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              综述:畜禽粪便中抗生素残留情况及对环境的影响及其处理方法

              发布时间:2018-05-16 14:48阅读数:

              前   言

              抗生素又称抗菌素,是由放线菌、细菌、真菌等微生物生长到一定阶段产生的次级代谢物质,或者直接采用化学合成或半合成法制得的相似或相同的物质,其在一定浓度范围内具有杀死或抑制病原菌的作用 。畜禽养殖业的抗生素使用量约占全世界总产量的70%,而我国近几年每年抗菌类药物的使用量达到6000 t ??股卦诔Φ滥诘奈蘸苌?,只有少量抗生素会被机体吸收,在体内经过羟基化、裂解和葡萄糖苷酸化等过程生成无毒无害的物质,约60%~90%会以原形随粪尿排出体外,所以会产生大量含有抗生素的粪便。

              2011 年我国畜禽粪便产总量为21. 21 亿t,约等于同时期工业固体废弃物总量的2 倍,秸秆总量3 倍多。其中绝大部分畜禽粪尿未经过处理便直接施于农田,甚至有些直接随污水排入水体。畜禽粪便中残存的抗生素被施入土壤后不仅使土壤中微生物的生态平衡,并且抗生素会通过富集在植物体中进入食物链;畜禽粪便中的抗生素也会随着渗透流失等途径进入水体,使水环境受到污染,并对其中的生物产生毒害作用;环境中残留的抗生素将会诱导细菌产生耐药性或导致强耐药性细菌的产生,甚至诱导细菌产生耐药性基因并在同类细菌中转移,对人类健康产生进一步危害。

              1 畜禽养殖业中抗生素的使用和残留现状

              1.1

              畜禽养殖中抗生素的使用现状

              抗生素的使用大致分为3 个阶段:1950—1960 年,抗生素种类较少且多以治疗为目的,人畜共用;1960—1980 年抗生素的种类增加,开始出现用于畜禽饲料添加剂的抗生素; 1980 年后, 除了知道抗生素作为添加剂能显著提高生产性能外,人们开始关注大量使用抗生素带来的畜禽粪便抗生素残留、细菌耐药性、对环境影响以及危害人类健康等问题 。相关数据表明,1995 年全球生产的抗生素约70%用于畜禽养殖业, 并且饲料添加剂中抗生素类占到了45. 8%。据统计,2003 年美国约9.20 × 103t 的抗生素, 其中包括三分之一的四环素用于畜牧业规?;?。欧洲国家一年的抗生素用量为5.0 × 103 t,四环素类抗生素约占二分之一, 其主要用作兽药进行疾病的治疗 。

              近二三十年,我国畜牧业得到巨大的发展,规?;潭鹊奶岣呤箍股赜米魉橇咸砑蛹粮映L推捣被?。2007 年的一项调查报告显示:我国抗生素的年生产量为2.1 ×105t, 其中46.1%被用于畜牧业,这相当于美国1999 年兽用抗生素的4 倍。美国、日本等国已经限制抗生素作为饲料添加剂的种类和用量, 欧盟已经全面禁止, 而我国在畜禽养殖过程中将抗生素用于饲料还相当的普遍。与此同时, 我国抗生素的使用也存在很多问题:盲目、滥用抗生素问题突出;长时间使用、过量用药现象普遍存在;一些禁用抗生素的使用屡禁不止;人用抗生素用作兽用;一些原料药不经加工直接使用;药物配伍不当现象明显;不按规定休药期使用等。

              1.2

              畜禽粪便中抗生素残留现状

              畜禽排泄物中普遍含有四环素类、泰乐菌素、磺胺二甲嘧啶、青霉素等, 这些抗生素的残留量一般在μg /kg 级,以四环素类药物金霉素的残留为最高,远高于磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素,表 1 中列出了常见畜禽粪便中检测到的抗生素种类及含量。张慧敏等通过对浙江北部集约化养殖场畜禽粪便残留量的调查显示:四环素类抗生素检出率较高,且四环素、土霉素和金霉素的平均残留量为3.36、6.48 和3.79 mg/kg(干重)。其中畜禽粪便中残留抗生素浓度为猪粪最高, 其次为鸡粪, 牛粪最低。张树清等通过对我国7 个地区规?;吵е兄矸嗪图Ψ嗖裳?, 系统分析了其中残留的抗生素。结果显示,四环素在鸡粪中的检测浓度远远小于猪粪。通常同一种抗生素在猪粪中检测量高于家禽排泄物和牛粪,上述差异的出现可能与养殖品种的不同及饲料中使用抗生素情况差异有关。

              美国规?;吵≈卸锓喑刂械耐撩顾?、金霉素的检测浓度分别为2.37 和3.94 mg/L,而中国规?;吵е行笄莘啾阒型撩顾睾徒鹈顾氐牟辛袅科骄捣直鹞?0.94 和15.26 mg/kg(干重),远远高于美国, 这可能由中国畜牧业为了提高生产性能普遍将抗生素用作饲料添加剂所致。Zhao 等研究中, 通过对北京、上海、重庆的规?;吵〉餮蟹⑾?, 猪粪中四环素类抗生素的残留量最高并且其含量与猪的生长阶段有关,平均含量为:仔猪>种猪>育肥猪。因此,畜禽粪便中抗生素的残留多少除了跟抗生素种类、物种的不同以及是否作为饲料添加剂有关而且还可能和动物的发育阶段相关。

              2 畜禽粪便中抗生素残留对环境的影响

              2.1

              对土壤的影响

              畜禽粪便中残留的抗生素进入环境的最主要途径是随粪便施入土壤,这些未经处理过的畜禽粪便其抗生素也会被土壤颗粒吸附,并且能够长期积累。当土壤中的抗生素积累到一定量时,它会显著影响土壤中的细菌、真菌和放线菌等生物,不仅影响微生物种类群落结构,还会诱导微生物产生耐药性,抑制或增强微生物的代谢途径等。有研究表明,当每千克土样中四环素含量超过1mg 时可以显著抑制土壤中脱氢酶和磷酸酶的活力,实验室环境中泰乐菌素对土壤中的微生物群落功能和结构有明显的影响 ??股乜梢砸种苹蛘咧苯由彼牢⑸?,它的存在使得土壤中的微生态结构破坏,进而影响有机质的腐烂和分解使土壤肥力下降 。Dijck 等研究表明,畜禽粪便中的抗生素可以抑制土壤中多种微生物的生长包括细菌、真菌、放线菌等,而这些微生物的减少会阻碍土壤中的硝化和矿化作用,从而阻碍了土壤正常的养分循环。

              另一方面,土壤中的抗生素可以被部分植物吸收并在植物体内积累,并且不同植物和植物的不同部位对抗生素的积累能力和速度有很大差异。Migliore 等研究表明,菜豆、萝卜和香瓜有很强的富集恩诺沙星的能力,培养一段时间后植物体内的浓度远高于基质中的浓度,并随着基质初始浓度的增加而呈上升趋势。实验室条件下,多种植物对磺胺甲嘧啶有富集作用,基质含磺胺甲嘧啶(13~2000 mg/kg) 的试验表明,植物根部的积蓄能力显著高于茎部。

              2.2

              对水环境影响

              抗生素因其生物降解性及挥发性差故容易富集在水体底泥中,如果长期在水体中残留,不仅对水体中的微生物群落结构和种群造成损害还会对水生生物产生影响,甚至破坏水体中的生态系统。目前,对低剂量抗生素长期暴露下对水生生物毒性的研究还比较少,现在最主要的方式是以短期急性毒性试验为主。俞道进等研究发现, 模型池塘中残留100 mg/L 土霉素即对该系统微生物群落结构产生了不可逆转的毒害。并且水体中抗生素残留对微生物的影响随微生物种类的不同而有差异,一般物种越高级所受影响越小。Hulling-Scrcnsen 在集约化养殖场用抗生素添加剂对藻类的毒性影响试验中表明,抗生素对铜绿微囊藻的影响显著高于绿藻,后者约是前者的百分之一。

              2.3

              对人类健康的潜在威胁

              环境中的抗生素如果不加以控制,会在不同的介质中慢慢积累,最终危害人类的身体健康。饲料添加剂中的抗生素可被动物肠道少量吸收并且随着血液运输到各个器官,它不仅能存在于动物各组织中,也可以存在其副产品中如肉、蛋、乳等。现有的水体净化工艺缺乏对抗生素的去除措施,且缺少相应的检测装置,抗生素仍能通过日常生活用水进入人体,虽然只是痕量,但是长期饮用会对人类的健康产生威胁。

              土壤中残留的的抗生素会富集在蔬菜水果中,如果食用后将会对人类健康产生损害。一些动物性食品残留的抗生素也会通过饮食进入人体,导致部分人群发生致敏反应,产生抗体;甚至可以干扰人类的免疫系统内分泌系统,严重的话可致突变、致癌、致畸等。

              2.4

              畜禽粪便中抗生素抗性基因(ARGs) 污染

              畜禽养殖过程中使用的抗生素,绝大部分未被动物肠道吸收,而是随着动物尿液和粪便直接排出体外,在这期间动物肠道长期处于一个高抗生素的环境,极易诱导出耐药菌株从而产生抗生素抗性基因(ARGs)。同时这些含有抗生素的粪便进入到不同介质后会再次诱导出抗生素抗性基因,使得ARGs 丰度上升造成了严重环境污染。尽管目前对ARGs 的迁移、转化和消亡规律还缺乏明确的认识, 但ARGs 的检出率及相对丰度是判断ARGs 污染程度的重要指标。Ji 等在中国东南地区规?;吵〖爸鼙呷⊙觳獾娇剐曰虻拇嬖?, 并且发现ARGs 污染与该样本中抗生素浓度有微弱的正相关关系;Cheng 等通过在我国东部畜禽养殖场中取样,检测出了四环素类抗性基因和磺胺类抗性基因;Wu 等通过分析北京、天津及浙江嘉兴三地的规?;沓≈鼙叩耐寥?, 发现了15 种四环素类抗性基因的存在;在我国珠海地区的养殖场,邹世春等在周边取样均检测到多种四环素类抗性基因。以上研究表明,畜禽粪便中ARGs 污染问题已逐渐严重, 并且ARGs 的转移、消亡规律还尚不明确,早日采取措施是必要且必须的。

              3 畜禽粪便中抗生素残留的去除方法

              用堆肥的方法处理畜禽粪便,不仅可以进行无害化处理并且可以提高养分利用率,同时由于微生物和高温的作用可以加快畜禽粪便中残留抗生素的降解。是一种简单有效、成本低廉的畜禽废物处理手段,且国内外许多学者进行了动物粪便堆肥处理抗生素的探究。张树清等通过人为添加四环素、土霉素和金霉素到猪粪麦秸堆肥中,发现其去除率分别为:85.97%,84.46%,75.60%。而在鸡粪麦秸堆肥中去除率分别为:66.56%,82.44%和72.95%,说明不同类型的堆肥对抗生素的分解能力具有差异性。潘寻等通过检测堆肥不同阶段及通风方式对抗生素的去除情况发现,堆肥的高温阶段是抗生素去除的主要阶段,且温度越高去除效果越好,而翻堆加机械通风的方式可以快速提高堆肥的温度并延长高温持续时间。Selvam 等研究发现携带抗性基因的大肠杆菌的死亡主要在堆肥高温阶段,并且在堆肥腐熟后抗性基因绝对丰度变低。堆肥不仅能在较短的时间内杀灭畜禽粪便中有害物质,且能降解其中的抗生素和抗性基因,腐熟后还可以作为有机肥施入土壤增加肥力,并且成本低廉,因此是很有前景的发展方向。

              另外,畜禽粪便中含有大量的有机质,如果利用得当不仅解决了畜禽粪便抗生素残留的难题,而且能够使得这些物质能源化利用。沼气发酵处理畜禽粪便利用产生的沼气既可以点灯做饭解决日常生活中的能源问,也可以利用畜禽粪便进行燃烧发电。但是,沼气发酵并没有从根本上去除抗生素,其沼液和沼渣仍含有较高浓度的抗生素,利用之前还需去除残留抗生素以减少后续污染。目前其处理手段主要有物化处理方式和生物处理方式。物化处理方式包括混凝沉淀、吸附、气浮、反渗透、微电解和高级氧化处理方法,其中大部分抗生素的去除率都在80%以下,但也有少数工艺去除率较高。生物处理方法主要以厌氧一好氧组合工艺居有SBR 法、UASB 法和生物膜法等,大部分处理手段效果都较为理想,高于物理处理方式,因此也是具有潜力的发展方向。但是沼气发酵由于成本高,产气效率低一直以来使得它难以大量推广。

              畜禽粪便中含有大量未分解吸收的营养物质(如粗蛋白、维生素、脂肪及微量元素),如果对其进行适当加工即可转化成粗制饲料继续饲喂较低等的动物。粪便饲料化作为一种理想的可循环的畜禽粪便资源高效利用技术,其安全性同样引人瞩目,抗生素残留的污染必须考虑其中。同样粪便饲料化过程当中抗生素的去除又是一个严峻的问题,如果能通过分离、筛选及基因工程改造获得安全有效抗生素降解菌株或者酶产品,畜禽粪便中抗生素问题也会迎刃而解。

              4 前景与展望

              我国对畜禽粪便中抗生素残留造成的环境污染问题关注和监控工作起步较晚,目前还没有引起足够的认识,但我国抗生素使用和残留情况已经不容乐观。我们要研究解决的问题很多,如抗生素降解规律、抗性基因的迁移和消亡规律、抗生素的毒害机制及其对人类生存环境和生态系统产生的影响等。养殖业废弃物无害化处理是畜禽养殖业继续快速发展面临的重大问题,如何安全有效地去除畜禽粪便中抗生素残留是问题的关键所在。就笔者查阅资料及相关研究认为畜禽粪便中抗生素残留的问题应重点放在以下几个方面:

              (1)抗生素替代品的研发。只有从源头上解决了抗生素使用问题,随之而来的环境问题将会迎刃而解;(2)堆肥技术处理畜禽粪便中抗生素残留。重点放在堆肥条件的优化,明确抗生素降解的机理,功能性微生物的筛选或基因工程改造:(3)开展不同环境中抗生素残留的调查,杜绝畜禽养殖业滥用抗生素现象,改善我国抗生素使用现状。

               

              来源:《畜牧与兽医》2017 年 10 期

              作者:王佳宁1,徐永平1,2,3,李晓宇1,3,陈岩1,张楠1,周通1, 曲芳京1,贾藏藏1,王丽丽1,3*

              单位:1. 大连理工大学生命科学与技术学院;2. 大连赛姆生物工程技术公司;3. 动物性食品安全保障教育部工程研究中心