王曉醒，郭雪琦，馮瑤，冀拯宇，劉聰，李兆君

（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，北京 100081）

迄今為止，抗生素仍是人類對抗細(xì)菌性感染的重要手段。由于其不當(dāng)使用等問題，環(huán)境中的抗生素殘留及相關(guān)抗生素耐藥基因（Antibiotic resistance genes，ARGs）已經(jīng)成為威脅公共健康安全的環(huán)境污染物，世界上每年有多達(dá)70 萬人因耐藥性問題死亡[1]?？股啬退幮詥栴}是世界各國面臨的共同挑戰(zhàn)，我國的耐藥性問題也不容忽視。我國是目前世界上最大的抗生素原料藥生產(chǎn)國和抗生素產(chǎn)品消費(fèi)國，供應(yīng)全球90%的抗生素原料藥市場[2]，年產(chǎn)量超過100 萬t[3]，年消費(fèi)量約為世界總量的12.5%[4]，抗生素生產(chǎn)過程中的制藥廢棄物[5]、人和動物給藥后的糞尿[6-7]以及食物垃圾[8]和污泥[9]等都已經(jīng)成為事實(shí)上的抗生素及ARGs 儲藏庫。堆肥是一種常用的有機(jī)固廢處理技術(shù)，在抗生素降解及其ARGs 消減方面也有重要作用[7，10]，充分了解堆肥過程中抗生素及其ARGs消減的規(guī)律、影響因素及優(yōu)化技術(shù)，不僅對我國有機(jī)固廢利用具有重要意義，也為最大限度減少抗生素及ARGs擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)提供重要參考。

1 研究現(xiàn)狀分析方法

在Web of Science 數(shù)據(jù)庫中以TS=“compost”AND“antibiotic”以及TI=“compost”and（TS=“antibiotic”O(jiān)R“antimicrobial”O(jiān)R“pharmaceutical”O(jiān)R“drug”O(jiān)R“substance”O(jiān)R“ARG”O(jiān)R“ARB”O(jiān)R“resistance”O(jiān)R“security”O(jiān)R“emerging contaminants”），分兩次篩選文獻(xiàn)（截至2021 年6 月25 日），篩選條件為：（1）堆肥最高溫度達(dá)到50 ℃及以上；（2）有完整的升溫和降溫過程；（3）至少報(bào)告了一種或一類或總抗生素/ARGs 在堆肥前后的濃度或豐度變化；（4）報(bào)告了堆肥原料和堆肥方式。共篩選到132篇文獻(xiàn)。

抗生素及ARGs 在堆肥過程中的消減規(guī)律研究已成為近年來（特別是最近5 a）的熱點(diǎn)問題（圖1），通過堆肥技術(shù)降低ARGs的傳播風(fēng)險(xiǎn)逐漸引發(fā)關(guān)注。

我國既是抗生素生產(chǎn)大國[2]，也是抗生素產(chǎn)品消費(fèi)大國[4]，面臨的ARGs 污染風(fēng)險(xiǎn)尤為突出，對于堆肥過程中抗生素及ARGs 消減規(guī)律關(guān)注度更高，其次是美國和加拿大，其他國家在這一領(lǐng)域的聚焦相對較少（圖2）。相關(guān)研究在我國分布區(qū)域并不均衡，以北京（19.6%）和陜西（18.7%）最為集中，其次為黑龍江（13.1%），其他地區(qū)相對較少。

糞污、污泥和制藥廢棄物是抗生素及ARGs 在堆肥中消減規(guī)律研究中涉及的主要堆肥原料，也是主要的抗生素及ARGs 污染風(fēng)險(xiǎn)來源，其中糞污是最重要的研究原料，76.5%的相關(guān)研究完全或部分以糞污為主要堆肥原料（圖3），17.4%的相關(guān)研究完全或部分以污泥為主要堆肥原料，15.2%的相關(guān)研究完全或部分以制藥廢棄物為主要堆肥原料。

2 堆肥過程中抗生素及ARGs消減情況

2.1 堆肥過程中抗生素降解情況

堆肥能夠有效降解多種抗生素（表1）。其中，磺胺類[20]、喹諾酮類[23]、四環(huán)素類[33]、大環(huán)內(nèi)酯類[63]、β-內(nèi)酰胺類[57]抗生素甚至可以降至檢測限以下，甲硝唑[52]、鹽霉素[70]、三氯卡班[29]、氟苯尼考[47]、拉沙菌素[68]、達(dá)托霉素[5]和林可酰胺[20]等抗生素也能得到有效降解。

表1 抗生素在堆肥中消減情況Table 1 The degradation of antibiotics during composting

有些堆肥試驗(yàn)中抗生素降解率較低，如火雞糞便堆肥中，磺胺類抗生素未能降解[40]，污泥堆肥[19]和商業(yè)化畜禽糞污堆肥[34]中，氟喹諾酮類抗生素幾乎沒有變化，四環(huán)素類抗生素在閹公豬糞便堆肥中降解率僅為27.33%[35]，牛糞堆肥中泰樂菌素基本沒有降解[20]，頭孢菌素C 菌渣和污泥共堆肥中頭孢菌素C 的降解率僅為6.58%[24]。

總體來說，大部分抗生素均能在適當(dāng)?shù)亩逊侍幚碇械玫接行Ы到猓嗤逊侍幚碇胁煌悇e的抗生素以及同類抗生素在不同堆肥處理中的降解率差別很大，特別是部分試驗(yàn)處理中出現(xiàn)抗生素降解率低甚至基本沒有降解的情況，這種差異可能是受到堆肥原料理化性質(zhì)、抗生素濃度差異、堆體溫度變化等因素影響。

續(xù)表1 抗生素在堆肥中消減情況Continued table 1 The degradation of antibiotics during composting

續(xù)表1 抗生素在堆肥中消減情況Continued table 1 The degradation of antibiotics during composting

2.2 堆肥過程中ARGs及移動基因元件（Mobile genetic elements，MGEs）消減情況

堆肥可以大幅降低沼渣[11]和城市固體垃圾[53]以及大部分畜禽糞污[6，46]等有機(jī)固廢中的ARGs，但部分ARGs，特別是sul1在畜禽廢棄物[73]和城市污泥[74]等多種有機(jī)固廢堆肥中都很難清除，且堆肥腐熟期往往發(fā)生反彈[75]，導(dǎo)致消減效率較低甚至在堆肥后不降反升等問題[76]。

ARGs 大部分位于MGEs 中[77]，其豐度變化受到MGEs的強(qiáng)烈影響[78]，intl1與ARGs豐度變化正相關(guān)[10]。在城市固體垃圾[53]、畜禽糞污[6，46，79]堆肥過程中，intl1的豐度均出現(xiàn)不同程度上升或始終保持在較高水平。堆肥原料及堆肥處理等因素對intl1的消減都有影響，例如，雞糞堆肥不能有效降低intl1豐度[46]，但在雞糞與中藥渣共堆肥過程中intl1相對豐度顯著下降[80]。

sul1和intl1被普遍認(rèn)為是人源耐藥性和降解效果的重要監(jiān)測指標(biāo)[6]，且存在共軛傳播[12]，在各類堆肥中廣泛存在，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

3 堆肥過程中抗生素及ARGs消減的影響因素

3.1 堆肥原料

堆肥原料中的抗生素甚至制藥廢棄物[24，60]中殘留的超高濃度抗生素往往并不影響堆肥腐熟，但會影響堆體菌群結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致ARGs 豐度上升。如：青霉素制藥廢棄物堆肥過程中各理化指標(biāo)均能達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，青霉素濃度也降低至檢測限以下[60]，但堆肥后ARGs 豐度明顯上升[61]。加熱預(yù)處理能夠有效降低β-內(nèi)酰胺類[81]、四環(huán)素類[82]、大環(huán)內(nèi)酯類[83]等抗生素制藥廢棄物堆肥過程中的ARGs豐度[66]。

堆肥填充料對抗生素[58]及ARGs[84]消減的作用較小。例如，木屑在堆肥中只起到改善堆體通透性的作用，基本不參與微生物作用[60]，堆肥填充料是否來自轉(zhuǎn)基因作物對ARGs消減也沒有明顯影響[85]。但需要注意其本身存在的ARGs 傳播風(fēng)險(xiǎn)。如：將含有耐藥菌（Antibiotic resistance bacterial，ARB）的玉米秸稈用作堆肥填充料，最終堆肥成品中ARB 檢出率甚至高于靜態(tài)堆放處理[86]。

3.2 菌群結(jié)構(gòu)

微生物菌群結(jié)構(gòu)是影響堆肥中抗生素及其ARGs消減的主要因素[67，76]。厚壁菌門、變形菌門、擬桿菌門、放線菌門是最重要的ARGs 潛在宿主菌門[12-13，87]，此外還有部分古菌（如嗜鹽菌屬[88]）。在具體堆肥過程中，潛在宿主菌除受原料及堆肥時(shí)期的影響外，在堆體不同深度的分布也有差異[89]。

3.3 理化性質(zhì)

堆肥中適當(dāng)增加碳（C）投入有利于ARGs 消減[76]，C/N[90]、可溶性S[53]、pH[53]對ARGs 宿主菌都具有重要影響。pH 還會影響抗生素降解過程[52]，如青霉素在堿性堆肥中更易降解[91]。

堆肥產(chǎn)生的高溫能夠明顯促進(jìn)抗生素[14，47]及ARGs 消減[52]，但溫度并不是影響抗生素降解的直接因素，而是通過改變微生物菌群結(jié)構(gòu)影響抗生素降解[67]。超高溫堆肥去除ARGs 的機(jī)理與傳統(tǒng)堆肥不同，能夠去除幾乎全部的MGEs，從而限制ARGs 的水平轉(zhuǎn)移，相比于傳統(tǒng)堆肥更利于ARGs消減[77]。

總體來說，堆體理化性質(zhì)，如C、N、S 等元素含量及pH、溫度等都會影響堆肥過程中抗生素及ARGs消減，但這些因素的影響往往是間接的，通過改變堆肥過程中的微生物菌群發(fā)揮作用。

3.4 重金屬

高濃度Cu含量會抑制磺胺類[48]、四環(huán)素類[36]抗生素降解，對于泰樂菌素[65]的降解影響較小。高濃度Zn則會導(dǎo)致堆體溫度峰值降低和滯后[50]。

生物有效態(tài)Cu、Zn 與ARGs 豐度存在共軛性[76，92]，可能是因?yàn)锳RGs 和重金屬耐藥基因（Heavy metal resistance genes，MRGs）有共同的宿主微生物[93]，高濃度的生物有效態(tài)Cu、Zn 會對微生物的抗生素耐藥性產(chǎn)生共同的選擇壓力[94]，引起部分ARGs 豐度上升[42，58]，重金屬鈍化則利于ARGs消減[95]。

3.5 其他

有關(guān)抗生素在堆肥過程中消減的研究中，往往在堆肥材料（如畜禽糞污等）中人為添加抗生素以形成處理之間更高的濃度差，但人工添加至畜禽糞污中的抗生素與畜禽飼喂過程中給藥后殘留在糞污中的抗生素在堆肥過程中的降解規(guī)律及其對ARGs 的影響并不完全一致。人工添加的磺胺類和大環(huán)內(nèi)酯類抗生素在堆肥過程中降解更快，四環(huán)素類抗生素則在動物給藥后排泄的糞污堆肥中降解更快[41]。另外，畜禽給藥方式使ARGs 宿主菌群受到選擇壓力時(shí)間更長，ARGs 也更不易消減[42]?？傮w來講，人工添加抗生素的試驗(yàn)處理方式并不能準(zhǔn)確反映生產(chǎn)條件下畜禽糞污堆肥過程，還應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步予以印證。

此外，堆肥時(shí)間[52]、含水率及翻堆頻次[34]、堆肥標(biāo)準(zhǔn)化程度[15]都會對抗生素降解及ARGs消減產(chǎn)生顯著影響。堆體不同部位的ARGs 消減率也有所不同，堆體中心優(yōu)于頂層，底層的消減率最低[7]，這可能是堆體不同部位的透氣性、保溫性等方面差異導(dǎo)致的。堆肥廠的空氣環(huán)境同樣顯著影響腐熟堆肥中的ARGs豐度變化[96]，這可能與堆肥過程中抗生素?fù)]發(fā)導(dǎo)致空氣環(huán)境中存在一定的抗生素及ARGs有關(guān)[54]。

4 堆肥優(yōu)化工藝對抗生素及其ARGs 消減的影響

傳統(tǒng)堆肥在抗生素降解（特別是其ARGs 消減）方面仍然存在諸多局限性，在傳統(tǒng)堆肥基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和強(qiáng)化很有必要。常見的堆肥優(yōu)化工藝見表2。

表2 堆肥優(yōu)化工藝Table 2 Enhancing methods of composting

4.1 堆肥管理

合理優(yōu)化的堆肥工藝可以有效提高畜禽糞污處理效率，就抗生素降解效果來看，發(fā)酵罐堆肥的抗生素消減效果優(yōu)于控制通風(fēng)的條垛堆肥和靜態(tài)堆制堆肥，可以在一周內(nèi)達(dá)到商業(yè)堆肥標(biāo)準(zhǔn)[115]。持續(xù)通風(fēng)優(yōu)于間斷通風(fēng)和不通風(fēng)[54]，負(fù)壓通氣方式比正壓通氣方式更利于ARGs和intl1的消除[117]，這可能與負(fù)壓通氣方式更利于減少引入空氣中的抗生素及ARGs有關(guān)。半透膜覆膜堆肥也能夠有效阻遏空氣環(huán)境對腐熟堆肥中ARGs豐度反彈的促進(jìn)作用，提升ARGs消減效果[96]。

4.2 添加外源微生物

在堆肥中加入外源微生物的主要方式有添加堆肥成品[73]、添加配制菌劑等。引入外源菌劑能夠改變堆體微生物群落結(jié)構(gòu)，提高堆肥溫度峰值，延長堆肥高溫期[7，73]。研究證實(shí)，適當(dāng)添加外源菌劑對于抗生素及ARGs 的消減具有明顯促進(jìn)作用[97，16]，在堆肥過程中采用的菌種有黃孢原毛平革菌、地衣芽孢桿菌、黑曲霉[16]、土曲霉[71]、枯草芽孢桿菌[98]、木質(zhì)素降解菌[99]等，復(fù)合菌劑施用效果往往優(yōu)于單一菌劑[45]。

4.3 堆肥添加劑

堆肥添加劑對于ARGs 消減的影響已經(jīng)成為目前堆肥優(yōu)化技術(shù)研究熱點(diǎn)之一，前人對生物炭和沸石[10]、泥炭[95]、蝦殼粉[109]、玉米穗軸[76]、褐煤[107]、竹醋[75]、納米零價(jià)鐵[114]、鐵基材料和溶磷劑[100]、生物表面活性劑（鼠李糖脂）和化學(xué)表面活性劑（吐溫80）[113]、過磷酸鈣[105]、磚粒[76]、紅泥[108]、3，4-二甲基吡唑磷酸鹽（DMPP）等不同材料對堆肥過程中ARGs 消減的影響進(jìn)行了研究。除磚粒、紅泥和DMPP 外，大部分材料對ARGs消減有一定積極意義。

生物炭類添加劑雖然廣受關(guān)注，但其對于ARGs消減的作用尚不明確。大部分研究認(rèn)為添加生物炭（如竹炭[37]）對于堆肥過程中ARGs 的消減有促進(jìn)作用[75，101]，但有研究發(fā)現(xiàn)，稻草生物炭會促進(jìn)部分畜禽糞污[92，102]堆肥中ARGs 豐度增加，蘑菇生物炭能降低雞糞[92]和豬糞[102]堆肥中ARGs 豐度，但會促進(jìn)鴨糞[102]堆肥中ARGs 豐度增加。也有研究認(rèn)為，生物炭添加比例是影響堆肥過程ARGs 消減的主要因素，而非生物炭的種類[103]。

不可逆吸附是抗生素在堆肥過程中消減的重要途徑之一[54]，在堆體中添加適量的大孔吸附樹脂[111]、沸石[106]等多孔結(jié)構(gòu)材料，有利于增強(qiáng)堆體物理吸附能力，促進(jìn)ARGs和MGEs的消減。

5 展望

5.1 篩選堆肥復(fù)合菌劑

目前，已有部分研究對堆肥菌劑進(jìn)行了探索，并在促進(jìn)抗生素及其ARGs 消減方面取得一定成果，但相關(guān)菌種資源挖掘還比較有限，今后的研究中應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步篩選相關(guān)高效功能菌，明確不同菌種之間的協(xié)同及拮抗作用，探究能夠同時(shí)有效去除多種抗生素及ARGs的復(fù)合菌劑。

5.2 重視規(guī)模堆肥研究

目前，抗生素及其ARGs 在堆肥過程中的消減規(guī)律研究以實(shí)驗(yàn)室水平及中試水平堆肥試驗(yàn)為主，多以人工添加抗生素的方式形成處理間的濃度梯度，但抗生素及ARGs 在工業(yè)水平堆肥中的消減規(guī)律與模擬堆肥及小規(guī)模堆肥試驗(yàn)中并不完全一致，往往受到更多因素影響，人工添加到糞污等堆肥材料中的抗生素與動物給藥后殘留在糞污中的抗生素消減規(guī)律及對ARGs 的誘導(dǎo)效應(yīng)也有差異，今后的研究應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室及中試試驗(yàn)基礎(chǔ)上，更加重視在工業(yè)水平堆肥中對相關(guān)規(guī)律的驗(yàn)證，提高相關(guān)成果對于生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)意義。

5.3 優(yōu)化堆肥技術(shù)

目前，堆肥對于病原微生物的殺滅作用及為作物提供穩(wěn)定養(yǎng)分等方面的作用已經(jīng)得到普遍認(rèn)同，但在降低耐藥風(fēng)險(xiǎn)方面的研究尚不成熟，也未能形成完整的技術(shù)體系。已經(jīng)有研究分析了理化指標(biāo)、微生物菌群結(jié)構(gòu)、重金屬、堆肥管理、空氣環(huán)境及添加劑等諸多因素對堆肥過程中抗生素及ARGs 的影響，今后的研究中還應(yīng)加強(qiáng)對各類影響因素的整合分析，逐步形成針對不同原料的堆肥技術(shù)體系。

5.4 深挖分子機(jī)理

目前，關(guān)于抗生素及ARGs 在堆肥過程中消減規(guī)律的研究大多是對其在具體試驗(yàn)處理中的消減特征進(jìn)行表述，并通過相關(guān)性數(shù)據(jù)分析理化指標(biāo)、微生物群落結(jié)構(gòu)、重金屬等因素對抗生素濃度及ARGs 豐度變化的貢獻(xiàn)度，但不同堆肥試驗(yàn)中抗生素及ARGs 消減效果往往差別較大，其具體分子機(jī)理尚不明確，今后的研究中還應(yīng)該進(jìn)一步深挖相關(guān)分子機(jī)理并逐漸完善理論基礎(chǔ)，提高相關(guān)研究的針對性。