畜禽粪便抗生素污染的无害化处理研究进展_郭耀

畜禽粪便抗生素污染的无害化处理研究进展
第31卷第2期（2015）河西学院学报Vol.31No.2（2015）
收稿日期：2014-03-27
基金项目：2013年甘肃省高等学校第二批科研项目（2013B-073）；甘肃省教育科学“十一五”规划2011年度规
划课题项目（GS ［2011］GHBG009）.
作者简介：郭耀（1980—），男，甘肃靖远人，实验师，研究方向：生物工程.
（1.兰州城市学院；2.兰州天峰生物科技有限责任公司，甘肃兰州
730070）
郭
耀1
台喜生1
赵海波2
摘要：文章从畜禽粪便抗生素污染无害化处理的研究及应用现状进行综述，提出了切实可行
的意见和建议，可以为畜禽粪便抗生素污染的无害化处理提供一些理论支撑.
关键词：畜禽粪便；抗生素污染；无害化处理中图分类号：S141.3
文献标识码：A
文章编号：1672－0520（2015）02－0031－04
DOI ：10.13874/ki.62-1171/g4.2015.02.005
医疗、种植和畜禽养殖等行业的抗生素滥用使其通过直接滞留、人畜排泄和医疗垃圾等途径残留于生态环境中，进而引起病菌的耐药性，而不同病菌之间耐药基因的水平迁移加剧了抗生素耐药性，对人畜健康和生态环境已经构成了严重威胁［1］.抗生素耐药性是抗生素滥用导致的抗生素残留对于生态环境的最大危害，而中国每年用于畜禽养殖业的抗生素约为9.7万吨，占抗生素年总产量的46.1%［2］.畜禽养殖业可以为人类提供肉、蛋和奶等动物性蛋白，从20世纪70年代末开始至今，中国畜牧业产值占农业总产值的比重从15%增加到了32%，取得了长足的发展，但是，畜禽粪便的年产生量也从14亿吨增加到了21亿吨［3］.畜禽养殖业面临的环境挑战日益严峻，畜禽养殖产生的粪便污水污染环境及饲料添加抗生素造成的抗生素污染严重威胁着人类健康和生态安全［4，5］.王小庆等［6］研究了在饲料中添加磺胺二甲嘧啶、
金霉素和泰乐菌素后猪粪中3种抗生素原形及其主要代谢产物的浓度，发现3种抗生素的残留浓度分别高达29.75%、319.89%和10.5%，金霉素甚至出现了成倍富集现象.鉴于此，中国政府通过推行《畜禽规模养殖污染防治条例（2013-10-08发布；2014-01-01施行）》、《畜禽养殖业污染物排放标准（2001-12-28发布；2003-
01-01施行）》和《畜禽养殖污染防治管理办法
（2001-03-20发布；2001-05-08施行）》等政策法规对畜禽养殖业进行规范，以期解决该行业面临的挑战，实现经济与环境的协调可持续发展［7，8］.
抗生素残留于生态环境中可以通过吸附、水解、光解、氧化降解和生物降解等途径减少其对生态环境的危害.植物和微生物中一些种类可以降解生态环境中的抗生素残留，将其转化利用或者分解成无毒的有机或无机小分子物质［9］.能降解抗生素的微生物主要是一些具有生
郭耀台喜生赵海波：畜禽粪便抗生素污染的无害化处理研究进展
物吸收和生物降解功能的抗药细菌和真菌［10］.目前，关于畜禽粪便抗生素污染的无害化处理研究还处于起步阶段，因此，本文对畜禽粪便抗生素污染无害化处理的研究及应用现状进行综述，以期为畜禽粪便抗生素污染的无害化处理技术的进步提供一些帮助.相对于单纯地进行粪便污水抗生素残留的降解处理，在畜禽粪便肥料化、能源化和饲料化的过程中减少或去除抗生素残留以免造成二次污染的研究及应用值得关注［11-13］.
1畜禽粪便肥料化过程中抗生素残留的无害化处理
畜禽粪便中含有丰富的氮、磷和钾等元素，经过适当的处理，可以成为良好的有机肥料用于作物种植［14-15］.用堆肥的方法处理畜禽粪便，可以在高温条件下代谢分解有机物以达到无害化并且提高肥力，同时，微生物的参与能有效地降解畜禽粪便中的抗生素残留，是一种高效、低成本的畜禽粪便处理方法，国内外广泛地开展了有关畜禽粪便堆肥处理过程中抗生素残留变化的研究［10］.邹威等［4］认为：饲料添加剂中抗生素滥用在畜禽体内诱导出含抗生素抗性基因（ARGs）的菌株，当抗性菌株随畜禽粪便排出后，ARGs能通过水平迁移进入更多的微生物体内使其产生抗药性，这些抗性菌株会污染土壤和水，其中致病性菌株更会严重威胁人类健康；而堆肥处理是一种将畜禽粪便资源化的传统方法，能在高温条件下有效去除畜禽粪便中的ARGs，再通过添加嗜热菌剂或杀灭肠道微生物的化学抑制剂，有望解决ARGs日益严重的环境污染难题.秦莉等［16］从四种高温期的好氧堆肥（鸡粪+酒糟、猪粪+玉米秸秆、牛粪+稻秸、人粪尿+麦秸）中筛选高效稳定的纤维素降解菌株（A1、B1、C1、D1），混合培养（A1D1、B1D1、C1D1）添加金霉素和土霉素进行驯化，通过反复筛选和驯化，将3种混合菌体按1:1:1再混合成复合菌系，再通过连续传代培养获得一组性能稳定的能快速分解纤维素（3d分解效率>90%）并且能高效降解金霉素和土霉素（7d 降解效率>50%）的复合菌系.单纯的堆肥处理对畜禽粪便中抗生素残留的去除效果有限并且周期长，如果添加上述性能稳定的复合菌系，不仅能在较短的时间内有效的去除畜禽粪便中残留的抗生素，还能提升畜禽粪便的肥力，具有很好的应用前景，也为畜禽粪便的无害化处理提供了新的发展方向［17］.另外，也有研究者在堆肥处理的工艺过程控制方面做了一些颇有成效的尝试.潘寻等［18］对堆肥处理条件进行人工控制，发现：“抗生素的去除主要发生在堆体升温及高温阶段，去除效率随着堆体最高温度的升高而提高，而翻堆加机械通风的方式可以促进堆肥腐熟进程，能提高堆体最高温度并且能延长堆体高温阶段持续时间.”
2畜禽粪便能源化过程中抗生素残留的无害化处理
畜禽粪便中含量较高的有机质是将其能源化利用的基础，一方面畜禽粪便可通过厌氧发酵制沼气；另一方面，利用畜禽粪便进行燃烧发电也有成功的案例［19］.沼气燃烧产生的温室气体（CO2和CH4）远低于煤炭和石油，沼气燃烧发电更能实现能源的清洁化，因此，将畜禽粪便能源化不仅能解决大规模养殖造成的畜禽粪便堆积和污染，而且能解决人类面临的日益严峻的能源短缺问题，具有很好的发展应用前景［20］.利用畜禽粪便厌氧发酵制沼气的过程中会产生养分含量丰富的沼液和沼渣，既是优质的有机肥，又是良好的喂鱼的饵料.但是，沼液和沼渣作为有机肥和饵料再利用之前，必须去除抗生素残留以减少后续污染.鉴于此，可以将畜禽粪便肥料化过程中采用的抗生素残留去除办法应用到沼气生产和沼液、沼渣处理的过程当中.首先，筛选培育一批高效菌株或复合菌系，既能完成畜禽粪便的厌氧发酵产沼气，又能有效降解畜禽粪便中残留的抗生素；其次，当沼气生产已完成时，沼液和沼渣中抗生素残留的去除可分别借鉴“生物技术处理抗生素污水的办法”及“堆肥技术处理含有抗生素的有机固体废弃物”［10，21］.
河西学院学报2015年第2期
3畜禽粪便饲料化过程中抗生素残留的无害化处理
畜禽粪便中含有丰富的营养物质，如粗蛋白、脂肪、维生素及微量元素，将其进行适当处理即可转化成良好的饲料继续饲喂畜禽.目前已发展成熟的方法包括：（1）青贮法——
—将禾本科青饲料与畜禽粪便一起青贮，能减少畜禽粪便中粗蛋白的损失，将部分非蛋白氮转化成蛋白质，杀灭有害微生物；（2）干燥法——
—畜禽粪便热处理后变得干燥，既可以增加蛋白含量和除臭，又能杀灭寄生虫卵；（3）分解法——
—利用蚯蚓、蝇和蜗牛的分解机能，能将畜禽粪便转化成有益的动物蛋白；（4）新鲜粪便直接饲喂——
—短消化道家禽的粪便，譬如新鲜鸡粪可以直接作为家畜饲料；以上畜禽粪便饲料化技术的应用均能实现资源高效地循环利用［14］.但是，在将畜禽粪便转化成饲料实现循环经济效益的同时，抗生素残留的污染必须考虑其中，而分离、筛选及基因工程改良获取安全高效的抗生素降解菌株抑或酶制剂并应用到畜禽粪便饲料化处理的过程中将是一种行之有效的方法，如果能实现后者的工业化生产，在该领域的应用将更加安全、便捷和高效.
4展望
目前，畜禽粪便的无害化处理研究及应用水平还较低，抗生素污染是畜禽粪便无害化处理面临的首要难题.畜禽粪便的肥料化、能源化和饲料化是无害化处理的最佳途径，而在这些处理过程中有效的消除抗生素污染值得关注.近年来，畜禽粪便肥料化过程中去除残留抗生素的研究及应用取得了较快的发展，相比之下，能源化和饲料化的过程中消除抗生素污染还需付出更多的科研和实践努力.
堆肥处理作为一种传统的、有效的去除畜禽粪便抗生素残留的办法，对其进行技术改良能促进该领域的可持续发展［23］.堆肥处理技术的改良有两个方向可供借鉴：一是提高堆肥温度，或者可以延长高温持续时间.目前，较为成熟的方法是选择合适的嗜热菌剂进行添加，嗜热菌剂能维持堆肥处理阶段微生物群落的稳定，保证高温持续较长的时间以达到杀灭携带ARGs的菌株和质粒并且破坏残留抗生素化学结构的目的；二是在堆肥阶段添加抗生素降解菌株，以达到彻底分解残留抗生素的目的.筛选高效的抗抗生素微生物，开发这些微生物菌株降解抗生素的能力，借助生物技术手段（基因工程、蛋白工程、发酵工程等）对野生菌株进行改良和应用是未来解决畜禽粪便抗生素污染的一个重要发展方向［6］.
另外，一些植物对抗生素具有明显的去除效果，如水生植物大薸和凤眼莲［1］.大薸喜氮肥，在肥水中生长发育快、分株多、产量高，具有饲养价值，可供观赏，可入药，如果将大薸种植和畜禽粪便抗生素污染的无害化处理结合起来，既保护了环境，又获得了收益.凤眼莲除了对抗生素具有较好的去除效果，对多种元素（氮、磷、钾、钙等）也具有良好的富集作用，如果将凤眼莲的种植与畜禽粪便的无害化处理相结合，既可以通过富集消除畜禽粪便中引起水体富营养化的元素（主要为氮和磷），又可以去除抗生素残留，在解决畜禽粪便抗生素残留污染方面具有很好的发展前景.
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Progress on Safety Disposal of Antibiotic Pollution in Livestock and Poultry Manure
Guo Yao1Tai Xi-sheng1Zhao Hai-bo2
（nzhou City University；nzhou Tianfeng Biotechnology Company,Gansu730070）
Abstract：In this review,progress on safety disposal of antibiotic pollution in livestock and poultry manure is summarized,and some useful comments and suggestions is proposed,which will be theoretical basis for resolving of antibiotic pollution in livestock and poultry manure.
Key words：Livestock and poultry manure；Antibiotic pollution；Safety disposal
［责任编辑：许耀照］郭耀台喜生赵海波：畜禽粪便抗生素污染的无害化处理研究进展。