畜禽粪便堆肥中抗生素和重金属残留及控制研究进展

严莲英，刘桂华，秦 松，胡 岗，范成五*

(1.贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省农业资源与环境研究所，贵州 贵阳 550006；3.贵州省土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；4.贵州省农业资源与环境工程技术研究中心，贵州 贵阳 550006)



畜禽粪便堆肥中抗生素和重金属残留及控制研究进展

严莲英1，刘桂华2,3,4，秦 松2,3,4，胡 岗1，范成五2,3,4*

(1.贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省农业资源与环境研究所，贵州 贵阳 550006；3.贵州省土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；4.贵州省农业资源与环境工程技术研究中心，贵州 贵阳 550006)

规模化养殖畜禽类粪便中会含有多种抗生素类药物残留和重金属元素，对其在农业中的利用产生了负面影响，针对这种状况，总结了我国抗生素和微量重金属元素在畜禽粪便中的来源、残留及其复合污染特征，概述了这两类物质在畜禽粪便堆肥处理过程中的无害化处理技术，并对此提出了一些展望和建议。

畜禽粪便；堆肥；抗生素；重金属；抗性基因

我国人口众多，加上近几年人们对畜禽产品需求的不断提高，促使我国养殖业逐渐从传统的散养模式向规模化、集约化发展[1]。铜、锌、砷等微量重金属元素及抗生素类饲料添加剂因为能促进动物生长、预防和治疗疾病及提高饲料利用率而成为必不可少的成分，然而，有的养殖者为谋求暴利，添加剂的用量普遍超标，威胁着我国畜禽产品的质量安全，并且，畜禽对这些添加剂吸收利用率很低，导致进入环境的粪便含有大量重金属和抗生素的原药或代谢物[2]。据统计，2010年末，我国排放的畜禽粪便总量约为22.35亿t[3]，如不妥善处理，重金属进入食物链后易在动物体内累积，造成中毒现象，严重时可致瘫痪、畸变和癌变等[4]；抗生素使环境中出现多重耐药致病菌[5]，严重威胁我们的生存环境和健康。废物资源化利用是最合理的处置方式，养分含量丰富的畜禽粪便施入土壤不但可以减少化肥的用量，还能改良土壤[6]，但是，畜禽粪便中经常检测出的抗生素和重金属及由其污染和复合污染产生的多重耐药抗性基因，成为畜禽粪便资源化利用的主要障碍因子。堆肥是实现畜禽粪便处理及资源化利用的有效途径[7]，不仅能有效钝化重金属[8]，还能有效降解抗生素[9]，大大减小其农用风险。因此，对畜禽粪便所含抗生素和重金属的来源、残留污染、复合污染及无害化研究并进行总结分析，对畜禽粪便处理和资源化利用具有重要意义，可为畜禽粪便堆肥处理提供理论基础和参考依据。

1　畜禽粪便中重金属和抗生素污染

1.1重金属污染

1.1.1来源铜、锌、砷等微量重金属元素既能提高饲料效率、防治疾病、促生长和增进繁殖，本身也是动物必需的养分，被普遍添加到饲料中[2]，如铜能促进动物进食，也能使其体内相关酶的活性提高[10]；砷能抑制和杀灭动物肠道寄生虫，提高动物免疫力[11]等。因此，适量的添加剂，能促进养殖业的发展，但有些养殖者为了谋求暴利，其添加量普遍超标。潘寻等[12]对山东猪用配合饲料进行检测，发现其中砷、铜、锌检出值分别为34.1、211.9、2883.1 mg/kg，超过国家标准17～35倍；朱建春等[13]对陕西育肥猪饲料进行检测，其铬、铜、锌、砷、铅、镉元素分别超出国家标准中的含量限值的5.44、134.27、10.98、60.08、7.67和110.86倍；杨柳等[14]通过检测发现四川猪饲料中铜、砷最大含量分别超过国家标准的29和4.7倍。通过以上调查发现，我国大部分饲料重金属含量都超标，畜禽对其利用率很低，排出体外的部分成为畜禽粪便中重金属残留的主要来源。

1.1.2残留近年来，我国的重金属污染越来越严重，许多学者认为畜禽粪便是环境中重金属污染的原因之一。鲍艳宇等[15]采用污泥无害化标准评价畜禽粪便中的重金属，发现所调查的仔猪粪和肉猪粪中的铜分别为599.9 mg/kg和589.1 mg/kg，仔猪粪中的锌含量为1966 mg/kg，母猪粪中的镉含量为107.4 mg/kg，严重超标；杨柳等[14]利用有机肥重金属含量标准对四川的猪粪进行评价，发现除铜含量较标准高外，其余重金属元素基本低于国标限值；王飞等[16]调查发现华北地区畜禽粪便有机肥中重金属砷、汞、镉、铬、铜、铅、锌、镍含量的平均值分别为3.21、0.33、0.21、45.42、69.22、87.40、274.58、16.50 mg/kg，对照中国有机肥行业标准(NY 525─2011)，铅的超标率高达80.56%，其他元素不超标，对照德国腐熟堆肥标准，汞、铬、铜、铅、锌、镍的超标率分别达11.11%、8.33%、13.89%、16.67%、19.44%、2.78%。畜禽粪便中重金属含量普遍超标，将会对环境造成巨大压力，但是许多学者调查粪便中重金属是否超标引用的标准不甚统一，所规定的允许排放量也参差不齐，因此在判定和分析排向环境的粪便中重金属是否超标有害具有一定的局限性。

1.2兽用抗生素污染

1.2.1来源抗生素是较常见的新型污染物PPCPs中的一种，它能抑制或干扰致病微生物的生活代谢，被广泛用于预防与治疗动物疾病和促进生长[17]，如四环类抗生素具有较强的抗炎、提高免疫作用且价格低廉[18]，磺胺类药物是用于动物各种细菌感染疾病防治的一种广谱抑菌剂，能抑制大多数革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌[19]。据统计，中国2013年使用抗生素达16.2万t，其中52%为兽用抗生素，且兽用抗生素占常见的36种抗生素的比例高达84.3%[20]，然而，有60%～90%的抗生素不能被畜禽吸收而以原形或代谢产物的形式随着粪便排出体外[21]，致使畜禽排泄物成为环境中抗生素污染的主要来源之一。

1.2.2残留

1.2.2.1抗生素残留没有参加代谢的大部分抗生素及其在动物体内诱导出的抗性基因(ARGs)会随着动物尿液和粪便直接排出体外[22]，会抑制有益微生物的活性，干扰生态系统的活动，对人类和动物的健康造成威胁。抗生素进入环境后经吸附-解吸、迁移和降解等过程后，残留于各种环境介质中的浓度不一：土壤含量单位为μg/kg，地表水含量单位为μg/L，沉积物含量单位为μg/kg～mg/kg之间[23]。Zhao等对我国规模化养殖场畜禽粪便调查发现，环丙沙星、恩诺沙星在牛粪中含量分别为29.59、46.70 mg/kg，在猪粪中含量分别为33.98、33.26 mg/kg[24]；Pan等指出猪粪中四环素类抗生素残留量竟达764.4 mg/kg[25]；陈永山等调查了浙江苕溪流域某规模化养猪场排放的废水，发现四环素、土霉素、金霉素和强力霉素等的残留最高单体污染浓度可达13.65 μg/L[26]。畜禽粪便中抗生素含量如此高，如不经过无害化处理，将会大量残留于环境中，张志强等通过调查发现27.3%施用畜禽肥的菜田土壤中TCs总量超过欧盟规定的生态安全触发线[27]；应光国等利用10年对我国主要河流进行调查，预测珠江流域抗生素排放密度最高，阿莫西林的环境浓度最高，达3384 ng/L，其次为氟洛芬，达2867 ng/L，诺氟沙星、青霉素等另外5种抗生素浓度也较高，均高于1000 ng/L。目前我国没有关于环境中抗生素浓度排放标准，但1000 ng/L以上已是非常高的水平[20]。

1.2.2.2抗性基因残留抗生素在动物肠道内可抑制本土微生物的生长，使微生物具有选择压力，向耐药方向选择演变，更严重的可诱导致病微生物产生抗性基因，促进抗性基因转移[28]，尤其是产生具有抗药性的超级致病菌[5]。动物体内诱导出的抗性菌株随粪便排出后，通过基因水平转移污染土壤和地下水环境[29]，张俊等发现干土中四环素抗性基因含量达4.63×105～37.42×105copies/g[30]，Ling等[31]在中国南方北江中发现了2种磺胺类抗性基因和7种四环素类抗性基因。进入土壤的抗生素还会使其中的微生物选择变成新一代的抗性菌群[24]。除了畜禽粪便直接进入环境造成抗生素和抗性基因污染外，将含有抗生素和抗性基因的有机肥施入土壤是另一个重要污染来源。彭双等通过研究表明：农田土壤连续施用含有四环素抗性基因(TRGs)的粪肥会使土壤中tetG、tetL、tetB(P)、tetO的含量明显增加[32]。抗性基因既可以垂直转移，又可以水平转移，一些不具有致病性的耐药细菌还能通过横向传播把耐药基因传递给致病菌，使环境中抗性基因污染日益严重，对环境和人类的健康危害程度更大[33]。尽管抗生素和抗性基因对土壤微生物都有影响，但詹杰等认为环境中抗生素对动物和植物的直接毒害作用也许远远比不上其残留产生的抗性基因污染[34]，具体的污染机制还有待进一步研究。

1.3抗生素和重金属的复合污染

所谓“复合污染”，主要指2种以上的污染物同时存在及叠加的环境污染机制及综合生态毒理效应[35]。许多常用的抗生素(如四环素和对苯二酚)都具有羧基、羰基或对二氮己环，这些基团能够成为金属的电子供体，然后通过络合作用与多种金属结合，所络合形成的污染物毒性比原污染物更大[36]，如农田土壤长期施用畜禽有机肥可能引起重金属和抗生素的复合污染、更为复杂和严重的生态风险[37]。环境中污染物的浓度不同，则产生复合生态效应的作用也不同。闫雷等指出当土霉素的浓度为1和200 mg/kg时，其与10 mg/kg镉的复合污染对土壤微生物呼吸及3种酶活性主要为拮抗作用，但当土霉素的浓度为50 mg/kg时，与10 mg/kg镉的复合污染对土壤微生物呼吸及3种酶活性则主要为协同作用。土霉素与镉胁迫复合污染对微生物呼吸产生强烈的抑制作用，最高抑制率和激活率分别可达98.9%和300.8%[38]。对于抗生素和重金属的复合污染研究目前较少且不是很成熟，需要进一步深入研究。

2　堆肥对粪便重金属和抗生素的无害化研究

2.1重金属的无害化研究

2.1.1对重金属形态及有效性的影响重金属的化学形态与生物有效性密切相关。许多研究指出堆肥能有效钝化畜禽粪便中的重金属，如何增明等[8]研究发现，经过堆肥处理后，残渣态Zn和As含量升高，可交换态Zn和As含量降低，表明Zn和As向有效性低的形态转化，碳酸盐结合态、铁锰结合态及有机结合态Cu含量增加，可交换态与残渣态Cu含量下降，总体有效性降低。堆肥之所以能降低重金属的有效性，这是因为畜禽粪便中含有大量溶解态有机质可充当重金属的“载体”或“配位体”，使其移动性和有效性升高，而堆肥过程可降解溶解态有机质，从而减小其对重金属的络合作用，此外堆肥可以生成可螯合某些重金属的胡敏酸等大分子，降低其移动性和有效性[39]。

2.1.2对重金属钝化效果目前，我国以畜禽粪便为原料的有机肥中仍存在重金属超标情况，所以，许多学者试着向畜禽粪便堆肥过程中添加不同的重金属钝化剂，以减小其生物有效性和环境风险，物理钝化剂：如生物炭[40]、膨润土[8]、沸石[41]等，这是由于其具有较大的静电力、离子交换性能及较大的空腔表面，可以吸附重金属而使重金属的生物有效性降低。进行物理吸附，虽然操作简单，但堆肥产品与吸附剂较难分离，对重金属钝化效率不高。化学钝化剂主要是通过络合、沉淀和离子交换作用，使重金属有效性降低，例如添加含有较高碱性物质的钙镁磷肥和粉煤灰[42]、磷矿粉[43]、石灰[44]等，可以提高堆体pH，通过沉淀作用降低重金属有效性。此外，腐殖酸[41]可以通过螯合作用使重金属有效性降低。添加化学钝化剂对重金属钝化效果好，但易对环境造成二次污染。同时，Lu等指出混合钝化剂比单一钝化剂钝化效果好，如秸秆+海泡石+粉煤灰(2.5%)+磷矿(5.0%)对Cu具有很好的钝化作用[45]。生物钝化剂的部分微生物菌剂可以富集重金属离子，还可以通过强烈的微生物代谢形成大量的腐殖酸类物质，将重金属离子转化为不易被植物吸收的形态或积累在微生物体内，从而使其浓度降低或毒性减小[40]。目前，对生物钝化剂的研究尚且不足，仍需进一步深入研究。近几年也有研究者开发了绿色的畜禽粪便重金属钝化剂，如李治宇等将木醋液添加比例为0.50%对Cu和Zn的钝化效果均达到最大值，分别为13.5%和30.2%[46]，Li等添加木醋对Cu和Zn的最大钝化值只为18.78%和8.25%，新型钝化剂虽然对环境无明显污染，但钝化效果不是很显著[47]。

2.2抗生素的无害化研究

堆肥化处理可有效消减畜禽粪便中的四环素类抗生素，并且对抗性基因的扩散和传播具有一定的控制效果[2,29]，潘寻等向堆体中添加量均为100 mg/kg的4种抗生素，经过28 d的高温堆肥，磺胺二甲嘧啶、土霉素、金霉素和泰妙霉素的去除率分别为98.1%、92.8%、93.36%和91.25%[48]；Hu等向以鸡粪、猪粪和水稻秸秆为原料的混合物干物质添加四环素、金霉素和土霉素等四环素类抗生素60 mg/kg，经过45 d堆肥，四环素对堆肥过程无明显影响，四环素的去除率达93%以上[49]。这是因为堆肥产生的高温可以去除不能承受高温的抗性菌株和抗性质粒等，并且考虑加入能直接灭杀肠道微生物的化学抑制剂(如石灰氮、胺类、吲哚等)，实现降低畜禽粪便ARGs丰度的效果[50-51]，从而有效防止抗性基因的扩散，降低新型污染物的污染水平。同时，又有研究指出堆肥虽然可以有效去除抗生素，但不能控制抗性基因的扩散[52]。所以，加强对抗性基因的研究迫在眉睫。

2.3复合污染的无害化研究

环境中重金属离子和抗生素的共存将产生极其复杂的生态危害和环境行为，并影响对应的污染防治技术的开发和应用[53]，在一定条件下易形成抗生素-金属离子络合物，重金属的存在对抗生素的去除有利有弊，其主要影响因素包括：抗生素的官能团数量与组成、环境的pH和金属离子的电负性[54]。如土霉素在中、高浓度锌胁迫条件下，半衰期明显延长，降解速率显著降低[55]。刘崇敏等利用两性表面活性剂改性蒙脱石对Cd2+和和双酚A(BPA)复合污染吸附，具有良好的效果，这是因为两性表面活性剂由于其亲水基同时具有亲水基团和疏水基团，对Cd2+的吸附主要是通过配位吸附和静电吸附作用，而对BPA的吸附主要是疏水作用，利用其对黏土进行改性，可以得到具有同时吸附重金属和有机物能力的两性的黏土，可用于复合污染物的去除[56]，因此可以考虑在堆肥过程中将其添加到堆体中，以减少其复合污染。由于复合污染机理极其复杂，目前对于堆肥中重金属和抗生素复合污染的研究还较少，亟待进一步的深入研究。

3　展望与建议

目前，重金属和抗生素对环境的污染严重威胁人类的安全和健康，而蓬勃发展的养殖业带来的巨大经济效益致使抗生素和重金属很难被禁用，应采取综合措施减少其对环境和人类的危害。

(1)规范化饲料生产加工，加强监管力度，避免过量添加重金属和抗生素添加剂。开发绿色饲料添加剂，代替重金属和抗生素添加剂。例如微生态制剂不仅能减少排泄物中的臭气，还能使畜禽肠道菌群保持平衡，提高养分利用率。

(2)在不影响堆肥过程的情况下，研发新型灭菌剂和化学消毒剂。如胺类、吲哚等对残留的肠道微生物进行清除，可有效去除ARGs，也可加入重金属的钝化剂，如生物炭、膨润土、海泡石等在一定程度上可以钝化堆肥过程中的重金属。

(3)抗生素种类繁多，加强研究其组成和产生抗性基因的机理，加快研发有效控制抗生素和重金属复合污染的关键技术。

(4)建立畜禽养殖排泄物中抗生素的检测方法与标准，建立新型污染物的长效监测及健康评估机制。

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(责任编辑：曾小军)

Research Progress in Residue and Control of Antibiotics and Heavy Metals in Animal Manure

YAN Lian-ying1, LIU Gui-hua2,3,4, QIN Song2,3,4, HU Gang1, FAN Cheng-wu2,3,4*

(1. College of Agronomy, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Guizhou Institute of Agricultural Resources and Environment, Guiyang 550006, China; 3. Guizhou Institute of Soil and Fertilizer, Guiyang 550006, China; 4. Guizhou Provincial Engineering and Technology Research Center for Agricultural Resources and Environment, Guiyang 550006, China)

The animal manure from large-scale livestock and poultry raising generally contains many kinds of residual veterinary antibiotics and trace heavy metals, which has led to several negative influences on the utilization of animal manure in agricultural production. In view of this situation, this paper summarizes the origin and residue of antibiotics and trace heavy metal elements in animal manure, as well as their compound pollution characteristics in China, sums up the harmless treatment technology of these two kinds of materials in the composting process of livestock and poultry manure, and puts forward prospects and suggestions.

Animal manure; Compost; Antibiotic; Heavy metal; Resistant gene

2016-03-29

贵州省科技厅农业攻关项目“贵州畜禽粪便高效处理技术研究与示范”(黔科合NY字[2010]3073号)；贵州省科研机构

严莲英(1990─)，女，贵州黎平人，硕士研究生，研究方向：土壤肥料与作物生长。*通讯作者：范成五。

X53

A

1001-8581(2016)09-0090-05

服务企业行动计划项目“贵州农产品产地重金属检测与控制技术研发平台建设”(黔科合服企[2015]4007)；贵州省农科院科技成果培育与人才培养项目“重金属(Cd、As等)污染农田土壤固化修复技术研究与集成示范”[黔农科院CR合字(2014)12号]。