堆肥消減畜禽糞便中病原微生物及抗生素殘留的研究進展

李霞+鄧立剛+王峰恩+李騰+鄔元娟+王文正

摘要：隨著我國畜禽養殖業的規模化發展，畜禽糞便排放量急劇增加，其中含有大量的病原微生物及抗生素殘留，如不進行處理會對人類健康和生態環境造成嚴重威脅。堆肥技術能有效去除畜禽糞便中大部分病原微生物及抗生素殘留。本文對畜禽糞便中病原微生物、抗生素殘留以及堆肥對病原微生物及各類抗生素的消減情況進行了總結，并對今后堆肥的研究方向提出了建議。

關鍵詞：畜禽糞便；堆肥；病原微生物；抗生素；殘留；消減

中圖分類號：S141.4 文獻標識號：A 文章編號：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

隨著我國畜禽養殖業的快速發展，畜禽糞便產生量迅速增加，嚴重影響畜禽產業和生態環境的可持續發展。據統計，我國主要畜禽糞便的產量自1978年以來增長迅速，至1999年已達到24.04億噸[1]，此后穩中有升。近年來，我國畜禽養殖總量不斷上升，每年可產生約38億噸畜禽糞便。許多大中型畜禽養殖場并未對畜禽糞便進行無害化、資源化等處理，便直接施于農田或隨污水進入水體，一方面污染了周邊環境，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田的生態環境平衡，對農產品質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用之前，對其進行堆肥處理，利用微生物發酵將畜禽糞便中復雜的有機物分解為腐殖質，并在分解過程中產生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研究情況進行綜述，為今后開展更為深入、有效的研究提供參考。

1 畜禽糞便中病原微生物及抗生素殘留情況

1.1 畜禽糞便中的病原微生物殘留

畜禽體內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1 000 mL沉淀池污水中含有190多個蛔蟲卵和100多個線蟲卵[2]，且多數致病微生物及寄生蟲卵在未經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個月才可以達到排放標準，沙門氏菌需要4～5個月，蛔蟲卵死亡率達到90%則需要10個月[3]。當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，甚至可能引發嚴重疾病[4]，如李氏桿菌不僅能引起牛、羊流產及死胎，還能感染嬰兒、孕婦、老年人及免疫功能不全的人，引發敗血病、腦膜炎等[5]。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，降低畜禽養殖的經濟效益，還會威脅人類健康，引發重大公共衛生事件。而采用高溫堆肥技術既可以殺死其中的病原微生物、寄生蟲卵等，達到無害化處理的目的，還能生產功能性有機肥料，從而實現資源化利用。

1.2 畜禽糞便中的抗生素殘留

自20世紀50年代美國FDA首次批準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殖業。獸用抗生素不僅可以治療和預防動物疾病，還可以作為生長促進劑添加到飼料中。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，飼料廠和養殖場的生產規模不斷擴大，在經濟利益的驅動下，為了預防疾病的爆發和促進動物生長，抗生素被廣泛使用。中國科學院廣州地球化學研究所發布的一項研究結果顯示，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殖業，四環素類、喹諾酮類、大環內酯類、磺胺類等應用較廣泛。當抗生素進入動物體內后，僅有少部分參與機體代謝發揮藥效，其余30%～90%以母體或代謝物的形式隨糞、尿排出體外[6]。Zhao等[7]對我國8個省的大型畜禽養殖場的143個畜禽糞便樣本進行分析，發現，豬、牛糞中環丙沙星、恩諾沙星、四環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1420.76 mg/kg。Pan等[8]對山東省21家規模化養豬場的126個豬糞樣本的抗生素進行調查，結果顯示，四環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[9]從7個省、市、自治區的養豬和養雞場采集了55個樣本，分析結果表明豬糞中土霉素和金霉素的殘留量遠高于雞糞，其最高含量分別達134.75 mg/kg和121.78 mg/kg，經濟發達地區的獸藥殘留明顯高于其他地區。

抗生素的大量使用導致動物機體的免疫力下降，影響體內有益菌群的生成，致使大腸桿菌、沙門氏菌等細菌病頻發；同時也會引發細菌耐藥性，增加超級細菌產生的風險。據報道，2014 年全球有70萬人因抗生素耐藥性的產生而死亡[10]。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，對土壤生態系統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，降低土壤養分循環效率，還會對一些植物產生不同程度的生態毒理學效應，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[11]。

2 畜禽糞便堆肥過程中病原微生物的消減

國內外學者在堆肥消減畜禽糞便中病原微生物方面進行了大量研究，發現堆肥能夠殺滅畜禽糞便中絕大多數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天以內滅活[12，13]，李氏桿菌在堆肥14天后也能達到檢測不到的水平[14]。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[16]對雙流縣的5個規模化養豬場糞便無害化處理系統進行取樣，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現，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[12]，而55℃只需要2～3天[13]。Millner等[14]研究牛糞堆肥對病原菌的消減作用時，同樣發現堆肥溫度越高，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[15]。

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[17]在對牛糞進行堆肥時添加了不同濃度的石灰氮，結果表明在較低溫度下，石灰氮表現出很好的抑菌效果，50℃以上時，高溫作用就能殺死大腸桿菌，導致石灰氮效果不明顯。Vinneras等在用牛的糞尿及鋸末進行堆肥時，向肥堆中加入不同濃度的尿素，尿素在酶的作用下分解產生氨氣，一方面使肥堆的pH值升高，另一方面發揮了除菌效果，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[18-20]，促進肥堆中致病微生物及蟲卵的去除。

3 畜禽糞便堆肥過程中各種抗生素的消減

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境的污染，現將畜禽糞便中檢出率較高的四環素類、氟喹諾酮類、磺胺類、大環內酯類4類抗生素在堆肥過程中的去除情況進行綜述。

3.1 四環素類抗生素

四環素類抗生素家族包括四環素、土霉素、金霉素、地美環素、美他環素、多西環素等天然和半合成抗生素，與其他類抗生素相比，四環素類抗生素在我國及世界畜禽養殖業中實際使用量均最大[21]，因此四環素類抗生素在畜禽糞便中的檢出率和檢出濃度均較高，關于四環素類抗生素去除方面的研究也最廣泛和深入。田哲等[22]將近年來各國學者對堆肥去除畜禽糞便中四環素類抗生素的效果進行了總結和比較，發現堆肥化處理可有效消減畜禽糞便中的四環素類抗生素，并且對抗性基因的擴散和傳播具有一定的控制效果。Arikan等[23]用含土霉素的牛糞和稻草、木屑一起進行避光、好氧堆肥，發現在堆肥第6天時土霉素含量就下降了95%，堆肥結束時去除率超過了99.8%。匡光偉等[24]用含土霉素和金霉素的新鮮雞糞在自然光照下進行堆肥，兩種抗生素在15天內的平均降解率均在90%以上。Bao等[25]研究堆肥去除畜禽糞便中四環素類抗生素時則發現，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，四環素類抗生素的降解率也越高[21]，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素類藥物的消減效果，匡光偉等[24]用含土霉素和金霉素的新鮮雞糞在避光和自然光照下進行堆肥，在避光條件下，兩種抗生素在15天內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、鋸末等也能促進四環素類藥物的降解。肖禮等[26]研究發現在豬糞堆肥過程中添加白腐真菌能夠加快堆肥中四環素降解速度，可能是白腐真菌加速了木質素、纖維素分解，從而提高了堆肥質量。此外，白腐真菌所分泌的木質素過氧化物酶和錳過氧化物酶能夠直接降解四環素[27]，從而進一步加速了畜禽糞便中四環素類藥物的降解。除了添加菌劑，堆肥時加入鋸末也能促進四環素的降解，Kim等[29]研究發現，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品，包括諾氟沙星、氧氟沙星、環丙沙星、洛美沙星、恩諾沙星等。與四環素類抗生素相比，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[30]的研究結果表明，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[31]研究了豬糞堆肥對環丙沙星等抗生素的去除效果，發現與金霉素、磺胺嘧啶相比，環丙沙星在堆肥過程中較難去除，經過56天的堆肥，環丙沙星的殘留量仍有17%～31%。高溫堆肥未能實現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行更深入的優化和研究。

研究發現，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[30]。白腐真菌在液體介質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天內將介質中的喹諾酮類抗生素完全降解[32]。Prieto等[33]研究發現變色栓菌可以在7天里降解90%以上的環丙沙星和諾氟沙星。Yu等[34]研究了雞糞中各種抗生素經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、性質穩定、使用方便、價格低廉等優點，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，堆肥便能實現畜禽糞便中磺胺類藥物的高效去除。Yu等[34]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。研究人員對豬糞進行高溫堆肥時發現，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[35，36]。此外，畜禽糞便堆肥時的各個物理化學指標，如pH值、溫度、總有機碳、總氮、總磷及金屬離子含量等對其中抗生素含量都有影響[34]。Kim等[29]的研究證明豬糞不加鋸末進行堆肥時，堆溫只有30℃左右，磺胺甲嘧啶在35天的堆肥期內基本未降解，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[37]對火雞糞便進行堆肥，考察其中各種抗生素的消除情況，經過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，尋找能夠促進畜禽糞便中磺胺類抗菌素快速降解的因素，對實現畜禽糞便的無害化、資源化處理意義重大。

3.4 大環內酯類

大環內酯類抗生素是由鏈霉菌產生的廣譜抗生素，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，還能起到促進生長、增重、增產的作用，常用的有紅霉素、泰樂菌素、替米考星等。Yu等[34]研究雞糞堆肥中各種抗生素的去除情況時發現，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[29]研究豬糞堆肥過程中泰樂菌素等的降解情況，發現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的泰樂菌素經過5天的堆肥便降到1 mg/kg。而Dollive等[37]對火雞糞便進行堆肥發現，初始濃度為3.7 mg/kg的泰樂菌素經過35天的堆肥，還有約40%的剩余。豬糞、雞糞中的磺胺類及大環內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所致。

4 總結與展望

畜禽糞便中含有大量的病原微生物及抗生素殘留，如不經處理或簡單處理便施用于土壤，會給人類健康帶來較大風險，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及堆肥過程的影響，某些抗生素還達不到高效去除的要求，且對于容易降解的抗生素，其降解產物的毒性及其對環境的效應同樣不可忽視。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 開發能夠促進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，進而提高抗生素的降解率。之前的研究發現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實現各種氟喹諾酮類抗生素的完全降解。篩選研發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配菌劑，對實現畜禽糞便安全高效利用意義重大。

4.2 加強堆肥過程中各種抗生素降解產物的研究

目前畜禽養殖中使用的抗生素種類繁多、作用機制各異，已有的研究遠不能反映各種抗生素在環境中的殘留與降解狀況，且以往的堆肥研究更多關注各種抗生素母體的降解，而對其降解產物的毒性及對環境的效應研究相對較少。因此在以后的研究中，不僅要關注堆肥時各種抗生素的降解率，還要監測各種降解產物的情況，真正實現畜禽糞便無害化處理。

4.3 與其他堆肥技術組配，進行畜禽糞便高效利用的技術示范

目前關于畜禽糞便堆肥的研究大多只關注其中的某類有害物質，如病原微生物、抗生素、殺蟲劑或重金屬等，而這些有害物質在畜禽糞便中共同存在，因此未來的堆肥研究應該將消減病原微生物、各類獸藥、重金屬等的各種技術進行組配，開發能夠綜合消減各種有害物質的堆肥技術，并進一步與固液分離、廢水資源化利用、功能性生物肥料及基質產品開發等技術進行集成，從而建立畜禽糞便資源化高效利用技術示范。

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