隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模化發(fā)展，畜禽糞便排放量急劇增加，其中含有大量的病原微生物及抗生素殘留，如不進(jìn)行處理會(huì)對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。堆肥技術(shù)能有效去除畜禽糞便中大部分病原微生物及抗生素殘留。本文對(duì)畜禽糞便中病原微生物、抗生素殘留以及堆肥對(duì)病原微生物及各類抗生素的消減情況進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)今后堆肥的研究方向提出了建議。
前 言
隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽糞便產(chǎn)生量迅速增加，嚴(yán)重影響畜禽產(chǎn)業(yè)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國主要畜禽糞便的產(chǎn)量自1978 年以來增長迅速，至1999 年已達(dá)到24.04 億噸，此后穩(wěn)中有升。
近年來，我國畜禽養(yǎng)殖總量不斷上升，每年可產(chǎn)生約38 億噸畜禽糞便。許多大中型畜禽養(yǎng)殖場并未對(duì)畜禽糞便進(jìn)行無害化、資源化等處理，便直接施于農(nóng)田或隨污水進(jìn)入水體，一方面污染了周邊環(huán)境，另一方面，畜禽糞便中的各種病原微生物及部分抗生素殘留正逐漸破壞農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境平衡，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全造成潛在危害，影響人體健康。
為了使畜禽糞便能夠高效安全利用，一個(gè)有效途徑就是在畜禽糞便農(nóng)用之前，對(duì)其進(jìn)行堆肥處理，利用微生物發(fā)酵將畜禽糞便中復(fù)雜的有機(jī)物分解為腐殖質(zhì)，并在分解過程中產(chǎn)生50~65℃的高溫，殺死病原微生物，并消除部分抗生素殘留。本文對(duì)畜禽糞便堆肥過程中病原微生物及抗生素的消減技術(shù)研究情況進(jìn)行綜述，為今后開展更為深入、有效的研究提供參考。
1 畜禽糞便中病原微生物及抗生素殘留情況
1.1畜禽糞便中的病原微生物殘留
畜禽體內(nèi)的微生物主要通過消化道排出體外，而糞便是各微生物的主要載體，畜禽糞便中存在大量微生物，包括細(xì)菌、真菌、寄生蟲卵及病毒，其中大腸桿菌、沙門氏菌、李氏桿菌、馬里克氏病毒、蛔蟲卵等有致病性。畜禽養(yǎng)殖場排放的污水中平均每毫升含有33 萬個(gè)大腸桿菌和69 萬個(gè)大腸球菌，每1000 mL 沉淀池污水中含有190 多個(gè)蛔蟲卵和100 多個(gè)線蟲卵，且多數(shù)致病微生物及寄生蟲卵在未經(jīng)處理的畜禽糞便中可長期生存，如在自然堆肥條件下，大腸桿菌需要2~3 個(gè)月才可以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，沙門氏菌需要4~5 個(gè)月，蛔蟲卵死亡率達(dá)到90% 則需要10 個(gè)月。
當(dāng)含有致病微生物的糞便釋放于土壤后，造成蔬菜污染，通過食物鏈威脅人類健康，甚至可能引發(fā)嚴(yán)重疾病，如李氏桿菌不僅能引起牛、羊流產(chǎn)及死胎，還能感染嬰兒、孕婦、老年人及免疫功能不全的人，引發(fā)敗血病、腦膜炎等。這些有害病菌如得不到妥善處理，不僅會(huì)直接威脅畜禽自身的健康，降低畜禽養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益，還會(huì)威脅人類健康，引發(fā)重大公共衛(wèi)生事件。而采用高溫堆肥技術(shù)既可以殺死其中的病原微生物、寄生蟲卵等，達(dá)到無害化處理的目的，還能生產(chǎn)功能性有機(jī)肥料，從而實(shí)現(xiàn)資源化利用。
1.2畜禽糞便中的抗生素殘留
自20 世紀(jì)50 年代美國FDA 首次批準(zhǔn)將抗生素用作飼料添加劑后，世界各國相繼將抗生素用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)。獸用抗生素不僅可以治療和預(yù)防動(dòng)物疾病，還可以作為生長促進(jìn)劑添加到飼料中。
近年來隨著人們生活水平的提高，對(duì)動(dòng)物性食品的需求越來越大，飼料廠和養(yǎng)殖場的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)下，為了預(yù)防疾病的爆發(fā)和促進(jìn)動(dòng)物生長，抗生素被廣泛使用。
中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所發(fā)布的一項(xiàng)研究結(jié)果顯示，2013 年中國抗生素總使用量約為16.2 萬噸，其中8.4 萬噸用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)，四環(huán)素類、喹諾酮類、大環(huán)內(nèi)酯類、磺胺類等應(yīng)用較廣泛。當(dāng)抗生素進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)后，僅有少部分參與機(jī)體代謝發(fā)揮藥效，其余30%~90% 以母體或代謝物的形式隨糞、尿排出體外。
Zhao 等對(duì)我國8 個(gè)省的大型畜禽養(yǎng)殖場的143 個(gè)畜禽糞便樣本進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)，豬、牛糞中環(huán)丙沙星、恩諾沙星、四環(huán)素和金霉素的濃度在21~59.6 mg /kg 之間；雞糞中氟羅沙星、諾氟沙星和環(huán)丙沙星的濃度在45.6~225.4 mg /kg 之間，其中恩諾沙星的濃度最高達(dá)1420.76 mg /kg。
Pan 等對(duì)山東省21 家規(guī)?；B(yǎng)豬場的126 個(gè)豬糞樣本的抗生素進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果顯示，四環(huán)素類抗生素的檢出濃度和檢出率( 84.9%~96.8%) 均很高，其中金霉素的檢出率為96.8%，最高殘留濃度達(dá)764.4 mg /kg，磺胺類抗生素的最高殘留濃度為28.7 mg /kg。
張樹清等從7 個(gè)省、市、自治區(qū)的養(yǎng)豬和養(yǎng)雞場采集了55 個(gè)樣本，分析結(jié)果表明豬糞中土霉素和金霉素的殘留量遠(yuǎn)高于雞糞，其最高含量分別達(dá)134.75 mg /kg 和121.78 mg /kg，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的獸藥殘留明顯高于其他地區(qū)。
抗生素的大量使用導(dǎo)致動(dòng)物機(jī)體的免疫力下降，影響體內(nèi)有益菌群的生成，致使大腸桿菌、沙門氏菌等細(xì)菌病頻發(fā)；同時(shí)也會(huì)引發(fā)細(xì)菌耐藥性，增加超級(jí)細(xì)菌產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)報(bào)道，2014 年全球有70 萬人因抗生素耐藥性的產(chǎn)生而死亡。畜禽糞便作為肥料施于土壤，其中的抗生素能夠被土壤吸附和積累，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要土著微生物，如固氮菌、解磷菌、放線菌等有殺死或抑制作用，降低土壤養(yǎng)分循環(huán)效率，還會(huì)對(duì)一些植物產(chǎn)生不同程度的生態(tài)毒理學(xué)效應(yīng)，影響它們的生長，如土霉素便能通過影響紫花苜蓿根系的生理過程而顯著抑制其生長。
2 畜禽糞便堆肥過程中病原微生物的消減
國內(nèi)外學(xué)者在堆肥消減畜禽糞便中病原微生物方面進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)堆肥能夠殺滅畜禽糞便中絕大多數(shù)的病原微生物及寄生蟲等。在牛糞堆肥研究中，90%以上的大腸桿菌O157∶ H7 和沙門氏菌在10 天以內(nèi)滅活，李氏桿菌在堆肥14 天后也能達(dá)到檢測不到的水平。堆肥不但對(duì)致病菌有很好的去除效果，對(duì)寄生蟲及蟲卵的殺滅效果也很顯著。王洪志等對(duì)雙流縣的5 個(gè)規(guī)模化養(yǎng)豬場糞便無害化處理系統(tǒng)進(jìn)行取樣，檢測糞便堆肥前后寄生蟲及蟲卵的存活情況，堆肥前小袋蟲、球蟲、蛔蟲等均有較高的陽性率，而堆肥后各種寄生蟲及蟲卵的陰性率均達(dá)99%以上。由此可見，堆肥對(duì)糞便中的致病菌及寄生蟲等均有很好的殺滅效果。
在堆肥消減畜禽糞便中病原微生物的研究中發(fā)現(xiàn)，堆肥溫度、肥堆水分含量以及堆肥時(shí)的添加劑，是影響病原微生物消減的重要因素。牛糞堆肥過程中，37℃時(shí)滅活90%以上的沙門氏菌需要1.7~8.4 天，而55℃只需要2~3 天。Millner等研究牛糞堆肥對(duì)病原菌的消減作用時(shí)，同樣發(fā)現(xiàn)堆肥溫度越高，對(duì)各種病原菌的消除效果越快。在同一溫度情況下，堆肥過程中大腸桿菌在高濕度情況下比低濕度時(shí)對(duì)溫度更敏感，大腸桿菌O517 在60℃、水分含量分別為40% 和70%的肥堆中的致死時(shí)間分別為10 min 和28.8min。
堆肥過程中一些添加劑的使用，可以提高病原微生物的消減效果。斯木吉德等在對(duì)牛糞進(jìn)行堆肥時(shí)添加了不同濃度的石灰氮，結(jié)果表明在較低溫度下，石灰氮表現(xiàn)出很好的抑菌效果，50℃以上時(shí)，高溫作用就能殺死大腸桿菌，導(dǎo)致石灰氮效果不明顯。Vinneras 等在用牛的糞尿及鋸末進(jìn)行堆肥時(shí)，向肥堆中加入不同濃度的尿素，尿素在酶的作用下分解產(chǎn)生氨氣，一方面使肥堆的pH 值升高，另一方面發(fā)揮了除菌效果，在較低溫度( 20℃) 下，沙門氏菌和大腸桿菌的d 值( decimalreduction time) 就能達(dá)到0.7 以下，腸球菌的d 值在5 以下。堆肥時(shí)，肥堆表面的溫度相對(duì)較低，對(duì)病原菌的去除效果較差，石灰氮及尿素的加入，可增強(qiáng)除菌效果。此外，一些外源菌劑的添加，如EM 菌劑、Hsp 菌劑、VT 菌劑，不但可以提高堆肥溫度，還可以延長維持高溫的時(shí)間，促進(jìn)肥堆中致病微生物及蟲卵的去除。
3 畜禽糞便堆肥過程中各種抗生素的消減
畜禽糞便中抗生素的殘留有諸多危害，堆肥能夠除臭、殺菌、消減其中抗生素含量，從而減輕糞便使用時(shí)對(duì)環(huán)境的污染，現(xiàn)將畜禽糞便中檢出率較高的四環(huán)素類、氟喹諾酮類、磺胺類、大環(huán)內(nèi)酯類4 類抗生素在堆肥過程中的去除情況進(jìn)行綜述。
3.1四環(huán)素類抗生素
四環(huán)素類抗生素家族包括四環(huán)素、土霉素、金霉素、地美環(huán)素、美他環(huán)素、多西環(huán)素等天然和半合成抗生素，與其他類抗生素相比，四環(huán)素類抗生素在我國及世界畜禽養(yǎng)殖業(yè)中實(shí)際使用量均最大，因此四環(huán)素類抗生素在畜禽糞便中的檢出率和檢出濃度均較高，關(guān)于四環(huán)素類抗生素去除方面的研究也最廣泛和深入。田哲等將近年來各國學(xué)者對(duì)堆肥去除畜禽糞便中四環(huán)素類抗生素的效果進(jìn)行了總結(jié)和比較，發(fā)現(xiàn)堆肥化處理可有效消減畜禽糞便中的四環(huán)素類抗生素，并且對(duì)抗性基因的擴(kuò)散和傳播具有一定的控制效果。
Arikan 等用含土霉素的牛糞和稻草、木屑一起進(jìn)行避光、好氧堆肥，發(fā)現(xiàn)在堆肥第6 天時(shí)土霉素含量就下降了95%，堆肥結(jié)束時(shí)去除率超過了99.8%?？锕鈧サ扔煤撩顾睾徒鹈顾氐男迈r雞糞在自然光照下進(jìn)行堆肥，兩種抗生素在15天內(nèi)的平均降解率均在90% 以上。Bao 等研究堆肥去除畜禽糞便中四環(huán)素類抗生素時(shí)則發(fā)現(xiàn)，堆肥對(duì)雞糞中的金霉素去除率超過90%。因此，堆肥能夠有效去除畜禽糞便中的四環(huán)素類藥物。
諸多研究表明，溫度是影響抗生素去除的重要因素，光照以及堆肥時(shí)菌劑、鋸末等的添加也會(huì)顯著影響四環(huán)素類藥物的去除效率。堆肥對(duì)抗生素的去除主要通過光解、水解及微生物降解來完成，堆肥時(shí)溫度越高，四環(huán)素類抗生素的降解率也越高，因此能夠提高堆肥溫度的菌劑，如EM菌劑、Hsp 菌劑、VT 菌劑等能增加堆肥過程中四環(huán)素類抗生素的去除效果。此外，光照也能顯著影響堆肥時(shí)四環(huán)素類藥物的消減效果，匡光偉等用含土霉素和金霉素的新鮮雞糞在避光和自然光照下進(jìn)行堆肥，在避光條件下，兩種抗生素在15 天內(nèi)的降解幅度均不超過10%，而在光照條件下，平均降解率均在90% 以上。堆肥時(shí)的添加物，如菌劑、鋸末等也能促進(jìn)四環(huán)素類藥物的降解。肖禮等研究發(fā)現(xiàn)在豬糞堆肥過程中添加白腐真菌能夠加快堆肥中四環(huán)素降解速度，可能是白腐真菌加速了木質(zhì)素、纖維素分解，從而提高了堆肥質(zhì)量。此外，白腐真菌所分泌的木質(zhì)素過氧化物酶和錳過氧化物酶能夠直接降解四環(huán)素，從而進(jìn)一步加速了畜禽糞便中四環(huán)素類藥物的降解。除了添加菌劑，堆肥時(shí)加入鋸末也能促進(jìn)四環(huán)素的降解，Kim 等研究發(fā)現(xiàn)，豬糞加鋸末堆肥最高溫度為55℃，而與豬糞不加鋸末60℃堆肥2 周相比，前者對(duì)四環(huán)素的降解率比后者要高得多。
3.2喹諾酮類
喹諾酮類藥物具有抗菌活性廣和動(dòng)物口服吸收效果好等特性，目前使用較多的是第三代產(chǎn)品，包括諾氟沙星、氧氟沙星、環(huán)丙沙星、洛美沙星、恩諾沙星等。與四環(huán)素類抗生素相比，堆肥去除喹諾酮類抗生素的研究較少，且去除效果也相對(duì)較差。孟磊等的研究結(jié)果表明，高溫堆肥對(duì)雞糞中5 種喹諾酮類抗生素的去除率不足80%。Selvam等研究了豬糞堆肥對(duì)環(huán)丙沙星等抗生素的去除效果，發(fā)現(xiàn)與金霉素、磺胺嘧啶相比，環(huán)丙沙星在堆肥過程中較難去除，經(jīng)過56 天的堆肥，環(huán)丙沙星的殘留量仍有17%~31%。高溫堆肥未能實(shí)現(xiàn)畜禽糞便中殘留喹諾酮類抗生素的高效去除( 90%以上) ，因此有必要對(duì)堆肥過程及外源菌種的添加進(jìn)行更深入的優(yōu)化和研究。
研究發(fā)現(xiàn)，一些菌劑的加入能夠提高堆肥過程中喹諾酮類抗生素的降解效率。雞糞高溫堆肥時(shí)，接種外源耐高溫菌種后喹諾酮類抗生素的去除率從原來的48.4%~77.1% 提高到60.3% 以上。白腐真菌在液體介質(zhì)中對(duì)喹諾酮類抗生素的降解非常有效，堆肥過程中添加合適的白腐真菌也能提高對(duì)喹諾酮類抗生素的去除效率。如白耙齒菌和變色栓菌分別能在10 天和14 天內(nèi)將介質(zhì)中的喹諾酮類抗生素完全降解。Prieto等研究發(fā)現(xiàn)變色栓菌可以在7 天里降解90%以上的環(huán)丙沙星和諾氟沙星。Yu 等研究了雞糞中各種抗生素經(jīng)過堆肥處理后的降解情況，其中諾氟沙星、恩諾沙星、氟甲喹的初始濃度分別為5.09、36.77、42.03mg /kg，經(jīng)過13 天的堆肥期，3種抗菌素的降解率便超過了99%。因此，在今后的研究中探討促使雞糞中氟喹諾酮類抗生素快速降解的因素，可為解決堆肥時(shí)喹諾酮類藥物降解效率低的問題提供理論與技術(shù)支撐。
3.3磺胺類
磺胺類藥物是人工合成的抗菌藥，具有抗菌譜廣、性質(zhì)穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在畜禽抗感染治療方面起著重要作用，常用的有磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲惡唑等。與氟喹諾酮類抗菌藥相比，畜禽糞便中的磺胺類藥物較易去除，一般情況下，堆肥便能實(shí)現(xiàn)畜禽糞便中磺胺類藥物的高效去除。Yu 等研究了雞糞堆肥中各種抗生素的去除情況，初始濃度為30.64 mg /kg的磺胺嘧啶在第13 天時(shí)便被完全去除。研究人員對(duì)豬糞進(jìn)行高溫堆肥時(shí)發(fā)現(xiàn)，初始濃度分別為24.03、22.75、100 mg /kg 的磺胺甲嘧啶、磺胺甲惡唑及磺胺二甲嘧啶在15 天的時(shí)間里便能實(shí)現(xiàn)90%以上的去除率。
堆肥溫度是影響畜禽糞便中磺胺類藥物去除效率的重要因素。此外，畜禽糞便堆肥時(shí)的各個(gè)物理化學(xué)指標(biāo)，如pH 值、溫度、總有機(jī)碳、總氮、總磷及金屬離子含量等對(duì)其中抗生素含量都有影響。Kim 等的研究證明豬糞不加鋸末進(jìn)行堆肥時(shí)，堆溫只有30℃左右，磺胺甲嘧啶在35 天的堆肥期內(nèi)基本未降解，豬糞中加入鋸末后，堆肥溫度升高到55℃，初始濃度為2、10、20mg /kg 的磺胺甲嘧啶堆肥20 天后都降到0.2mg /kg以下。Dollive 等對(duì)火雞糞便進(jìn)行堆肥，考察其中各種抗生素的消除情況，經(jīng)過35 天的堆肥，各處理組肥堆中磺胺甲嘧啶的含量卻無變化。因此，尋找能夠促進(jìn)畜禽糞便中磺胺類抗菌素快速降解的因素，對(duì)實(shí)現(xiàn)畜禽糞便的無害化、資源化處理意義重大。
3.4大環(huán)內(nèi)酯類
大環(huán)內(nèi)酯類抗生素是由鏈霉菌產(chǎn)生的廣譜抗生素，在治療畜禽呼吸道及消化道疾病方面具有不可替代的作用，作為添加劑添加到飼料中，還能起到促進(jìn)生長、增重、增產(chǎn)的作用，常用的有紅霉素、泰樂菌素、替米考星等。Yu 等研究雞糞堆肥中各種抗生素的去除情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，初始濃度分別為5.58、5.24 mg /kg 和62.57 mg/kg 的紅霉素、替米考星和泰樂菌素在堆肥第13 天時(shí)便被完全去除。Kim 等研究豬糞堆肥過程中泰樂菌素等的降解情況，發(fā)現(xiàn)豬糞中加入鋸末后堆肥溫度由不加時(shí)的30℃左右升高到55℃，初始濃度為20 mg/kg 的泰樂菌素經(jīng)過5 天的堆肥便降到1mg/kg。而Dollive 等對(duì)火雞糞便進(jìn)行堆肥發(fā)現(xiàn)，初始濃度為3.7 mg/kg 的泰樂菌素經(jīng)過35 天的堆肥，還有約40%的剩余。豬糞、雞糞中的磺胺類及大環(huán)內(nèi)酯類抗菌素在堆肥過程中較易去除，即便是30℃左右的低溫堆肥，其中的泰樂菌素都能有效降解。而火雞糞便堆肥時(shí)，兩種抗菌素的去除卻變得異常困難，可能是由火雞糞便的理化性質(zhì)所致。
4 總結(jié)與展望
畜禽糞便中含有大量的病原微生物及抗生素殘留，如不經(jīng)處理或簡單處理便施用于土壤，會(huì)給人類健康帶來較大風(fēng)險(xiǎn)，盡管堆肥能夠消滅畜禽糞便中的病原微生物、寄生蟲，還能有效消減其中多種抗生素殘留，但受畜禽糞便理化性質(zhì)及堆肥過程的影響，某些抗生素還達(dá)不到高效去除的要求，且對(duì)于容易降解的抗生素，其降解產(chǎn)物的毒性及其對(duì)環(huán)境的效應(yīng)同樣不可忽視。
因此本文對(duì)將來的堆肥消減抗生素的研究提出以下建議。
4.1開發(fā)能夠促進(jìn)畜禽糞便中各種抗生素高效降解的生物菌劑
畜禽糞便堆肥過程中，溫度是影響抗生素消除的重要因素，而堆肥時(shí)加入生物菌劑，則能提高堆肥溫度，進(jìn)而提高抗生素的降解率。之前的研究發(fā)現(xiàn)氟喹諾酮類抗生素堆肥時(shí)難以高效去除，而白腐真菌卻能夠在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)各種氟喹諾酮類抗生素的完全降解。篩選研發(fā)能夠高效降解各種抗生素的菌種，既可以提高堆肥溫度，又能高效降解各種抗生素的復(fù)配菌劑，對(duì)實(shí)現(xiàn)畜禽糞便安全高效利用意義重大。
4.2加強(qiáng)堆肥過程中各種抗生素降解產(chǎn)物的研究
目前畜禽養(yǎng)殖中使用的抗生素種類繁多、作用機(jī)制各異，已有的研究遠(yuǎn)不能反映各種抗生素在環(huán)境中的殘留與降解狀況，且以往的堆肥研究更多關(guān)注各種抗生素母體的降解，而對(duì)其降解產(chǎn)物的毒性及對(duì)環(huán)境的效應(yīng)研究相對(duì)較少。因此在以后的研究中，不僅要關(guān)注堆肥時(shí)各種抗生素的降解率，還要監(jiān)測各種降解產(chǎn)物的情況，真正實(shí)現(xiàn)畜禽糞便無害化處理。
4.3與其他堆肥技術(shù)組配，進(jìn)行畜禽糞便高效利用的技術(shù)示范
目前關(guān)于畜禽糞便堆肥的研究大多只關(guān)注其中的某類有害物質(zhì)，如病原微生物、抗生素、殺蟲劑或重金屬等，而這些有害物質(zhì)在畜禽糞便中共同存在，因此未來的堆肥研究應(yīng)該將消減病原微生物、各類獸藥、重金屬等的各種技術(shù)進(jìn)行組配，開發(fā)能夠綜合消減各種有害物質(zhì)的堆肥技術(shù)，并進(jìn)一步與固液分離、廢水資源化利用、功能性生物肥料及基質(zhì)產(chǎn)品開發(fā)等技術(shù)進(jìn)行集成，從而建立畜禽糞便資源化高效利用技術(shù)示范。
（ 國家畜禽廢棄物資源化利用聯(lián)盟）