隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽糞便產(chǎn)生量迅速增加，嚴(yán)重影響畜禽產(chǎn)業(yè)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，我國主要畜禽糞便的產(chǎn)量自1978 年以來增長迅速，至1999 年已達(dá)到24.04 億噸，此后穩(wěn)中有升。
近年來，我國畜禽養(yǎng)殖總量不斷上升，每年可產(chǎn)生約38 億噸畜禽糞便。許多大中型畜禽養(yǎng)殖場并未對畜禽糞便進(jìn)行無害化、資源化等處理，便直接施于農(nóng)田或隨污水進(jìn)入水體，一方面污染了周邊環(huán)境，另一方面，畜禽糞便中的各種病原微生物及部分抗生素殘留正逐漸破壞農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境平衡，對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全造成潛在危害，影響人體健康。
為了使畜禽糞便能夠高效安全利用，一個有效途徑就是在畜禽糞便農(nóng)用之前，對其進(jìn)行堆肥處理，利用微生物發(fā)酵將畜禽糞便中復(fù)雜的有機(jī)物分解為腐殖質(zhì)，并在分解過程中產(chǎn)生50~65℃的高溫，殺死病原微生物，并消除部分抗生素殘留。本文對畜禽糞便堆肥過程中病原微生物及抗生素的消減技術(shù)研究情況進(jìn)行綜述，為今后開展更為深入、有效的研究提供參考。
1.1畜禽糞便中的病原微生物殘留
畜禽體內(nèi)的微生物主要通過消化道排出體外，而糞便是各微生物的主要載體，畜禽糞便中存在大量微生物，包括細(xì)菌、真菌、寄生蟲卵及病毒，其中大腸桿菌、沙門氏菌、李氏桿菌、馬里克氏病毒、蛔蟲卵等有致病性。畜禽養(yǎng)殖場排放的污水中平均每毫升含有33 萬個大腸桿菌和69 萬個大腸球菌，每1000 mL 沉淀池污水中含有190 多個蛔蟲卵和100 多個線蟲卵，且多數(shù)致病微生物及寄生蟲卵在未經(jīng)處理的畜禽糞便中可長期生存，如在自然堆肥條件下，大腸桿菌需要2~3 個月才可以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，沙門氏菌需要4~5 個月，蛔蟲卵死亡率達(dá)到90% 則需要10 個月。
當(dāng)含有致病微生物的糞便釋放于土壤后，造成蔬菜污染，通過食物鏈威脅人類健康，甚至可能引發(fā)嚴(yán)重疾病，如李氏桿菌不僅能引起牛、羊流產(chǎn)及死胎，還能感染嬰兒、孕婦、老年人及免疫功能不全的人，引發(fā)敗血病、腦膜炎等。這些有害病菌如得不到妥善處理，不僅會直接威脅畜禽自身的健康，降低畜禽養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益，還會威脅人類健康，引發(fā)重大公共衛(wèi)生事件。而采用高溫堆肥技術(shù)既可以殺死其中的病原微生物、寄生蟲卵等，達(dá)到無害化處理的目的，還能生產(chǎn)功能性有機(jī)肥料，從而實現(xiàn)資源化利用。
1.2畜禽糞便中的抗生素殘留
自20 世紀(jì)50 年代美國FDA 首次批準(zhǔn)將抗生素用作飼料添加劑后，世界各國相繼將抗生素用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)。獸用抗生素不僅可以治療和預(yù)防動物疾病，還可以作為生長促進(jìn)劑添加到飼料中。
近年來隨著人們生活水平的提高，對動物性食品的需求越來越大，飼料廠和養(yǎng)殖場的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動下，為了預(yù)防疾病的爆發(fā)和促進(jìn)動物生長，抗生素被廣泛使用。
中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所發(fā)布的一項研究結(jié)果顯示，2013 年中國抗生素總使用量約為16.2 萬噸，其中8.4 萬噸用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)，四環(huán)素類、喹諾酮類、大環(huán)內(nèi)酯類、磺胺類等應(yīng)用較廣泛。當(dāng)抗生素進(jìn)入動物體內(nèi)后，僅有少部分參與機(jī)體代謝發(fā)揮藥效，其余30%~90% 以母體或代謝物的形式隨糞、尿排出體外。
對我國8 個省的大型畜禽養(yǎng)殖場的143 個畜禽糞便樣本進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)，豬、牛糞中環(huán)丙沙星、恩諾沙星、四環(huán)素和金霉素的濃度在21~59.6 mg /kg 之間；雞糞中氟羅沙星、諾氟沙星和環(huán)丙沙星的濃度在45.6~225.4 mg /kg 之間，其中恩諾沙星的濃度最高達(dá)1420.76 mg /kg。
對山東省21 家規(guī)?；B(yǎng)豬場的126 個豬糞樣本的抗生素進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果顯示，四環(huán)素類抗生素的檢出濃度和檢出率( 84.9%~96.8%) 均很高，其中金霉素的檢出率為96.8%，最高殘留濃度達(dá)764.4 mg /kg，磺胺類抗生素的最高殘留濃度為28.7 mg /kg。
張樹清等從7 個省、市、自治區(qū)的養(yǎng)豬和養(yǎng)雞場采集了55 個樣本，分析結(jié)果表明豬糞中土霉素和金霉素的殘留量遠(yuǎn)高于雞糞，其最高含量分別達(dá)134.75 mg /kg 和121.78 mg /kg，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的獸藥殘留明顯高于其他地區(qū)。
抗生素的大量使用導(dǎo)致動物機(jī)體的免疫力下降，影響體內(nèi)有益菌群的生成，致使大腸桿菌、沙門氏菌等細(xì)菌病頻發(fā)；同時也會引發(fā)細(xì)菌耐藥性，增加超級細(xì)菌產(chǎn)生的風(fēng)險。據(jù)報道，2014 年全球有70 萬人因抗生素耐藥性的產(chǎn)生而死亡。畜禽糞便作為肥料施于土壤，其中的抗生素能夠被土壤吸附和積累，對土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要土著微生物，如固氮菌、解磷菌、放線菌等有殺死或抑制作用，降低土壤養(yǎng)分循環(huán)效率，還會對一些植物產(chǎn)生不同程度的生態(tài)毒理學(xué)效應(yīng)，影響它們的生長，如土霉素便能通過影響紫花苜蓿根系的生理過程而顯著抑制其生長。
國內(nèi)外學(xué)者在堆肥消減畜禽糞便中病原微生物方面進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)堆肥能夠殺滅畜禽糞便中絕大多數(shù)的病原微生物及寄生蟲等。在牛糞堆肥研究中，90%以上的大腸桿菌O157∶ H7 和沙門氏菌在10 天以內(nèi)滅活，李氏桿菌在堆肥14 天后也能達(dá)到檢測不到的水平。堆肥不但對致病菌有很好的去除效果，對寄生蟲及蟲卵的殺滅效果也很顯著。王洪志等對雙流縣的5 個規(guī)?；B(yǎng)豬場糞便無害化處理系統(tǒng)進(jìn)行取樣，檢測糞便堆肥前后寄生蟲及蟲卵的存活情況，堆肥前小袋蟲、球蟲、蛔蟲等均有較高的陽性率，而堆肥后各種寄生蟲及蟲卵的陰性率均達(dá)99%以上。由此可見，堆肥對糞便中的致病菌及寄生蟲等均有很好的殺滅效果。
在堆肥消減畜禽糞便中病原微生物的研究中發(fā)現(xiàn)，堆肥溫度、肥堆水分含量以及堆肥時的添加劑，是影響病原微生物消減的重要因素。牛糞堆肥過程中，37℃時滅活90%以上的沙門氏菌需要1.7~8.4 天，而55℃只需要2~3 天。Millner 等研究牛糞堆肥對病原菌的消減作用時，同樣發(fā)現(xiàn)堆肥溫度越高，對各種病原菌的消除效果越快。在同一溫度情況下，堆肥過程中大腸桿菌在高濕度情況下比低濕度時對溫度更敏感，大腸桿菌O517 在60℃、水分含量分別為40% 和70%的肥堆中的致死時間分別為10 min 和28.8 min。
堆肥過程中一些添加劑的使用，可以提高病原微生物的消減效果。斯木吉德等在對牛糞進(jìn)行堆肥時添加了不同濃度的石灰氮，結(jié)果表明在較低溫度下，石灰氮表現(xiàn)出很好的抑菌效果，50℃以上時，高溫作用就能殺死大腸桿菌，導(dǎo)致石灰氮效果不明顯。Vinneras 等在用牛的糞尿及鋸末進(jìn)行堆肥時，向肥堆中加入不同濃度的尿素，尿素在酶的作用下分解產(chǎn)生氨氣，一方面使肥堆的pH 值升高，另一方面發(fā)揮了除菌效果，在較低溫度( 20℃) 下，沙門氏菌和大腸桿菌的d 值( decimal reduction time) 就能達(dá)到0.7 以下，腸球菌的d 值在5 以下。堆肥時，肥堆表面的溫度相對較低，對病原菌的去除效果較差，石灰氮及尿素的加入，可增強(qiáng)除菌效果。此外，一些外源菌劑的添加，如EM 菌劑、Hsp 菌劑、VT 菌劑，不但可以提高堆肥溫度，還可以延長維持高溫的時間，促進(jìn)肥堆中致病微生物及蟲卵的去除。
畜禽糞便中抗生素的殘留有諸多危害，堆肥能夠除臭、殺菌、消減其中抗生素含量，從而減輕糞便使用時對環(huán)境的污染，現(xiàn)將畜禽糞便中檢出率較高的四環(huán)素類、氟喹諾酮類、磺胺類、大環(huán)內(nèi)酯類4 類抗生素在堆肥過程中的去除情況進(jìn)行綜述。
3.1四環(huán)素類抗生素
四環(huán)素類抗生素家族包括四環(huán)素、土霉素、金霉素、地美環(huán)素、美他環(huán)素、多西環(huán)素等天然和半合成抗生素，與其他類抗生素相比，四環(huán)素類抗生素在我國及世界畜禽養(yǎng)殖業(yè)中實際使用量均最大，因此四環(huán)素類抗生素在畜禽糞便中的檢出率和檢出濃度均較高，關(guān)于四環(huán)素類抗生素去除方面的研究也最廣泛和深入。田哲等將近年來各國學(xué)者對堆肥去除畜禽糞便中四環(huán)素類抗生素的效果進(jìn)行了總結(jié)和比較，發(fā)現(xiàn)堆肥化處理可有效消減畜禽糞便中的四環(huán)素類抗生素，并且對抗性基因的擴(kuò)散和傳播具有一定的控制效果。
Arikan 等用含土霉素的牛糞和稻草、木屑一起進(jìn)行避光、好氧堆肥，發(fā)現(xiàn)在堆肥第6 天時土霉素含量就下降了95%，堆肥結(jié)束時去除率超過了99.8%。匡光偉等用含土霉素和金霉素的新鮮雞糞在自然光照下進(jìn)行堆肥，兩種抗生素在15 天內(nèi)的平均降解率均在90% 以上。Bao 等研究堆肥去除畜禽糞便中四環(huán)素類抗生素時則發(fā)現(xiàn)，堆肥對雞糞中的金霉素去除率超過90%。因此，堆肥能夠有效去除畜禽糞便中的四環(huán)素類藥物。
諸多研究表明，溫度是影響抗生素去除的重要因素，光照以及堆肥時菌劑、鋸末等的添加也會顯著影響四環(huán)素類藥物的去除效率。堆肥對抗生素的去除主要通過光解、水解及微生物降解來完成，堆肥時溫度越高，四環(huán)素類抗生素的降解率也越高，因此能夠提高堆肥溫度的菌劑，如EM 菌劑、Hsp 菌劑、VT 菌劑等能增加堆肥過程中四環(huán)素類抗生素的去除效果。此外，光照也能顯著影響堆肥時四環(huán)素類藥物的消減效果，匡光偉等用含土霉素和金霉素的新鮮雞糞在避光和自然光照下進(jìn)行堆肥，在避光條件下，兩種抗生素在15 天內(nèi)的降解幅度均不超過10%，而在光照條件下，平均降解率均在90% 以上。堆肥時的添加物，如菌劑、鋸末等也能促進(jìn)四環(huán)素類藥物的降解。肖禮等研究發(fā)現(xiàn)在豬糞堆肥過程中添加白腐真菌能夠加快堆肥中四環(huán)素降解速度，可能是白腐真菌加速了木質(zhì)素、纖維素分解，從而提高了堆肥質(zhì)量。此外，白腐真菌所分泌的木質(zhì)素過氧化物酶和錳過氧化物酶能夠直接降解四環(huán)素，從而進(jìn)一步加速了畜禽糞便中四環(huán)素類藥物的降解。除了添加菌劑，堆肥時加入鋸末也能促進(jìn)四環(huán)素的降解，Kim 等研究發(fā)現(xiàn)，豬糞加鋸末堆肥最高溫度為55℃，而與豬糞不加鋸末60℃堆肥2 周相比，前者對四環(huán)素的降解率比后者要高得多。
3.2喹諾酮類
喹諾酮類藥物具有抗菌活性廣和動物口服吸收效果好等特性，目前使用較多的是第三代產(chǎn)品，包括諾氟沙星、氧氟沙星、環(huán)丙沙星、洛美沙星、恩諾沙星等。與四環(huán)素類抗生素相比，堆肥去除喹諾酮類抗生素的研究較少，且去除效果也相對較差。孟磊等的研究結(jié)果表明，高溫堆肥對雞糞中5 種喹諾酮類抗生素的去除率不足80%。Selvam 等研究了豬糞堆肥對環(huán)丙沙星等抗生素的去除效果，發(fā)現(xiàn)與金霉素、磺胺嘧啶相比，環(huán)丙沙星在堆肥過程中較難去除，經(jīng)過56天的堆肥，環(huán)丙沙星的殘留量仍有17%~31%。高溫堆肥未能實現(xiàn)畜禽糞便中殘留喹諾酮類抗生素的高效去除( 90%以上) ，因此有必要對堆肥過程及外源菌種的添加進(jìn)行更深入的優(yōu)化和研究。
研究發(fā)現(xiàn)，一些菌劑的加入能夠提高堆肥過程中喹諾酮類抗生素的降解效率。雞糞高溫堆肥時，接種外源耐高溫菌種后喹諾酮類抗生素的去除率從原來的48.4%~77.1% 提高到60.3% 以上。白腐真菌在液體介質(zhì)中對喹諾酮類抗生素的降解非常有效，堆肥過程中添加合適的白腐真菌也能提高對喹諾酮類抗生素的去除效率。如白耙齒菌和變色栓菌分別能在10 天和14 天內(nèi)將介質(zhì)中的喹諾酮類抗生素完全降解。Prieto 等研究發(fā)現(xiàn)變色栓菌可以在7 天里降解90%以上的環(huán)丙沙星和諾氟沙星。Yu 等研究了雞糞中各種抗生素經(jīng)過堆肥處理后的降解情況，其中諾氟沙星、恩諾沙星、氟甲喹的初始濃度分別為5. 09、36. 77、42. 03mg /kg，經(jīng)過13 天的堆肥期，3 種抗菌素的降解率便超過了99%。因此，在今后的研究中探討促使雞糞中氟喹諾酮類抗生素快速降解的因素，可為解決堆肥時喹諾酮類藥物降解效率低的問題提供理論與技術(shù)支撐。
3.3磺胺類
磺胺類藥物是人工合成的抗菌藥，具有抗菌譜廣、性質(zhì)穩(wěn)定、使用方便、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在畜禽抗感染治療方面起著重要作用，常用的有磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲惡唑等。與氟喹諾酮類抗菌藥相比，畜禽糞便中的磺胺類藥物較易去除，一般情況下，堆肥便能實現(xiàn)畜禽糞便中磺胺類藥物的高效去除。Yu 等研究了雞糞堆肥中各種抗生素的去除情況，初始濃度為30.64 mg /kg 的磺胺嘧啶在第13 天時便被完全去除。研究人員對豬糞進(jìn)行高溫堆肥時發(fā)現(xiàn)，初始濃度分別為24.03、22.75、100 mg /kg 的磺胺甲嘧啶、磺胺甲惡唑及磺胺二甲嘧啶在15天的時間里便能實現(xiàn)90%以上的去除率。
堆肥溫度是影響畜禽糞便中磺胺類藥物去除效率的重要因素。此外，畜禽糞便堆肥時的各個物理化學(xué)指標(biāo)，如pH 值、溫度、總有機(jī)碳、總氮、總磷及金屬離子含量等對其中抗生素含量都有影響。Kim 等的研究證明豬糞不加鋸末進(jìn)行堆肥時，堆溫只有30℃左右，磺胺甲嘧啶在35天的堆肥期內(nèi)基本未降解，豬糞中加入鋸末后，堆肥溫度升高到55℃，初始濃度為2、10、20 mg /kg 的磺胺甲嘧啶堆肥20 天后都降到0.2 mg /kg以下。Dollive 等對火雞糞便進(jìn)行堆肥，考察其中各種抗生素的消除情況，經(jīng)過35 天的堆肥，各處理組肥堆中磺胺甲嘧啶的含量卻無變化。因此，尋找能夠促進(jìn)畜禽糞便中磺胺類抗菌素快速降解的因素，對實現(xiàn)畜禽糞便的無害化、資源化處理意義重大。
3.4大環(huán)內(nèi)酯類
大環(huán)內(nèi)酯類抗生素是由鏈霉菌產(chǎn)生的廣譜抗生素，在治療畜禽呼吸道及消化道疾病方面具有不可替代的作用，作為添加劑添加到飼料中，還能起到促進(jìn)生長、增重、增產(chǎn)的作用，常用的有紅霉素、泰樂菌素、替米考星等。Yu 等研究雞糞堆肥中各種抗生素的去除情況時發(fā)現(xiàn)，初始濃度分別為5.58、5.24 mg /kg 和62.57 mg/kg 的紅霉素、替米考星和泰樂菌素在堆肥第13 天時便被完全去除。Kim 等研究豬糞堆肥過程中泰樂菌素等的降解情況，發(fā)現(xiàn)豬糞中加入鋸末后堆肥溫度由不加時的30℃左右升高到55℃，初始濃度為20 mg/kg 的泰樂菌素經(jīng)過5 天的堆肥便降到1 mg/kg。而Dollive 等對火雞糞便進(jìn)行堆肥發(fā)現(xiàn)，初始濃度為3.7 mg/kg 的泰樂菌素經(jīng)過35 天的堆肥，還有約40%的剩余。豬糞、雞糞中的磺胺類及大環(huán)內(nèi)酯類抗菌素在堆肥過程中較易去除，即便是30℃左右的低溫堆肥，其中的泰樂菌素都能有效降解。而火雞糞便堆肥時，兩種抗菌素的去除卻變得異常困難，可能是由火雞糞便的理化性質(zhì)所致。
4 總結(jié)與展望
畜禽糞便中含有大量的病原微生物及抗生素殘留，如不經(jīng)處理或簡單處理便施用于土壤，會給人類健康帶來較大風(fēng)險，盡管堆肥能夠消滅畜禽糞便中的病原微生物、寄生蟲，還能有效消減其中多種抗生素殘留，但受畜禽糞便理化性質(zhì)及堆肥過程的影響，某些抗生素還達(dá)不到高效去除的要求，且對于容易降解的抗生素，其降解產(chǎn)物的毒性及其對環(huán)境的效應(yīng)同樣不可忽視。
因此本文對將來的堆肥消減抗生素的研究提出以下建議。
4.1開發(fā)能夠促進(jìn)畜禽糞便中各種抗生素高效降解的生物菌劑
畜禽糞便堆肥過程中，溫度是影響抗生素消除的重要因素，而堆肥時加入生物菌劑，則能提高堆肥溫度，進(jìn)而提高抗生素的降解率。之前的研究發(fā)現(xiàn)氟喹諾酮類抗生素堆肥時難以高效去除，而白腐真菌卻能夠在較短時間內(nèi)實現(xiàn)各種氟喹諾酮類抗生素的完全降解。篩選研發(fā)能夠高效降解各種抗生素的菌種，既可以提高堆肥溫度，又能高效降解各種抗生素的復(fù)配菌劑，對實現(xiàn)畜禽糞便安全高效利用意義重大。
4.2加強(qiáng)堆肥過程中各種抗生素降解產(chǎn)物的研究
目前畜禽養(yǎng)殖中使用的抗生素種類繁多、作用機(jī)制各異，已有的研究遠(yuǎn)不能反映各種抗生素在環(huán)境中的殘留與降解狀況，且以往的堆肥研究更多關(guān)注各種抗生素母體的降解，而對其降解產(chǎn)物的毒性及對環(huán)境的效應(yīng)研究相對較少。因此在以后的研究中，不僅要關(guān)注堆肥時各種抗生素的降解率，還要監(jiān)測各種降解產(chǎn)物的情況，真正實現(xiàn)畜禽糞便無害化處理。
4.3與其他堆肥技術(shù)組配，進(jìn)行畜禽糞便高效利用的技術(shù)示范
目前關(guān)于畜禽糞便堆肥的研究大多只關(guān)注其中的某類有害物質(zhì)，如病原微生物、抗生素、殺蟲劑或重金屬等，而這些有害物質(zhì)在畜禽糞便中共同存在，因此未來的堆肥研究應(yīng)該將消減病原微生物、各類獸藥、重金屬等的各種技術(shù)進(jìn)行組配，開發(fā)能夠綜合消減各種有害物質(zhì)的堆肥技術(shù)，并進(jìn)一步與固液分離、廢水資源化利用、功能性生物肥料及基質(zhì)產(chǎn)品開發(fā)等技術(shù)進(jìn)行集成，從而建立畜禽糞便資源化高效利用技術(shù)示范。
來源：《山東農(nóng)業(yè)科學(xué)》2017 年第 7 期
作者：李霞，鄧立剛，王峰恩，李騰，鄔元娟，王文正
單位：山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所/山東省食品質(zhì)量安全檢測技術(shù)重點(diǎn)實驗室
