畜禽糞便中氮磷及抗生素的高效檢測方法研究進展

郝斯貝,劉成斌,陳曉燕,毛 舜

畜禽糞便中氮磷及抗生素的高效檢測方法研究進展

郝斯貝,劉成斌,陳曉燕,毛 舜*

(同濟大學環境科學與工程學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092)

本文對目前糞便中氮磷和抗生素的常規檢測方法和前沿檢測技術進行了介紹,討論了這些方法的技術瓶頸和未來研究方向,并得出以下結論:1)糞便樣品的常規檢測方法具有準確度高、靈敏度好的特點,但需要在專業實驗室進行或需要使用大型儀器,難以滿足原位快速檢測或在線監測的需要,因此糞便中氮磷、抗生素檢測新技術的研究十分必要;2)糞便中的氮磷、抗生素等成分可通過前處理方法提取,再結合簡單、便捷的電化學法、熒光法等對其進行檢測,以實現快速、原位分析或在線監測;3)糞便中污染物的高效檢測技術在未來的發展空間和需求較大,將電化學法、熒光法等應用于糞便中氮磷、抗生素的檢測需要持續深入的基礎研究和技術創新.

畜禽糞便；氮；磷；抗生素；高效檢測方法

畜禽糞便常通過堆肥處理施用于農田,但糞便中常含有氮磷等營養物質或抗生素等殘留物,容易造成土壤或者地下水污染.《第二次全國污染源普查公報》[1]數據顯示,通過對涉及全國2981個畜禽養殖業的區縣、37.88萬個畜禽規模養殖場的污染普查,2017年畜禽養殖業的排放污染物中含氨氮11.09萬t、總氮59.63萬t、總磷11.97萬t;其中,畜禽規模養殖場排放污染物中含氨氮7.50萬t,總氮37.00萬t,總磷8.04萬t.

當水中富含氮、磷元素時,會引起富營養化;氮、磷元素在土壤中形成硝酸鹽和磷酸鹽類物質,長時間的積累易破壞土壤結構,滲透進地下水造成污染[2-3].抗生素在畜禽養殖業中主要用于疾病治療或促進生長,研究表明,我國畜禽養殖業每年使用的抗生素量約占全世界總量的70%[4].但畜禽僅能吸收少量抗生素,大部分隨糞便排出體外,進入水環境和土壤中,引起環境中細菌等微生物產生耐藥性,或被植物或水生生物吸收積累,或通過食物鏈進入人體體內,危害人類生命健康.因此,對于畜禽糞便中氮磷、抗生素的監測具有重大研究意義[5].

目前,關于禽畜糞便中氮磷的檢測方法主要是參考我國行業標準《有機肥料(NY525-2012)》[6]中總氮、總磷的實驗室化學分析方法.實驗室化學分析法由于靈敏度較低,且檢測需要使用化學試劑,不適合進行原位、在線檢測.近紅外光譜法相較于實驗室化學分析方法具有綠色環保和可在線分析的特點,但其目前主要用于評估預測,準確度仍有待提高[7].液相色譜法是抗生素的標準檢測方法,對于復雜基質具有較好的分離效果,與不同檢測器聯用可達到準確的定性定量分析;但色譜法需使用大型儀器設備,無法現場作業[8-9].隨著對快速、靈敏、可現場部署、可在線監測和廉價傳感器的需求不斷增加,氮磷、抗生素的電化學、熒光檢測方法[10-13]近年來得到了廣泛關注和研究.相對于傳統的檢測方法,這類方法具有更低的檢測限、更短的檢測時間且操作便捷.作為前沿檢測方法,電化學法和熒光法已被廣泛應用于各種介質中的氮磷和抗生素檢測,但其在糞便樣品分析中的應用很少.對于糞便樣品分析,可通過前處理提取其中的氮磷和抗生素,再利用電化學法、熒光法對其進行檢測.因此,電化學法、熒光法在糞便中氮磷、抗生素的快速分析中具有很大應用潛力.

本文主要綜述了近年來糞便中氮磷和抗生素的檢測方法研究進展,其中包括了氮磷和抗生素的標準檢測方法和新型檢測方法,如近紅外光譜分析法、液相色譜法等.并對應用于其他介質中的電化學及熒光等氮磷和抗生素檢測方法進行了介紹,評價了其在糞便檢測中的應用潛力.

1 氮、磷檢測方法

糞便中氮磷的檢測主要包括實驗室化學分析方法和近紅外光譜分析法.另外,電化學分析法也被用于氮磷檢測,并在糞便樣品的氮磷檢測中展現了很大應用潛力.

1.1 氮、磷的標準檢測方法

目前對糞便中氮、磷的測定暫無國家標準,主要是參考NY 525-2012標準[6]中有機肥料中總氮、總磷的檢測方法.NY 525-2012總氮的測定方法是基于凱氏定氮法,主要包括3個步驟:消解、蒸餾、滴定.通過濃硫酸—過氧化氫消解樣品,大多數有機含氮樣品經消解轉化為銨態氮,然后將堿化后蒸餾出來的氨用硼酸溶液吸收,以標準酸溶液滴定[14].關于磷的測定,標準中的測定方法是鉬酸銨分光光度法.其原理是將有機含磷樣品經過硫酸和過氧化氫消煮,在一定酸度下,待測液中的磷酸根離子與偏釩酸和鉬酸反應形成黃色三元雜多酸.因在一定濃度范圍內,黃色溶液的吸光度與含磷量成正比例關系,可用分光光度法定量測定;其主要測定物為總磷.目前研究中,許多工作參考以上標準方法對區域養殖場的畜禽糞便氮磷含量進行檢測.如郭建鳳等[15]、黃紅衛等[16]通過利用凱氏定氮法檢測了養殖場畜禽糞便中氮磷含量.凱氏定氮法雖能有效的檢測糞便中總氮含量,但其需要使用許多化學試劑,且前處理過程較為復雜,耗時長.

杜馬斯燃燒法是應用較多的另一種總氮檢測法,其原理是:樣品在900~1200 ℃高溫下燃燒,產生混合氣體,其中的干擾物被吸收劑吸收,而氮氧化物被全部還原成分子氮,隨后被熱導檢測器檢測[17].相對凱氏定氮法,其效率更高,每次測試只需幾分鐘;不使用化學試劑,綠色無害;其檢測的氮不僅包括有機氮還包括無機氮,如亞硝酸鹽及硝酸鹽類,測總氮時更精準[18].沈秀麗等[19]的研究表明,杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法檢測蛋雞糞、肉雞糞、豬糞、奶牛糞和肉牛糞中氮含量的準確性沒有顯著差異.

以上實驗室化學分析主要還是以NY 525- 2012[6]中的檢測方法為主,這類方法雖然精度較高,但耗時費力且無法進行原位快速檢測或長期監測.因此,近紅外光譜分析法作為一種高效、快速的氮磷檢測方法,近年來受到研究者的關注.

1.2 近紅外光譜分析法

基于耗時短、綠色環保、可在線分析及遠程監控的特點,近紅外光譜分析技術(NIRS)在近幾年發展迅速.NIRS的原理是:在波長為780~2526nm范圍,通過投射、漫反射的方式獲取樣品成分在近紅外區含氫鍵基團化學鍵振動產生的吸收光譜;其不同光譜區域信號體現不同物質的信息,可根據光譜的形狀與位置分析待測物的化學結構,并通過吸收峰的強度確定待測成分含量[20].將NIRS分析技術與偏最小二乘回歸法(PLS)、人工神經網絡法(ANN)等現代分析技術結合,建立光譜與待測物質成分之間的線性或非線性模型,從而實現利用NIRS技術對糞便中成分的檢測[20-21].

Saeys等[22]通過實驗室化學分析法測出樣品中總氮、總磷的真實值,再利用NIRS評估豬糞中總氮、總磷含量,然后利用PLS法,對總氮、總磷的真實值與光譜之間的關系進行分析,建立模型,并使用單次交叉驗證技術進行校準.利用2003年春季從不同的農場收集的一組豬糞樣本驗證了模型的準確性.其評估2003年豬糞樣品總氮的相關系數(預測值與真實值之間的相關系數2)為0.86,相對分析誤差(RPD)為2.63(RPD主要用于衡量模型計算值的精準度, 23表明計算值精準度高).通過對2004年春季收集的一組豬糞樣本作為標樣, Bastianelli等[23]也提出NIRS可以準確的預測畜禽糞便中的化學成分,其中總氮的2= 0.89,RPD為2.8.NIRS研究主要采用傳統的線性回歸方法建立畜禽糞便中養分含量與光譜信息之間的校正模型,如PLS.Chen等[24]提出了一種非線性方法,利用非線性校正模型ANN校正,評估家禽糞便中的營養物質,并將ANN與PLS方法進行對比.結果表明,PLS法對氨氮、總氮、總磷的預測RPD為2.62, 2.75, 2.01,相關系數為0.88,0.88,0.80; ANN法對氨氮、總氮、總磷的預測RPD為3.02, 3.41,2.71,相關系數為0.90,0.92,0.86;即ANN法相較于PLS法更能準確的評估畜禽糞便中的氮、磷含量.Tamburini等[25]在2015年報道了一種傅里葉變換近紅外(FT-NIR)光譜法,以確定不同類型家禽糞便中的總氮.該研究從意大利東北部的農場獲得了涵蓋各種家禽類型和不同飼養條件的樣本,在實驗室進行了校準和驗證;其校準總氮的相關系數為0.94,驗證的總氮相關系數為0.82,并將儀器放置在特殊車輛中可實現原位在線檢測.

NIRS技術通過建立模型來檢測糞便中的氮磷等成分,耗時短,且不需要對樣品進行復雜的前處理過程,可實現多種成分同時檢測、在線分析和遠程監控,但也具有一定的缺陷.如模型的相關系數仍有待提高;不同地點、不同時間需要建立不同的模型,且需要不斷維護更新來確保其準確性;構建一個模型前,常需要大量的樣品數據進行支撐.

1.3 電化學分析法

電化學分析法具有操作簡單、檢測限低等優點,被廣泛應用于環境樣品中的氮、磷檢測.但糞便是一種復雜基質,含有多種背景物質(如無機物、有機物和生物物質等),這些物質的存在會影響電化學分析法的靈敏度和準確性.因此,電化學分析法在糞便樣品的氮、磷檢測中應用較少.將畜禽糞便樣品置于風干盤中,剔除毛發、石塊等雜物,經風干、研磨,過篩,得到均勻樣品;再對樣品消解,提取其中的氮、磷等元素.如通過濃硫酸和過氧化氫消解樣品,可將糞便中的大多數有機含氮轉化為銨態氮;經過硫酸和過氧化氫消煮,可將有機磷轉化成磷酸鹽[6];然后再結合電化學檢測方法,即可對糞便中氮、磷進行分析檢測.

電化學法是基于檢測物在電化學反應過程中產生的電流、電阻或電位的變化進行檢測,其核心是電極材料和探針的選擇,這決定著傳感器的穩定性、靈敏度等.電化學法檢測環境中的氮,主要是檢測NH4+、NO3-、NO2-這3類含氮離子;其中NO3-、NO2-較容易氧化還原轉移電子,一般可采用直接檢測法,該類物質檢測限大部分都已達到μmol/L甚至nmol/L級別.酶、離子載體、絡合基團等都是檢測這類物質常見的探針[27-29].另外,環糊精,噻唑苯并冠醚乙胺-硫辛酸等都曾被作為離子載體檢測NH4+.其中,基于環糊精的伏安法傳感器的檢測線性范圍是4.2~66.0μmol/L[30];而噻唑苯并冠醚乙胺-硫辛酸(TBCEAT)伏安法傳感器的檢測線性范圍是1~105μmol/L[31];納米銅-聚苯胺納米復合材料離子印跡聚合物(IIPs)化學傳感器[32]檢測NO3-的檢測限為5μmol/L.貴金屬、過渡金屬或過渡金屬氧化物因其具有較強的催化活性常被用作電極材料或修飾在電極上用于檢測含氮物質.有研究表明在鉑電極上修飾ZnO檢測NO3-的檢測限可達到0.018μmol/L[33]; Cu-Ni[34]和Cu-Pd[35]等作電極時,檢測限可達到′10-6級.具有較好的導電性及化學穩定性的碳材料及具有良好電子特性的納米材料也被廣泛應用于NO3-、NO2-檢測,Chen等[26]構建了基于還原氧化石墨烯(rGO)納米片的場效應晶體管傳感器(圖1),使用芐基三乙基氯化銨(TEBAC)作為探針檢測NO3-,檢測限可達到0.02μmol/L,且檢測時間僅需2~7s.此外,也有研究將納米金屬(金納米顆粒/AuNPs、銀納米顆粒/AgNPs)[36-37]負載在石墨烯表面檢測NO2-. Zhao等[38]利用一種射線輻照法制備納米銀功能化石墨烯復合材料檢測NO2-,其檢測限為0.24μmol/L.

與硝酸鹽、亞硝酸鹽不同,磷酸鹽因很難被氧化,因此其電化學傳感檢測一般使用間接檢測法,即利用磷酸鹽的存在影響原體系氧化還原反應中電子的轉移從而達到檢測目的.如有研究利用雙硫脲冠醚作為受體檢測,通過H2PO4-與其結合影響亞鐵氰化鉀的氧化還原反應中電子轉移,從而進行檢測,其檢測限為165μmol/L[39].Cinti等[40]利用鐵氰化鉀作為電子轉移中間體檢測磷酸鹽,其檢測限為4000μmol/L,線性范圍為4000~300000μmol/L.He等[41]利用一步水熱法合成納米級水合鎳氫氧化物電極檢測磷酸鹽,在電極靈敏度為210μA×L/ (mmol·cm2)時,其檢測限為0.42μmol/L,線性范圍10~ 50000μmol/L,響應時間為6s;在電極靈敏度為87μA×L/(mmol·cm2)時,其檢測限為0.36μmol/L,線性范圍2~5650μmol/L,響應時間為8s. Sun等[42]提出了一種通過無定形磷化鈣(CaP)相變時配位羥基的氧化直接檢測磷酸鹽的電化學方法.該方法在全氟聚合物涂層的玻碳電極上原位形成CaP和磷酸八鈣(Ca8(HPO4)2(PO4)4·5H2O)涂層.磷酸鹽離子作為質子受體可以促使CaP中的配位水(H2O)生成配位羥基,另外由于Ca2+與H2O的水合作用,會增加配位H2O源.該電極在電壓為1.0V處產生明顯的氧化峰;該方法檢測限可達到0.053μmol/L,線性范圍為10~ 1000μmol/L.

圖1 場效應晶體管傳感器結構示意及其對NO3-離子的動態響應信號

NO3-濃度：0.0028mg/L、0.028mg/L、0.28mg/L、2.8mg/L、28mg/L

表1 氮、磷的檢測方法

續表1

注:RPD:相對分析誤差; RSD:相對標準偏差.“-”表示無此項,下同.

表1為氮、磷檢測方法匯總.標準檢測方法的前處理較為復雜,需要使用消解劑或提取劑,耗時長;NIRS樣品準備簡單,檢測速度快,可同時實現多成分檢測,但其準確度仍有待提高;電化學法相較于另外兩種檢測方法,檢測限低,可達到μmol/L級別,選擇性高,但無法實現多種物質的同時檢測且構建方法種類繁多,無統一標準.

2 抗生素檢測方法

畜禽糞便中抗生素類物質的常規檢測方法主要是高效液相色譜法及液相色譜與其他檢測技術聯用.電化學分析法和熒光檢測法由于其優異的抗生素檢測能力,在畜禽糞便中抗生素類物質的檢測中具有很大應用潛力.

2.1 液相色譜法

液相色譜以液體為流動相,具有不同極性的單一溶劑或不同比例的混合溶劑、緩沖液等流動相流入固定相的色譜柱,在柱內各成分被分離后,進入檢測器進行檢測,從而實現對試樣的分析.高效液相色譜法是液相色譜法中的一種,主要是流動相通過高壓泵輸入色譜柱,其對于復雜基質具有較好的分離效果,并能準確的定性定量分析,因此被廣泛應用于糞便中抗生素的檢測.目前對于糞便中的抗生素檢測主要是依據《有機肥料中土霉素、四環素、金霉素與強力霉素的含量測定高效液相色譜法》(GB/T 32951-2016)[43],其檢測限分別為:土霉素750μg/kg、四環素750μg/kg、金霉素1000μg/kg、強力霉素750μg/kg.

利用液相色譜法檢測糞便中抗生素的殘留量,抗生素的提取是至關重要的步驟,提取劑和提取方法直接關系檢測結果的準確性[44].喹諾酮類抗生素樣品預處理過程中,需將樣品pH值調節至酸性條件,因此提取劑一般使用弱酸性緩沖溶液.另外,喹諾酮類與四環素類抗生素易于與EDTA螯合,使抗生素從基質中脫落,因此提取劑主要以EDTA-Mcllvaine緩沖液為主,其他還包括檸檬酸、乙酸等.夏天驕等[45]以EDTA-Mcllvaine緩沖液作為提取劑檢測豬糞樣品,回收率為89.7%~96.8%.

糞便中抗生素的提取方法主要包括加速溶劑萃取法、超聲萃取法以及震蕩提取法.常利用固相萃取法來凈化抗生素提取液,并以極性較大的甲醇或極性較小的二氯甲烷、乙酸乙酯作洗脫劑將抗生素從吸附柱上洗脫.李艷霞等[46]利用加速溶劑萃取法提取,并通過固相萃取凈化多種抗生素,回收率為58%~101%.羅慶等[47]利用固相萃取法-高效液相色譜檢測糞便中的羅紅霉素、土霉素、四環素、金霉素的殘留量,檢測限為60~380μg/kg.

此外,液相色譜法與質譜法(LC-MS)[48-49]、熒光檢測法(LC-FLD)[50]或二極管列陣檢測法(LC- DAD)[51]聯用也是檢測糞便中抗生素應用較多的方法.聯用技術相對于高效液相色譜法(HPLC),靈敏度更高.王麗等[48]利用HPLC-MS/MS檢測豬糞、雞糞中的四環素類、氟喹諾酮類和磺胺類抗生素,其檢測限分別為30.25~7.18, 0.15~3.16和0.04μg/kg.劉博等[52]利用HPLC-FLD檢測了北京5個養雞場中雞糞樣品中6種氟喹諾酮類抗生素,其檢出限為2~ 22μg/kg(表2).

表2 抗生素的液相色譜檢測法

注:TCs:四環素類;SAs:磺胺類;FQs:氟喹諾酮類;MAs:大環內酯類;OTC:土霉素;TTC:四環素;CTC:金霉素.下同.

2.2 電化學分析法

電化學分析法被廣泛應用于多種介質中抗生素的檢測,其相較液相色譜法及其聯用技術等大型儀器法更加便捷、簡單.通過適當的提取劑、提取方法對樣品進行處理,并利用固相萃取等方法凈化,便可獲取糞便中的目標抗生素,從而利用電化學方法進行檢測分析.

電化學法中常用的探針主要有酶、適配體以及分子印跡聚合物等.Gon?alves等[53]通過在電極上固定青霉素酶作為探針檢測青霉素G,檢測限為1.5μg/L.因為酶在高溫或酸性堿性等條件下容易失活,對環境條件要求較高,因此基于適配體的傳感器被廣泛研究.Li等[54]研究了一種基于適配體的絲網印刷碳電極多重電化學方法檢測卡那霉素(KAN)和鏈霉素(STR);其檢測原理是KAN和STR能夠特異性地與適配體結合,經CdS和PbS標記的適配體互補鏈被釋放,引起電極的電流變化;該方法對卡那霉素和鏈霉素的檢測限分別為0.042和0.026μg/L. Chen等[55]提出了基于適配體/還原氧化石墨烯場效應晶體管傳感器,通過適配體與妥布霉素結合后發生構型變化,改變晶體管中導電通道電阻而進行檢測,其檢測限為0.14μg/L,響應時間約為5s.該課題組還構建了基于互補鏈脫落原理的適配體/MoS2傳感器[56]來檢測KAN,其檢測限為0.32~ 0.51μg/L,且具有很高的檢測特異性和抗干擾性.適配體雖相較于酶具有更強的穩定性,但分子印跡探針穩定性更好,且其能更好的區分結構類似的分子,選擇性更高. Jafari等[57]以苯胺為單體,阿奇霉素為模板構建了基于分子印跡聚合物的電化學傳感器檢測阿奇霉素,該傳感器的線性檢測范圍為0.225~ 689μg/L,檢測限為0.075μg/L.Ayankojo等[58]提出了分子印跡聚合物絲網印刷電極檢測紅霉素,通過對間苯二胺(mPD)的化學聚合,直接在電極上制備了選擇性分子印跡聚合物,檢測限可達到0.073μg/L,且有較好的選擇性.

2.3 熒光檢測法

熒光檢測法的基本原理是檢測物與探針結合后引起熒光信號的減弱或增強,通過熒光信號的變化進行分析檢測,其具有較高的選擇性和較低的檢測限,目前被廣泛應用于抗生素分析.根據與抗生素結合的探針類型,熒光法主要可以分為分子印跡型和適配體型[59-60].Yuphintharakun等[61]報道了一種含有羧基化多壁碳納米管(COOH@MWCNT)和量子點(QDs)的分子印跡聚合物熒光傳感器,其檢測限為0.066μg/L.此外,作者利用乙腈/三羥甲基氨基甲烷緩沖液作為提取劑,經過攪拌、離心得到雞肉和牛奶中的環丙沙星提取液,并利用該傳感器檢測,回收率為82.6%~98.4%.其中,羧酸功能化的多壁碳納米管可通過π-π作用提高環丙沙星的動力學吸附和結合力;而分子印跡聚合物可提高傳感器對環丙沙星的選擇性.其工作原理是環丙沙星與分子印跡中功能單體氨基之間可形成氫鍵,導致QDs導帶電子轉移到環丙沙星最低未占據分子軌道,引起熒光猝滅. Wang等[62]提出了基于分子印跡熒光傳感檢測四環素的方法,其利用丙烯基熒光素功能化的二氧化硅微球與分子印跡聚合物形成復合材料,該方法的檢測限低至1.9μg/L.

除分子印跡型外,適配體型熒光傳感器在抗生素的檢測中也得到了廣泛研究.Zhao等[63]研究了基于組裝在還原氧化石墨烯上的適配體熒光傳感器以檢測土霉素.土霉素使帶有熒光素的適配體從石墨烯上脫落,導致熒光信號變化,其線性檢測范圍為46~920μg/L,檢測限為0.46μg/L.Ramezani等[64]提出了基于外切酶III(Exo III)和金納米顆粒的卡那霉素熒光傳感器.其最大特點是利用Exo III對適配體進行催化回收,以最小的適配體消耗來增強熒光強度,其檢測限為0.155μg/L.

表3為抗生素的檢測方法匯總,主要包括液相色譜法、電化學法和熒光法.液相色譜法是傳統的抗生素檢測方法,其對于復雜基質具有較好的分離效果,且可同時檢測多種物質,但一般需大型設備,便捷性較差.電化學法和熒光法操作簡單、選擇性強,且檢測限低,但這類方法抗干擾性較弱,且難以實現多種抗生素的同時檢測.

表3 抗生素的檢測方法

3 結論與展望

3.1 糞便樣品的常規檢測方法具有準確度高、靈敏度好的特點,但大部分都需要在專業實驗室進行或需要使用大型儀器,難以滿足原位快速檢測或在線監測的需要,因此需要研究糞便中氮磷、抗生素檢測的新技術.

3.2 糞便中的氮磷、抗生素等成分可通過前處理方法提取出來,再結合簡單、便捷的電化學法、熒光法等對其進行檢測.目前電化學法、熒光法等檢測技術在其他環境樣品中的研究較多,但對糞便樣品的檢測分析應用較少;因此,電化學法、熒光法在糞便中氮磷、抗生素的快速分析中具有很大應用潛力.電化學法、熒光法的抗干擾性、可重復性以及實現多種物質的同時檢測是在糞便分析應用中的研究重點.

3.3 糞便中污染物的高效檢測技術在未來的發展空間和需求較大,而將電化學法、熒光法應用于糞便中氮磷、抗生素的檢測需要持續深入的基礎研究和技術創新.

[1] 第二次全國污染源普查公報[R]. 北京:中華人民共和國生態環境部, 2020.Communique on the second national survey of pollution sources [R]. Beijing: Ministry of Ecology and Environment of the People's Republic of China, 2020.

[2] 王 莉.畜禽糞便對環境的污染及解決途徑[J]. 當代畜牧, 2015, (5):31-32. Wang L. Environmental pollution caused by livestock and poultry manure and its solutions [J]. Contemporary Animal Husbandry, 2015, (5):31-32.

[3] 程 芬.畜牧業生產帶來的生態環境問題探析[J]. 現代農業科技, 2020,(9):189-192. Chen F. Analysis of ecological environment problems brought by animal husbandry production [J]. Modern Agricultural Science and Technology, 2020,(9):189-192.

[4] 祖民會.畜禽生產中抗生素使用及應對措施[J]. 畜牧獸醫科學(電子版), 2020,(1):55-56. Zu M H. Use of antibiotics in livestock and poultry production and countermeasures [J]. Graziery Veterinary Sciences(Electronic Version), 2020,(1):55-56.

[5] 王何中.養殖業抗生素使用現狀及應對措施[J]. 現代農業科技, 2019,(22):164-166. Wang H Z. Current situation and countermeasures of antibiotic use in aquaculture industry [J]. Modern Agricultural Science and Technology, 2019,(22):164-166.

[6] NY 525-2012 有機肥料[S]. NY 525-2012 Organic fertilizer [S].

[7] Chen L, Xing L, Han L. Review of the application of near-infrared spectroscopy technology to determine the chemical composition of animal manure [J]. Journal of Environmental Quality, 2013,42(4): 1015-1028.

[8] 楊 碩.畜禽養殖廢水的抗生素污染現狀及檢測方法[J]. 農業與技術, 2020,40(21):107-108. Yang S. Current status and detection methods of antibiotic contamination in livestock and poultry wastewater [J]. Agriculture and Technology, 2013,42(4):1015-1028.

[9] 鄭 顏,趙善倉,楊發斌,等.畜禽糞污中抗生素殘留檢測方法及消減技術研究進展[J]. 山東畜牧獸醫, 2019,40(8):89-92. Zheng Y, Zhao S C, Yang F B, et al. Research progress in detection methods and abatement techniques of antibiotic residues in livestock and poultry manure [J]. Shandong Journal of Animal Science and Veterinary Medicine, 2019,40(8):89-92.

[10] Chen X, Zhou G, Mao S, et al. Rapid detection of nutrients with electronic sensors: A review [J]. Environmental Science: Nano, 2018, 5(4):837-862.

[11] Duffy G, Regan F. Recent developments in sensing methods for eutrophying nutrients with a focus on automation for environmental applications [J]. Analyst, 2017,142(23):4355-4372.

[12] Robati R Y, Arab A, Ramezani M, et al. Aptasensors for quantitative detection of kanamycin [J]. Biosensors & Bioelectronics, 2016,82: 162-172.

[13] Joshi A, Kim K H. Recent advances in nanomaterial-based electrochemical detection of antibiotics: Challenges and future perspectives[J]. Biosensors & Bioelectronics, 2020,153:112046.

[14] Sáez-Plaza P, Navas M J, Wybraniec S, et al. An Overview of the Kjeldahl method of nitrogen determination. Part II. sample Preparation, working scale, instrumental finish, and quality control [J]. Critical Reviews in Analytical Chemistry, 2013,43(4):224-272.

[15] 郭建鳳,王 誠,張 印,等.規模豬場不同階段豬糞便特性檢測[J]. 養豬, 2012,(2):62-64. Guo J F, Wang C, Zhang Y, et al. Characteristics detection of pig feces at different stages in large-scale pig farms [J]. Swine Production, 2012,(2):62-64.

[16] 黃紅衛,吳彥虎,李曉梅,等.寧夏規模養殖場畜禽糞便養分含量和重金屬、抗生素殘留量測定及安全性評估[J]. 農業科學研究, 2018, 39(2):1-8.Huang H W, Wu Y H, Li X M, et al. Determination and safety assessment of nutrient content, heavy metal and antibiotic residues in livestock and poultry manure from large-scale livestock farms in Ningxia [J]. Journal of Agricultural Sciences, 2018,39(2):1-8.

[17] 范志影,周陳維.杜馬斯燃燒定氮法在農產品品質檢測中的應用[J]. 現代科學儀器, 2006,(1):45-46. Fan Z Y, Zhou C W. Application of dumas combustion method for nitrogen analysis on agricultural products [J]. Modern Scientific Instruments. 2006,(1):45-46.

[18] 陳麗萍.杜馬斯燃燒法與凱氏定氮法的比較[J]. 黑龍江糧食, 2018,(10):48-49. Chen L P. Comparison of Dumas combustion method and Kjeldahl method for nitrogen determination [J]. Heilongjiang Grain, 2018,(10): 48-49.

[19] 沈秀麗,楊增玲,薛俊杰,等.杜馬斯燃燒法與凱氏法測定畜禽糞便中氮含量的比較[J]. 農業工程學報, 2012,28(17):205-209. Shen X L, Yang Z L, Xue J J, et al. Comparison of Kjeldahl and Dumas combustion methods for determination of nitrogen content in animal [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012,28(17):205-209.

[20] 王櫻潔,周 博,孫海霞,等.近紅外光譜分析技術在畜禽糞樣成分檢測中的應用[J]. 中國畜牧雜志, 2017,53(12):13-16. Wang Y J, Zhou B, Sun H X, et al. Application of near infrared spectroscopy in the detection of fecal components in livestock and poultry [J]. Chinese Journal of Animal Science, 2017,53(12):13-16.

[21] 樊 霞,韓魯佳,皇才進,等.基于近紅外光譜技術的牛糞成分含量測定方法[J]. 農業機械學報, 2006,(3):76-79. Fan X, Han L J, Huang C J, et al. Determination of nutrient contents in beef manure with near infrared reflectance spectroscopy [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2006, (3):76-79.

[22] Saeys W, Mouazen A M, Ramon H. Potential for onsite and online analysis of pig manure using visible and near infrared reflectance spectroscopy [J]. Biosystems Engineering, 2005,91(4):393-402.

[23] Bastianelli D, Bonnal L, Juin H, et al. Prediction of the chemical composition of poultry excreta by near infrared spectroscopy [J]. Journal of Near Infrared Spectroscopy, 2010,18(1):69-77.

[24] Chen L J, Xing L, Han L J. Quantitative determination of nutrient content in poultry manure by near infrared spectroscopy based on artificial neural networks [J]. Poultry Science, 2009,88(12):2496- 2503.

[25] Tamburini E, Castaldelli G, Ferrari G, et al. Onsite and online FT-NIR spectroscopy for the estimation of total nitrogen and moisture content in poultry manure [J]. Environmental Technology, 2015,36(18):2285- 2294.

[26] Chen X, Pu H, Fu Z, et al. Real-time and selective detection of nitrates in water using graphene-based field-effect transistor sensors [J]. Environmental Science: Nano, 2018,5(8):1990-1999.

[27] Wang Q H, Yu L J, Liu Y, et al. Methods for the detection and determination of nitrite and nitrate: A review [J]. Talanta, 2017,165: 709-720.

[28] Jiang C, He Y, Liu Y. Recent advances in sensors for electrochemical analysis of nitrate in food and environmental matrices [J]. The Analyst, 2020,145(16):5400-5413.

[29] Li D, Wang T, Li Z, et al. Application of graphene-based materials for detection of nitrate and nitrite in water—A review [J]. Sensors, 2020,20(1):54.

[30] Ribeiro J A, Silva F, Pereira C M. Electrochemical sensing of ammonium ion at the water/1,6-dichlorohexane interface [J]. Talanta, 2012,88:54-60.

[31] Jin S, Lee JS, Kang Y, et al. Voltammetric ion-channel sensing of ammonium ion using self-assembled monolayers modified with ionophoric receptors [J]. Sensors and Actuators B-Chemical, 2015,207: 1026-1034.

[32] Essousi H, Barhoumi H, Bibani M, et al. Ion-imprinted electrochemical sensor based on copper nanoparticles-polyaniline matrix for nitrate detection [J]. Journal of Sensors, 2019,2019:1-14.

[33] Gumpu M B, Nesakumar N, Ramachandra B L, et al. Zinc oxide nanoparticles-based electrochemical sensor for the detection of nitrate ions in water with a low detection limit-a chemometric approach [J]. Journal of Analytical Chemistry, 2017,72(3):316-326.

[34] Moorcroft M J, Nei L, Davis J, et al. Enhanced electrochemical detection of nitrite and nitrate at a Cu-30Ni alloy electrode [J]. Analytical Letters, 2000,33(15):3127-3137.

[35] Soropogui K, Sigaud M, Vittori O. Alert electrodes for continuous monitoring of nitrate ions in natural water [J]. Electroanalysis, 2006,18(23):2354-2360.

[36] Wang Z, Liao F, Guo T, et al. Synthesis of crystalline silver nanoplates and their application for detection of nitrite in foods [J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2012,664:135-138.

[37] Wang X, Li H, Wu M, et al. Simultaneous electrochemical determination of sulphite and nnitrite using a gold nanoparticle/ graphene-chitosan modified electrode [J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2013,41(8):1232-1237.

[38] Zhao X, Li N, Jing M, et al. Monodispersed and spherical silver nanoparticles/graphene nanocomposites from gamma-ray assisted in-situ synthesis for nitrite electrochemical sensing [J]. Electrochimica Acta, 2019,295:434-443.

[39] Aoki H, Hasegawa K, Tohda K, et al. Voltammetric detection of inorganic phosphate using ion-channel sensing with self-assembled monolayers of a hydrogen bond-forming receptor [J]. Biosensors & Bioelectronics, 2003,18(2/3):261-267.

[40] Cinti S, Talarico D, Palleschi G, et al. Novel reagentless paper-based screen-printed electrochemical sensor to detect phosphate [J]. Analytica Chimica Acta, 2016,919:78-84.

[41] He J, Sun H, Dai J, et al. In situ growth of nanoflake and nanoflower-like Ni hydrated hydroxide on the surface of Ni foam as a free-standing electrode for high-performance phosphate detection [J]. J Hazard Mater, 2020,392:122313.

[42] Sun S, Chen Q, Sheth S, et al. Direct electrochemical sensing of phosphate in aqueous solutions based on phase transition of calcium phosphate [J]. ACS Sens, 2020,5(2):541-548.

[43] GB/T 32951-2016 有機肥料中土霉素、四環素、金霉素與強力霉素的含量測定高效液相色譜法[S].GB/T 32951-2016 Determination of oxytetracyline, tetracyline, chlortetracycline and doxycycline contnet for organic fertilizers- HPLC method [S].

[44] Jansen L J M, van de Schans M G M, de Boer D, et al. A new extraction procedure to abate the burden of non-extractable antibiotic residues in manure [J]. Chemosphere, 2019,224:544-553.

[45] 夏天驕,夏訓峰,徐東耀,等.基于固相萃取-高效液相色譜法的畜禽糞便中四環素類抗生素殘留量檢測[J]. 安全與環境學報, 2013, 13(2):121-125. Xia T J, Xia X F, Xu D Y, et al. Determination of the residual tetracycline antibiotics in the manures of livestock via the solid- phase extraction-high performance liquid chromatography method [J]. Journal of Safety and Environment , 2013,13(2):121-125.

[46] 李艷霞,李 帷,張雪蓮,等.固相萃取-高效液相色譜法同時檢測畜禽糞便中14種獸藥抗生素[J]. 分析化學, 2012,40(2):213-217. Li Y X, Li W, Zhang X L, et al. Simultaneous determination of 14veterinary antibiotics in animal manure by solid phase extraction and high performance liquid chromatography [J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2012,40(2):213-217.

[47] 羅 慶,孫麗娜,胡筱敏.固相萃取-高效液相色譜法測定畜禽糞便中羅紅霉素和3種四環素類抗生素[J]. 分析試驗室, 2014,33(8):885- 888. Luo Q, Sun L N, Hu X M. Simultaneous determination of roxithromycin and three tetracyclines in manure by high-performance liquid chromatography with a diode-array detector [J]. Chinese Journal of Analysis Laboratory, 2014,33(8):885-888.

[48] 王 麗,鐘冬蓮,陳光才,等.固相萃取-高效液相色譜-串聯質譜法測定畜禽糞便中的殘留抗生素[J]. 色譜, 2013,31(10):1010-1015. Wang L, Zhong D L, Chen G C, et al. Determination of antibiotic residues in manure by liquid chromatography-tandem mass spectrometry coupled with solid phase extraction [J]. Chinese Journal of Chromatography, 2013,31(10):1010-1015.

[49] 鐘冬蓮,丁 明,湯富彬,等.高效液相色譜-電噴霧串聯質譜法測定畜禽糞便中四環素類抗生素[J]. 分析科學學報, 2014,30(3):433- 436. Zhong D L, Ding M, Tang F B, et al. Determination of tetracyclines antibiotics residues in animal manure by liquid chromatography with tandem mass spectrometry [J]. Journal of Analytical Science, 2014, 30(3):433-436.

[50] 何金華,丘錦榮,賀德春,等.高效液相色譜-熒光檢測法同時測定畜禽糞便中4種磺胺類藥物殘留[J]. 環境化學, 2012,31(9):1436- 1441. He J H, Qiu J R, He D C, et al. Simultaneous determination of four sulfonamide residue in the manure of livestock and poultry by HPLC with fluorescence detection [J]. Environmental Chemistry, 2012,31(9): 1436-1441.

[51] Zhou Q, Wang N, Zhu L, et al. A fully automatic HPLC–CAD–DAD method coupled with ASE and online SPE for simultaneous determination of seven antibiotics in bio-Matrices [J]. chromatographia, 2015,78(23/24):1475-1484.

[52] 劉 博,薛南冬,楊 兵,等.高效液相色譜-熒光檢測法同時分析雞糞中六種氟喹諾酮類抗生素[J]. 農業環境科學學報, 2014,33(5): 1050-1056. Liu B, Xue N D, Yang B, et al. Simultaneous determination of six fluoroquinolones in chicken manures by high performance liquid chromatography with fluorescence detection [J]. Journal of Agro- Environment Science, 2014,33(5):1050-1056.

[53] Gon?alves L M, Callera W F A, Sotomayor M D P T, et al. Penicillinase-based amperometric biosensor for penicillin G [J]. Electrochemistry Communications, 2014,38:131-133.

[54] Li F, Wang X, Sun X, et al. Multiplex electrochemical aptasensor for detecting multiple antibiotics residues based on carbon fiber and mesoporous carbon-gold nanoparticles [J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2018,265:217-226.

[55] Chen X, Liu Y, Fang X, et al. Ultratrace antibiotic sensing using aptamer/graphene-based field-effect transistors [J]. Biosensors & Bioelectronics, 2019,126:664-671.

[56] Chen X, Hao S, Zong B, et al. Ultraselective antibiotic sensing with complementary strand DNA assisted aptamer/MoS2field-effect transistors [J]. Biosensors & Bioelectronics, 2019,145:111711.

[57] Jafari S, Dehghani M, Nasirizadeh N, et al. An azithromycin electrochemical sensor based on an aniline MIP film electropolymerized on a gold nano urchins/graphene oxide modified glassy carbon electrode [J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2018,829:27-34.

[58] Ayankojo A G, Reut J, Ciocan V, et al. Molecularly imprinted polymer-based sensor for electrochemical detection of erythromycin [J]. Talanta, 2020,209:120502.

[59] Feng C, Dai S, Wang L. Optical aptasensors for quantitative detection of small biomolecules: a review[J]. Biosensors & Bioelectronics, 2014,59:64-74.

[60] Tarannum N, Hendrickson O D, Khatoon S, et al. Molecularly imprinted polymers as receptors for assays of antibiotics [J]. Critical Reviews in Analytical Chemistry, 2020,50(4):291-310.

[61] Yuphintharakun N, Nurerk P, Chullasat K, et al. A nanocomposite optosensor containing carboxylic functionalized multiwall carbon nanotubes and quantum dots incorporated into a molecularly imprinted polymer for highly selective and sensitive detection of ciprofloxacin [J]. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc, 2018,201:382-391.

[62] Wang J, Cheng R, Wang Y, et al. Surface-imprinted fluorescence microspheres as ultrasensitive sensor for rapid and effective detection of tetracycline in real biological samples [J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2018,263:533-542.

[63] Zhao H M, Gao S, Liu M, et al. Fluorescent assay for oxytetracycline based on a long-chain aptamer assembled onto reduced graphene oxide [J]. Microchim Acta, 2013,180:829–835.

[64] Ramezani M, Danesh N M, Lavaee P, et al. A selective and sensitive fluorescent aptasensor for detection of kanamycin based on catalytic recycling activity of exonuclease III and gold nanoparticles [J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2016,222:1-7.

Research advances in highly-efficient detection methods for nitrogen, phosphorus and antibiotics in livestock and poultry manure.

HAO Si-bei, LIU Cheng-bin, CHEN Xiao-yan, MAO Shun*

(State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)., 2021,41(4)：1746~1755

In this article, conventional detection methods and emerging detection techniques for nitrogen, phosphorus, and antibiotics in feces have been systematically reviewed to identify the bottlenecks and future research directions. For the conventionalfeces detection methods, they are of high accuracy and sensitivity, but often carried out in professional laboratories or require the use of large instruments. It is quite challenging to meet the need of rapid detection in in-situ or online monitoring situations. Therefore, new detection technologies for nitrogen, phosphorus, and antibiotics in feces are highly needed. Nitrogen, phosphorus, and antibiotics in feces can be extracted by pretreatment, and then be analyzed with simple and convenient electrochemical or fluorescence methods to achieve rapid measures in in-situ analysis or online monitoring settings. Given current technologies, highly efficient detection technologies for pollutants in feces have great potentials and demand in the future. The applications of electrochemical and fluorescence methods in nitrogen, phosphorus, and antibiotics detection in feces need continuous support in fundamental research and technological innovations.

livestock and poultry manure；nitrogen；phosphorus；antibiotic；highly-efficient detection method

X713;O657

A

1000-6923(2021)04-1746-10

郝斯貝(1997-),女,湖南株洲人,同濟大學碩士研究生,研究方向為環境分析與傳感檢測技術.發表論文3篇.

2020-08-31

國家重點研發計劃(2018YFC1903201)

* 責任作者, 教授, shunmao@tongji.edu.cn