成登苗，李兆君，張雪蓮，馮瑤，張樹清

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，北京 100081；2北京市土肥工作站，北京 100029）

自1943年以來青霉素應(yīng)用于臨床，現(xiàn)抗生素的種類已達幾千種。在臨床上常用的亦有幾百種。90%的抗生素是從微生物的培養(yǎng)液中提取或者通過對天然化合物修飾半合成，極少數(shù)是通過化學(xué)方法完全合成[1]。

根據(jù)美國氰胺公司報道，人們早在20世紀50年代初年就發(fā)現(xiàn)了在動物飼料中添加抗生素有益于動物的生長[2]。自此，伴隨著集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，抗生素在動物飼料中的添加使用已成為了一種全球趨勢。據(jù)統(tǒng)計，全球每年約平均70%抗生素用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)，而美國則約80%抗生素用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)[3]。ZHANG等[4]報道顯示，2013年中國抗生素使用量高達16.2萬噸，約占世界總用量的一半，其中52%為獸用，且有逐年增長的趨勢。獸用抗生素畜禽飼喂后通常會部分代謝，約有30%—90%隨著尿液和糞便排出體外[5-7]，且大部分以原藥形式輸入到環(huán)境體系中[8]。此外，中國畜禽糞便產(chǎn)量大，據(jù)統(tǒng)計2013年全國畜禽糞便的總產(chǎn)量可達14.87億噸[9]，其中80%未經(jīng)無害化處理直接作為農(nóng)作物肥料使用[10-11]。進入土壤的獸用抗生素不但造成土壤污染，并且影響農(nóng)作物生長[12]；在淋溶等作用下，土壤中接收的這些抗生素又可進一步遷移進入環(huán)境水體中，污染地表水和地下水[13-15]。此外，這些抗生素進入環(huán)境后不僅可以選擇性抑殺某些微生物，而且能夠誘導(dǎo)耐藥菌群和抗性基因（ARGs）的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致其特殊的生態(tài)毒理效應(yīng)[16-17]。集約化畜禽養(yǎng)殖造成的獸用抗生素嚴重污染已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注[18-19]。

本文針對已報道的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對畜禽糞便中獸用抗生素的污染特點和賦存規(guī)律進行總結(jié)，對國內(nèi)外通過好氧堆肥和厭氧發(fā)酵去除畜禽糞便抗生素的研究進行了綜述和展望，從而為畜禽糞便中抗生素的污染控制提供依據(jù)。

1 畜禽糞便中獸用抗生素的污染水平

畜禽糞便中抗生素殘留主要來源于未被動物機體吸收和代謝的部分。表1列舉了國內(nèi)外檢測頻率較高的包括四環(huán)素類、磺胺類、氟喹諾酮類和大環(huán)內(nèi)酯類在內(nèi)的四大類獸用抗生素在不同畜禽糞便中的污染水平[11,20-25,30-36]。整體而言，不同類型抗生素在畜禽糞便中的殘留濃度遵循如下規(guī)律：四環(huán)素類＞氟喹諾酮類＞磺胺類＞大環(huán)內(nèi)酯類[34-35]。從各國畜禽糞便中獸用抗生素的殘留情況對比，除泰樂菌素（大環(huán)內(nèi)酯類）和恩諾沙星（氟喹諾酮類）外，中國各種類型的獸用抗生素的殘留濃度均高于世界其他國家[19,25]。

如表1所示，中國四環(huán)素類抗生素的殘留水平為N.D.（未檢出）—183.50 mg·kg-1，特別是土霉素和金霉素的污染水平最大值分別可以達到183.5 mg·kg-1和143.97 mg·kg-1，四環(huán)素次之但最高含量也可以達到57.95 mg·kg-1；其他國家的變化范圍為＜MQL（方法定量限）—41.2 mg·kg-1。中國磺胺類抗生素在畜禽糞便中的殘留量變化范圍為 0.02—46.37 mg·kg-1，其中磺胺嘧啶和磺胺二甲嘧啶的最高殘留量分別為 46.37 mg·kg-1和 37.32 mg·kg-1，磺胺甲惡唑和磺胺甲嘧啶次之，最高殘留濃度為 18.00 mg·kg-1和 16.50 mg·kg-1；世界其他國家為＜MQL—11.3 mg·kg-1。中國氟喹諾酮類抗生素的殘留水平變化范圍為＜LOD（檢出限）—15.43 mg·kg-1，（恩諾沙星）；而馬來西亞雞糞樣品中恩諾沙星的最高含量可以達到26.86 mg·kg-1[25]，超過了中國雞糞樣品中的最高含量。中國大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的殘留濃度為0.22—1.88 mg·kg-1；其他國家范圍 0.0124—13.74 mg·kg-1，其中馬來西亞雞糞樣品中泰樂菌素的最高殘留可達13.74 mg·kg-1，均高于中國和其他國家。由表1可知，雖然中國各地獸用抗生素的污染水平存在不少差異，但是均處于一個較高的殘留水平，特別是四環(huán)素類抗生素。

表1 不同類型動物糞便中獸用抗生素的濃度水平Table 1 Concentration variation of veterinary antibiotics in manure with animal type

續(xù)表1 Continued table 1

此外，其他獸用抗生素也在畜禽糞便中有所檢出，比如硝基呋喃類的呋喃唑酮[26]、雙烯萜類的泰妙菌素[27]、大環(huán)內(nèi)酯類的替米考星[25]和氯霉素類的甲砜霉素[28]等，其濃度最大可以達 136.9 μg·kg-1。相較于上述四大類常用獸用抗生素，這些抗生素在畜禽糞便中還處于相對較低的濃度水平。

2 好氧堆肥對畜禽糞便中獸用抗生素的去除

目前，中國每年有超過8萬噸的抗生素被用于規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場中，抗生素用藥量的30%—90% 會隨糞尿排出體外。因此，從源頭上切斷畜禽糞便中抗生素進入環(huán)境意義重大。好氧堆肥作為一種主要的畜禽糞便處理方式在國內(nèi)外廣泛使用。通過堆肥可以使畜禽糞便養(yǎng)分成分更加穩(wěn)定，更加有利于農(nóng)作物養(yǎng)分吸收，同時還能改良土壤狀況。

2.1 好氧堆肥基本工藝與過程

好氧堆肥處理方式是在人工控制水分、碳氮比（C/N）和通風(fēng)條件下，通過好氧微生物作用，畜禽糞便內(nèi)部溫度逐漸升高，達到60—70℃高溫并且能夠持續(xù)數(shù)天，在殺滅畜禽糞便中有害病原體微生物、寄生蟲、蟲卵和雜草種子等的同時，對糞便中的有機物進行降解，使之礦質(zhì)化、腐殖化和無害化的過程。好氧堆肥過程一般分為四個階段[29]：第一階段是中溫階段（25—40℃），在這一階段富含能量且易降解的物質(zhì)充足，例如碳水化合物和蛋白質(zhì)，逐漸被真菌和放線菌等生物降解，通常稱這些微生物為初級分解者。第二階段是高溫階段（40—60℃），耐高溫的有機體在這一階段有較大的競爭優(yōu)勢，并逐漸在最后取代了幾乎所有的中溫微生物群。此階段，分解作用的速度很快，并不斷加速，直到溫度達到最高。第三階段是冷卻階段，當?shù)孜锵倪_到一定量時，嗜熱微生物的活力下降，溫度也開始降低。第四階段是腐熟階段，經(jīng)過這一階段，堆肥物料不再進一步降解和有臭味，養(yǎng)分成分更加穩(wěn)定。目前，好氧堆肥系統(tǒng)大致分為自然堆肥、發(fā)酵槽堆肥和發(fā)酵塔堆肥[29]。

圖1 自然堆肥工藝流程Fig. 1 Process flow of the natural composting

圖2 發(fā)酵槽堆肥工藝流程Fig. 2 Process flow of the fermentation tank composting

（1）自然堆肥。是傳統(tǒng)的堆肥方式，將基質(zhì)堆積成條垛，利用好氧微生物將有機質(zhì)降解，同時利用堆肥高溫進行無害化處理。通常做法是將經(jīng)過前處理的畜禽糞便和輔料堆成高為1.5—2.5 m的條形料堆，放置15—20 d。在此期間，翻堆1—2次，此后靜置堆放3—5個月即可完全腐熟，加入微生物發(fā)酵菌劑可大大縮短堆肥時間。具體的操作流程見圖1。

自然堆肥優(yōu)點是成本低、設(shè)備簡單、易于干燥和穩(wěn)定性好，缺點是周期長、占地面積大、堆肥產(chǎn)生臭氣影響環(huán)境和受天氣影響大。本方法適合小型豬場和雞場，大部分牛場和羊場。

（2）發(fā)酵槽堆肥。是將新鮮畜禽糞便放入發(fā)酵槽中，調(diào)整含水率為 65%左右，攪拌機往復(fù)攪拌，并強制通風(fēng)排濕。畜禽糞便一方面利用好氧微生物進行發(fā)酵，另一方面借助于太陽能和風(fēng)能得以干燥，經(jīng)過25 d左右可以完成發(fā)酵腐熟過程。具體的操作流程見圖2。其中發(fā)酵槽的形式有跑道形、直線型和圓形，目前市場上大部分采用直線形，長40—50 m，為了提高效率，大都采用并聯(lián)式發(fā)酵槽，一般為2—4個槽子共用一套攪拌機械。

發(fā)酵槽堆肥優(yōu)點是受天氣影響小、占地面積小、周期短和節(jié)省人力，缺點是成本高、操作難度大和需要進行機械的維護和更換。本方法適合大規(guī)模的養(yǎng)殖場。

圖3 發(fā)酵塔堆肥工藝流程Fig. 3 Process flow of the fermentation tower composting

（3）發(fā)酵塔堆肥。是利用密閉型多層塔式發(fā)酵裝置對畜禽糞便進行分層發(fā)酵，從頂層到底層一般6層，頂層放置新鮮糞便，底層放置腐熟糞便，通過翻板滑動使物料逐層下移，在移動過程中完成發(fā)酵過程。具體的操作流程見圖3。

發(fā)酵塔堆肥方式占地面積很小，自動化程度高；發(fā)酵周期短，能耗低，不受天氣影響；發(fā)酵在密閉的艙室中進行，臭氣污染小。缺點就是一次性投資大，設(shè)備后期維護和維修成本高。該方法適合大規(guī)模養(yǎng)豬場和雞場采用，尤其是自動化程度較高的養(yǎng)殖場。

2.2 好氧堆肥處理中抗生素消減效果及影響因素

好氧堆肥作為穩(wěn)定營養(yǎng)物質(zhì)、減少畜禽糞便中的病原微生物和氣味并完成畜禽養(yǎng)殖固廢資源化再利用的一種有效方法，在某些特定條件下可以顯著地減少獸用抗生素在糞便中的濃度。如上所述，自然堆肥法較為簡單，應(yīng)用廣泛，前人對于好氧堆肥抗生素削減也主要采用實驗室模擬條件下的自然堆肥削減方法進行，通過改變底物組成、翻堆、通氣和添加外源菌劑等來調(diào)控并提高好氧堆肥畜禽糞便中抗生素的去除效率。表2總結(jié)了抗生素類型、初始濃度、添加方式、底物組成、堆肥溫度、供氧方式等對畜禽糞便抗生素的去除效果。

（1）抗生素類型、初始濃度及添加方式 不同類型獸用抗生素由于分子結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)不同，導(dǎo)致了其在堆肥底物上的吸附能力和對底物中微生物的抑制能力等存在差異，從而影響其在堆肥過程中的降解能力。SELVAM等[36]比較了豬糞好氧堆肥過程中金霉素、磺胺嘧啶和環(huán)丙沙星的降解情況，金霉素和磺胺嘧啶分別于堆肥處理 21 d 和 3 d 內(nèi)完全降解，而環(huán)丙沙星經(jīng)過 56 d 仍有 17%—31%的殘留，說明磺胺嘧啶和金霉素相對于環(huán)丙沙星更易被降解。而環(huán)丙沙星則表現(xiàn)為具有一定的持久性，可能是抑制堆肥初期有機質(zhì)降解的主要原因。此外，抗生素的初始濃度也可能對堆肥過程抗生素的降解產(chǎn)生不同的影響。孟磊等[37]比較了3個濃度梯度（15、30和60 mg·kg-1）恩諾沙星在雞糞堆肥過程中的降解情況，經(jīng)過 42 d堆肥處理，低濃度添加雖然去除率較高（65.5%），但是降解速率相比高濃度添加明顯降低，說明抗生素初始濃度對于堆肥過程中抗生素降解速率具有較大影響。畜禽糞便中抗生素添加方式包括單獨添加、多種混合添加和畜禽飼喂添加等，不同添加方式對堆肥過程中抗生素去除也存在不同的影響。SELVAM等[38]比較了四環(huán)素和磺胺嘧啶單獨添加和二者混合添加在豬糞堆肥過程中的削減差異，四環(huán)素單獨添加去除率較混合添加略快；由于磺胺嘧啶降解速率較快，堆肥結(jié)束全部降解，兩種添加方式的差異不明顯。而對于環(huán)丙沙星飼喂添加去除率可達82.7%（45 d）[39]，而堆肥前底物中添加環(huán)丙沙星去除率僅為69%（56 d）[36]。

表2 堆肥過程獸藥抗生素在畜禽糞便中的去除Table 2 Reduction of veterinary antibiotics concentrations in animal manure during composting

續(xù)表2 Continued table 2

續(xù)表2 Continued table 2

（2）堆肥溫度

化學(xué)及生化反應(yīng)都依賴于溫度，因此溫度是影響堆肥效果的重要因素?，F(xiàn)在廣泛認為好氧堆肥的溫度變化可以分為四個階段：中溫階段（也被稱作起始階段，25—40℃），高溫階段（40—60℃），冷卻階段（第二個中溫階段）和腐熟階段。測量堆肥溫度可以簡單而快速地確定堆肥腐熟程度。通常來說，在合適的氣溫條件下，如果堆肥的溫度與環(huán)境溫度相近似，說明堆肥產(chǎn)物已經(jīng)高度腐熟達到穩(wěn)定。堆肥過程中，隨著溫度的升高，微生物活動也隨之加強，同時也提高了對抗生素等有機污染物的降解能力。LIU等[40]采用人工程序控溫進行高溫堆肥，起始階段：20—55℃（0—5 d）；高溫階段：55℃（6—10 d），55—50℃（11—13 d），50℃ （14—16 d）；冷卻腐熟階段：50—20℃（17—35 d），并與室溫（10 ± 2）℃條件下的堆肥進行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高溫堆肥過程中磺胺甲嘧啶和磺胺甲惡唑的降解速率常數(shù)分別是 0.34 d-1和0.33 d-1，明顯高于經(jīng)35 d室溫堆肥，其兩者的降解速率常數(shù)分別為0.08 d-1和0.07 d-1。ARIKAN等[41]比較了高溫條件（正常堆肥自然升溫）和低溫條件下（保持室溫）對金霉素及其差向異構(gòu)體（CTC/ECTC）的去除效果。結(jié)果表明，高溫和低溫條件下CTC/ECTC去除率分別為98%和40%（30 d），低溫條件下抗生素去除緩慢。由此可見，高溫條件對于堆肥去除畜禽糞便中抗生素起著非常重要的作用。

（3）供氧方式

在堆肥中，一個最容易被技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計方案影響的因素就是堆肥中的氧氣供應(yīng)。如果堆肥過程中氧氣含量過低，厭氧微生物活動將超過好氧微生物活動，就會發(fā)生厭氧發(fā)酵和無氧呼吸作用。因此，對系統(tǒng)進行穩(wěn)定的氧氣供應(yīng)防止微生物的新陳代謝發(fā)生變化是十分重要的。通常，堆體中的氧氣供應(yīng)都是通過翻堆或者通氣來完成。不同堆肥供氧方式對抗生素的削減效果存在一些差異。RAY等[42]對比了靜態(tài)堆肥和動態(tài)翻堆兩種供氧堆肥方式下金霉素、磺胺甲嘧啶和泰樂菌素的降解情況。研究發(fā)現(xiàn)，動態(tài)翻堆3種抗生素的去除率變化范圍為 86.0%—98.0%，明顯高于靜態(tài)通氣，變化范圍為62.0%—97.0%；靜態(tài)通氣方式下抗生素的半衰期變化為18.0—86.9 d，較動態(tài)翻堆條件下時間更長。DOLLIVER等[30]也對比了簡單堆放、機械翻堆和通氣加旋轉(zhuǎn)筒翻堆3種堆肥方式下金霉素、磺胺二甲嘧啶、泰樂菌素和莫能菌素的去除情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，機械翻堆的高溫期和最高溫度都明顯大于簡單堆放，通氣旋轉(zhuǎn)筒反應(yīng)器式堆肥可將中溫期縮短，迅速轉(zhuǎn)為高溫期并保持在60℃以上。盡管3種方式最終對這4種抗生素的去除率相似，但簡單堆放抗生素降解速率最慢，半衰期最長。

（4）底物組成

在堆肥過程中，底物指的就是用來堆肥的廢棄物。和其他生物過程相類似，底物的物理和化學(xué)性質(zhì)是堆肥過程可行性的決定因素。通常在畜禽糞便中添加秸稈、鋸末、木屑和廢紙渣等輔料來調(diào)節(jié)堆體碳氮比（C/N），有助于堆體自然升溫和微生物數(shù)量及活性的提高，同時也促進了農(nóng)業(yè)廢棄物資源化綜合利用。QIU等[43]以不添加輔料為對照，研究了豬糞和雞糞中添加稻草和鋸末對堆肥過程中 4種磺胺類抗生素（SAs）的削減作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加稻草和鋸末對SAs的去除率（93.15%—100%）較單獨畜禽糞便堆肥（62.23%—100%）顯著提高；而且添加稻草較添加鋸末更容易被微生物利用，表現(xiàn)出了對SAs更大的去除率，其中，豬糞中不添加輔料、添加鋸末和添加稻草對磺胺甲嘧啶去除率分別為83.61%、99.78%和100%。WANG等[44]研究發(fā)現(xiàn)底物正常條件和滅菌條件下土霉素和磺胺甲嘧啶的堆肥降解存在顯著差異，正常條件下土霉素和磺胺甲嘧啶的去除率分別為 89.9%和100%（32 d），而滅菌條件下土霉素和磺胺甲嘧啶的去除率明顯下降，分別為40.9%和81.6%（32 d）。因此，堆肥過程中通過輔料的添加來調(diào)整和強化微生物的種類和數(shù)量，這對加速堆肥進程、提高堆肥質(zhì)量和增強抗生素去除效率起著非常重要的作用。此外，相關(guān)的研究也表明在堆體中添加其他調(diào)節(jié)劑也能加強堆肥對抗生素的去除效率，如外源菌、生物炭和金屬離子等[39-40, 45]。

堆肥過程中也可以引入蚯蚓進行有機質(zhì)的消化分解。RAVINDRAN等[46]研究了普通雞糞堆肥和蚯蚓雞糞堆肥對土霉素的去除影響。研究發(fā)現(xiàn)，雖然蚯蚓堆肥對土霉素的去除率（84.4%，49 d）較普通堆肥（74.3%，20 d）有所提高，但是堆肥時間卻較普通堆肥（20 d）延長了29 d。

3 厭氧發(fā)酵對畜禽糞便中獸用抗生素的去除

畜禽糞便是巨大的碳源，各種畜禽糞便中有機質(zhì)的含量約在30%—70%[47]。含碳豐富的畜禽糞便通過厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，可產(chǎn)生可觀的清潔能源；同時，消化產(chǎn)物沼液和沼渣含有大量的有益微生物以及豐富的氮磷營養(yǎng)元素，可用作葉面肥、水溶肥和土壤有機肥，是一種可同時實現(xiàn)畜禽廢棄物減量化、資源化和能源化的畜禽廢棄物處理方法，廣泛應(yīng)用于中國南方水資源豐富的地區(qū)。

3.1 厭氧發(fā)酵基本工藝與過程

厭氧發(fā)酵分為三個階段：第一階段是液化水解階段，即發(fā)酵菌通過胞外酶的作用使固體物質(zhì)轉(zhuǎn)化成可溶于水的脂肪酸和醇類物質(zhì)；第二階段是產(chǎn)氫產(chǎn)酸階段，可溶性物質(zhì)在胞內(nèi)酶的作用下繼續(xù)分解轉(zhuǎn)化成甲醇、乙醇、甲酸、乙酸等低分子物質(zhì)；第三階段是產(chǎn)甲烷階段，嚴格厭氧的產(chǎn)甲烷菌把產(chǎn)酸階段的小分子化合物通過一步或幾步的還原作用，最終形成甲烷和二氧化碳。

圖4 典型的規(guī)?；B(yǎng)殖小區(qū)糞污厭氧處理系統(tǒng)Fig. 4 Typical anaerobic treatment system of excrement in large-scale farming community

養(yǎng)殖場中常見的畜禽糞便厭氧發(fā)酵方式包括 3種：（1）家庭式小型厭氧發(fā)酵罐；（2）小型沼氣池；（3）工程化升流式/臥式厭氧反應(yīng)器。前兩種簡易厭氧發(fā)酵技術(shù)成本低，處理能力小，主要應(yīng)用于個體養(yǎng)殖戶。工程化升流式/臥式厭氧反應(yīng)器主要應(yīng)用于規(guī)?；B(yǎng)殖小區(qū)糞污集中處理。根據(jù)消化溫度的不同，厭氧發(fā)酵一般分為低溫發(fā)酵（25℃以下）、中溫發(fā)酵（30—45℃）和高溫發(fā)酵（50—65℃）。典型的畜禽糞便厭氧處理流程見圖4。

升流式厭氧反應(yīng)器（up-flow anaerobic sludge blanket reactor, UASB）是大型養(yǎng)殖場畜禽糞便厭氧發(fā)酵的主流工藝。該工藝能維持高濃度的活性污泥濃度，縮短水力停滯時間，具有良好的沉降性能、很高的產(chǎn)甲烷活性以及很高的容積負荷，能處理高濃度有機廢水。升流式厭氧反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)和工作流程見圖5。該反應(yīng)器自下而上包括3個區(qū)域：（1）反應(yīng)區(qū)，位于反應(yīng)器底部，進水在該區(qū)域與厭氧污泥反應(yīng)；（2）污泥懸浮區(qū)，位于反應(yīng)器中部，反應(yīng)后污泥在該區(qū)域沉淀；（3）三相分離區(qū)，位于反應(yīng)器頂部，氣、水和污泥混合液在該區(qū)域分離后沼氣由氣室搜集，處理后的水由出水槽排除，污泥由沉淀區(qū)沉淀后自行返回反應(yīng)區(qū)。該反應(yīng)器的上升水流和產(chǎn)生的沼氣可滿足攪拌要求，因而不需攪拌設(shè)備。

3.2 厭氧發(fā)酵處理中抗生素的消減效果

研究者通過模擬厭氧發(fā)酵對糞污中抗生素的降解程度和過程開展了較全面的研究，研究方法及結(jié)論匯總于表3。結(jié)果表明，四環(huán)霉素在牛糞厭氧發(fā)酵20 d后的去除率不到20%[55]；豬糞中磺胺嘧啶、磺胺甲基嘧啶，磺胺甲惡唑、磺胺地拖辛、甲氧芐啶、磺胺甲氧二嗪通過半個月的厭氧消化幾乎可以完全去除，而磺胺噻唑、磺胺二甲基嘧啶和磺胺氯噠嗪幾乎無法降解[50,56]；泰樂菌素在牛糞中經(jīng)過4 d的厭氧發(fā)酵后幾乎無法檢出，在豬糞中卻難以降解[52,55,57]。

3.3 厭氧發(fā)酵處理中抗生素消減的影響因素

畜禽糞便厭氧發(fā)酵中抗生素的降解程度受多種因素的影響。首先，抗生素去除率與其種類有關(guān)。總體來看，氟喹諾酮類抗生素比較容易被去除，四環(huán)素類抗生素中四環(huán)素和金霉素的去除效果優(yōu)于土霉素，尤其是水相中金霉素的降解程度大于土霉素，磺胺類抗生素在厭氧發(fā)酵過程中的去除程度也差別很大。這可能與抗生素本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如，土霉素的消減程度遠遠低于金霉素和四環(huán)素，主要是由于土霉素容易與畜禽糞便中豐富的二價陽離子、蛋白、顆粒和有機質(zhì)結(jié)合[58]。研究發(fā)現(xiàn)，抗生素與固相物質(zhì)的結(jié)合會降低其生物有效性，阻礙化合物在厭氧發(fā)酵過程中的消減[53]。對磺胺類抗生素而言，盡管母體結(jié)構(gòu)相似，但是取代基團的差異導(dǎo)致了降解能力的不同，嘧啶環(huán)上不含取代基團的化合物容易被羥基化，嘧啶環(huán)上兩個取代基團化合物難以降解，含1個取代基團的化合物能夠被完全降解[56]。此外，微生物對抗生素的敏感性可能也制約其生物降解能力。研究表明，抗生素對厭氧微生物的產(chǎn)甲烷能力有著不同程度的抑制作用[50,52]。其次，厭氧發(fā)酵中抗生素的消減程度也與其濃度有關(guān)，總體而言，初始濃度越大，降解程度越高，這可能是由于在有限的吸附容量下，濃度越大，往水相釋放化合物的量更多，而厭氧系統(tǒng)中固相上化合物向水體的釋放是化合物降解的限制步驟[53]。再則，厭氧發(fā)酵中抗生素的消減程度還受發(fā)酵溫度、污泥性質(zhì)、混合速率和發(fā)酵時間的影響。牛糞厭氧發(fā)酵中金霉素的去除率與溫度正相關(guān)，可能是由于高溫反應(yīng)系統(tǒng)中嗜熱微生物對金霉素的降解能力較強，或者高溫促進了化合物的解吸，增加了生物有效性[59]。種泥中揮發(fā)性固體含量越高，土霉素的降解程度越好，混合速率越大，土霉素的去除效果越好[60]。青霉素的去除率與發(fā)酵反應(yīng)的時間正相關(guān)[61]。

圖5 升流式厭氧反應(yīng)器（UASB）基本結(jié)構(gòu)與工作流程Fig. 5 Basic structure and workflow of upflow anaerobic sludge blanket (UASB)

3.4 抗生素厭氧發(fā)酵產(chǎn)物及沼渣、沼液環(huán)境風(fēng)險

對厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)物監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，15%左右的母體土霉素（OTC）發(fā)生了轉(zhuǎn)化，形成了其差向異構(gòu)產(chǎn)物（EOTC），該產(chǎn)物容易被吸附在固體顆粒上，并具有一定的穩(wěn)定性[53]。金霉素（CTC）在厭氧發(fā)酵中可能生成產(chǎn)物異構(gòu)金霉素（ICTC）和或差向金霉素（ECTC）[51]，相對于 EOTC而言，ECTC在體系中能很快被降解。磺胺嘧啶在厭氧發(fā)酵過程中嘧啶環(huán)上會發(fā)生羥基化反應(yīng)，形成4-OH磺胺嘧啶，毒性試驗表明，該產(chǎn)物的毒性被大大降低，毒性值不到母體化合物的10%[56]。泰樂菌素在厭氧發(fā)酵中能夠快速轉(zhuǎn)化為泰樂菌素D，從而使抗菌活性降低65%[62]。因此，可以看出，厭氧發(fā)酵能在一定程度上消減母體藥物，形成毒性更低的產(chǎn)物，從而實現(xiàn)藥物解毒。

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)是固、液、氣三相共存體系，化合物在該系統(tǒng)的生化反應(yīng)過程及吸附解吸行為極其復(fù)雜。áLVAREZ等[53]研究表明，豬糞厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，水相中的土霉素降解明顯較快，而吸附在固體上的部分難以降解。同樣地，MITCHELL等[55]發(fā)現(xiàn)磺胺嘧啶的去除率＜20%，且主要吸附在固相。因此，豬糞中固相顆粒和懸浮物會成為藥物的吸附劑，能夠吸附固持土霉素和金霉素，從而制約污水中兩種化合物的消減，增加抗生素在固體沼渣中的殘留及環(huán)境風(fēng)險。研究表明，土壤中磺胺類化合物的濃度在1 mg·kg-1即對土壤微生物多樣性和土壤基礎(chǔ)活性產(chǎn)生負面影響，甚至在更低濃度下（超過0.15 mg·kg-1）即增加土壤中微生物抗性基因sul2的污染風(fēng)險[63]。對北京市某養(yǎng)豬場厭氧發(fā)酵產(chǎn)物沼液和沼渣的殘留抗生素監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，沼液儲存池中仍然檢出 6種抗生素，總濃度為 43 ng·mL-1，其中土霉素為 34 ng·mL-1。沼渣中6種藥物殘留總量大約為2 mg·kg-1，以土霉素為主，濃度為1.9 mg·kg-1。對沼渣土地利用風(fēng)險評估結(jié)果表明，該沼渣制作有機肥還田后，土霉素和四環(huán)素可能對土壤生物產(chǎn)生潛在的生物毒性。特別地，土霉素的風(fēng)險特征比值R高達260。對沼液灌溉的風(fēng)險評價結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沼液灌溉后土壤中土霉素的風(fēng)險特征比值R為4.6，遠高于引起環(huán)境生物毒性的閾值。因而提出，厭氧發(fā)酵可能無法完全去除畜禽糞污中的抗生素，殘留藥物仍然具有潛在的土地利用風(fēng)險，建議對厭氧發(fā)酵產(chǎn)物進行好氧等方式的進一步深度處理，控制其中累積的土霉素等典型藥物向環(huán)境的輸入，降低農(nóng)田和水體污染風(fēng)險[64]。

表3 畜禽糞污厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中獸用抗生素的去除Table 3 Reduction of veterinary antibiotics concentrations in animal manure in the anaerobic fermentation system

4 展望

近年來，隨著集約化畜牧業(yè)以及配合飼料工業(yè)的不斷發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖中抗生素使用量在不斷增大，已經(jīng)成為環(huán)境中抗生素污染物的重要來源。在當前無法全面禁止獸用抗生素使用減少源頭污染的背景下，從抗生素引入環(huán)境的第一步畜禽養(yǎng)殖廢棄物入手研究其去除特征和機制，開發(fā)既能夠強化抗生素的去除又能提高畜禽糞便資源化利用的綜合技術(shù)體系具有非常重要的意見。

好氧堆肥和厭氧發(fā)酵技術(shù)均可以大幅度降低畜禽養(yǎng)殖廢棄物中獸用抗生素濃度，但是關(guān)于這些抗生素包括降解產(chǎn)物在內(nèi)的消減機理研究相對薄弱，特別是對于某些未完全降解抗生素，其代謝及降解產(chǎn)物與母體相比只是結(jié)構(gòu)上發(fā)生了些許變化，雖然其活性降低，但仍具有毒性和抗性誘導(dǎo)能力。好氧堆肥和厭氧發(fā)酵處理后的抗生素濃度雖然大多都在微克甚至納克級水平，但堆肥產(chǎn)品和厭氧發(fā)酵沼液施用后在農(nóng)田土壤中的蓄積仍然有可能誘導(dǎo)并促進抗生素耐藥菌和 ARGs的傳播擴散，造成更大的環(huán)境風(fēng)險。因此，今后的研究主要有以下4個方面的內(nèi)容。

（1）在污染物控制方面，要加強獸用抗生素的監(jiān)管，制定相關(guān)的法規(guī)和標準，加速獸用抗生素替代物品的研發(fā)，減少源頭污染；

（2）借助LC-MS/MS高分辨質(zhì)譜系統(tǒng)等手段深入開展畜禽廢棄物好氧堆肥或者厭氧發(fā)酵過程中抗生素降解產(chǎn)物及機理研究，在優(yōu)化抗生素去除工藝的基礎(chǔ)上增加畜禽廢棄物的綜合利用能力；

（3）借助高通量測序等分子生物學(xué)技術(shù)研究好氧堆肥和厭氧發(fā)酵過程中微生物群落的變化，篩選具有強降解能力的微生物作為菌劑，強化其對畜禽養(yǎng)殖廢棄物中獸用抗生素的消減；

（4）借助高通量實時熒光定量PCR技術(shù)深入研究好氧堆肥和厭氧發(fā)酵過程中抗生素和ARGs之間的相互關(guān)系，去除獸用抗生素的同時也加速 ARGs的削減。