抗生素对畜禽粪便厌氧发酵性能的研究进展

张 鑫

1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西西安 710075

1 畜禽粪便中的抗生素含量

19世纪70年代，青霉素首次被用于治疗细菌感染，在人类疾病治愈方面做出了巨大贡献。然而大量使用抗生素使得微生物产生耐药性，传统抗生素的作用不断减弱甚至消失，促使很多新的抗生素被研发[1]。另外，由于抗生素在畜禽养殖过程中具有防病促生长的作用而受到养殖户的青睐，养殖场也已变成抗生素滥用的重灾区[2]。据估计，到2030年时，全球食用动物生产过程中抗生素的使用量较2010年将增加67%，到2016年中国畜禽养殖中抗生素的使用已达98 000吨[3]。表1中展示了一些常用抗生素种类。83%不能被吸收，而是随着粪便排出，进入到环境中，这与Sun等（2016）[4]的研究结果一致。抗生素在环境中传播，进入食物链危害人类健康，而我国每年畜禽粪便的产量约40亿吨，这给环境带来巨大的压力[5]。邰义萍等（2011）[6]对广东省牛粪和猪粪中的抗生素残留进行调查，喹诺酮和磺胺类中8种抗生素在猪粪中的检出率为100%，在牛粪中的检出率为90%以上。张树清等（2005）[7]调查了经济发展具有差异的地区，发现畜禽粪便中抗生素的含量与地区经济的发达程度成正比；猪粪中四环素类抗生素的含量约在0～134.75 mg/kg；鸡粪中四环素类抗生素的含量约在0～23.43 mg/kg。打击抗生素滥用的规章制度已在制定实施，而一些农村地区滥用抗生素的现象仍然普遍，需要加强监管[8]。

表1 常用抗生素抗菌谱

2 抗生素对畜禽粪便厌氧发酵沼气产量的影响

抗生素作为污染物、有毒物质，会对畜禽粪便厌氧发酵过程中沼气的生成产生影响，但其表现出来的作用是相对的：当浓度较低时会作为微生物的营养物质促进产气，当达到一定浓度时会作为有毒物质抑制产气。Ince等（2013）[9]的研究表明，当奶牛粪便中含有土霉素时会使厌氧发酵甲烷产量降低50%～60%。Alvarez（2010）[10]发现四环素、金霉素及二者的复合作用会使沼气产量分别减少56%、60%、62%。Cetecioglu等（2013）[11]研究发现当四环素浓度升到8.5 mg/kg时会使发酵系统产生不可逆的崩溃。

不同种类抗生素在发酵过程中的降解程度也是造成抗生素产生不同影响的原因。Mitchell等（2013）[12]的研究发现牛粪中的四环霉素在厌氧发酵20 d后仍有大约80%的残留；牛粪中的泰乐菌素在厌氧发酵4 d后几乎完全降解，而猪粪中仍有较多残留，难以降解。而Ince等（2013）[9]研究表明，土霉素在发酵前5天对沼气生成的抑制作用最强，其后随着土霉素的降解直到第15天抑制作用消失。然而有学者研究表明当土霉素浓度高达250 mg/L时对发酵系统的沼气生成没有抑制作用。因此还需进一步研究抗生素对厌氧发酵性能的影响。

3 抗生素对厌氧发酵微生物群落的影响

在厌氧发酵系统中，已被证实抗生素对产甲烷菌有较大的影响。而发酵由于发酵条件和基质种类的差异对抗生素的影响也存在差异。目前关于抗生素对厌氧发酵过程微生物群落影响的研究较少，已有的研究主要集中在研究抗生素对发酵过程中细菌、真菌、放线菌、抗药性细菌等菌群数量的影响。Biolog微平板法、PCR-DGGE和16S rRNA等方法是研究采用的主要手段，可对微生物群落代谢的总活性、碳源代谢类型、多样性进行探索。

马驿等（2013）[13]采用Biolog手段研究了环丙沙星作用下土壤微生物对六大类碳源的利用情况，土壤微生物群落对碳源的代谢强度在环丙沙星浓度≥0.1 μg/g 就表现出较显著的变化。同时有学者发现极低浓度的环丙沙星就能使水体中的Microcystis aeruginosa和Synechococcus leopoliensis活性降低[14]。同属于喹诺酮类的抗生素恩诺沙星的含量为0.1～100 µg/g时，会使微生物群落功能多样性显著降低（p＜0.05）[15]。Aydin等（2016）[16]研究发现复合添加红霉素和四环素，会使厌氧发酵系统中的不动杆菌丰度降低。Aydin等（2015）[17]发现四环素、红霉素和磺胺甲恶唑复合污染会在降解乙酸产沼气的途径中抑制甲烷八叠球菌，从而影响发酵产气。

Alvarez等（2010）[10]通过PCR-DGGE技术研究表明，厌氧发酵过程的产甲烷菌中甲烷微菌目丰度最高。16S rRNA高通量测序可作为更新的手段揭示厌氧发酵过程中众多不同类型微生物种类以及它们之间相对丰度和进化关系。王腾旭等（2016）[18]研究分析了不同温度下污泥厌氧发酵体系中微生物群落结构差异，16S rRNA结果表明，产甲烷古菌丰度在中温发酵系统中高于高温发酵系统，而产酸及嗜热菌在高温发酵系统中有较高丰度。

4 结语与展望

由于我国畜牧业高速、高水平发展，抗生素在防治动物疾病方面使用的频率越来越高，这造成了抗生素随动物粪便、尿液排出体外，很多学者研究了抗生素对厌氧发酵的作用，这些研究主要集中在发酵性能方面，如产气、产酸、微生物群落结构的研究。且近几年的研究表明，抗生素可以诱导产生抗生素抗性基因。抗生素抗性基因是一种新型的环境污染物，会降低抗生素在使用过程中的有效性，对人类生活产生一定的危害。因此抗生素对畜禽粪便厌氧发酵产物中抗性基因种类及丰度的影响是今后值得研究的方向。