堆肥消减畜禽粪便中病原微生物及抗生素残留的研究进展

李霞+邓立刚+王峰恩+李腾+邬元娟+王文正

摘要：随着我国畜禽养殖业的规模化发展，畜禽粪便排放量急剧增加，其中含有大量的病原微生物及抗生素残留，如不进行处理会对人类健康和生态环境造成严重威胁。堆肥技术能有效去除畜禽粪便中大部分病原微生物及抗生素残留。本文对畜禽粪便中病原微生物、抗生素残留以及堆肥对病原微生物及各类抗生素的消减情况进行了总结，并对今后堆肥的研究方向提出了建议。

关键词：畜禽粪便；堆肥；病原微生物；抗生素；残留；消减

中图分类号：S141.4 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2017）07-0161-06

Abstract Along with the large-scale development of livestock and poultry farming industry in China， the animal manure emissions are increasing dramatically. The livestock and poultry manure contains a large number of pathogenic microorganisms and antibiotic residues， which pose a threat to human health and living environment if without any treatment. The composting technology can effectively remove most of the residues of pathogenic microorganisms and antibiotics in the manure. This paper summarized the residues and removals of pathogenic microorganisms and antibiotics in livestock and poultry manure. Finally， several suggestions were put forward for the research direction of composting.

Keywords Livestock and poultry manure； Composting； Pathogenic microorganisms； Antibiotic； Residue； Removal

随着我国畜禽养殖业的快速发展，畜禽粪便产生量迅速增加，严重影响畜禽产业和生态环境的可持续发展。据统计，我国主要畜禽粪便的产量自1978年以来增长迅速，至1999年已达到24.04亿吨[1]，此后稳中有升。近年来，我国畜禽养殖总量不断上升，每年可产生约38亿吨畜禽粪便。许多大中型畜禽养殖场并未对畜禽粪便进行无害化、资源化等处理，便直接施于农田或随污水进入水体，一方面污染了周边环境，另一方面，畜禽粪便中的各种病原微生物及部分抗生素残留正逐渐破坏农田的生态环境平衡，对农产品质量安全造成潜在危害，影响人体健康。为了使畜禽粪便能够高效安全利用，一个有效途径就是在畜禽粪便农用之前，对其进行堆肥处理，利用微生物发酵将畜禽粪便中复杂的有机物分解为腐殖质，并在分解过程中产生50～65℃的高温，杀死病原微生物，并消除部分抗生素残留。本文对畜禽粪便堆肥过程中病原微生物及抗生素的消减技术研究情况进行综述，为今后开展更为深入、有效的研究提供参考。

1 畜禽粪便中病原微生物及抗生素残留情况

1.1 畜禽粪便中的病原微生物残留

畜禽体内的微生物主要通过消化道排出体外，而粪便是各微生物的主要载体，畜禽粪便中存在大量微生物，包括细菌、真菌、寄生虫卵及病毒，其中大肠杆菌、沙门氏菌、李氏杆菌、马里克氏病毒、蛔虫卵等有致病性。畜禽养殖场排放的污水中平均每毫升含有33万个大肠杆菌和69万个大肠球菌，每1 000 mL沉淀池污水中含有190多个蛔虫卵和100多个线虫卵[2]，且多数致病微生物及寄生虫卵在未经处理的畜禽粪便中可长期生存，如在自然堆肥条件下，大肠杆菌需要2～3个月才可以达到排放标准，沙门氏菌需要4～5个月，蛔虫卵死亡率达到90%则需要10个月[3]。当含有致病微生物的粪便释放于土壤后，造成蔬菜污染，通过食物链威胁人类健康，甚至可能引发严重疾病[4]，如李氏杆菌不仅能引起牛、羊流产及死胎，还能感染婴儿、孕妇、老年人及免疫功能不全的人，引发败血病、脑膜炎等[5]。这些有害病菌如得不到妥善处理，不仅会直接威胁畜禽自身的健康，降低畜禽养殖的经济效益，还会威胁人类健康，引发重大公共卫生事件。而采用高温堆肥技术既可以杀死其中的病原微生物、寄生虫卵等，达到无害化处理的目的，还能生产功能性有机肥料，从而实现资源化利用。

1.2 畜禽粪便中的抗生素残留

自20世纪50年代美国FDA首次批准将抗生素用作饲料添加剂后，世界各国相继将抗生素用于畜禽养殖业。兽用抗生素不仅可以治疗和预防动物疾病，还可以作为生长促进剂添加到饲料中。近年来随着人们生活水平的提高，对动物性食品的需求越来越大，饲料厂和养殖场的生产规模不断扩大，在经济利益的驱动下，为了预防疾病的爆发和促进动物生长，抗生素被广泛使用。中国科学院广州地球化学研究所发布的一项研究结果显示，2013年中国抗生素总使用量约为16.2万吨，其中8.4万吨用于畜禽养殖业，四环素类、喹诺酮类、大环内酯类、磺胺类等应用较广泛。当抗生素进入动物体内后，仅有少部分參与机体代谢发挥药效，其余30%～90%以母体或代谢物的形式随粪、尿排出体外[6]。Zhao等[7]对我国8个省的大型畜禽养殖场的143个畜禽粪便样本进行分析，发现，猪、牛粪中环丙沙星、恩诺沙星、四环素和金霉素的浓度在21～59.6 mg/kg之间；鸡粪中氟罗沙星、诺氟沙星和环丙沙星的浓度在45.6～225.4 mg/kg之间，其中恩诺沙星的浓度最高达1420.76 mg/kg。Pan等[8]对山东省21家规模化养猪场的126个猪粪样本的抗生素进行调查，结果显示，四环素类抗生素的检出浓度和检出率（84.9%～96.8%）均很高，其中金霉素的检出率为96.8%，最高残留浓度达764.4 mg/kg，磺胺类抗生素的最高残留浓度为28.7 mg/kg。张树清等[9]从7个省、市、自治区的养猪和养鸡场采集了55个样本，分析结果表明猪粪中土霉素和金霉素的残留量远高于鸡粪，其最高含量分别达134.75 mg/kg和121.78 mg/kg，经济发达地区的兽药残留明显高于其他地区。

抗生素的大量使用导致动物机体的免疫力下降，影响体内有益菌群的生成，致使大肠杆菌、沙门氏菌等细菌病频发；同时也会引发细菌耐药性，增加超级细菌产生的风险。据报道，2014 年全球有70万人因抗生素耐药性的產生而死亡[10]。畜禽粪便作为肥料施于土壤，其中的抗生素能够被土壤吸附和积累，对土壤生态系统中的重要土著微生物，如固氮菌、解磷菌、放线菌等有杀死或抑制作用，降低土壤养分循环效率，还会对一些植物产生不同程度的生态毒理学效应，影响它们的生长，如土霉素便能通过影响紫花苜蓿根系的生理过程而显著抑制其生长[11]。

2 畜禽粪便堆肥过程中病原微生物的消减

国内外学者在堆肥消减畜禽粪便中病原微生物方面进行了大量研究，发现堆肥能够杀灭畜禽粪便中绝大多数的病原微生物及寄生虫等。在牛粪堆肥研究中，90%以上的大肠杆菌O157∶H7和沙门氏菌在10天以内灭活[12，13]，李氏杆菌在堆肥14天后也能达到检测不到的水平[14]。堆肥不但对致病菌有很好的去除效果，对寄生虫及虫卵的杀灭效果也很显著。王洪志等[16]对双流县的5个规模化养猪场粪便无害化处理系统进行取样，检测粪便堆肥前后寄生虫及虫卵的存活情况，堆肥前小袋虫、球虫、蛔虫等均有较高的阳性率，而堆肥后各种寄生虫及虫卵的阴性率均达99%以上。由此可见，堆肥对粪便中的致病菌及寄生虫等均有很好的杀灭效果。

在堆肥消减畜禽粪便中病原微生物的研究中发现，堆肥温度、肥堆水分含量以及堆肥时的添加剂，是影响病原微生物消减的重要因素。牛粪堆肥过程中， 37℃时灭活90%以上的沙门氏菌需要1.7～8.4天[12]，而55℃只需要2～3天[13]。Millner等[14]研究牛粪堆肥对病原菌的消减作用时，同样发现堆肥温度越高，对各种病原菌的消除效果越快。在同一温度情况下，堆肥过程中大肠杆菌在高湿度情况下比低湿度时对温度更敏感，大肠杆菌O517在60℃、水分含量分别为40%和70%的肥堆中的致死时间分别为10 min和28.8 min[15]。

堆肥过程中一些添加剂的使用，可以提高病原微生物的消减效果。斯木吉德等[17]在对牛粪进行堆肥时添加了不同浓度的石灰氮，结果表明在较低温度下，石灰氮表现出很好的抑菌效果，50℃以上时，高温作用就能杀死大肠杆菌，导致石灰氮效果不明显。Vinneras等在用牛的粪尿及锯末进行堆肥时，向肥堆中加入不同浓度的尿素，尿素在酶的作用下分解产生氨气，一方面使肥堆的pH值升高，另一方面发挥了除菌效果，在较低温度（20℃）下，沙门氏菌和大肠杆菌的d值（decimal reduction time）就能达到0.7以下，肠球菌的d值在5以下。堆肥时，肥堆表面的温度相对较低，对病原菌的去除效果较差，石灰氮及尿素的加入，可增强除菌效果。此外，一些外源菌剂的添加，如EM菌剂、Hsp菌剂、VT菌剂，不但可以提高堆肥温度，还可以延长维持高温的时间[18-20]，促进肥堆中致病微生物及虫卵的去除。

3 畜禽粪便堆肥过程中各种抗生素的消减

畜禽粪便中抗生素的残留有诸多危害，堆肥能够除臭、杀菌、消减其中抗生素含量，从而减轻粪便使用时对环境的污染，现将畜禽粪便中检出率较高的四环素类、氟喹诺酮类、磺胺类、大环内酯类4类抗生素在堆肥过程中的去除情况进行综述。

3.1 四环素类抗生素

四环素类抗生素家族包括四环素、土霉素、金霉素、地美环素、美他环素、多西环素等天然和半合成抗生素，与其他类抗生素相比，四环素类抗生素在我国及世界畜禽养殖业中实际使用量均最大[21]，因此四环素类抗生素在畜禽粪便中的检出率和检出浓度均较高，关于四环素类抗生素去除方面的研究也最广泛和深入。田哲等[22]将近年来各国学者对堆肥去除畜禽粪便中四环素类抗生素的效果进行了总结和比较，发现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。Arikan等[23]用含土霉素的牛粪和稻草、木屑一起进行避光、好氧堆肥，发现在堆肥第6天时土霉素含量就下降了95%，堆肥结束时去除率超过了99.8%。匡光伟等[24]用含土霉素和金霉素的新鲜鸡粪在自然光照下进行堆肥，两种抗生素在15天内的平均降解率均在90%以上。Bao等[25]研究堆肥去除畜禽粪便中四环素类抗生素时则发现，堆肥对鸡粪中的金霉素去除率超过90%。因此，堆肥能够有效去除畜禽粪便中的四环素类药物。

诸多研究表明，温度是影响抗生素去除的重要因素，光照以及堆肥时菌剂、锯末等的添加也会显著影响四环素类药物的去除效率。堆肥对抗生素的去除主要通过光解、水解及微生物降解来完成，堆肥时温度越高，四环素类抗生素的降解率也越高[21]，因此能够提高堆肥温度的菌剂，如EM菌剂、Hsp菌剂、VT菌剂等能增加堆肥过程中四环素类抗生素的去除效果。此外，光照也能显著影响堆肥时四环素类药物的消减效果，匡光伟等[24]用含土霉素和金霉素的新鲜鸡粪在避光和自然光照下进行堆肥，在避光条件下，两种抗生素在15天内的降解幅度均不超过10%，而在光照条件下，平均降解率均在90%以上。堆肥时的添加物，如菌剂、锯末等也能促进四环素类药物的降解。肖礼等[26]研究发现在猪粪堆肥过程中添加白腐真菌能够加快堆肥中四环素降解速度，可能是白腐真菌加速了木质素、纤维素分解，从而提高了堆肥质量。此外，白腐真菌所分泌的木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶能够直接降解四环素[27]，从而进一步加速了畜禽粪便中四环素类药物的降解。除了添加菌剂，堆肥时加入锯末也能促进四环素的降解，Kim等[29]研究发现，猪粪加锯末堆肥最高温度为55℃，而与猪粪不加锯末60℃堆肥2周相比，前者对四环素的降解率比后者要高得多。

3.2 喹诺酮类

喹诺酮类药物具有抗菌活性广和动物口服吸收效果好等特性，目前使用较多的是第三代产品，包括诺氟沙星、氧氟沙星、环丙沙星、洛美沙星、恩诺沙星等。与四环素类抗生素相比，堆肥去除喹诺酮类抗生素的研究较少，且去除效果也相对较差。孟磊等[30]的研究结果表明，高温堆肥对鸡粪中5种喹诺酮类抗生素的去除率不足80%。Selvam等[31]研究了猪粪堆肥对环丙沙星等抗生素的去除效果，发现与金霉素、磺胺嘧啶相比，环丙沙星在堆肥过程中较难去除，经过56天的堆肥，环丙沙星的残留量仍有17%～31%。高温堆肥未能实现畜禽粪便中残留喹诺酮类抗生素的高效去除（90%以上），因此有必要对堆肥过程及外源菌种的添加进行更深入的优化和研究。

研究发现，一些菌剂的加入能够提高堆肥过程中喹诺酮类抗生素的降解效率。鸡粪高温堆肥时，接种外源耐高温菌种后喹诺酮类抗生素的去除率从原来的48.4%～77.1%提高到60.3%以上[30]。白腐真菌在液体介质中对喹诺酮类抗生素的降解非常有效，堆肥过程中添加合适的白腐真菌也能提高对喹诺酮类抗生素的去除效率。如白耙齿菌和变色栓菌分别能在10天和14天内将介质中的喹诺酮类抗生素完全降解[32]。Prieto等[33]研究发现变色栓菌可以在7天里降解90%以上的环丙沙星和诺氟沙星。Yu等[34]研究了鸡粪中各种抗生素经过堆肥处理后的降解情况，其中诺氟沙星、恩诺沙星、氟甲喹的初始浓度分别为5.09、36.77、42.03mg/kg，经过13天的堆肥期，3种抗菌素的降解率便超过了99%。因此，在今后的研究中探讨促使鸡粪中氟喹诺酮类抗生素快速降解的因素，可为解决堆肥时喹诺酮类药物降解效率低的问题提供理论与技术支撑。

3.3 磺胺类

磺胺类药物是人工合成的抗菌药，具有抗菌谱广、性质稳定、使用方便、价格低廉等优点，在畜禽抗感染治疗方面起着重要作用，常用的有磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲恶唑等。与氟喹诺酮类抗菌药相比，畜禽粪便中的磺胺类药物较易去除，一般情况下，堆肥便能实现畜禽粪便中磺胺类药物的高效去除。Yu等[34]研究了鸡粪堆肥中各种抗生素的去除情况，初始浓度为30.64 mg/kg的磺胺嘧啶在第13天时便被完全去除。研究人员对猪粪进行高温堆肥时发现，初始浓度分别为24.03、22.75、100 mg/kg的磺胺甲嘧啶、磺胺甲恶唑及磺胺二甲嘧啶在15天的时间里便能实现90%以上的去除率。

堆肥温度是影响畜禽粪便中磺胺类药物去除效率的重要因素[35，36]。此外，畜禽粪便堆肥时的各个物理化学指标，如pH值、温度、总有机碳、总氮、总磷及金属离子含量等对其中抗生素含量都有影响[34]。Kim等[29]的研究证明猪粪不加锯末进行堆肥时，堆温只有30℃左右，磺胺甲嘧啶在35天的堆肥期内基本未降解，猪粪中加入锯末后，堆肥温度升高到55℃，初始浓度为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[37]对火鸡粪便进行堆肥，考察其中各种抗生素的消除情况，经过35天的堆肥，各处理组肥堆中磺胺甲嘧啶的含量却无变化。因此，寻找能够促进畜禽粪便中磺胺类抗菌素快速降解的因素，对实现畜禽粪便的无害化、资源化处理意义重大。

3.4 大环内酯类

大环内酯类抗生素是由链霉菌产生的广谱抗生素，在治疗畜禽呼吸道及消化道疾病方面具有不可替代的作用，作为添加剂添加到饲料中，还能起到促进生长、增重、增产的作用，常用的有红霉素、泰乐菌素、替米考星等。Yu等[34]研究鸡粪堆肥中各种抗生素的去除情况时发现，初始浓度分别为5.58、5.24 mg/kg和62.57 mg/kg的红霉素、替米考星和泰乐菌素在堆肥第13天时便被完全去除。Kim等[29]研究猪粪堆肥过程中泰乐菌素等的降解情况，发现猪粪中加入锯末后堆肥温度由不加时的30℃左右升高到55℃，初始浓度为20 mg/kg的泰乐菌素经过5天的堆肥便降到1 mg/kg。而Dollive等[37]对火鸡粪便进行堆肥发现，初始浓度为3.7 mg/kg的泰乐菌素经过35天的堆肥，还有约40%的剩余。猪粪、鸡粪中的磺胺类及大环内酯类抗菌素在堆肥过程中较易去除，即便是30℃左右的低温堆肥，其中的泰乐菌素都能有效降解。而火鸡粪便堆肥时，两种抗菌素的去除却变得异常困难，可能是由火鸡粪便的理化性质所致。

4 总结与展望

畜禽粪便中含有大量的病原微生物及抗生素残留，如不经处理或简单处理便施用于土壤，会给人类健康带来较大风险，尽管堆肥能够消灭畜禽粪便中的病原微生物、寄生虫，还能有效消减其中多种抗生素残留，但受畜禽粪便理化性质及堆肥过程的影响，某些抗生素还达不到高效去除的要求，且对于容易降解的抗生素，其降解产物的毒性及其对环境的效应同样不可忽视。因此本文对将来的堆肥消减抗生素的研究提出以下建议。

4.1 开发能够促进畜禽粪便中各种抗生素高效降解的生物菌剂

畜禽粪便堆肥过程中，温度是影响抗生素消除的重要因素，而堆肥时加入生物菌剂，则能提高堆肥温度，进而提高抗生素的降解率。之前的研究发现氟喹诺酮类抗生素堆肥时难以高效去除，而白腐真菌却能够在较短时间内实现各种氟喹诺酮类抗生素的完全降解。筛选研发能够高效降解各种抗生素的菌种，既可以提高堆肥温度，又能高效降解各种抗生素的复配菌剂，对实现畜禽粪便安全高效利用意義重大。

4.2 加强堆肥过程中各种抗生素降解产物的研究

目前畜禽养殖中使用的抗生素种类繁多、作用机制各异，已有的研究远不能反映各种抗生素在环境中的残留与降解状况，且以往的堆肥研究更多关注各种抗生素母体的降解，而对其降解产物的毒性及对环境的效应研究相对较少。因此在以后的研究中，不仅要关注堆肥时各种抗生素的降解率，还要监测各种降解产物的情况，真正实现畜禽粪便无害化处理。

4.3 与其他堆肥技术组配，进行畜禽粪便高效利用的技术示范

目前关于畜禽粪便堆肥的研究大多只关注其中的某类有害物质，如病原微生物、抗生素、杀虫剂或重金属等，而这些有害物质在畜禽粪便中共同存在，因此未来的堆肥研究应该将消减病原微生物、各类兽药、重金属等的各种技术进行组配，开发能够综合消减各种有害物质的堆肥技术，并进一步与固液分离、废水资源化利用、功能性生物肥料及基质产品开发等技术进行集成，从而建立畜禽粪便资源化高效利用技术示范。

参 考 文 献：

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