白金順，王偉紅，李艷麗，李兆君，趙林萍*

（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)農(nóng)村部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司，北京 100081）

畜牧業(yè)是我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)。2017年，畜牧業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值近30%的比例[1]。然而，伴隨著我國畜牧業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生的大量養(yǎng)殖糞污帶來了巨大的環(huán)境壓力[2]。當(dāng)前，我國每年產(chǎn)生畜禽糞污約38億t，是世界最大的養(yǎng)殖糞污產(chǎn)生國。其中，我國生豬養(yǎng)殖規(guī)模世界第一，生豬糞污占全國畜禽糞污產(chǎn)生量的47%[3]。因而，加快豬糞無害化處理和資源化利用對我國畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

獸藥產(chǎn)業(yè)是支撐我國畜牧業(yè)快速發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。獸用抗生素因其具有促進(jìn)動物生長和預(yù)防動物疾病等作用在畜禽養(yǎng)殖中被廣泛使用。研究表明，我國每年約8萬t抗生素被應(yīng)用于畜牧養(yǎng)殖中，占全國總抗生素用量的52%[4]。然而，40%～90%的獸用抗生素會以原體或代謝物形式隨糞尿排出體外[5]。進(jìn)入環(huán)境的抗生素可對環(huán)境非靶標(biāo)生物產(chǎn)生生態(tài)毒性作用，同時通過食物鏈富集和誘導(dǎo)抗性基因產(chǎn)生傳播，也會對人體健康帶來威脅[6]。目前，獸用抗生素環(huán)境殘留與污染已成為畜禽養(yǎng)殖中一個倍受關(guān)注的問題。

四環(huán)素類抗生素是畜禽養(yǎng)殖業(yè)中使用量最大的抗菌藥物，約占獸用抗生素總用量的57%[7]，因其具有高親水性、低揮發(fā)性和高吸附系數(shù)等特性[8]，在糞便中具有強(qiáng)持久性[9]，一些報道表明四環(huán)素類抗生素也是畜禽糞便中檢出頻率和濃度最高的抗生素類型[4，10]。近年來有關(guān)畜禽糞便中四環(huán)素類抗生素殘留及消減效果等研究不斷增加[11-13]。本文以我國畜禽糞污中產(chǎn)生量最大的豬糞為研究對象，聚焦使用量最大且具有強(qiáng)持久性的四環(huán)素類抗生素，根據(jù)已發(fā)表相關(guān)文獻(xiàn)，對豬糞中四環(huán)素類抗生素的殘留水平、好氧堆肥消減效果進(jìn)行綜述，同時對目前存在的問題和未來的研究重點(diǎn)進(jìn)行展望，為豬糞中四環(huán)素類抗生素風(fēng)險評估和有效控制提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)參考。

1 豬糞中四環(huán)素類抗生素殘留水平及其對農(nóng)田土壤及作物的潛在影響

1.1 殘留水平

四環(huán)素類抗生素是生豬養(yǎng)殖中常用的抗生素種類，與其自身化學(xué)特性有關(guān)，生豬體內(nèi)對四環(huán)素類抗生素吸收較少，用藥量的70%～95%被排出體外[6]，與其他種類抗生素相比，四環(huán)素類抗生素是豬糞中殘留量最大的獸藥類型[10]，對環(huán)境造成潛在污染。國內(nèi)學(xué)者對我國主要生豬養(yǎng)殖地區(qū)豬糞中四環(huán)素類抗生素殘留量開展了諸多調(diào)查研究[14]。其中，土霉素、四環(huán)素、金霉素是相關(guān)報道廣泛關(guān)注的3種四環(huán)素類抗生素。表1列出了不同地區(qū)豬糞中四環(huán)素類抗生素殘留量的情況。

表1 我國不同地區(qū)豬糞中四環(huán)素類抗生素殘留濃度及檢出率

總體上，我國豬糞中四環(huán)素類抗生素殘留在mg·kg-1量級，大多數(shù)濃度范圍在0～100 mg·kg-1之間，部分報道含量可達(dá)100 mg·kg-1以上。受養(yǎng)殖規(guī)模、抗生素使用數(shù)量、抗生素種類使用偏好、采樣時間及地點(diǎn)等因素影響，豬糞中四環(huán)素類抗生素殘留濃度在不同生產(chǎn)區(qū)域間、不同抗生素種類間、不同研究報道間均存在較大差異。Wang等[26]報道我國不同地區(qū)豬糞中的四環(huán)素最高含量從59.06 mg·kg-1到172.90 mg·kg-1不等。張樹清等[17]對我國多地的畜禽糞便中殘留的四環(huán)素類抗生素做了對比分析，浙江、北京等發(fā)達(dá)地區(qū)的畜禽糞便中抗生素殘留量明顯高于其他地區(qū)，可能與發(fā)達(dá)地區(qū)抗生素使用量較高有關(guān)。不同生豬養(yǎng)殖規(guī)模和生育期對抗生素殘留有一定影響，張慧敏等[27]和單英杰等[21]報道發(fā)現(xiàn)，浙江地區(qū)規(guī)?；B(yǎng)殖場較家庭散戶四環(huán)素、金霉素和土霉素用量均顯著較高。沈穎[28]通過對北京、上海、重慶的養(yǎng)豬場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)幼齡期生豬糞便四環(huán)素類抗生素含量顯著高于成年期，這與幼齡期喂養(yǎng)抗生素用量較多有關(guān)。另外，不同種類四環(huán)素類抗生素間也有明顯差異，但不同報道結(jié)果不一。張樹清等[17]對北京養(yǎng)豬場糞污抗生素殘留情況進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果為土霉素＞金霉素＞四環(huán)素；而夏天驕等[18]的研究結(jié)果由高到低的次序是土霉素＞四環(huán)素＞金霉素，這可能與不同養(yǎng)豬場養(yǎng)殖過程中的抗生素使用偏好有關(guān)。然而，盡管抗生素含量總體偏高，但最新研究表明，一些地區(qū)近年來呈現(xiàn)整體下降的良好態(tài)勢，彭秋等[20]對重慶市大型養(yǎng)殖場糞便中四環(huán)素類抗生素殘留進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)2019年畜禽糞便中四環(huán)素類抗生素含量較2014年均有大幅度下降，且檢出率也有所降低。

2019年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部第194號公告，指出自2020年元旦起，我國飼料中全面禁止添加抗生素，這一政策對減少濫用抗生素造成的危害和維護(hù)動物源食品安全和公共衛(wèi)生安全具有深遠(yuǎn)意義。從歐盟對抗生素的禁用歷史來看，在禁用的最初幾年使用量仍然會有所攀升，但長期來看，總體上會呈現(xiàn)穩(wěn)定或下降的趨勢。所以，未來的研究應(yīng)持續(xù)關(guān)注和跟蹤新政策形勢下不同區(qū)域的豬糞中四環(huán)素類抗生素的殘留情況和污染風(fēng)險。

1.2 對農(nóng)田土壤及作物的潛在影響

四環(huán)素類抗生素可通過畜禽糞便-土壤-作物體系逐級傳遞[29]，在不同介質(zhì)中具有檢出頻率較高、污染遷移高、擴(kuò)散范圍廣等特點(diǎn)[30-31]，對農(nóng)田土壤和作物帶來顯著影響[32-33]。

土壤是抗生素使用的主要受體。近年來，四環(huán)素類抗生素在土壤環(huán)境中頻繁檢出，檢出水平在μg·kg-1到mg·kg-1量級不等[34]。曾巧云等[35]對我國農(nóng)業(yè)土壤中四環(huán)素類抗生素污染現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，發(fā)現(xiàn)土壤中土霉素、金霉素和四環(huán)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0～8400、0～5520和0～2450 μg·kg-1，且部分已超過國際規(guī)定的毒害限量標(biāo)準(zhǔn)。蔬菜地土壤因畜禽糞肥還田量大、四環(huán)素含量高而報道較多[36-39]，例如：朱秀輝等[40]檢測廣州市周圍菜地土壤中抗生素的殘留濃度結(jié)果表明，所檢測的樣品中土霉素的最高濃度可達(dá)903.1 μg·kg-1，平均濃度為38.4 μg·kg-1。畜禽糞便直接或間接還田是農(nóng)田土壤四環(huán)素類抗生素殘留的主要來源[41]。張慧敏等[27]發(fā)現(xiàn)畜禽糞便還田土壤中土霉素、四環(huán)素和金霉素的檢出率分別為93%、88%和93%，殘留量分別是未還田土壤的38、13和12倍。朱秀輝等[40]采用層次分析法對菜地土壤中四環(huán)素類抗生素的污染源解析結(jié)果表明，糞肥是土壤中四環(huán)素類抗生素的主要來源，其所占比例大于50%。

土壤中四環(huán)素類抗生素積累會改變土壤微生物群落特性，并潛在影響作物生長。于曉雯等[42]發(fā)現(xiàn)四環(huán)素類抗生素會降低土壤細(xì)菌群落的多樣性，改變細(xì)菌群落的豐富度，隨著時間的推移影響程度逐漸減小，但增加了土壤真菌群落的多樣性。有關(guān)抗生素污染對作物毒性效應(yīng)模擬試驗(yàn)表明，四環(huán)素類抗生素污染可對作物生長產(chǎn)生明顯的抑制作用，鮑艷宇等[43]在土培條件下發(fā)現(xiàn)褐土中殘留四環(huán)素和土霉素濃度與小麥根（芽）生長抑制率顯著相關(guān)。林琳等[44]在小白菜上也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。Li等[45-46]發(fā)現(xiàn)土霉素污染土壤可通過抑制根系活性、光合作用影響小麥生長。但不同作物和基因型對四環(huán)素類抗生素具有不同響應(yīng)敏感性，Zhao等[47]在水培條件下對高粱、綠豆、大麥等10類作物開展了四環(huán)素毒理效應(yīng)研究，發(fā)現(xiàn)不同作物具有不同敏感性。解曉瑜等[48]發(fā)現(xiàn)不同小麥基因型間對土霉素有響應(yīng)差異。

由此可見，農(nóng)田土壤四環(huán)素類抗生素污染普遍存在，盡管難以直接關(guān)聯(lián)豬糞中四環(huán)素殘留對土壤四環(huán)素類抗生素殘留的貢獻(xiàn)，但豬糞作為最大的畜禽糞污來源，其中存在的大量殘留四環(huán)素將是帶給農(nóng)田土壤和作物污染風(fēng)險的重要因素之一。

2 豬糞好氧堆肥四環(huán)素類抗生素消減效果及其主要影響因素

2.1 消減效果

畜禽糞污抗生素消減是降低農(nóng)田抗生素污染的重要源頭控制對策之一。不同畜禽糞便處理方式對抗生素消減有不同影響[49]，好氧堆肥是指在充分供氧的條件下，主要利用好氧微生物進(jìn)行的堆肥處理過程[50]，是畜禽糞便抗生素消減、實(shí)現(xiàn)無害化處理的經(jīng)濟(jì)有效且使用最為廣泛的方法之一[51]。

雖然大量研究表明，通過好氧堆肥可以有效去除糞便中殘留的抗生素[52-53]。但大多數(shù)研究報道建立在模擬試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，且受堆體溫度、濕度和碳氮比等理化性質(zhì)[14]、抗生素種類及殘留量[54]、微生物特性等因素的綜合影響[55]。豬糞中四環(huán)素類抗生素消減效果存在較大變異（表2），Bao等[56]研究了堆肥對育肥豬糞中金霉素消減的研究，發(fā)現(xiàn)豬糞中金霉素消減率僅為27%；而Wu等[57]研究表明豬糞經(jīng)過50 d堆肥后，四環(huán)素、土霉素和金霉素的消減率分別為70%、92%和74%。

表2 我國豬糞中四環(huán)素類抗生素消減率

2.2 主要影響因素

好氧堆肥對豬糞中四環(huán)素類抗生素的消減效果與堆體理化參數(shù)密切相關(guān)，保持適宜水分是高效消減的重要條件之一。研究表明，在初始含水量為60%時的四環(huán)素類抗生素降解率顯著高于含水量為40%和70%時的降解率[58，60]?？刂瓢l(fā)酵溫度是實(shí)現(xiàn)物料中有機(jī)物降解和病菌無害化的基本要求。一般而言，四環(huán)素類抗生素降解率隨堆體溫度提高而增加，沈穎等[58]不同溫度的研究結(jié)果表明，在初始溫度為55℃時的四環(huán)素類抗生素降解率顯著高于溫度為35和45℃時的降解率。堆體酸堿度可通過影響微生物的生長狀況，進(jìn)而影響抗生素的降解效果。鄭麗英[61]研究了金霉素在不同pH條件下的降解情況，發(fā)現(xiàn)在堿性和中性條件下金霉素的降解率明顯大于酸性條件下的降解率。堆體碳氮比及養(yǎng)分含量與四環(huán)素類抗生素消減效率密切相關(guān)，Bao等[56]發(fā)現(xiàn)金霉素消減率與堆體全碳、全氮、碳氮比、全磷、氮磷比具有相關(guān)關(guān)系。張樹清等[62]通過添加高碳氮比的麥秸與豬糞混合堆肥較單獨(dú)豬糞堆肥具有更強(qiáng)的金霉素、四環(huán)素和土霉素去除效果。豬糞中抗生素殘留量也對抗生素消減有顯著影響，研究表明高量抗生素可對堆肥微生物產(chǎn)生短暫抑制作用[63]，進(jìn)而降低抗生素去除率[64]。勾長龍等[12]研究表明低劑量組較高劑量組四環(huán)素類抗生素消減率更高，且主要發(fā)生在高溫階段。好氧堆肥對不同類型四環(huán)素類抗生素消減效率影響不同，報道結(jié)果并不一致。張樹清等[62]研究表明，四環(huán)素類抗生素降解去除率大小為四環(huán)素＞金霉素＞土霉素，而Chai等[59]發(fā)現(xiàn)在相同條件下，四環(huán)素類抗生素降解率大小為金霉素＞四環(huán)素＞土霉素。

好氧堆肥實(shí)際上是基質(zhì)微生物的發(fā)酵過程[65]，因而微生物是影響好氧堆肥降解效果的關(guān)鍵因素之一[13]。研究表明，好氧堆肥對土霉素降解效率在滅菌和不滅菌狀態(tài)下分別為100%和82%，而高溫滅菌則顯著降低抗生素降解效果，同時，無論在添加抗生素還是在自然無添加狀態(tài)下，均表現(xiàn)為滅菌顯著降低豬糞中四環(huán)素的降解效率[66]。沈穎等[58]證明了放線菌、真菌、細(xì)菌都可以有效降解抗生素，且不同菌的最適溫度不同。張樹清等[17]發(fā)現(xiàn)通過接種BM菌劑可提高堆肥過程中抗生素消減效果。目前，通過高效降解菌提高畜禽糞便堆肥中抗生素降解效果被認(rèn)為是一種高效、低成本的無害化處理方法[67]。國內(nèi)已開展一些有關(guān)抗生素降解菌的相關(guān)研究，主要集中在菌株篩選與鑒定以及優(yōu)化去除效果等方面。沈東升等[68]將其實(shí)驗(yàn)室篩選的土霉素降解菌接種于堆肥中，發(fā)展TJ-1接種可提高降解率20%。成潔等[69]證明四環(huán)素降解菌TJ-2對3種抗生素的降解率分別為58.3%、63.9%和65.5%，且TJ-2能以四環(huán)素類抗生素作為唯一碳源。趙晨光等[13]開展了接種四環(huán)素高溫降解菌對不同抗生素濃度豬糞堆肥的影響研究，發(fā)現(xiàn)較高濃度40 mg·kg-1的抗生素具有更好的處理效果。趙晨光等[13]進(jìn)一步通過接種從豬糞中篩選到的耐高溫降解菌，在堆肥14 d土霉素、四環(huán)素和金霉素降解率分別可達(dá)85.8%、91.0%和98.6%。也有研究表明混合外源菌劑接種有利于抗生素降解，肖禮等[70]在豬糞中添加白腐真菌及其混合外源菌劑，單一白腐真菌處理下的豬糞中降解率最小，四環(huán)素和土霉素的含量隨堆肥時間顯著下降，經(jīng)過42 d后兩種抗生素降解率可達(dá)90%以上。

3 研究展望

生豬養(yǎng)殖是近20年來我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)中發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一，其集約化、規(guī)?；潭炔粩嗵岣摺Ｋ沫h(huán)素類抗生素作為生豬養(yǎng)殖中廣泛使用的重要獸藥類型，其在豬糞中普遍殘留，對土壤和作物的潛在風(fēng)險已得到廣泛關(guān)注。盡管基于好氧堆肥技術(shù)的豬糞中四環(huán)素類抗生素消減效果也取得較多試驗(yàn)證明，但堆肥條件及微生物特性對消減效率也有較大影響。因而，如何合理利用好氧堆肥技術(shù)有效控制豬糞中四環(huán)素類抗生素污染，為生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展提供重要支撐，本研究認(rèn)為需要加強(qiáng)以下3方面的研究工作。

（1）標(biāo)準(zhǔn)制定方面。我國豬糞產(chǎn)生量大且四環(huán)素類抗生素殘留量高，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大風(fēng)險，但我國尚無針對豬糞中四環(huán)素類抗生素的消減標(biāo)準(zhǔn)。同時，目前國內(nèi)外圍繞基于堆肥的豬糞中四環(huán)素類抗生素消減技術(shù)和消減濃度開展了一定研究，但整體上存在消減技術(shù)繁多而缺少統(tǒng)一規(guī)范的問題，導(dǎo)致消減效率存在較大變異，現(xiàn)有的畜禽養(yǎng)殖糞便相關(guān)處理國家標(biāo)準(zhǔn)中對抗生素的處理工藝也無體現(xiàn)。另外，盡管2016年國家發(fā)布了有機(jī)肥中四環(huán)素類抗生素含量測定的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)，但在實(shí)際操作中如何實(shí)現(xiàn)四環(huán)素類抗生素含量降低成為養(yǎng)豬場和有機(jī)肥企業(yè)在糞便處理中極其重要但也頗為挑戰(zhàn)的技術(shù)問題。因而，建立操作規(guī)范和市場認(rèn)可的豬糞中四環(huán)素類抗生素強(qiáng)化消減技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)迫在眉捷，為實(shí)現(xiàn)豬糞中四環(huán)素類抗生素?zé)o害化利用提供技術(shù)途徑。

（2）風(fēng)險評估方面。有關(guān)豬糞中四環(huán)素類抗生素殘留對土壤、作物的可能不利影響已研究較多，但主要基于抗生素模擬試驗(yàn)添加或長期豬糞高量施用條件下的研究結(jié)果，盡管在優(yōu)化堆肥條件下四環(huán)素類抗生素消減效率也可達(dá)到80%～90%以上，但對于豬糞中微量四環(huán)素類抗生素殘留在土壤和作物中的遷移與積累機(jī)制仍需進(jìn)一步研究，關(guān)于豬糞中四環(huán)素類抗生素的安全閾值尚未建立。因而，應(yīng)在加強(qiáng)微量四環(huán)素類抗生素環(huán)境遷移、累積機(jī)制基礎(chǔ)上，建立豬糞中四環(huán)素類抗生素風(fēng)險評估和預(yù)警體系，為實(shí)現(xiàn)豬糞四環(huán)素類抗生素污染控制提供科學(xué)依據(jù)。

（3）基礎(chǔ)研究方面。與國內(nèi)外有關(guān)四環(huán)素類抗生素消減效果已有較多報道相比，四環(huán)素類抗生素生物降解機(jī)制方面研究仍相對較少，盡管部分研究通過模型模擬等方法對四環(huán)素類抗生素降解途徑進(jìn)行相關(guān)預(yù)測，但關(guān)于其消減產(chǎn)物的穩(wěn)定性、再轉(zhuǎn)化過程及其環(huán)境風(fēng)險仍不清楚。同時，堆肥作為實(shí)現(xiàn)糞便無害化、資源化利用的關(guān)鍵手段，在此過程中如何實(shí)現(xiàn)抗生素最大程度消減條件下有效保蓄營養(yǎng)元素是頗為關(guān)鍵的問題之一。因而，有必要加強(qiáng)豬糞四環(huán)素類抗生素消減途徑及其消減產(chǎn)物轉(zhuǎn)化機(jī)制與環(huán)境行為的研究，并強(qiáng)化豬糞好氧堆肥中四環(huán)素類抗生素與營養(yǎng)元素協(xié)同轉(zhuǎn)化機(jī)制的研究，不斷提高豬糞中四環(huán)素類抗生素生物轉(zhuǎn)化的科學(xué)認(rèn)知水平。