閆 琦，劉培培，張嬌嬌，王躍華，任 斌，丁路明*

(1.蘭州大學 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，生命科學學院，蘭州730000；2.西北農(nóng)林科技大學 園藝學院，陜西 楊凌712100；3.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌712100)

隨著畜牧業(yè)向規(guī)?；?、現(xiàn)代化、集約化的方向迅速發(fā)展，四環(huán)素類抗生素被廣泛地用作飼料添加劑，用于預防疾病、促進動物生長、改善動物機體功能。由于抗生素在動物體內(nèi)不能被機體完全吸收代謝，約40%～90%以原藥或者異構體的形式隨畜禽糞尿排出體外[1]。殘留的抗生素不僅威脅到畜禽產(chǎn)品的質(zhì)量安全，而且隨糞便進入農(nóng)田、水體，對環(huán)境和人類健康造成了巨大的威脅。去除畜禽糞便殘留抗生素的一個有效途徑就是在糞便使用之前進行適當處理，降低抗生素的濃度，其中好氧堆肥和厭氧消化是畜禽糞便資源化、無害化處理的主要方法[2]。了解四環(huán)素類抗生素的性質(zhì)、抗生素在養(yǎng)殖業(yè)中的使用、在糞便中的殘留危害及其生物處理方法具有重要的意義。

1 四環(huán)素類抗生素

1.1 四環(huán)素類抗生素的基本性質(zhì)

四環(huán)素類抗生素(Tetracyclines，TCs)是由真菌、放線菌或細菌等微生物在其機體代謝過程中產(chǎn)生的一類次級代謝產(chǎn)物，具有殺滅、抑制其它物種(如革蘭氏陽性菌、立克次氏體、原蟲、支原體、衣原體等)的作用[3-4]，常被用在畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中治療家畜疾病或作為飼料添加劑[5]。目前已發(fā)現(xiàn)抗生素不僅來源于微生物的代謝產(chǎn)物，還包括高等動植物的代謝物或化學合成物。TCs主要由天然合成和化學半合成。天然合成的TCs包括四環(huán)素(Tetracycline，TC)、土霉素(Oxytetracycline，OTC)、金霉素(Chlortetracycline，CTC)，化學半合成衍生物包括強力霉素、甲烯土霉素、美他環(huán)素、地美環(huán)素等[6]。TC、OTC、CTC為三種主要的TCs，其結構是一類將苯環(huán)作為基本母核、只有取代基有所不同的一類化合物[7]。TCs可以和各種酸、堿反應形成較為穩(wěn)定的鹽，其結構中含有多個N、O官能團，能夠和各種金屬離子發(fā)生螯合作用，形成穩(wěn)定的絡合物[7-10]。

1.2 四環(huán)素類抗生素的作用機理

TCs作為廣譜性抗生素，馮新等[11]認為其作用機理是與細菌核糖體30s亞基上的受體結合，阻止氨酰tRNA結合到核糖體A位點，從而抑制細菌蛋白質(zhì)的合成。此外，抗生素還可以改變細胞膜的通透性，使得胞內(nèi)用于DNA復制的核苷酸等成分外漏，最終起到抑制細菌活性、殺死細菌的作用[6]。

在獸醫(yī)臨床學上，TCs用于治療白痢、傷寒、豬肺疫等呼吸道感染病。作為飼料添加劑，TCs可用于防御動物疾病、促進動物生長，其中包括土霉素鈣預混劑和金霉素預混劑[12]。抗生素用作飼料添加劑和用于治病的機理不同，前者的作用機體是動物本身，而后者的作用機體是病原菌[12]?？股卮偕L機理如下：一是含有抗生素的飼料對腸道中有害微生物具有殺滅作用，阻礙了微生物的繁殖，使得原來微生物利用的營養(yǎng)物質(zhì)被宿主利用，增加了養(yǎng)分的利用效率；二是抗生素使動物腸壁變薄，增加了營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；三是刺激腦下垂體分泌激素，增加動物采食量，加快家畜生長發(fā)育；四是提高動物抵抗力，減少應激反應所造成的能量損失[2]?？股刈鳛轱暳咸砑觿軌蚋纳苿游锏臋C能狀態(tài)，減少能量損失，提高生長性能。

2 抗生素在養(yǎng)殖業(yè)中的應用

自20世紀50年代美國食品和藥物管理局(FAD)正式批準抗生素可作為飼料添加劑后，抗生素就被世界各國全面推廣用于畜牧養(yǎng)殖業(yè)[13]?？股卦谥委熕缴嫌糜谥委熂膊?，在亞治療水平上用于促進動物生長[14-15]。獸用抗生素在一定程度上促進了世界畜牧業(yè)的發(fā)展，同時也創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟效益。有研究表明，美國自1985年使用抗生素后，一年中動物肉產(chǎn)量增加了10%，節(jié)約了大約35億美元[12]，國內(nèi)與國外使用抗生素的效果基本一致。豬、雞飼料每添加10～30 g/t抗生素，畜禽增重比對照組有明顯提高，飼料轉(zhuǎn)化率提高6.6%～15%，有些抗生素添加劑還能提高受胎率[12]。限制抗生素的使用將給我們帶來巨大的經(jīng)濟損失。歐盟在20世紀90年代初禁用抗生素之后，大約50%的豬場由于痢疾導致的死亡率急劇上升，且飼料消耗增加[16]。世界衛(wèi)生組織報道，瑞士在1986年禁用抗生素后，畜禽感染性疾病的發(fā)病率急劇上升，導致養(yǎng)殖業(yè)衰退[17]。

由于抗生素價格低廉且效果顯著，全球每年畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)抗生素的使用量巨大[18]。美國在《研究顯示全球抗生素使用增長令人震驚》的報道稱：全球抗生素的使用量在2000～2010年增長了35.8%，并且抗生素消費量的快速增長有3/4來自于經(jīng)濟發(fā)展較快的國家，包括俄羅斯、中國和南非。中國是抗生素使用大國，每年用于畜禽飼料添加劑的抗生素約有6 000 t，占全球抗生素飼料添加劑的50%，其中TCs在畜禽養(yǎng)殖業(yè)的使用量和生產(chǎn)量均占世界首位[19]。表1統(tǒng)計了不同國家抗生素的年使用量。

表1 不同國家抗生素的年使用量Table 1 Usage of antibiotics in different countries

注：“-”表示數(shù)據(jù)不可得.

Note:“-”represents data unavailable.

3 畜禽糞便中抗生素的殘留情況

抗生素進入動物體后，不能被動物體完全吸收，而是以原藥或代謝物的形式殘留于動物代謝物中。國內(nèi)外一些學者對畜禽糞便中TCs的殘留做了一些調(diào)查研究。張樹清等[24]對中國7個省、市、自治區(qū)55個糞便樣品的調(diào)查分析表明，豬糞樣品中OTC、TC、CTC的殘留量遠高于雞糞，分別為9.09 vs.5.97 mg·kg-1、5.22 vs.2.63 mg·kg-1、3.57 vs.1.39 mg·kg-1，且發(fā)達地區(qū)如北京、浙江等地糞便中的TCs的含量明顯高于西北地區(qū)。張麗麗等[25]2014年對北京市集約化養(yǎng)豬場糞便中TCs的分析表明，TCs合計濃度檢出范圍為0.48～29.2mg·kg-1，3種主要的TCs的檢出率依次為TC>OTC>CTC。張志強等[26]對天津地區(qū)豬糞、雞糞的檢測表明，豬糞和雞糞中CTC的檢出率最高，達到78%，TC和OTC均為56 %。王麗等[27]對杭州地區(qū)城郊養(yǎng)殖場的研究表明，豬糞中殘留TCs的含量為0.13～66.62 mg·kg-1，雞糞中殘留TCs的含量為0.42～3.32 mg·kg-1。Zhao等[28]2010年對中國8個省市的143份畜禽樣品的調(diào)查結果表明，在61份豬糞樣品中，CTC和OTC平均含量分別為59.06、21.06 mg·kg-1，檢出率分別為42.6%、41.0%；在28份牛糞樣品中，CTC和OTC平均含量分別為27.59、59.59 mg·kg-1，CTC的檢出率高達82.1%；在54份雞糞樣品中，CTC和OTC平均含量分別為17.68、10.56 mg·kg-1。在美國集約化畜禽養(yǎng)殖場糞便中OTC、CTC的平均濃度分別為3.94、2.37 mg·L-1[29]。以上研究表明豬糞中的TCs的殘留量高于雞糞，并且在雞糞和豬糞中CTC、OTC為主要的殘留抗生素。

4 糞便殘留抗生素的潛在危害

隨著人類對肉類、奶類、蛋禽需求量的增加，獸用抗生素已成為養(yǎng)殖業(yè)不可或缺的一部分，其使用量也在逐年增加[30]。1998年中國畜禽糞便產(chǎn)出量為1.88×109t，2001年為2.17×109t，2003年迅速增加到3.19×109t，據(jù)估算到2010年，全國畜禽糞便的排放量將達到4.5×109t[31]?？股氐人幬镞M入畜禽體內(nèi)后，只有少部分被機體代謝吸收，約40%～90%的抗生素以原藥或代謝物的形式隨動物尿液、糞便排出體外，進入環(huán)境[1]。由于畜禽糞便產(chǎn)量大，導致抗生素環(huán)境排放量高。而且80%以上的畜禽糞便露天堆放或者經(jīng)過簡單處理后施于農(nóng)田，導致糞便中殘留的抗生素轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境，造成污染，阻礙了畜牧業(yè)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展[24]。

4.1 殘留抗生素對水體的污染

畜禽糞便中殘留的抗生素主要通過畜禽尿液、養(yǎng)殖場污水、雨水沖刷等方式進入環(huán)境水體。雖然污水處理廠會對廢水進行處理，但對抗生素的去除效果甚微。目前環(huán)境水體中，養(yǎng)殖場廢水中抗生素的含量最高，排污口及周邊水體次之，地表水一般含量在1 μg·L-1以下，有些地下水也檢測到微量的抗生素存在[32]。孫剛等對江西省畜禽養(yǎng)殖廢水的調(diào)查顯示，在養(yǎng)殖廢水和下游水體都檢測出TCs，養(yǎng)殖廢水中TCs的殘留總體高于下游水體[33]。Zhang等[34]對中國58個流域抗生素污染的預測結果表明，中國受抗生素污染水域達50%以上，而且東部水域污染較西部嚴重。當排入水體的抗生素超過水體自身凈化能力時，一方面對藻類及水生動物產(chǎn)生一定的毒性，另一方面可使細菌產(chǎn)生抗藥性。在對藻類的研究中，姜蕾等[35]人以銅綠微囊藻為試驗材料的研究結果表明，TCs能影響藻類光合作用，降低藻類氧化酶的活性，從而抑制藻類生長。強力霉素降低了淡水綠藻細胞膜的通透性，而金霉素和四環(huán)素低濃度能夠增加細胞膜的通透性，增大濃度則轉(zhuǎn)為降低[36]。在對水生生物研究中，章強等[37]以斑馬魚為試驗材料，結果表明經(jīng)過四環(huán)素96 h急性暴露后，抑制了斑馬魚的胚胎發(fā)育。在對水生細菌研究中，Reinthaler等[38]對污水中大腸桿菌耐藥性研究表明，污水中大腸桿菌普遍存在耐藥性，其中對四環(huán)素的耐藥性最高，達到了57%。

4.2 殘留抗生素對土壤的污染

畜禽糞便作為有機肥料施于農(nóng)田是抗生素進入土壤的最主要途徑。畜禽糞便、糞水回用農(nóng)田，可增加抗生素抗性基因從動物源擴散到周圍環(huán)境中。醫(yī)用抗生素和促生長抗生素進入動物體內(nèi)不能被完全吸收，殘留在腸道中的抗生素會誘導抗性微生物的產(chǎn)生，最終這些殘留的抗生素和抗性微生物隨糞便進入土壤中，并在土壤中長期殘留，對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在危害[37]。張志強等[26]對天津養(yǎng)殖場附近土壤樣品中TCs的檢測表明，CTC檢出率32%，平均為48.9 μg·kg-1；TC檢出率為36%，平均28.9 μg·kg-1；OTC檢出率最低，平均為9.4 μg·kg-1。Hamscher等[39]對長期施用豬場糞尿的土壤殘留的抗生素進行檢測,其中TC在0～10 cm土壤中平均濃度為86.2 μg·kg-1，10～20 cm土壤中為198.7 μg·kg-1，20～30 cm為171.7 μg·kg-1；CTC在這三層土壤中為4.6～7.3 μg·kg-1。

微生物群落的變化是土壤殘留抗生素的一個重要危害。土壤中殘留的TCs改變了土壤中細菌/真菌的比例，抑制了土壤微生物的呼吸作用，降低了土壤磷酸酶的活性，同時使微生物群落產(chǎn)生耐性[40]。張兵等[41]對北京、天津灌溉區(qū)土壤的研究表明，清灌土壤TCs的殘留要遠低于污灌和豬糞采集地的土壤，且大量的抗生素殘留是誘導土壤中抗性基因傳播的重要因素。當土壤中施加氯四環(huán)素肥料后，土壤中的氯四環(huán)素耐藥性細菌數(shù)量比未施肥土壤顯著增加[42]。

4.3 殘留抗生素對人類的影響

人類的生活離不開谷物和水產(chǎn)等食品，這些食物中含有的抗生素會隨著食物鏈最終進入人體?？股剡M入人體后，會在體內(nèi)殘留，一方面誘發(fā)產(chǎn)生耐藥菌，不利于控制疫病；另一方面對人類的肝臟及牙組織等造成損害[17]。機體細菌獲得耐藥性有三種途徑，一是通過無性繁殖在代與代之間傳遞；二是通過自身基因突變產(chǎn)生；三是從相鄰的細胞獲得，雖然耐藥性因子的傳遞頻率很低，但由于細菌數(shù)量多，繁殖快，仍能造成抗性基因的擴散蔓延。據(jù)美國《新聞周刊》報道，僅在1992年美國就有13 300名患者死于抗生素耐藥性細菌感染[43]?！八沫h(huán)素牙”就是機體中所含抗生素與新形成牙中的沉積鈣結合造成。對新生兒來說，TCs可能導致牙齒畸形。TCs除了能在肝臟中富集，對肝臟造成損傷外，它還是引起機體過敏的抗生素種類之一[17]?？股剡M入人體后，使敏感個體產(chǎn)生抗體，當這些個體再次接觸到該類抗生素時，則引起過敏反應，引起嘔吐、腹瀉、麻疹，重者可能會引起過敏性休克，甚至死亡。

5 糞便殘留四環(huán)素無害化處理措施

隨著養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化和集約化程度的提高，糞便中殘留抗生素造成的環(huán)境問題已經(jīng)引起人類的高度重視。生物降解是中國畜禽糞便處理的主要方法，主要包括好氧堆肥和厭氧消化。

5.1 好氧堆肥

好氧堆肥是在有氧條件下，通過好氧菌的活動將糞便中復雜的有機質(zhì)進行吸收、氧化、分解形成腐殖質(zhì)的過程[44]。在此過程中，通過控制合適的溫度、碳氮比、含水率、pH等因素，將糞便中的病原微生物、蟲卵、寄生蟲及雜草種子殺死。好氧堆肥具有成本低、操作簡單、殺菌效果好、產(chǎn)物能肥料化等優(yōu)點，是畜禽糞便無害化、資源化、穩(wěn)定化利用的重要方式。目前很多研究表明，好氧堆肥能有效去除糞便中殘留的TCs。王桂珍等[44]以OTC為模式化合物進行室內(nèi)堆肥表明，土霉素在雞糞堆肥初期(0～10 d)降解較快，最快降解率達到67.43 %，隨后逐漸減慢。豬糞堆肥過程中CTC，TC和OTC的去除率分別為74%，70%和92%，半衰期分別為8.25、1.14和10.02 d，并且在堆肥過程中5種代謝產(chǎn)物EOTC、ECTC、ETC、DMCTC和 ATC均被檢測出[1]。好氧堆肥能有效減低畜禽糞便中TCs的含量，堆腐后四環(huán)素、金霉素、土霉素的濃度均低于3 mg/kg，去除率高達95%[45]。

好氧堆肥是通過微生物活動分解糞便中有機質(zhì)的一系列化學反應過程，影響有機肥堆腐效果的主要因素有：

5.1.1 溫度 溫度是堆肥過程中重要的影響因素之一，同時也是堆肥是否達到無害化的指標之一[46]。Arikan等[47]對牛糞堆肥土霉素降解研究結果表明，經(jīng)過38 d堆肥，試驗組最高溫度達到65 ℃，土霉素的降解率達到95%，而在溫室堆肥中，土霉素的降解率僅為12%。畜禽糞便好氧堆肥過程主要分為低溫期、高溫期和腐熟期。在低溫期，好氧微生物分解糞便中的淀粉、糖類等易分解物質(zhì)，同時釋放熱量，使堆體溫度升高；高溫期主要是嗜熱菌成為優(yōu)勢種，分解蛋白質(zhì)、脂肪等復雜的化合物，同時殺滅糞便中的病原菌和蟲卵，該時期可持續(xù)幾周甚至幾個月，這取決于堆體的大小和組分[48]；在腐熟期，大部分有機物已分解，剩下難分解的形成腐殖質(zhì)，這時微生物活動減弱，溫度下降，常溫生物對剩余物質(zhì)進行經(jīng)一部分解。如果在堆肥過程中，不對溫度進行控制，溫度過高會過度消耗有機物，影響堆肥質(zhì)量；溫度過低影響有機物的分解速率。研究表明，高溫堆肥最適溫度為50～60 ℃，溫度過高時，通常通過翻堆的方法來控制堆體溫度[49]。

5.1.2 水分 堆肥過程中，水分與溫度密切相關。堆體中水分的作用主要是參與微生物新陳代謝，通過蒸發(fā)帶走熱量調(diào)節(jié)堆體溫度。堆體的水分含量直接影響堆肥的速率和堆肥工藝的成敗。過低的含水率不能滿足微生物所需，降低有機物的降解速率；含水率過高會造成堆體氧氣含量下降，微生物活動減弱。堆肥過程適宜的含水量主要與堆體原料有關，一般情況下最適宜的堆體含水量為50%～70%[50]。

5.1.3 氧氣含量 氧氣含量是好氧堆肥的關鍵因素之一。堆肥過程中，通過通風提高堆體含氧量能夠為好氧微生物提供充足的氧氣，同時將微生物呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳排出，去除堆體中多余的水分，調(diào)節(jié)堆體溫度。糞便好氧堆肥主要的通風方式包括翻堆、強制通風、被動通風等[51]。通風量直接影響堆體中微生物的活動和堆體溫度，最終對堆肥效果產(chǎn)生影響。一般認為，堆體適宜含氧量應在5%～15%，低于5%會導致厭氧發(fā)酵，使堆體產(chǎn)生惡臭[48]。

5.1.4 pH 堆肥過程中，pH隨堆體溫度、堆肥時間的變化而變化，pH值可作為評價堆體腐熟程度的指標之一。在堆肥初期，堆體中的細菌和真菌消化有機物生成有機酸，pH降低，真菌進一步繁殖，加速原料中木質(zhì)素和纖維素的分解；隨后在高溫階段，有機酸被分解或揮發(fā)，pH上升；在腐熟期，一部分氨生成氨氣揮發(fā)到大氣中，另一部分氨被微生物生長繁殖利用，pH降低為弱堿性，一般在6～8之間[48]。

5.1.5 C/N 影響堆肥效果的另外一個關鍵因素是堆料的C/N，最佳值一般為30:1左右[48]。C/N值過高(超過35)微生物必須經(jīng)過多次生命循環(huán)氧化多余的碳，直至達到一個合適的C/N值供其進行生命活動。如果C/N值過低，一方面使得微生物生長過快，導致局部厭氧，出現(xiàn)惡臭；另一方面在堆體溫度較高時，堆體中的氮將以氨氣形式揮發(fā)，影響堆肥品質(zhì)。當堆肥進行到腐熟期時，C/N值一般為10～15，此時有機質(zhì)已經(jīng)經(jīng)過充分分解，達到穩(wěn)定狀態(tài)[48]。畜禽糞便C/N值一般都比較低，因此需要添加一定量的碳源，例如稻草、秸稈、木屑等[52]。

5.2 厭氧消化

厭氧消化也是畜禽糞便資源化、無害化處理的主要方法之一，利用厭氧微生物的活動可以將大量的有機物轉(zhuǎn)化為可回收利用的沼氣，作為生物質(zhì)能源。這一過程不僅通過有機物厭氧發(fā)酵獲得能源，而且保存了糞便中對農(nóng)作物生長有利的氮、磷、鉀和微量元素，并產(chǎn)生豐富的氨基酸、生長素，同時殺滅了病菌，但厭氧發(fā)酵所需要時間較長[49]。目前，關于糞便厭氧消化過程中殘留抗生素的降解及降解產(chǎn)物的報道已有很多。在厭氧消化過程中，牛糞中的TC的去除率為14%～36%，CTC轉(zhuǎn)化為異構體，去除率達到83%～89%[53]。通過外源抗生素添加豬糞厭氧發(fā)酵試驗，發(fā)現(xiàn)TC和CTC的降解率達到88.2 %以上[54]。牛糞厭氧消化后，其中CTC、OTC的降解率分別為75%和59%[47，55]。

6 總結與建議

TCs對促進畜牧業(yè)的發(fā)展起到非常重要的作用，但也產(chǎn)生了不容回避的環(huán)境問題。中國是抗生素使用大國，養(yǎng)殖業(yè)超量添加使用抗生素已經(jīng)造成嚴峻的環(huán)境問題。本文對中國不同地區(qū)畜禽糞便中殘留的TCs及其產(chǎn)生的潛在危害做了分析總結，并概述了殘留抗生素的處理方法。雖然已經(jīng)有關于抗生素所引發(fā)的細菌耐藥性及抗性基因、獸用抗生素的正確使用、畜禽糞便的生物處理技術等方面的研究，但關于抗生素替代與利用，殘留抗生素無害化處理仍需深入研究，建議下一步從以下幾個方面開展相關研究工作：

(1)對畜禽糞便中殘留抗生素導致的細菌抗藥性與抗性基因進行深入研究，明確其產(chǎn)生機理，并建立相應的調(diào)控措施。

(2)對抗生素的選擇、使用劑量、聯(lián)合用藥等方面提出正確的使用方法，加大正確使用方法的宣傳力度，并建立和完善相關的法律制度，將抗生素的用量從源頭上減少，使畜禽養(yǎng)殖業(yè)中抗生素的使用更加規(guī)范化、標準化、合理化。

(3)大力推廣畜禽糞便資源化、無害化處理技術，提高大家對畜禽糞便生物處理的意識。在滿足其對畜禽糞便處理效果的同時對現(xiàn)有畜禽糞便處理技術工藝參數(shù)進行優(yōu)化，使其能更好的降解糞便中殘留的抗生素，提高對抗性基因及其他污染物的削減效果。

(4)研究植物性、環(huán)境友好型抗生素替代產(chǎn)品，培育家畜抗病品種，并通過提高管理手段，降低抗生素在畜牧業(yè)中的使用量。

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