畜禽粪便中常见抗生素去除的研究进展

吴爽爽，解诗雨，李佳佳，刘香檬，莫秋霞，田佳，芦帅，吴楠. 通信作者

畜禽粪便中常见抗生素去除的研究进展

吴爽爽1，解诗雨1，李佳佳2，刘香檬1，莫秋霞1，田佳1，芦帅1，吴楠1. 通信作者

（1. 天津农学院 工程技术学院，天津 300384；2. 农业部环境保护科研监测所，天津 300191）

随着我国规模化、集约化畜禽养殖业的快速发展，大量兽用抗生素被广泛用于畜禽养殖业。由于抗生素在动物体中不能完全被吸收，导致畜禽粪便中抗生素高浓度残留，对生态环境和人类健康构成很大威胁。本文综述了畜禽粪便中常见的四大类抗生素（四环素类、氟喹诺酮类、磺胺类和大环内酯类抗生素）的分布特征及去除方法，比较了不同去除方法对抗生素的降解效果，旨在为畜禽养殖粪便抗生素残留的控制提供参考。

畜禽粪便；抗生素；堆肥；厌氧消化

近年来，兽用抗生素作为抗菌剂和促生长制剂，在畜禽养殖业中被广泛应用，且使用量逐年增加。我国每年大约有6 000 t抗生素被用于畜禽养殖的饲料添加剂中[1]。大量研究证明，畜禽粪便中含量较高的抗生素包括四环素类、磺胺类、喹诺酮类和大环内酯类等，其中四环素类抗生素成本低，副作用相对较小，含量普遍较高[2]。据估计，30%～90%的抗生素以母体化合物或主要代谢产物形式随畜禽粪便或尿液排出体外[3]。这些排放到环境中的抗生素会对生态环境以及人类健康产生严重危害。本文就畜禽粪便中几种常见抗生素的消除工艺进行综述，比较不同方法的去除效果，为畜禽粪便无害化和资源化处理提供参考。

1 畜禽粪便中残留抗生素的影响

畜禽粪便中高浓度残留的抗生素可通过多种途径进入土壤和水环境（图1），从而对生态环境造成污染。残留抗生素可通过动物粪尿施肥或城市污水等途径进入土壤，并在土壤中积累，影响土壤肥力、农作物叶绿素的合成、酶的分泌以及根系的生长[4]。抗生素残留还会影响土壤微生物群落结构及活性，诱导抗生素抗性微生物和抗性基因的产生和传播。土壤对不同种类抗生素的吸附降解能力不同，一般为四环素类＞氟喹诺酮类＞大环内酯类＞磺胺类[4]。施用于农田的粪肥经过土壤吸收后，一部分抗生素会随着土壤水分通过渗透或径流进入地下水导致水体污染。另外，畜禽粪便中的残留抗生素会随着畜禽养殖场排出的废水或随雨水流出，进而污染地表水。

图1 畜禽粪便中抗生素进入环境的主要途径

2 畜禽粪便中常见残留抗生素的去除方法

2.1 四环素类抗生素（Tetracyclines）

四环素类抗生素（四环素母核）是由放线菌产生的一类广谱抗生素，主要包括金霉素（Chlotetracycline, CTC）、土霉素（Oxytetracycline, OTC）、四环素（Tetracycline, TC）、多西环素（Doxycycline, DXC）等。金霉素又称氯四环素，其抗菌谱与四环素相似，作为促生长剂用于猪饲料。土霉素又称氧四环素或地霉素，对敏感菌包括肺炎球菌、链球菌等有抑制作用，对猪肺炎支原体、衣原体、螺旋体等也有一定的抑制作用。四环素又称四环素水合物，是四环素族抗生素最基本的化合物，该类抗生素广泛应用于革兰氏阳性和阴性细菌、细胞内支原体、衣原体和立克次氏体引起的感染。

通过堆肥处理畜禽粪便以降低抗生素含量是一种经济实用的方法。不同堆肥处理方式对抗生素去除效果不同。研究表明，高温堆肥对畜禽粪便中抗生素去除效果较好[5]。Arikan等[6]比较了高温和低温堆肥条件下牛粪中金霉素的去除效率，结果表明两种温度条件下金霉素的去除率分别为98%～99%和40%～49%。张树清等[7]利用高温堆肥的方法，研究了不同原料组配对畜禽粪便中四环素类抗生素去除的影响，结果表明，猪粪＋麦秸的处理方式对四环素、土霉素和金霉素的去除效果最好。马骏[8]采用添加四环素的猪粪与小麦秸秆混合堆肥，研究四环素在堆肥过程中的降解。试验表明，四环素含量在堆肥前3天迅速下降，在堆肥第8天，四环素的降解率达到91.9%，堆肥35 d后四环素的残留率在2.1%左右。Chai等[9]研究四环素类抗生素在猪粪＋稻秆的高温堆肥中的降解，结果表明，42 d后四环素可完全降解。表1对比了高温堆肥对猪粪中常见抗生素的去除效率。

表1 高温堆肥对猪粪中抗生素的去除效率

童子林等[12]通过间歇试验研究中温（35 ℃）厌氧消化条件下猪粪中外源添加四环素（TC）和金霉素（CTC）的降解效果。结果表明，经过45 d厌氧消化处理后，四环素和金霉素的降解率分别达到88.6%～91.6%和 97.7%～98.2%。沈颖等[13]通过正交批量试验研究猪粪中四环素类抗生素的生物降解规律，结果表明，在温度55.0 ℃，初始含水率60.0%和处理时间14 d的条件下，猪粪中土霉素降解率最大，土霉素、四环素和金霉素类抗生素的去除率分别为89.19%～89.73%、72.39%～76.11%和48.05%～57.17%。

2.2 氟喹诺酮类抗生素（Fluoroquinolones）

氟喹诺酮类抗生素是新合成的一系列含氟的新喹诺酮类药，是一类人畜通用的药物，因其具有抗菌谱广、抗菌活性强、与其他抗菌药物无交叉耐药性和毒副作用小，尤其对革兰氏阴性菌的抗菌活性高等特点，作为兽用饲料添加剂被广泛应用于畜牧、水产等养殖业中的疾病防治。目前临床常用药物有环丙沙星（CIP）、氟罗沙星（FLE）、恩诺沙星（ENR）、依诺沙星（ENO）等，其中诺氟沙星（NOR）、氧氟沙星（OFL）、洛美沙星（LOM）和培氟沙星（PFX）自2015年起就被农业部明确禁止使用于食品动物中[14]。

Zhao等[15]对国内采集的畜禽粪便样品进行分析，检测到环丙沙星和恩诺沙星抗生素在猪粪中的含量分别高达33.98 mg/kg和33.26 mg/kg，在牛粪中的含量高达29.59 mg/kg和46.70 mg/kg。孟磊等[16]比较了普通高温堆肥和接种耐高温菌种的堆肥方法对鸡粪中氟喹诺酮类抗生素的降解效果，结果表明，外源添加菌种的堆肥方法要比普通堆肥对氟喹诺酮类抗生素的去除效果更好，抗生素去除率分别为60.3%～70.4%和48.4%～77.1%。Cheng等[3]发现外源添加抗生素的猪粪经过42 d的堆肥后，环丙沙星的去除率可超过85%。

2.3 磺胺类抗生素（Sulfonamides）

磺胺类抗生素是一类人工合成的抗生素，具有抗菌谱广、性质稳定等优点。磺胺类药对许多革兰氏阳性菌和一些革兰氏阴性菌、诺卡氏菌属、衣原体属和某些原虫（如疟原虫和阿米巴原虫）均有抑制作用。常见的磺胺类药物有磺胺嘧啶（SDZ）、磺胺甲基嘧啶（SM）、磺胺二甲基嘧啶（SM2）、磺胺甲恶唑（SMX）、磺胺间二甲氧嘧啶（SDM）、磺胺噻唑（ST）、柳氮磺胺吡（SASP）、磺胺吡啶（SPY）、磺胺间甲氧嘧啶（SMM）和磺胺氯哒嗪（SCP） 等。

磺胺类抗生素是兽用抗生素中使用量最大的抗生素之一。养殖场中的畜禽粪便和排放的污水是环境中磺胺类抗生素的主要来源之一。潘寻等[17]研究了高温堆肥对猪粪中磺胺二甲嘧啶等几种抗生素的去除效果，发现磺胺二甲嘧啶在初始添加量为100 mg/kg条件下，经过28 d的高温堆肥，残留量为1.90 mg/kg。Mitchell等[18]通过序批式试验，发现中温厌氧发酵对牛粪中的磺胺甲基嘧啶并没有降解作用。靳红梅等[19]采用批次室内模拟发酵试验，研究表明猪粪在中温厌氧消化条件下，磺胺嘧啶和磺胺二甲嘧啶的去除率分别为58.7%和74.0%。磺胺类抗生素的去除机制主要是生物降解作用，其贡献率在80%以上，关键影响因素是微生物与抗生素的共代谢作用[20]。

2.4 大环内酯类抗生素（Macrolides）

大环内酯类抗生素是指链霉菌产生的广谱抗生素，具有基本的内酯环结构，对革兰氏阳性菌和阴性菌的抑制均有效，尤其对支原体、衣原体、军团菌、螺旋体和立克次体有较强的作用。常见的大环内酯类抗生素有罗红霉素（ROX）、泰乐菌素（TYL）、泰妙菌素（TIA）、泰拉菌素（TUL）、替米考星（TIL）等。

刘峰等[21]利用固相萃取前处理方法，结合高效液相色谱-串联质谱（HPLC-MS/MS）技术，调查了福建厦门市和莆田市畜禽养殖场的畜禽粪便、粪肥等样品，发现大环内酯类抗生素污染以罗红霉素为主。罗庆等[22]对沈阳周边养殖场的7个鸡粪和19个牛粪样品进行检测，发现罗红霉素在3个鸡粪和4个牛粪样品中检出，其质量分数范围为1.21～1.77 mg/kg和1.23～1.52 mg/kg。研究发现，猪粪中初始浓度为100 mg/kg的泰妙菌素经过高温堆肥，残留量为8.75 mg/kg[17]。孟应宏[23]通过试验发现，外源添加微生物生态制剂可以显著提高堆肥过程中泰乐菌素的降解率，降低有机肥产品的毒害性。

3 结论与展望

畜禽养殖业大量使用兽用抗生素，造成畜禽粪便中高浓度抗生素的残留，是环境中抗生素污染物的重要来源。研究不同方法对畜禽粪便中残留抗生素的去除特征和削减机制尤为重要。堆肥是目前最常用的去除畜禽粪便残留抗生素的方法，但简单的堆肥方式对抗生素去除作用有限，未来需要在优化堆肥条件，开发高效菌种等方面进行深入研究。此外，鉴于兽药抗生素种类繁多，不同种类抗生素在畜禽养殖废弃物处理工艺中的行为归趋研究有待进一步加强，对实现畜禽粪便的资源化和无害化具有重要意义。

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Research progress on composting removal of antibiotics in livestock manure

WUShuang-shuang1, XIEShi-yu1, LIJia-jia2, LIU Xiang-meng1, MOQiu-xia1, TIANJia1, LUShuai1, WU Nan1, Corresponding Author

（1. College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2. Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China）

With the rapid development of large-scale and intensive livestock and poultry industry in China, a large number of veterinary antibiotics are widely used in animal breeding. Antibiotics cannot be fully absorbed by animals, resulting in high concentrations of antibiotics in animal manures and posing a great threat to the ecological environment and human health. This paper reviewed the distribution characteristics and removal methods of four kinds of antibiotics （Tetracyclines, Fluoroquinolones, Sulfonamides and Macrolides） in livestock and poultry feces. The effects of different methods on the removal of antibiotics were compared to propose suggestions for the control of residual antibiotics in livestock and poultry manure.

livestock and poultry manure; antibiotics; compost; anaerobic digestion

X713

A

1008-5394（2019）02-0089-04

10.19640/j.cnki.jtau.2019.02.020

2018-12-14

天津市大学生创新创业训练计划项目（201810061206）；国家自然科学基金项目（21607114）

吴爽爽（1998－），女，本科在读，主要从事环境与新能源方面的研究。E-mail：1518432889@qq.com。

吴楠（1984－），女，副教授，博士，主要从事环境污染物方面的研究。E-mail：nwu@tjau.edu.cn。

责任编辑：杨霞