畜禽粪污中抗生素残留检测方法及消减技术研究进展

郑颜 赵善仓 杨发斌 郝旭晨 张丙春 刘宾 范丽霞*

畜禽粪污中抗生素残留检测方法及消减技术研究进展

郑颜①②赵善仓①杨发斌①郝旭晨①②张丙春①刘宾①范丽霞①*

（①山东省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所 山东省食品质量与安全检测技术重点实验室 山东 济南 250100 ②山东农业大学食品科学与工程学院 山东 泰安）

畜禽粪污中抗生素残留检测与消减技术对于有效预防畜禽粪污对环境的污染及无害化处理和资源化利用具有重要的意义。本文综述了畜禽粪污中抗生素残留的形成原因、产生的危害、检测技术方法现状及研究方向，并对畜禽粪污中抗生素残留消减提出应对措施。

随着我国养殖业规模化、集约化发展，抗生素被大量用于治疗动物疾病或作为亚治疗剂长期添加于动物饲料中。2013年我国抗生素使用总量约为16.2万t，其中兽用抗生素使用量达到52%。在36种常见抗生素中，兽用抗生素的用量为7.8万t，占比高达84.3%。畜禽抗生素吸收率较低，30%~ 90%的抗生素会以母体或代谢物形式随畜禽排泄物进入环境中，只有少量的抗生素在生物体内经过羟基化、裂解和葡萄糖苷酸化等过程后生成无毒无害的物质[1-2]。目前绝大部分的畜禽粪污未经处理直接施于农田或直接随污水排入水体，导致大部分的抗生素残留在环境中，使畜禽粪污成为继温室效应、白色污染之后的又一重大环境问题。如果畜禽粪污不能进行及时妥善的处理，将会造成环境污染，影响环境微生物群落，甚至破坏生态平衡，而这些终将会对人类造成威胁[3]。对于残留于环境中抗生素的环境行为及危害的研究，首先面临的问题是如何快速、有效检测环境样品中的痕量残留[4]。目前抗生素残留检测技术的常规方法有微生物法、免疫学方法和仪器分析法，畜禽粪污中抗生素残留检测以仪器分析法最为常用[5]。了解畜禽粪污中抗生素残留形成的原因及危害、残留检测技术的发展和应对措施，对于保护环境、加强畜禽粪污的处理和利用具有积极的意义。

1 畜禽粪污中抗生素残留的原因

1.1 畜禽粪污污染防治法律机制不健全 尽管农业部2002年就已发布21类禁止在食品动物养殖过程中使用的兽药及其化合物清单，但受传统观念的影响，一些养殖户为了临床效果仍然使用违禁药物。乡镇畜牧兽医管理部门是养殖过程中的主要监管部门，具备实地检查、日常巡查等有利条件，但是缺少必要的简单易操作专业检测设备，仅靠肉眼观察无法判定是否存在违禁添加现象，给监管造成一定难度。且专项经费保障不足导致部分地区随机采样监测，严重缩小了监测范围[6-11]。没有建立公平、有效的农业生态补偿机制和环境责任共担主体。

1.2 集约化养殖模式存在问题 随着畜禽养殖规模的扩大，生产集约化程度不断提高。由于畜禽粪污处理成本偏高，大部分集约化养殖场未能对废弃物进行有效处理和利用，而专业化特征导致养殖业与传统种植业日益分离。加上近年来建设的专业养殖场主要分布在我国东部和城市郊区，缺乏配套设施，养殖场产生的畜禽粪污会污染大田，导致还田率大大降低[12]，存在药物残留的原料进入环境，构成潜在威胁。

1.3 养殖户科技水平有待提高 兽用抗生素作为饲料添加剂已有近60年的历史，对于养殖业的发展有着举足轻重的作用，尤其是对于中小型养殖场，依靠抗生素已成为习惯[13]，存在人用抗生素用作兽用，使用违禁药物的现象[14]，例如一些原料药不经处理直接使用，不做用药记录造成用药混乱或药物配比不当等。且大部分养殖户不懂休药期，根据美国食品与药品管理局(FDA)和美国兽医中心(CVM)对兽药残留原因的调查分析，无视休药期是造成动物源性食品和畜禽粪污中抗生素残留的主要原因[10]。

1.4 畜禽粪污的无害化处理技术有待提高和完善 随着集约化养殖方式的发展，种养结合的处理方式不能满足现代化的需要。目前畜禽粪便处理主要是利用高温堆肥法，然后作为肥料施于农田，模式单一。而未经特殊处理畜禽粪污中会存在大量致病菌，进入生态系统后会影响作物生长。勾长龙等[15]曾研究高温堆肥法对猪粪中的残留抗生素及抗生素抗性基因的影响，结果表明该方法对于粪便中抗生素的去除和抗性基因的削减有一定的成效。但由于因我国对其研究起步较晚，对于堆肥过程中的各项指标(如氮素损失、腐熟程度等)尚不明确，导致工业化程度较低[16]。因此，寻求经济高效、适用性广泛的畜禽粪便无害化、资源化、工业化处理技术，对减少畜禽粪污中的抗生素残留及畜禽粪便的有效利用具有一定的现实意义。

2 畜禽粪污中残留抗生素产生的危害

2.1 污染环境 畜禽粪污如果不经过适当处理将会导致 抗生素在环境中累积并不断迁移，并随畜禽粪污污染土壤，土壤中抗生素长期残留富集会对其中微生物的种群、群落结构、耐药性以及植物的生长等产生影响[17]。另一方面，土壤中的抗生素会被部分植物吸收并在植物体内积累。贺德春等[18]曾探究施肥量与蔬菜抗生素残留的关系，试验发现，随着施肥量的增加蔬菜中的抗生素含量也相应增加。因抗生素难以降解和挥发故容易富集在水体底泥中，对水体中的微生物群落结构和种群造成损害的同时还会对水生生物产生影响，甚至破坏水体生态系统[19-21]。研究发现，残留量为100mg/L的土霉素会对系统微生物群落结构产生不可逆转的毒害[22, 23]。

2.2 危害健康 土壤中残留富集的抗生素被作物部分吸收，通过生物链的转移，最终进入人体。抗生素进入人体后残留到一定浓度，一方面会引发病菌产生耐药性，1992年美国有13300名患者死于抗生素耐药性细菌感染[24]。另一方面会对人体产生危害，例如青霉素、四环素及某些氨基糖苷类抗生素能使部分人群发生过敏反应；磺胺类药物可引起肾损伤；苯并咪唑类抗蠕虫药，通过抑制细胞活性达到杀灭蠕虫及虫卵的目的，具有潜在的致突变性和致畸性等[25-26]。

2.3 增强病菌的耐药性 粪肥施入土壤后，抗生素和粪源微生物可以在土壤中存留数周到数月，但其对土壤微生物的抗性选择压力和基因水平转移导致的抗性基因转移将持续存在[27, 28]。抗生素的持续滥用会不断加强细菌的耐药性，抗病菌也将可能由单一抗药性转变为抗多药性。抗生素抗性基因作为一种新型环境污染物，或将带来不可估量的潜在威胁[29]。

3 兽用抗生素的检测方法

抗生素在给环境和人类健康带来威胁的同时也因其痕量的存在给检测带来一定困难。目前兽用抗生素检测方法有生物学方法(比如微生物测定)，免疫学方法(如酶联免疫法、免疫金标记法等)以及理化分析法。其中微生物法和免疫学方法常用于动物源性食品中抗菌类药物的残留，如蛋、乳、肝脏、肌肉等。在抗生素残留的检测中则以理化分析法为主，包括紫外分光光度法、薄层层析法、毛细管电泳、气相色谱法、高效液相色谱法、气相色谱质谱、液相色谱质谱分析法等。因高效液相与质谱串联技术的高效性和准确性使其在实际样品的检测中得到较为广泛的应用。此外学者们还在研究新的抗生素检测方法，以期找到更为精确、简便的抗生素检测方法。

3.1 紫外分光光度法和毛细管电泳法 Shi Y J等[30]使用紫外可见分光光度计检测抗生素，利用硝化颗粒污泥研究了四环素的吸附、生物降解和短期接触毒性。沈虎琴等[31]通过毛细血管法检测了畜禽粪便中喹诺酮类与四环素类抗生素残留，在12min，内能够实现6种抗生素的完全分离，并且各组分浓度和锋面积的线性关系良好。

3.2 气相色谱(GC)和气相色谱质谱法(GC-MS/MS) 气相色谱法具有选择性好、灵敏度高的特点。夏天骄等[32]采用SPE-GC法检测畜禽粪污中3种四环素类抗生素的残留量，方法检出限分别为0.035、0.037和0.052mg/kg，回收率可达89.7%~9.8%，线性关系良好。但是大多数抗生素具有热不稳定性和非挥发性，利用气相色谱检测通常需要衍生化，延长检测时间的同时，增加了分析误差的可能性，因此GC及GC-MS/MS在粪便中抗生素残留检测方面的应用受到一定的限制[33]。

3.3 高效液相色谱法(HPLC)与液相色谱质谱法(HPLC-MS/MS) 随着联用技术的发展，液相色谱与串联质谱联用的优势显著，也是现阶段最为常用的检测方法。HPLC与高选择性、髙灵敏度的MS/MS结合可以克服背景干扰，对复杂样品仍可达到很高的灵敏度[34]。李艳霞等[35]采用HPLC法检测畜禽粪污中大环内酯类抗生素，方法检出限为19μg/kg，回收率为68%，相对标准偏差为12.3%。Feng Y等[36]建立了猪、鸡以及牛粪便中磺胺噻唑、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲恶唑的HPLC法，方法检出限为0.1~ 1.9μg/kg，量化限制范围为0.3~5.9μg/kg，回收率达62.65%~99.16%。吴丹等[37]采用SPE-HPLC-MS/MS法检测畜禽粪污中的大环内酯类等抗生素。方法检出限和定量限分别为0.01~2.50 µg/kg 和0.05~7.90 µg/kg。Hou J等[38]采用HPLC-MS/MS法检测猪、鸡以及牛粪便中的恩诺沙星、环丙沙星，方法回收率分别为59.2%~73.7%，相对标准偏差为1.3%~5.4%。任君焘等[39]采用HPLC-MS/MS法对山东东营地区猪、鸡、牛粪便样品中的四类抗生素含量进行测定和分析，发现粪便中四环素类抗生素含量最高，氟喹诺酮类和磺胺类抗生素次之，大环内酯类抗生素含量最低。张敏等[40]采用HPLC-MS/MS法测定沼肥中6种喹诺酮类抗生素，结果表明6种喹诺酮类抗生素的检出限为0.5~1.1µg/kg，定量下限为1.7~3.6µg/kg。说明该方法重现性良好，灵敏度、回收率高，检测时间短，适用于沼肥中6 种喹诺酮类抗生素残留检测。

3.4 发展中的检测技术 因传感器技术在保持较强特异性和较高灵敏度的同时，简化了分析过程，加上体积小，便于携带的特点，使其在抗生素残留检测及其他领域的运用越来越广泛。Valérie Gaudin等[41]论述了生物传感器在抗生素检测中的潜在应用、前景和未来发展。李树莹等[42]应用平面波导生物传感器，建立了同时快速检测恩诺沙星和诺氟沙星的方法。研究结果显示，恩诺沙星和诺氟沙星的检测限分别可以达到0.34μg/L和0.14μg/L。首次实现了基于平面波导传感器的两种抗生素同时检测，为利用生物传感器法同时检测多种抗生素提供了理论指导及技术支撑。马文娟等[43]也论述了生物传感器在动物源性食品中抗生素残留检测的研究进展，并指出分子识别元件、转换元件、纳米技术依然是未来传感器发展的主攻方向，为畜禽粪便中抗生素残留检测技术的发展提供了实际的参考。

4 消减畜禽粪污中抗生素残留的措施

4.1 从生产环节控制抗生素残留 针对畜禽产品生产过程中盲目用药的问题，其根本原因出在养殖户科学知识薄弱。要从源头上控制抗生素在养殖中的残留，首先应该提高广大养殖户专业技能和综合素质，加强宣传教育和科学普及，由注重数量型生产转变为注重质量型生产。同时要学习和借鉴国外先进的饲养管理技术，提高饲养管理水平，创造良好饲养环境，为畜禽提供合适的生长、活动空间，减少畜禽患病率，从而避免抗生素等兽药的过量使用。

4.2 完善法律法规，加强监督与管理 完善相关法律，严格规范相关产业是减少兽药残留的有效措施之一。养殖企业可以通过对水质、大气质量、土壤等产地环境的控制，强化内部管理。要做到尽量详细的规定用药量、用药时间、使用方法，把控药物品质，防止药物滥用；限制或禁用人畜共用、具有潜在“三致”作用、可能引发过敏反应等的抗生素药物。

4.3 正确减量使用抗生素 为贯彻十九大精神，推进养殖业绿色发展，农业农村部发布《兽用抗菌药使用减量化行动试点方案》，以加大滥用抗生素的整治力度，药物敏感实验是解决滥用抗生素问题的最佳方案。采用药敏试验，在生物体外测试抗生素对病原菌的抑制效果，筛选最佳抗生素品类，在保证药效的同时，减少用量[44]。此外，还可以采取选育抗病性强的品种；加强饲养管理，改善畜舍环境；加强生物安全措施；消除免疫抑制性因素等方式，从而达到减量使用抗生素的目的[45]。

4.4 应用畜禽废弃物的无害化处理技术 粪便资源饲料化、用于生产有机肥和有机-无机复合肥、作为能源发展沼气和燃料工程等各项应用正逐渐成为新的趋势。目前畜禽粪污资源化技术中，沼气法已经得到了广泛的应用；气化法基于沼气法能源化利用不足，但其能源化比例有所提高；发电利用法有效的实现能源的转换与利用，减少了不可再生能源的消耗，燃烧后灰分还可以加工成有机复合肥。综上所述，畜禽粪污无害化和资源化处理的根本出路还是还田，所以集约化养殖应与农业生态系统相结合。随着我国生物技术水平的不断提高，将生物技术应用到粪便处理技术中从而实现资源的循环利用也将指日可待。

4.5 研发抗生素类药物替代物 鼓励研发兽用抗生素药物替代物，并严格监控耐药性动态。建立和完善兽用抗生素的使用和动物病原菌耐药性动态数据库，提供合理给药方案，根据药物代谢动力学规律科学合理使用药物。探究兽用抗生素在生物体内的代谢情况、在环境中的降解情况和分布规律，以研发新型低残留、无残留兽用抗生素药物。

5 结语

我国畜禽粪污的年产量约38亿t，成为农业面源污染的主要来源。而畜禽粪污用则利、弃则害，随着动物源性食品需求量的增加，抗生素药物的使用不可避免，由其引发的问题也愈发严重。抗生素药物残留问题不仅影响养殖业本身还威胁着人类健康和生态稳定。在畜禽养殖中规范用药细则，建立和完善抗生素残留检测技术和监控体系是防范动物源性食品中药物残留的有效手段，也是保护环境、保障畜禽粪污无害化处理和利用的有效途径。

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（2019–06–04）

国家重点研发计划子课题-养殖粪便和污水中重金属抗生素等有害物质检测技术研究(2016YFD05014072)；山东省农业科学院农业科技创新工程产业重大技术创新（CXGC2016B17）

S851.2+4

A

1007-1733(2019)08-0089-04