我国猪粪中四环素类抗生素残留及好氧堆肥消减研究进展

白金顺，王伟红，李艳丽，李兆君，赵林萍*

（1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081；2. 中国农业科学中国农业科学技术出版社有限公司，北京 100081）

畜牧业是我国农业农村经济发展的重要支柱产业。2017年，畜牧业产值占农业总产值近30%的比例[1]。然而，伴随着我国畜牧业的快速发展，产生的大量养殖粪污带来了巨大的环境压力[2]。当前，我国每年产生畜禽粪污约38亿t，是世界最大的养殖粪污产生国。其中，我国生猪养殖规模世界第一，生猪粪污占全国畜禽粪污产生量的47%[3]。因而，加快猪粪无害化处理和资源化利用对我国畜牧业可持续发展具有重要意义。

兽药产业是支撑我国畜牧业快速发展的基础性产业。兽用抗生素因其具有促进动物生长和预防动物疾病等作用在畜禽养殖中被广泛使用。研究表明，我国每年约8万t抗生素被应用于畜牧养殖中，占全国总抗生素用量的52%[4]。然而，40%～90%的兽用抗生素会以原体或代谢物形式随粪尿排出体外[5]。进入环境的抗生素可对环境非靶标生物产生生态毒性作用，同时通过食物链富集和诱导抗性基因产生传播，也会对人体健康带来威胁[6]。目前，兽用抗生素环境残留与污染已成为畜禽养殖中一个倍受关注的问题。

四环素类抗生素是畜禽养殖业中使用量最大的抗菌药物，约占兽用抗生素总用量的57%[7]，因其具有高亲水性、低挥发性和高吸附系数等特性[8]，在粪便中具有强持久性[9]，一些报道表明四环素类抗生素也是畜禽粪便中检出频率和浓度最高的抗生素类型[4，10]。近年来有关畜禽粪便中四环素类抗生素残留及消减效果等研究不断增加[11-13]。本文以我国畜禽粪污中产生量最大的猪粪为研究对象，聚焦使用量最大且具有强持久性的四环素类抗生素，根据已发表相关文献，对猪粪中四环素类抗生素的残留水平、好氧堆肥消减效果进行综述，同时对目前存在的问题和未来的研究重点进行展望，为猪粪中四环素类抗生素风险评估和有效控制提供科学依据和技术参考。

1 猪粪中四环素类抗生素残留水平及其对农田土壤及作物的潜在影响

1.1 残留水平

四环素类抗生素是生猪养殖中常用的抗生素种类，与其自身化学特性有关，生猪体内对四环素类抗生素吸收较少，用药量的70%～95%被排出体外[6]，与其他种类抗生素相比，四环素类抗生素是猪粪中残留量最大的兽药类型[10]，对环境造成潜在污染。国内学者对我国主要生猪养殖地区猪粪中四环素类抗生素残留量开展了诸多调查研究[14]。其中，土霉素、四环素、金霉素是相关报道广泛关注的3种四环素类抗生素。表1列出了不同地区猪粪中四环素类抗生素残留量的情况。

表1 我国不同地区猪粪中四环素类抗生素残留浓度及检出率

总体上，我国猪粪中四环素类抗生素残留在mg·kg-1量级，大多数浓度范围在0～100 mg·kg-1之间，部分报道含量可达100 mg·kg-1以上。受养殖规模、抗生素使用数量、抗生素种类使用偏好、采样时间及地点等因素影响，猪粪中四环素类抗生素残留浓度在不同生产区域间、不同抗生素种类间、不同研究报道间均存在较大差异。Wang等[26]报道我国不同地区猪粪中的四环素最高含量从59.06 mg·kg-1到172.90 mg·kg-1不等。张树清等[17]对我国多地的畜禽粪便中残留的四环素类抗生素做了对比分析，浙江、北京等发达地区的畜禽粪便中抗生素残留量明显高于其他地区，可能与发达地区抗生素使用量较高有关。不同生猪养殖规模和生育期对抗生素残留有一定影响，张慧敏等[27]和单英杰等[21]报道发现，浙江地区规模化养殖场较家庭散户四环素、金霉素和土霉素用量均显著较高。沈颖[28]通过对北京、上海、重庆的养猪场调查，发现幼龄期生猪粪便四环素类抗生素含量显著高于成年期，这与幼龄期喂养抗生素用量较多有关。另外，不同种类四环素类抗生素间也有明显差异，但不同报道结果不一。张树清等[17]对北京养猪场粪污抗生素残留情况进行调查，结果为土霉素＞金霉素＞四环素；而夏天骄等[18]的研究结果由高到低的次序是土霉素＞四环素＞金霉素，这可能与不同养猪场养殖过程中的抗生素使用偏好有关。然而，尽管抗生素含量总体偏高，但最新研究表明，一些地区近年来呈现整体下降的良好态势，彭秋等[20]对重庆市大型养殖场粪便中四环素类抗生素残留进行了分析，发现2019年畜禽粪便中四环素类抗生素含量较2014年均有大幅度下降，且检出率也有所降低。

2019年，农业农村部发布中华人民共和国农业农村部第194号公告，指出自2020年元旦起，我国饲料中全面禁止添加抗生素，这一政策对减少滥用抗生素造成的危害和维护动物源食品安全和公共卫生安全具有深远意义。从欧盟对抗生素的禁用历史来看，在禁用的最初几年使用量仍然会有所攀升，但长期来看，总体上会呈现稳定或下降的趋势。所以，未来的研究应持续关注和跟踪新政策形势下不同区域的猪粪中四环素类抗生素的残留情况和污染风险。

1.2 对农田土壤及作物的潜在影响

四环素类抗生素可通过畜禽粪便-土壤-作物体系逐级传递[29]，在不同介质中具有检出频率较高、污染迁移高、扩散范围广等特点[30-31]，对农田土壤和作物带来显著影响[32-33]。

土壤是抗生素使用的主要受体。近年来，四环素类抗生素在土壤环境中频繁检出，检出水平在μg·kg-1到mg·kg-1量级不等[34]。曾巧云等[35]对我国农业土壤中四环素类抗生素污染现状进行了综述，发现土壤中土霉素、金霉素和四环素的质量分数分别为0～8400、0～5520和0～2450 μg·kg-1，且部分已超过国际规定的毒害限量标准。蔬菜地土壤因畜禽粪肥还田量大、四环素含量高而报道较多[36-39]，例如：朱秀辉等[40]检测广州市周围菜地土壤中抗生素的残留浓度结果表明，所检测的样品中土霉素的最高浓度可达903.1 μg·kg-1，平均浓度为38.4 μg·kg-1。畜禽粪便直接或间接还田是农田土壤四环素类抗生素残留的主要来源[41]。张慧敏等[27]发现畜禽粪便还田土壤中土霉素、四环素和金霉素的检出率分别为93%、88%和93%，残留量分别是未还田土壤的38、13和12倍。朱秀辉等[40]采用层次分析法对菜地土壤中四环素类抗生素的污染源解析结果表明，粪肥是土壤中四环素类抗生素的主要来源，其所占比例大于50%。

土壤中四环素类抗生素积累会改变土壤微生物群落特性，并潜在影响作物生长。于晓雯等[42]发现四环素类抗生素会降低土壤细菌群落的多样性，改变细菌群落的丰富度，随着时间的推移影响程度逐渐减小，但增加了土壤真菌群落的多样性。有关抗生素污染对作物毒性效应模拟试验表明，四环素类抗生素污染可对作物生长产生明显的抑制作用，鲍艳宇等[43]在土培条件下发现褐土中残留四环素和土霉素浓度与小麦根（芽）生长抑制率显著相关。林琳等[44]在小白菜上也发现类似现象。Li等[45-46]发现土霉素污染土壤可通过抑制根系活性、光合作用影响小麦生长。但不同作物和基因型对四环素类抗生素具有不同响应敏感性，Zhao等[47]在水培条件下对高粱、绿豆、大麦等10类作物开展了四环素毒理效应研究，发现不同作物具有不同敏感性。解晓瑜等[48]发现不同小麦基因型间对土霉素有响应差异。

由此可见，农田土壤四环素类抗生素污染普遍存在，尽管难以直接关联猪粪中四环素残留对土壤四环素类抗生素残留的贡献，但猪粪作为最大的畜禽粪污来源，其中存在的大量残留四环素将是带给农田土壤和作物污染风险的重要因素之一。

2 猪粪好氧堆肥四环素类抗生素消减效果及其主要影响因素

2.1 消减效果

畜禽粪污抗生素消减是降低农田抗生素污染的重要源头控制对策之一。不同畜禽粪便处理方式对抗生素消减有不同影响[49]，好氧堆肥是指在充分供氧的条件下，主要利用好氧微生物进行的堆肥处理过程[50]，是畜禽粪便抗生素消减、实现无害化处理的经济有效且使用最为广泛的方法之一[51]。

虽然大量研究表明，通过好氧堆肥可以有效去除粪便中残留的抗生素[52-53]。但大多数研究报道建立在模拟试验条件的基础上，且受堆体温度、湿度和碳氮比等理化性质[14]、抗生素种类及残留量[54]、微生物特性等因素的综合影响[55]。猪粪中四环素类抗生素消减效果存在较大变异（表2），Bao等[56]研究了堆肥对育肥猪粪中金霉素消减的研究，发现猪粪中金霉素消减率仅为27%；而Wu等[57]研究表明猪粪经过50 d堆肥后，四环素、土霉素和金霉素的消减率分别为70%、92%和74%。

表2 我国猪粪中四环素类抗生素消减率

2.2 主要影响因素

好氧堆肥对猪粪中四环素类抗生素的消减效果与堆体理化参数密切相关，保持适宜水分是高效消减的重要条件之一。研究表明，在初始含水量为60%时的四环素类抗生素降解率显著高于含水量为40%和70%时的降解率[58，60]。控制发酵温度是实现物料中有机物降解和病菌无害化的基本要求。一般而言，四环素类抗生素降解率随堆体温度提高而增加，沈颖等[58]不同温度的研究结果表明，在初始温度为55℃时的四环素类抗生素降解率显著高于温度为35和45℃时的降解率。堆体酸碱度可通过影响微生物的生长状况，进而影响抗生素的降解效果。郑丽英[61]研究了金霉素在不同pH条件下的降解情况，发现在碱性和中性条件下金霉素的降解率明显大于酸性条件下的降解率。堆体碳氮比及养分含量与四环素类抗生素消减效率密切相关，Bao等[56]发现金霉素消减率与堆体全碳、全氮、碳氮比、全磷、氮磷比具有相关关系。张树清等[62]通过添加高碳氮比的麦秸与猪粪混合堆肥较单独猪粪堆肥具有更强的金霉素、四环素和土霉素去除效果。猪粪中抗生素残留量也对抗生素消减有显著影响，研究表明高量抗生素可对堆肥微生物产生短暂抑制作用[63]，进而降低抗生素去除率[64]。勾长龙等[12]研究表明低剂量组较高剂量组四环素类抗生素消减率更高，且主要发生在高温阶段。好氧堆肥对不同类型四环素类抗生素消减效率影响不同，报道结果并不一致。张树清等[62]研究表明，四环素类抗生素降解去除率大小为四环素＞金霉素＞土霉素，而Chai等[59]发现在相同条件下，四环素类抗生素降解率大小为金霉素＞四环素＞土霉素。

好氧堆肥实际上是基质微生物的发酵过程[65]，因而微生物是影响好氧堆肥降解效果的关键因素之一[13]。研究表明，好氧堆肥对土霉素降解效率在灭菌和不灭菌状态下分别为100%和82%，而高温灭菌则显著降低抗生素降解效果，同时，无论在添加抗生素还是在自然无添加状态下，均表现为灭菌显著降低猪粪中四环素的降解效率[66]。沈颖等[58]证明了放线菌、真菌、细菌都可以有效降解抗生素，且不同菌的最适温度不同。张树清等[17]发现通过接种BM菌剂可提高堆肥过程中抗生素消减效果。目前，通过高效降解菌提高畜禽粪便堆肥中抗生素降解效果被认为是一种高效、低成本的无害化处理方法[67]。国内已开展一些有关抗生素降解菌的相关研究，主要集中在菌株筛选与鉴定以及优化去除效果等方面。沈东升等[68]将其实验室筛选的土霉素降解菌接种于堆肥中，发展TJ-1接种可提高降解率20%。成洁等[69]证明四环素降解菌TJ-2对3种抗生素的降解率分别为58.3%、63.9%和65.5%，且TJ-2能以四环素类抗生素作为唯一碳源。赵晨光等[13]开展了接种四环素高温降解菌对不同抗生素浓度猪粪堆肥的影响研究，发现较高浓度40 mg·kg-1的抗生素具有更好的处理效果。赵晨光等[13]进一步通过接种从猪粪中筛选到的耐高温降解菌，在堆肥14 d土霉素、四环素和金霉素降解率分别可达85.8%、91.0%和98.6%。也有研究表明混合外源菌剂接种有利于抗生素降解，肖礼等[70]在猪粪中添加白腐真菌及其混合外源菌剂，单一白腐真菌处理下的猪粪中降解率最小，四环素和土霉素的含量随堆肥时间显著下降，经过42 d后两种抗生素降解率可达90%以上。

3 研究展望

生猪养殖是近20年来我国畜禽养殖业中发展最快的产业之一，其集约化、规模化程度不断提高。四环素类抗生素作为生猪养殖中广泛使用的重要兽药类型，其在猪粪中普遍残留，对土壤和作物的潜在风险已得到广泛关注。尽管基于好氧堆肥技术的猪粪中四环素类抗生素消减效果也取得较多试验证明，但堆肥条件及微生物特性对消减效率也有较大影响。因而，如何合理利用好氧堆肥技术有效控制猪粪中四环素类抗生素污染，为生猪养殖产业绿色发展提供重要支撑，本研究认为需要加强以下3方面的研究工作。

（1）标准制定方面。我国猪粪产生量大且四环素类抗生素残留量高，对生态环境产生巨大风险，但我国尚无针对猪粪中四环素类抗生素的消减标准。同时，目前国内外围绕基于堆肥的猪粪中四环素类抗生素消减技术和消减浓度开展了一定研究，但整体上存在消减技术繁多而缺少统一规范的问题，导致消减效率存在较大变异，现有的畜禽养殖粪便相关处理国家标准中对抗生素的处理工艺也无体现。另外，尽管2016年国家发布了有机肥中四环素类抗生素含量测定的强制性国家标准，但在实际操作中如何实现四环素类抗生素含量降低成为养猪场和有机肥企业在粪便处理中极其重要但也颇为挑战的技术问题。因而，建立操作规范和市场认可的猪粪中四环素类抗生素强化消减技术标准迫在眉捷，为实现猪粪中四环素类抗生素无害化利用提供技术途径。

（2）风险评估方面。有关猪粪中四环素类抗生素残留对土壤、作物的可能不利影响已研究较多，但主要基于抗生素模拟试验添加或长期猪粪高量施用条件下的研究结果，尽管在优化堆肥条件下四环素类抗生素消减效率也可达到80%～90%以上，但对于猪粪中微量四环素类抗生素残留在土壤和作物中的迁移与积累机制仍需进一步研究，关于猪粪中四环素类抗生素的安全阈值尚未建立。因而，应在加强微量四环素类抗生素环境迁移、累积机制基础上，建立猪粪中四环素类抗生素风险评估和预警体系，为实现猪粪四环素类抗生素污染控制提供科学依据。

（3）基础研究方面。与国内外有关四环素类抗生素消减效果已有较多报道相比，四环素类抗生素生物降解机制方面研究仍相对较少，尽管部分研究通过模型模拟等方法对四环素类抗生素降解途径进行相关预测，但关于其消减产物的稳定性、再转化过程及其环境风险仍不清楚。同时，堆肥作为实现粪便无害化、资源化利用的关键手段，在此过程中如何实现抗生素最大程度消减条件下有效保蓄营养元素是颇为关键的问题之一。因而，有必要加强猪粪四环素类抗生素消减途径及其消减产物转化机制与环境行为的研究，并强化猪粪好氧堆肥中四环素类抗生素与营养元素协同转化机制的研究，不断提高猪粪中四环素类抗生素生物转化的科学认知水平。