利用黑水虻处理畜禽粪便中残留抗菌药物研究进展

谢洁微，胡文锋，李雪玲，胡 斌

（1. 华南农业大学食品学院， 广东 广州 510642；2. 广东省农业科学院动物科学研究所 畜禽育种国家重点实验室广东省动物育种与营养公共实验室 广东省畜禽育种与营养研究重点实验室，广东 广州 510640）

抗菌药物指具有杀菌或抑菌活性的药物，包 括抗生素、磺胺类、咪唑类、硝基咪唑类、喹诺酮类等化学合成药物［1］。 随着畜牧业的集约化发展，大量兽用抗菌药物被用于预防和治疗动物疾病，或用作动物体重增长促进剂［2-3］。 然而，动物机体新陈代谢程度较低，大部分（20%～90%）抗菌药物以母体化合物或生物活性形式通过动物粪便排泄到环境中， 抗菌药物抗性基因 （antibiotic resistance genes，ARGs） 通过频繁插入的方式在粪便中的细菌与临床病原体之间进行传播和沉积［4］，导致超级细菌的出现，因此，牲畜粪便可能成为环境抗性基因污染的潜在来源， 且对环境安全和人类身体健康构成威胁。有研究表明，质粒介导的喹诺酮抗性基因在鸡粪、猪粪和牛粪便中普遍（占总抗性基因的60%） 存在， 抗性基因浓度的总体趋势是鸡粪>猪粪>牛粪［5］；磺胺类、四环素类和大环内酯类药物的耐药基因也常在动物饲养环境中被检测到［6］，因此，采取有效的处理抗菌药物残留措施很关键，动物农场通常使用简单的处理系统，粪便处理方法主要是厌氧消化（anaerobic digestion，AD）、堆肥、湿地或潟湖［7］，此外，有一些去除或减少抗菌药物的新方法，包括活性炭吸附、膜过滤及先进的氧化工艺等［8-12］，但需要先进的技术监督以及巨额费用。 有研究表明堆肥可以有效去除基质中残留的抗菌药物［13-15］，当使用基质中抗菌药物含量为1～150 mg/kg 的牲畜粪便或污泥堆肥时，结果显示，四环素、磺酰胺和大环内酯类抗菌药物的去除率高达70%以上［16］。 堆肥不仅降低了抗菌药物的浓度和生物利用率， 还降低了抗菌药物抗性基因和耐药细菌的丰度， 但成功的堆肥需要足够的氧气、 水分、 碳源和其他养分以满足微生物生长需要，此外，温度、pH 值、水解和吸附动力学是提高堆肥效率的重要因素。 近年来，利用黑水虻（Hermetia illucens）消化有机废物的方式备受关注。 黑水虻能够在短期内利用粪便、 废料或低附加值的材料促进生物积累和蛋白质合成，因此，利用黑水虻幼虫对有机废物进行生物转化被认为是一种经济、可持续且环保的选择，具有促进农业系统循环经济的潜力［17］。另外，在黑水虻幼虫体内没有检测到有机药物的积累， 减少了残留抗菌药物等废弃物对环境的危害。 黑水虻与微生物共同转化畜禽粪便中残留的抗菌药物， 在此过程中黑水虻能更高效地转化有机废物， 黑水虻幼虫肠道微生物是转化有机废物的关键。研究表明，黑水虻幼虫肠道微生物对动物健康和生长有促进作用，然而，这类昆虫对抗菌药物的降解能力、 降解过程和降解机制尚不明确。

1 畜禽粪便中常见抗菌药物残留

我国抗菌药物残留主要来源于施肥土壤、污粪水、畜禽粪便等。目前在畜禽粪便中检测到的残留抗菌药物种类较多，含量可达mg/kg 水平。 表1为近年来不同类型肥料基质中抗菌药物残留情况。 由表1 可知，在粪污及周边土壤中残留浓度较高的抗菌药物，主要是四环素类。另外也有研究表明，相对于磺胺类、喹诺酮类抗菌药物，四环素类积累能力更强，在粪便中的残留量可达12.5 mg/kg，可能与四环素类抗菌药物结构较稳定、 不易被降解等因素有关。 畜禽粪便中残留抗菌药物随有机肥施用、降雨径流和渗透进入周边环境，导致一系列环境污染问题，不仅会殃及土壤和水体、破坏生态环境平衡， 还会引起环境微生物对抗菌药物产生耐药性， 抗菌药物抗性基因将危害动物及人体健康。

表1 施肥土壤、粪污水、畜禽粪便中抗菌药物平均残留浓度

2 降低抗菌药物残留的传统方法

为解决抗菌药物残留污染问题， 国内外研究人员进行了大量探索。 传统的有效处理方法为生物降解和物化降解。 生物降解以微生物降解和植物吸收为主，物化降解主要为光降解、水解和化学氧化降解［20］。目前，去除环境中残留抗菌药物主要采用生物降解中的微生物降解法。 畜禽粪便的生物处理工艺主要经过好氧堆肥或厌氧消化， 将有机污染物转化为H2O、CO2和矿物质等［21］。 微生物群落能够显著影响环境中残留抗菌药物的生物减少率，使用堆肥方法处理抗菌药物发酵残留物，除了使有机废物更安全， 堆肥最终产物还包含大量的有机物和矿物质营养素， 可以将其用作有机肥料［22］。好氧堆肥、厌氧消化的方式可以有效去除抗菌药物残留， 不同处理方法对粪便中抗菌药物的去除率如表2 所示。

表2 不同处理方法粪便中抗菌药物残留的去除率

2.1 厌氧消化

利用厌氧消化， 牛粪中金霉素去除率为83.0%～89.0%，牛粪中泰乐菌素去除率为100.0%。尽管这些发现表明可以通过特定的厌氧消化过程完全去除某些兽用抗菌药物， 但仍缺乏证据说明为什么消化物中仍然存在大多数兽用抗菌药物以及采用什么条件才能完全去除［29］。 厌氧消化不能完全去除兽用抗菌药物和ARGs， 或去除效率很低，需要采用更全面的方法，方法之一就是通过高温好氧堆肥。

2.2 好氧堆肥

适当的处理方式可以减少动物粪便中ARGs污染，好氧堆肥是一种有效的生物修复方法，可用于回收畜禽粪便，不仅可消灭其中病原体，也可将最终残留物作为有机肥料［30］，好氧堆肥是降低抗菌药物残留的有效技术［31］。 当使用含抗菌药物在1～150 mg/kg 的基质牲畜粪便或污泥时， 通过堆肥，四环素类、磺胺类和大环内酯类抗菌药物去除率超过70%。 有研究表明，在最佳预处理条件下，药渣中泰乐菌素浓度降低了97.1%， 通过添加堆肥辅料进行高温堆肥，15 d 后堆肥材料中泰乐菌素的含量低于检测限（<1 mg/kg）。 然而，将堆肥作为唯一的处理方法时， 并不能完全去除发酵残渣中的抗菌药物残留。 堆肥不仅降低了抗菌药物的浓度和生物利用度， 而且降低了ARGs 和抗药性细菌的丰富度［32］。但是，成功的堆肥需要足够的供微生物生长的氧气、水分、碳源和营养物质，此外，适宜的温度、pH 值等亦可提高堆肥效率［33］。 近年来， 黑水虻幼虫将畜禽粪便转化为自身营养物质和生物积累，因成本低、处理时间短、生物处理效率高引起人们广泛关注。

3 黑水虻降低畜禽粪便中残留抗菌药物

为满足人类需求和实现环境的可持续发展，人们开发了一种新的方法， 将昆虫转化粪便这一功能使用到动物饲养系统中。 自然生态系统中有机体分解粪便和其他腐烂有机物， 粪便是这些有机体的主要食物。黑水虻是这些有机体之一，黑水虻幼虫以不同种类的肥料为食， 减少温室气体排放， 黑水虻幼虫处理的粪便中温室气体排放比料堆堆肥低47 倍。 黑水虻是一种腐生昆虫，能够消化餐厨垃圾、畜禽粪便等有机物。基于生物学特性和摄食习惯，昆虫已被广泛用于处理工业、农业、家庭和其他领域有机废物， 以实现综合资源利用和环境可持续发展［34］。 通过生物转化，有机废物被消化并转化为幼体有机物如蛋白质、脂质等［35-36］。黑水虻幼虫的利用价值已在饲料加工、工业、保健、医药领域得到验证［37-40］，具有广阔的发展前景。与堆肥相比，利用黑水虻幼虫处理粪肥的潜在优势包括能够减少粪肥量以及粪肥中某些重金属、抗菌药物和病原微生物，提高幼虫生物量和蛋白质含量，提供生物柴油来源，降低粪肥污染对环境的不良影响。

黑水虻幼虫可以抑制3 种药物（卡马西平、罗红霉素和甲氧苄啶）和2 种农药（阿唑菌素和丙环唑）进入环境，5 种物质的半衰期在添加黑水虻幼虫处理下均比未添加的对照组短（见表3）。 此外，有研究发现黑水虻幼虫能够有效降解霉菌毒素、农药［41］、黄曲霉毒素B1［42］、四环素［43］和其他有机药物。幼虫组织中没有发现有机药物积聚，减少了有机废物对环境的危害。

表3 5 种物质半衰期变化

关于黑水虻幼虫对四环素的生物学机制和降解途径的研究表明，在非无菌黑水虻幼虫处理系统中，将近97%的四环素在12 d 内被降解，比普通堆肥快1.6 倍，四环素的快速降解主要是通过幼虫肠道微生物群进行，其降解速率比无菌BSFL 系统提高了1 倍。通过对四环素的体外降解分析，确定了4 种可能的生物降解产物、2 种水解产物和3 种可能的失活产物， 即四环素的降解反应包括水解、氧化、脱氨、去甲基化、裂解环和修饰［43］。

黑水虻幼虫可以有效降低土霉素母体化合物。用3 日龄黑水虻幼虫对残留抗菌药物进行8 d的处理，试验结束后，土霉素对幼虫的发育无明显影响［44］，幼虫对初始浓度分别为100、1 000、2 000 mg/kg （干重） 土霉素的降低率分别为82.7%，77.6%、69.3%， 效率远高于未添加幼虫的对照组（19.3%～22.2%），主要归因于黑水虻幼虫肠道微生物，并且幼虫组织中未检测到土霉素。尽管幼虫的肠道微生物受到土霉素的影响， 但它们适应了改变的环境， 幼虫肠道内的肠球菌和放线菌等对暴露的抗菌药物有强烈的抵抗， 尤其是肠球菌能够有效降解土霉素的四环素酶修饰基因宿主， 这说明土霉素可以被有效降解， 同时证明黑水虻幼虫对抗菌药物污染具有生物修复作用。 与其他微生物降解方法相比， 通过黑水虻幼虫降解土霉素是减少或消除环境中残留抗菌药物污染的更实用、更经济解决方案。 研究发现黑水虻幼虫具有耐受一定水平的磺酰胺污染的能力［45］。

添加黑水虻幼虫处理有机物， 半衰期较未添加幼虫明显缩短， 且未发现任何目标物质在幼虫中有生物积累［46］。因此，利用黑水虻对不同有机废物组分进行堆肥处理， 可降低药物和杀虫剂在环境中传播的风险。

4 添加黑水虻幼虫降低抗菌药物残留的前瞻性及思考

由于全球人口数量剧增，特别是发展中国家，人类食物包括动物饲料需求增加， 动物活动的增长导致固体废物（尤其是粪便）的产生显著增加。近年来， 使用昆虫幼虫将经济价值低的废物转化为具有市场价值产品的趋势日益明显， 将黑水虻作为动物饲料既能解决食物短缺难题， 又可变废为宝、保护环境。 此外，利用黑水虻消化动物粪便可有效减少粪便中抗菌药物、 重金属等污染物的含量， 控制动物饲料中重金属的添加和兽药的使用，不断监测动物粪便中有毒金属的含量，以减少这些外来物质在幼虫和鱼类体内的生物积累。 最后，利用蝇蛆进行粪便生物转化，在未来可能成为处理和回收动物粪便的生态且可行的选择。 大规模系统开发、 遗传改良和对黑水虻幼虫的微生物操作可以提高养分产量， 同时减少废弃物中污染物的排放而不影响产品质量（黑水虻幼虫生物量和生物肥料）。 由于底物转化的高效率、快速生长和易于繁殖，黑水虻可解决2 个全球性问题：有机废物管理和动物蛋白生产的替代方法。已有研究评估了黑水虻幼虫对药物和杀虫剂（包括罗红霉素和甲氧苄啶）降解的影响，发现与对照处理相比，黑水虻幼虫能够大幅度减少这些有害化合物含量，且幼虫生物体未检测到残留。 对于另一类抗菌药物——磺胺类，当其生物积累在浓度0.1～10 mg/kg时，磺胺甲噁唑和磺胺间甲氧嘧啶均无积累［40］；而当底物浓度为1～10 mg/kg 时， 磺胺嘧啶会在幼虫体内积累。综上所述，利用黑水虻幼虫处理畜禽粪便中残留的抗菌药物具有高度前瞻性， 降低抗菌药物向环境传播的风险。然而，当幼虫处理含有高浓度外来生物制剂（例如磺胺嘧啶） 的有机废物时，一些化合物可能会在幼虫体内积累，同时可能会产生抗性基因和细菌耐药性等不良影响。

5 总结与展望

利用黑水虻和家蝇幼虫进行生物转化， 可以减少一些重金属、抗菌药物、病原体和动物粪便排放的温室气体，并将其生成为幼虫自身生物量（高蛋白质和脂肪含量）和生物肥料，促进循环经济和养分循环农业生产系统运作。 这种昆虫对有机废弃物的降解能力、降解过程和降解机制尚不明确，然而在利用黑水虻幼虫进行生物转化， 动物粪便残留的抗菌药物会限制幼虫将废弃物作为饲料，例如，某些金属（特别是镉）的生物积累、抗菌药物（磺胺嘧啶）的存在以及可转移到幼虫体内的病原微生物等。关于对环境的影响，与其他来源的蛋白质和石油相比， 能源使用类别和全球变暖潜力更高。 另一方面，蝇蛆粪可根据浓度浓缩某些金属，如铅， 并含有昆虫幼虫无法降解的残留抗菌药物和病原体。可通过后续加工如微波、高温或热风等方式对黑水虻幼虫进行生物转化后处理， 还可以利用堆肥处理黑水虻幼虫残渣， 保证饲料的安全性和提高黑水虻幼虫的利用率、使用价值。