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綜述:畜禽糞便中抗生素殘留情況及對環境的影響及其處理方法

發布時間:2018-05-16 14:48閱讀數:

前   言

抗生素又稱抗菌素,是由放線菌、細菌、真菌等微生物生長到一定階段產生的次級代謝物質,或者直接采用化學合成或半合成法制得的相似或相同的物質,其在一定濃度范圍內具有殺死或抑制病原菌的作用 。畜禽養殖業的抗生素使用量約占全世界總產量的70%,而我國近幾年每年抗菌類藥物的使用量達到6000 t 。抗生素在腸道內的吸收很少,只有少量抗生素會被機體吸收,在體內經過羥基化、裂解和葡萄糖苷酸化等過程生成無毒無害的物質,約60%~90%會以原形隨糞尿排出體外,所以會產生大量含有抗生素的糞便。

2011 年我國畜禽糞便產總量為21. 21 億t,約等于同時期工業固體廢棄物總量的2 倍,秸稈總量3 倍多。其中絕大部分畜禽糞尿未經過處理便直接施于農田,甚至有些直接隨污水排入水體。畜禽糞便中殘存的抗生素被施入土壤后不僅使土壤中微生物的生態平衡,并且抗生素會通過富集在植物體中進入食物鏈;畜禽糞便中的抗生素也會隨著滲透流失等途徑進入水體,使水環境受到污染,并對其中的生物產生毒害作用;環境中殘留的抗生素將會誘導細菌產生耐藥性或導致強耐藥性細菌的產生,甚至誘導細菌產生耐藥性基因并在同類細菌中轉移,對人類健康產生進一步危害。

1 畜禽養殖業中抗生素的使用和殘留現狀

1.1

畜禽養殖中抗生素的使用現狀

抗生素的使用大致分為3 個階段:1950—1960 年,抗生素種類較少且多以治療為目的,人畜共用;1960—1980 年抗生素的種類增加,開始出現用于畜禽飼料添加劑的抗生素; 1980 年后, 除了知道抗生素作為添加劑能顯著提高生產性能外,人們開始關注大量使用抗生素帶來的畜禽糞便抗生素殘留、細菌耐藥性、對環境影響以及危害人類健康等問題 。相關數據表明,1995 年全球生產的抗生素約70%用于畜禽養殖業, 并且飼料添加劑中抗生素類占到了45. 8%。據統計,2003 年美國約9.20 × 103t 的抗生素, 其中包括三分之一的四環素用于畜牧業規模化養殖 。歐洲國家一年的抗生素用量為5.0 × 103 t,四環素類抗生素約占二分之一, 其主要用作獸藥進行疾病的治療 。

近二三十年,我國畜牧業得到巨大的發展,規模化程度的提高使抗生素用作飼料添加劑更加常態化和頻繁化。2007 年的一項調查報告顯示:我國抗生素的年生產量為2.1 ×105t, 其中46.1%被用于畜牧業,這相當于美國1999 年獸用抗生素的4 倍。美國、日本等國已經限制抗生素作為飼料添加劑的種類和用量, 歐盟已經全面禁止, 而我國在畜禽養殖過程中將抗生素用于飼料還相當的普遍。與此同時, 我國抗生素的使用也存在很多問題:盲目、濫用抗生素問題突出;長時間使用、過量用藥現象普遍存在;一些禁用抗生素的使用屢禁不止;人用抗生素用作獸用;一些原料藥不經加工直接使用;藥物配伍不當現象明顯;不按規定休藥期使用等。

1.2

畜禽糞便中抗生素殘留現狀

畜禽排泄物中普遍含有四環素類、泰樂菌素、磺胺二甲嘧啶、青霉素等, 這些抗生素的殘留量一般在μg /kg 級,以四環素類藥物金霉素的殘留為最高,遠高于磺胺二甲嘧啶和泰樂菌素,表 1 中列出了常見畜禽糞便中檢測到的抗生素種類及含量。張慧敏等通過對浙江北部集約化養殖場畜禽糞便殘留量的調查顯示:四環素類抗生素檢出率較高,且四環素、土霉素和金霉素的平均殘留量為3.36、6.48 和3.79 mg/kg(干重)。其中畜禽糞便中殘留抗生素濃度為豬糞最高, 其次為雞糞, 牛糞最低。張樹清等通過對我國7 個地區規模化養殖廠中豬糞和雞糞采樣, 系統分析了其中殘留的抗生素。結果顯示,四環素在雞糞中的檢測濃度遠遠小于豬糞。通常同一種抗生素在豬糞中檢測量高于家禽排泄物和牛糞,上述差異的出現可能與養殖品種的不同及飼料中使用抗生素情況差異有關。

美國規模化養殖場中動物糞池中的土霉素、金霉素的檢測濃度分別為2.37 和3.94 mg/L,而中國規模化養殖廠中畜禽糞便中土霉素和金霉素的殘留量平均值分別為20.94 和15.26 mg/kg(干重),遠遠高于美國, 這可能由中國畜牧業為了提高生產性能普遍將抗生素用作飼料添加劑所致。Zhao 等研究中, 通過對北京、上海、重慶的規模化養殖場調研發現, 豬糞中四環素類抗生素的殘留量最高并且其含量與豬的生長階段有關,平均含量為:仔豬>種豬>育肥豬。因此,畜禽糞便中抗生素的殘留多少除了跟抗生素種類、物種的不同以及是否作為飼料添加劑有關而且還可能和動物的發育階段相關。

2 畜禽糞便中抗生素殘留對環境的影響

2.1

對土壤的影響

畜禽糞便中殘留的抗生素進入環境的最主要途徑是隨糞便施入土壤,這些未經處理過的畜禽糞便其抗生素也會被土壤顆粒吸附,并且能夠長期積累。當土壤中的抗生素積累到一定量時,它會顯著影響土壤中的細菌、真菌和放線菌等生物,不僅影響微生物種類群落結構,還會誘導微生物產生耐藥性,抑制或增強微生物的代謝途徑等。有研究表明,當每千克土樣中四環素含量超過1mg 時可以顯著抑制土壤中脫氫酶和磷酸酶的活力,實驗室環境中泰樂菌素對土壤中的微生物群落功能和結構有明顯的影響 。抗生素可以抑制或者直接殺死微生物,它的存在使得土壤中的微生態結構破壞,進而影響有機質的腐爛和分解使土壤肥力下降 。Dijck 等研究表明,畜禽糞便中的抗生素可以抑制土壤中多種微生物的生長包括細菌、真菌、放線菌等,而這些微生物的減少會阻礙土壤中的硝化和礦化作用,從而阻礙了土壤正常的養分循環。

另一方面,土壤中的抗生素可以被部分植物吸收并在植物體內積累,并且不同植物和植物的不同部位對抗生素的積累能力和速度有很大差異。Migliore 等研究表明,菜豆、蘿卜和香瓜有很強的富集恩諾沙星的能力,培養一段時間后植物體內的濃度遠高于基質中的濃度,并隨著基質初始濃度的增加而呈上升趨勢。實驗室條件下,多種植物對磺胺甲嘧啶有富集作用,基質含磺胺甲嘧啶(13~2000 mg/kg) 的試驗表明,植物根部的積蓄能力顯著高于莖部。

2.2

對水環境影響

抗生素因其生物降解性及揮發性差故容易富集在水體底泥中,如果長期在水體中殘留,不僅對水體中的微生物群落結構和種群造成損害還會對水生生物產生影響,甚至破壞水體中的生態系統。目前,對低劑量抗生素長期暴露下對水生生物毒性的研究還比較少,現在最主要的方式是以短期急性毒性試驗為主。俞道進等研究發現, 模型池塘中殘留100 mg/L 土霉素即對該系統微生物群落結構產生了不可逆轉的毒害。并且水體中抗生素殘留對微生物的影響隨微生物種類的不同而有差異,一般物種越高級所受影響越小。Hulling-Scrcnsen 在集約化養殖場用抗生素添加劑對藻類的毒性影響試驗中表明,抗生素對銅綠微囊藻的影響顯著高于綠藻,后者約是前者的百分之一。

2.3

對人類健康的潛在威脅

環境中的抗生素如果不加以控制,會在不同的介質中慢慢積累,最終危害人類的身體健康。飼料添加劑中的抗生素可被動物腸道少量吸收并且隨著血液運輸到各個器官,它不僅能存在于動物各組織中,也可以存在其副產品中如肉、蛋、乳等。現有的水體凈化工藝缺乏對抗生素的去除措施,且缺少相應的檢測裝置,抗生素仍能通過日常生活用水進入人體,雖然只是痕量,但是長期飲用會對人類的健康產生威脅。

土壤中殘留的的抗生素會富集在蔬菜水果中,如果食用后將會對人類健康產生損害。一些動物性食品殘留的抗生素也會通過飲食進入人體,導致部分人群發生致敏反應,產生抗體;甚至可以干擾人類的免疫系統內分泌系統,嚴重的話可致突變、致癌、致畸等。

2.4

畜禽糞便中抗生素抗性基因(ARGs) 污染

畜禽養殖過程中使用的抗生素,絕大部分未被動物腸道吸收,而是隨著動物尿液和糞便直接排出體外,在這期間動物腸道長期處于一個高抗生素的環境,極易誘導出耐藥菌株從而產生抗生素抗性基因(ARGs)。同時這些含有抗生素的糞便進入到不同介質后會再次誘導出抗生素抗性基因,使得ARGs 豐度上升造成了嚴重環境污染。盡管目前對ARGs 的遷移、轉化和消亡規律還缺乏明確的認識, 但ARGs 的檢出率及相對豐度是判斷ARGs 污染程度的重要指標。Ji 等在中國東南地區規模化養殖場及周邊取樣檢測到抗性基因的存在, 并且發現ARGs 污染與該樣本中抗生素濃度有微弱的正相關關系;Cheng 等通過在我國東部畜禽養殖場中取樣,檢測出了四環素類抗性基因和磺胺類抗性基因;Wu 等通過分析北京、天津及浙江嘉興三地的規模化養豬場周邊的土壤, 發現了15 種四環素類抗性基因的存在;在我國珠海地區的養殖場,鄒世春等在周邊取樣均檢測到多種四環素類抗性基因。以上研究表明,畜禽糞便中ARGs 污染問題已逐漸嚴重, 并且ARGs 的轉移、消亡規律還尚不明確,早日采取措施是必要且必須的。

3 畜禽糞便中抗生素殘留的去除方法

用堆肥的方法處理畜禽糞便,不僅可以進行無害化處理并且可以提高養分利用率,同時由于微生物和高溫的作用可以加快畜禽糞便中殘留抗生素的降解。是一種簡單有效、成本低廉的畜禽廢物處理手段,且國內外許多學者進行了動物糞便堆肥處理抗生素的探究。張樹清等通過人為添加四環素、土霉素和金霉素到豬糞麥秸堆肥中,發現其去除率分別為:85.97%,84.46%,75.60%。而在雞糞麥秸堆肥中去除率分別為:66.56%,82.44%和72.95%,說明不同類型的堆肥對抗生素的分解能力具有差異性。潘尋等通過檢測堆肥不同階段及通風方式對抗生素的去除情況發現,堆肥的高溫階段是抗生素去除的主要階段,且溫度越高去除效果越好,而翻堆加機械通風的方式可以快速提高堆肥的溫度并延長高溫持續時間。Selvam 等研究發現攜帶抗性基因的大腸桿菌的死亡主要在堆肥高溫階段,并且在堆肥腐熟后抗性基因絕對豐度變低。堆肥不僅能在較短的時間內殺滅畜禽糞便中有害物質,且能降解其中的抗生素和抗性基因,腐熟后還可以作為有機肥施入土壤增加肥力,并且成本低廉,因此是很有前景的發展方向。

另外,畜禽糞便中含有大量的有機質,如果利用得當不僅解決了畜禽糞便抗生素殘留的難題,而且能夠使得這些物質能源化利用。沼氣發酵處理畜禽糞便利用產生的沼氣既可以點燈做飯解決日常生活中的能源問,也可以利用畜禽糞便進行燃燒發電。但是,沼氣發酵并沒有從根本上去除抗生素,其沼液和沼渣仍含有較高濃度的抗生素,利用之前還需去除殘留抗生素以減少后續污染。目前其處理手段主要有物化處理方式和生物處理方式。物化處理方式包括混凝沉淀、吸附、氣浮、反滲透、微電解和高級氧化處理方法,其中大部分抗生素的去除率都在80%以下,但也有少數工藝去除率較高。生物處理方法主要以厭氧一好氧組合工藝居有SBR 法、UASB 法和生物膜法等,大部分處理手段效果都較為理想,高于物理處理方式,因此也是具有潛力的發展方向。但是沼氣發酵由于成本高,產氣效率低一直以來使得它難以大量推廣。

畜禽糞便中含有大量未分解吸收的營養物質(如粗蛋白、維生素、脂肪及微量元素),如果對其進行適當加工即可轉化成粗制飼料繼續飼喂較低等的動物。糞便飼料化作為一種理想的可循環的畜禽糞便資源高效利用技術,其安全性同樣引人矚目,抗生素殘留的污染必須考慮其中。同樣糞便飼料化過程當中抗生素的去除又是一個嚴峻的問題,如果能通過分離、篩選及基因工程改造獲得安全有效抗生素降解菌株或者酶產品,畜禽糞便中抗生素問題也會迎刃而解。

4 前景與展望

我國對畜禽糞便中抗生素殘留造成的環境污染問題關注和監控工作起步較晚,目前還沒有引起足夠的認識,但我國抗生素使用和殘留情況已經不容樂觀。我們要研究解決的問題很多,如抗生素降解規律、抗性基因的遷移和消亡規律、抗生素的毒害機制及其對人類生存環境和生態系統產生的影響等。養殖業廢棄物無害化處理是畜禽養殖業繼續快速發展面臨的重大問題,如何安全有效地去除畜禽糞便中抗生素殘留是問題的關鍵所在。就筆者查閱資料及相關研究認為畜禽糞便中抗生素殘留的問題應重點放在以下幾個方面:

(1)抗生素替代品的研發。只有從源頭上解決了抗生素使用問題,隨之而來的環境問題將會迎刃而解;(2)堆肥技術處理畜禽糞便中抗生素殘留。重點放在堆肥條件的優化,明確抗生素降解的機理,功能性微生物的篩選或基因工程改造:(3)開展不同環境中抗生素殘留的調查,杜絕畜禽養殖業濫用抗生素現象,改善我國抗生素使用現狀。

 

來源:《畜牧與獸醫》2017 年 10 期

作者:王佳寧1,徐永平1,2,3,李曉宇1,3,陳巖1,張楠1,周通1, 曲芳京1,賈藏藏1,王麗麗1,3*

單位:1. 大連理工大學生命科學與技術學院;2. 大連賽姆生物工程技術公司;3. 動物性食品安全保障教育部工程研究中心

 

 

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