謝潔微，胡文鋒，李雪玲，胡 斌

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院， 廣東 廣州 510642；2. 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院動物科學(xué)研究所 畜禽育種國家重點實驗室廣東省動物育種與營養(yǎng)公共實驗室 廣東省畜禽育種與營養(yǎng)研究重點實驗室，廣東 廣州 510640）

抗菌藥物指具有殺菌或抑菌活性的藥物，包 括抗生素、磺胺類、咪唑類、硝基咪唑類、喹諾酮類等化學(xué)合成藥物［1］。 隨著畜牧業(yè)的集約化發(fā)展，大量獸用抗菌藥物被用于預(yù)防和治療動物疾病，或用作動物體重增長促進(jìn)劑［2-3］。 然而，動物機(jī)體新陳代謝程度較低，大部分（20%～90%）抗菌藥物以母體化合物或生物活性形式通過動物糞便排泄到環(huán)境中， 抗菌藥物抗性基因 （antibiotic resistance genes，ARGs） 通過頻繁插入的方式在糞便中的細(xì)菌與臨床病原體之間進(jìn)行傳播和沉積［4］，導(dǎo)致超級細(xì)菌的出現(xiàn)，因此，牲畜糞便可能成為環(huán)境抗性基因污染的潛在來源， 且對環(huán)境安全和人類身體健康構(gòu)成威脅。有研究表明，質(zhì)粒介導(dǎo)的喹諾酮抗性基因在雞糞、豬糞和牛糞便中普遍（占總抗性基因的60%） 存在， 抗性基因濃度的總體趨勢是雞糞>豬糞>牛糞［5］；磺胺類、四環(huán)素類和大環(huán)內(nèi)酯類藥物的耐藥基因也常在動物飼養(yǎng)環(huán)境中被檢測到［6］，因此，采取有效的處理抗菌藥物殘留措施很關(guān)鍵，動物農(nóng)場通常使用簡單的處理系統(tǒng)，糞便處理方法主要是厭氧消化（anaerobic digestion，AD）、堆肥、濕地或潟湖［7］，此外，有一些去除或減少抗菌藥物的新方法，包括活性炭吸附、膜過濾及先進(jìn)的氧化工藝等［8-12］，但需要先進(jìn)的技術(shù)監(jiān)督以及巨額費(fèi)用。 有研究表明堆肥可以有效去除基質(zhì)中殘留的抗菌藥物［13-15］，當(dāng)使用基質(zhì)中抗菌藥物含量為1～150 mg/kg 的牲畜糞便或污泥堆肥時，結(jié)果顯示，四環(huán)素、磺酰胺和大環(huán)內(nèi)酯類抗菌藥物的去除率高達(dá)70%以上［16］。 堆肥不僅降低了抗菌藥物的濃度和生物利用率， 還降低了抗菌藥物抗性基因和耐藥細(xì)菌的豐度， 但成功的堆肥需要足夠的氧氣、 水分、 碳源和其他養(yǎng)分以滿足微生物生長需要，此外，溫度、pH 值、水解和吸附動力學(xué)是提高堆肥效率的重要因素。 近年來，利用黑水虻（Hermetia illucens）消化有機(jī)廢物的方式備受關(guān)注。 黑水虻能夠在短期內(nèi)利用糞便、 廢料或低附加值的材料促進(jìn)生物積累和蛋白質(zhì)合成，因此，利用黑水虻幼蟲對有機(jī)廢物進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)且環(huán)保的選擇，具有促進(jìn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的潛力［17］。另外，在黑水虻幼蟲體內(nèi)沒有檢測到有機(jī)藥物的積累， 減少了殘留抗菌藥物等廢棄物對環(huán)境的危害。 黑水虻與微生物共同轉(zhuǎn)化畜禽糞便中殘留的抗菌藥物， 在此過程中黑水虻能更高效地轉(zhuǎn)化有機(jī)廢物， 黑水虻幼蟲腸道微生物是轉(zhuǎn)化有機(jī)廢物的關(guān)鍵。研究表明，黑水虻幼蟲腸道微生物對動物健康和生長有促進(jìn)作用，然而，這類昆蟲對抗菌藥物的降解能力、 降解過程和降解機(jī)制尚不明確。

1 畜禽糞便中常見抗菌藥物殘留

我國抗菌藥物殘留主要來源于施肥土壤、污糞水、畜禽糞便等。目前在畜禽糞便中檢測到的殘留抗菌藥物種類較多，含量可達(dá)mg/kg 水平。 表1為近年來不同類型肥料基質(zhì)中抗菌藥物殘留情況。 由表1 可知，在糞污及周邊土壤中殘留濃度較高的抗菌藥物，主要是四環(huán)素類。另外也有研究表明，相對于磺胺類、喹諾酮類抗菌藥物，四環(huán)素類積累能力更強(qiáng)，在糞便中的殘留量可達(dá)12.5 mg/kg，可能與四環(huán)素類抗菌藥物結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定、 不易被降解等因素有關(guān)。 畜禽糞便中殘留抗菌藥物隨有機(jī)肥施用、降雨徑流和滲透進(jìn)入周邊環(huán)境，導(dǎo)致一系列環(huán)境污染問題，不僅會殃及土壤和水體、破壞生態(tài)環(huán)境平衡， 還會引起環(huán)境微生物對抗菌藥物產(chǎn)生耐藥性， 抗菌藥物抗性基因?qū)⑽：游锛叭梭w健康。

表1 施肥土壤、糞污水、畜禽糞便中抗菌藥物平均殘留濃度

2 降低抗菌藥物殘留的傳統(tǒng)方法

為解決抗菌藥物殘留污染問題， 國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量探索。 傳統(tǒng)的有效處理方法為生物降解和物化降解。 生物降解以微生物降解和植物吸收為主，物化降解主要為光降解、水解和化學(xué)氧化降解［20］。目前，去除環(huán)境中殘留抗菌藥物主要采用生物降解中的微生物降解法。 畜禽糞便的生物處理工藝主要經(jīng)過好氧堆肥或厭氧消化， 將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為H2O、CO2和礦物質(zhì)等［21］。 微生物群落能夠顯著影響環(huán)境中殘留抗菌藥物的生物減少率，使用堆肥方法處理抗菌藥物發(fā)酵殘留物，除了使有機(jī)廢物更安全， 堆肥最終產(chǎn)物還包含大量的有機(jī)物和礦物質(zhì)營養(yǎng)素， 可以將其用作有機(jī)肥料［22］。好氧堆肥、厭氧消化的方式可以有效去除抗菌藥物殘留， 不同處理方法對糞便中抗菌藥物的去除率如表2 所示。

表2 不同處理方法糞便中抗菌藥物殘留的去除率

2.1 厭氧消化

利用厭氧消化， 牛糞中金霉素去除率為83.0%～89.0%，牛糞中泰樂菌素去除率為100.0%。盡管這些發(fā)現(xiàn)表明可以通過特定的厭氧消化過程完全去除某些獸用抗菌藥物， 但仍缺乏證據(jù)說明為什么消化物中仍然存在大多數(shù)獸用抗菌藥物以及采用什么條件才能完全去除［29］。 厭氧消化不能完全去除獸用抗菌藥物和ARGs， 或去除效率很低，需要采用更全面的方法，方法之一就是通過高溫好氧堆肥。

2.2 好氧堆肥

適當(dāng)?shù)奶幚矸绞娇梢詼p少動物糞便中ARGs污染，好氧堆肥是一種有效的生物修復(fù)方法，可用于回收畜禽糞便，不僅可消滅其中病原體，也可將最終殘留物作為有機(jī)肥料［30］，好氧堆肥是降低抗菌藥物殘留的有效技術(shù)［31］。 當(dāng)使用含抗菌藥物在1～150 mg/kg 的基質(zhì)牲畜糞便或污泥時， 通過堆肥，四環(huán)素類、磺胺類和大環(huán)內(nèi)酯類抗菌藥物去除率超過70%。 有研究表明，在最佳預(yù)處理條件下，藥渣中泰樂菌素濃度降低了97.1%， 通過添加堆肥輔料進(jìn)行高溫堆肥，15 d 后堆肥材料中泰樂菌素的含量低于檢測限（<1 mg/kg）。 然而，將堆肥作為唯一的處理方法時， 并不能完全去除發(fā)酵殘渣中的抗菌藥物殘留。 堆肥不僅降低了抗菌藥物的濃度和生物利用度， 而且降低了ARGs 和抗藥性細(xì)菌的豐富度［32］。但是，成功的堆肥需要足夠的供微生物生長的氧氣、水分、碳源和營養(yǎng)物質(zhì)，此外，適宜的溫度、pH 值等亦可提高堆肥效率［33］。 近年來， 黑水虻幼蟲將畜禽糞便轉(zhuǎn)化為自身營養(yǎng)物質(zhì)和生物積累，因成本低、處理時間短、生物處理效率高引起人們廣泛關(guān)注。

3 黑水虻降低畜禽糞便中殘留抗菌藥物

為滿足人類需求和實現(xiàn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，人們開發(fā)了一種新的方法， 將昆蟲轉(zhuǎn)化糞便這一功能使用到動物飼養(yǎng)系統(tǒng)中。 自然生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)體分解糞便和其他腐爛有機(jī)物， 糞便是這些有機(jī)體的主要食物。黑水虻是這些有機(jī)體之一，黑水虻幼蟲以不同種類的肥料為食， 減少溫室氣體排放， 黑水虻幼蟲處理的糞便中溫室氣體排放比料堆堆肥低47 倍。 黑水虻是一種腐生昆蟲，能夠消化餐廚垃圾、畜禽糞便等有機(jī)物?；谏飳W(xué)特性和攝食習(xí)慣，昆蟲已被廣泛用于處理工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭和其他領(lǐng)域有機(jī)廢物， 以實現(xiàn)綜合資源利用和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展［34］。 通過生物轉(zhuǎn)化，有機(jī)廢物被消化并轉(zhuǎn)化為幼體有機(jī)物如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等［35-36］。黑水虻幼蟲的利用價值已在飼料加工、工業(yè)、保健、醫(yī)藥領(lǐng)域得到驗證［37-40］，具有廣闊的發(fā)展前景。與堆肥相比，利用黑水虻幼蟲處理糞肥的潛在優(yōu)勢包括能夠減少糞肥量以及糞肥中某些重金屬、抗菌藥物和病原微生物，提高幼蟲生物量和蛋白質(zhì)含量，提供生物柴油來源，降低糞肥污染對環(huán)境的不良影響。

黑水虻幼蟲可以抑制3 種藥物（卡馬西平、羅紅霉素和甲氧芐啶）和2 種農(nóng)藥（阿唑菌素和丙環(huán)唑）進(jìn)入環(huán)境，5 種物質(zhì)的半衰期在添加黑水虻幼蟲處理下均比未添加的對照組短（見表3）。 此外，有研究發(fā)現(xiàn)黑水虻幼蟲能夠有效降解霉菌毒素、農(nóng)藥［41］、黃曲霉毒素B1［42］、四環(huán)素［43］和其他有機(jī)藥物。幼蟲組織中沒有發(fā)現(xiàn)有機(jī)藥物積聚，減少了有機(jī)廢物對環(huán)境的危害。

表3 5 種物質(zhì)半衰期變化

關(guān)于黑水虻幼蟲對四環(huán)素的生物學(xué)機(jī)制和降解途徑的研究表明，在非無菌黑水虻幼蟲處理系統(tǒng)中，將近97%的四環(huán)素在12 d 內(nèi)被降解，比普通堆肥快1.6 倍，四環(huán)素的快速降解主要是通過幼蟲腸道微生物群進(jìn)行，其降解速率比無菌BSFL 系統(tǒng)提高了1 倍。通過對四環(huán)素的體外降解分析，確定了4 種可能的生物降解產(chǎn)物、2 種水解產(chǎn)物和3 種可能的失活產(chǎn)物， 即四環(huán)素的降解反應(yīng)包括水解、氧化、脫氨、去甲基化、裂解環(huán)和修飾［43］。

黑水虻幼蟲可以有效降低土霉素母體化合物。用3 日齡黑水虻幼蟲對殘留抗菌藥物進(jìn)行8 d的處理，試驗結(jié)束后，土霉素對幼蟲的發(fā)育無明顯影響［44］，幼蟲對初始濃度分別為100、1 000、2 000 mg/kg （干重） 土霉素的降低率分別為82.7%，77.6%、69.3%， 效率遠(yuǎn)高于未添加幼蟲的對照組（19.3%～22.2%），主要歸因于黑水虻幼蟲腸道微生物，并且幼蟲組織中未檢測到土霉素。盡管幼蟲的腸道微生物受到土霉素的影響， 但它們適應(yīng)了改變的環(huán)境， 幼蟲腸道內(nèi)的腸球菌和放線菌等對暴露的抗菌藥物有強(qiáng)烈的抵抗， 尤其是腸球菌能夠有效降解土霉素的四環(huán)素酶修飾基因宿主， 這說明土霉素可以被有效降解， 同時證明黑水虻幼蟲對抗菌藥物污染具有生物修復(fù)作用。 與其他微生物降解方法相比， 通過黑水虻幼蟲降解土霉素是減少或消除環(huán)境中殘留抗菌藥物污染的更實用、更經(jīng)濟(jì)解決方案。 研究發(fā)現(xiàn)黑水虻幼蟲具有耐受一定水平的磺酰胺污染的能力［45］。

添加黑水虻幼蟲處理有機(jī)物， 半衰期較未添加幼蟲明顯縮短， 且未發(fā)現(xiàn)任何目標(biāo)物質(zhì)在幼蟲中有生物積累［46］。因此，利用黑水虻對不同有機(jī)廢物組分進(jìn)行堆肥處理， 可降低藥物和殺蟲劑在環(huán)境中傳播的風(fēng)險。

4 添加黑水虻幼蟲降低抗菌藥物殘留的前瞻性及思考

由于全球人口數(shù)量劇增，特別是發(fā)展中國家，人類食物包括動物飼料需求增加， 動物活動的增長導(dǎo)致固體廢物（尤其是糞便）的產(chǎn)生顯著增加。近年來， 使用昆蟲幼蟲將經(jīng)濟(jì)價值低的廢物轉(zhuǎn)化為具有市場價值產(chǎn)品的趨勢日益明顯， 將黑水虻作為動物飼料既能解決食物短缺難題， 又可變廢為寶、保護(hù)環(huán)境。 此外，利用黑水虻消化動物糞便可有效減少糞便中抗菌藥物、 重金屬等污染物的含量， 控制動物飼料中重金屬的添加和獸藥的使用，不斷監(jiān)測動物糞便中有毒金屬的含量，以減少這些外來物質(zhì)在幼蟲和魚類體內(nèi)的生物積累。 最后，利用蠅蛆進(jìn)行糞便生物轉(zhuǎn)化，在未來可能成為處理和回收動物糞便的生態(tài)且可行的選擇。 大規(guī)模系統(tǒng)開發(fā)、 遺傳改良和對黑水虻幼蟲的微生物操作可以提高養(yǎng)分產(chǎn)量， 同時減少廢棄物中污染物的排放而不影響產(chǎn)品質(zhì)量（黑水虻幼蟲生物量和生物肥料）。 由于底物轉(zhuǎn)化的高效率、快速生長和易于繁殖，黑水虻可解決2 個全球性問題：有機(jī)廢物管理和動物蛋白生產(chǎn)的替代方法。已有研究評估了黑水虻幼蟲對藥物和殺蟲劑（包括羅紅霉素和甲氧芐啶）降解的影響，發(fā)現(xiàn)與對照處理相比，黑水虻幼蟲能夠大幅度減少這些有害化合物含量，且幼蟲生物體未檢測到殘留。 對于另一類抗菌藥物——磺胺類，當(dāng)其生物積累在濃度0.1～10 mg/kg時，磺胺甲噁唑和磺胺間甲氧嘧啶均無積累［40］；而當(dāng)?shù)孜餄舛葹?～10 mg/kg 時， 磺胺嘧啶會在幼蟲體內(nèi)積累。綜上所述，利用黑水虻幼蟲處理畜禽糞便中殘留的抗菌藥物具有高度前瞻性， 降低抗菌藥物向環(huán)境傳播的風(fēng)險。然而，當(dāng)幼蟲處理含有高濃度外來生物制劑（例如磺胺嘧啶） 的有機(jī)廢物時，一些化合物可能會在幼蟲體內(nèi)積累，同時可能會產(chǎn)生抗性基因和細(xì)菌耐藥性等不良影響。

5 總結(jié)與展望

利用黑水虻和家蠅幼蟲進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化， 可以減少一些重金屬、抗菌藥物、病原體和動物糞便排放的溫室氣體，并將其生成為幼蟲自身生物量（高蛋白質(zhì)和脂肪含量）和生物肥料，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和養(yǎng)分循環(huán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)作。 這種昆蟲對有機(jī)廢棄物的降解能力、降解過程和降解機(jī)制尚不明確，然而在利用黑水虻幼蟲進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化， 動物糞便殘留的抗菌藥物會限制幼蟲將廢棄物作為飼料，例如，某些金屬（特別是鎘）的生物積累、抗菌藥物（磺胺嘧啶）的存在以及可轉(zhuǎn)移到幼蟲體內(nèi)的病原微生物等。關(guān)于對環(huán)境的影響，與其他來源的蛋白質(zhì)和石油相比， 能源使用類別和全球變暖潛力更高。 另一方面，蠅蛆糞可根據(jù)濃度濃縮某些金屬，如鉛， 并含有昆蟲幼蟲無法降解的殘留抗菌藥物和病原體?？赏ㄟ^后續(xù)加工如微波、高溫或熱風(fēng)等方式對黑水虻幼蟲進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化后處理， 還可以利用堆肥處理黑水虻幼蟲殘渣， 保證飼料的安全性和提高黑水虻幼蟲的利用率、使用價值。