渐降低。

6 植物吸收土壤中的抗生素后对人类健康存在的潜在威胁

现阶段的研究还不能明确探明植物中残留的抗生素对人体的危害。但是人类食用含有大量抗生素的蔬菜及水果后有可能产生以下不良影响。

① 过敏或中毒反应：植物中残留的抗生素被人类特别是幼儿吸收后，可引起严重的过敏现象及中毒反应（Patterson et al.，1995）。此外，同时服用两种抗生素类物质还可在人体内产生交互作用，从而进一步危害人类的健康。现阶段的研究已经发现动物体内的一些大环内酯物可与莫能菌素抗生素相互作用从而导致牲畜死亡（Basaraba et al.，1999）。

② 对抗生素产生抗药性：人类摄取植物中的抗生素后可能导致病菌对抗生素产生抗药性，从而增加现有的抗生素治疗疾病的难度。这在许多动物的治疗中已经得到了验证。例如，与不含抗生素的牛奶喂养的奶牛相比，含抗生素的牛奶喂养的奶牛增加了内脏细菌对抗生素的抗药性，抗药性随牛奶中抗生素的浓度增加而增加（Selim ＆ Cullor，1997；Langford et al.，2003）。Shoemaker等（2001）的研究表明，小剂量的四环素即可作为催化剂引发不同细菌间水平基因转移。由此可见，含有抗生素的农产品有可能危害人类及动物的健康。

7 总结与展望

蔬菜等农产品是我国主要出口商品之一，蔬菜生产需要大量的有机肥，这使得抗生素在“饲料—禽粪—土壤”这一环节中的积累逐渐加重。在抗生素污染的土壤上生长的蔬菜等农产品会富集抗生素已经毋庸置疑，但现有的蔬菜质量安全指标主要集中在重金属和农药残留方面。近年来“绿色壁垒”全球化的快速发展在一定程度上限制了我国农产品的出口，将来抗生素很可能成为影响蔬菜品质和出口的一项重要指标；此外，从农产品质量安全角度及农产品污染角度而言，抗生素使用不当，也将产生严重的环境污染和农产品污染问题。因此，加强抗生素在禽畜饲养上使用管理，从源头控制抗生素的使用量；同时，开展禽畜粪肥无害化生产技术和合理使用技术的开发与示范，减少抗生素的残留，进一步完善有机肥料的质量安全管理，将更有利于我国出口合格的农产品，有利于我国农村经济发展和社会稳定。

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Antibiotics in Livestock Wastes and Its Enrichment in Vegetable Crops

WANG Hong，JIANG Wei-jie*，YU Hong-jun，YANG Xue-yong
（Institute of Vegetables and Flowers，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China）

Organic fertilizer is one of the most important fertilizer sources and plays an important role in sustainable agriculture production．However，recently a large number of antibiotics used in stockbreeding has led excessive residue in livestock wastes．So the antibiotics were accumulated in the circle of feed-manure-soil and came into the food chain through plants absorption．Therefore they became a potential factor threatening human health．The contents of antibiotics may become important index of‘green barrier’and one of the factors limiting the export of vegetable and other agriculture products produced in China．This paper expounds the major antibiotics in the livestock wastes and their degradation pattens and periods．It also expatiates the effects of antibiotics on plant growth and development，and the enrichment of antibiotics in vegetable crops．In addition，the paper further discusses about the research orientation in the future.

Antibiotics；Manure；Vegetable crops；Review

S63

A

1000-6346（2011）12-0010-06

2010-10-28；接受日期：2010-12-02

国家科技支撑计划（2011BAD12B01），大宗蔬菜产业技术体系（CARS-25-C-09），天津农业推广项目（0804120），中央级

公益性科研院所专项资金项目，农业部园艺作物遗传改良重点开放实验室项目

王虹，博士，专业方向：植物分子生物学，E-mail：wanghong3052@yahoo.com.cn

* 通讯作者（Corresponding author）：蒋卫杰，研究员，博士生导师，专业方向：温室作物生理及无土栽培，E-mail：jiang8797@sina.com