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堆肥消减畜禽粪便中病原微生物及抗生素残留的研究进展

2017-09-27 14:27:48

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来源:《山东农业科学》2017 年第 7 期

作者:李霞,邓立刚,王峰恩,李腾,邬元娟,王文正

单位:山东省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所/山东省食品质量安全检测技术重点实验室

随着我国畜禽养殖业的规模化发展,畜禽粪便排放量急剧增加,其中含有大量的病原微生物及抗生素残留,如不进行处理会对人类健康和生态环境造成严重威胁。


堆肥技术能有效去除畜禽粪便中大部分病原微生物及抗生素残留。


本文对畜禽粪便中病原微生物、抗生素残留以及堆肥对病原微生物及各类抗生素的消减情况进行了总结,并对今后堆肥的研究方向提出了建议。


前   言


随着我国畜禽养殖业的快速发展,畜禽粪便产生量迅速增加,严重影响畜禽产业和生态环境的可持续发展。据统计,我国主要畜禽粪便的产量自1978 年以来增长迅速,至1999 年已达到24.04 亿吨,此后稳中有升。


近年来,我国畜禽养殖总量不断上升,每年可产生约38 亿吨畜禽粪便。许多大中型畜禽养殖场并未对畜禽粪便进行无害化、资源化等处理,便直接施于农田或随污水进入水体,一方面污染了周边环境,另一方面,畜禽粪便中的各种病原微生物及部分抗生素残留正逐渐破坏农田的生态环境平衡,对农产品质量安全造成潜在危害,影响人体健康。


为了使畜禽粪便能够高效安全利用,一个有效途径就是在畜禽粪便农用之前,对其进行堆肥处理,利用微生物发酵将畜禽粪便中复杂的有机物分解为腐殖质,并在分解过程中产生50~65℃的高温,杀死病原微生物,并消除部分抗生素残留。本文对畜禽粪便堆肥过程中病原微生物及抗生素的消减技术研究情况进行综述,为今后开展更为深入、有效的研究提供参考。


1 畜禽粪便中病原微生物及抗生素残留情况


1.1畜禽粪便中的病原微生物残留


畜禽体内的微生物主要通过消化道排出体外,而粪便是各微生物的主要载体,畜禽粪便中存在大量微生物,包括细菌、真菌、寄生虫卵及病毒,其中大肠杆菌、沙门氏菌、李氏杆菌、马里克氏病毒、蛔虫卵等有致病性。畜禽养殖场排放的污水中平均每毫升含有33 万个大肠杆菌和69 万个大肠球菌,每1000 mL 沉淀池污水中含有190 多个蛔虫卵和100 多个线虫卵,且多数致病微生物及寄生虫卵在未经处理的畜禽粪便中可长期生存,如在自然堆肥条件下,大肠杆菌需要2~3 个月才可以达到排放标准,沙门氏菌需要4~5 个月,蛔虫卵死亡率达到90% 则需要10 个月。


当含有致病微生物的粪便释放于土壤后,造成蔬菜污染,通过食物链威胁人类健康,甚至可能引发严重疾病,如李氏杆菌不仅能引起牛、羊流产及死胎,还能感染婴儿、孕妇、老年人及免疫功能不全的人,引发败血病、脑膜炎等。这些有害病菌如得不到妥善处理,不仅会直接威胁畜禽自身的健康,降低畜禽养殖的经济效益,还会威胁人类健康,引发重大公共卫生事件。而采用高温堆肥技术既可以杀死其中的病原微生物、寄生虫卵等,达到无害化处理的目的,还能生产功能性有机肥料,从而实现资源化利用。


1.2畜禽粪便中的抗生素残留


自20 世纪50 年代美国FDA 首次批准将抗生素用作饲料添加剂后,世界各国相继将抗生素用于畜禽养殖业。兽用抗生素不仅可以治疗和预防动物疾病,还可以作为生长促进剂添加到饲料中。


近年来随着人们生活水平的提高,对动物性食品的需求越来越大,饲料厂和养殖场的生产规模不断扩大,在经济利益的驱动下,为了预防疾病的爆发和促进动物生长,抗生素被广泛使用。


中国科学院广州地球化学研究所发布的一项研究结果显示,2013 年中国抗生素总使用量约为16.2 万吨,其中8.4 万吨用于畜禽养殖业,四环素类、喹诺酮类、大环内酯类、磺胺类等应用较广泛。当抗生素进入动物体内后,仅有少部分参与机体代谢发挥药效,其余30%~90% 以母体或代谢物的形式随粪、尿排出体外。


Zhao 等对我国8 个省的大型畜禽养殖场的143 个畜禽粪便样本进行分析,发现,猪、牛粪中环丙沙星、恩诺沙星、四环素和金霉素的浓度在21~59.6 mg /kg 之间;鸡粪中氟罗沙星、诺氟沙星和环丙沙星的浓度在45.6~225.4 mg /kg 之间,其中恩诺沙星的浓度最高达1420.76 mg /kg。


Pan 等对山东省21 家规模化养猪场的126 个猪粪样本的抗生素进行调查,结果显示,四环素类抗生素的检出浓度和检出率( 84.9%~96.8%) 均很高,其中金霉素的检出率为96.8%,最高残留浓度达764.4 mg /kg,磺胺类抗生素的最高残留浓度为28.7 mg /kg。


张树清等从7 个省、市、自治区的养猪和养鸡场采集了55 个样本,分析结果表明猪粪中土霉素和金霉素的残留量远高于鸡粪,其最高含量分别达134.75 mg /kg 和121.78 mg /kg,经济发达地区的兽药残留明显高于其他地区。


抗生素的大量使用导致动物机体的免疫力下降,影响体内有益菌群的生成,致使大肠杆菌、沙门氏菌等细菌病频发;同时也会引发细菌耐药性,增加超级细菌产生的风险。据报道,2014 年全球有70 万人因抗生素耐药性的产生而死亡。畜禽粪便作为肥料施于土壤,其中的抗生素能够被土壤吸附和积累,对土壤生态系统中的重要土著微生物,如固氮菌、解磷菌、放线菌等有杀死或抑制作用,降低土壤养分循环效率,还会对一些植物产生不同程度的生态毒理学效应,影响它们的生长,如土霉素便能通过影响紫花苜蓿根系的生理过程而显著抑制其生长。


2 畜禽粪便堆肥过程中病原微生物的消减


国内外学者在堆肥消减畜禽粪便中病原微生物方面进行了大量研究,发现堆肥能够杀灭畜禽粪便中绝大多数的病原微生物及寄生虫等。在牛粪堆肥研究中,90%以上的大肠杆菌O157∶ H7 和沙门氏菌在10 天以内灭活,李氏杆菌在堆肥14 天后也能达到检测不到的水平。堆肥不但对致病菌有很好的去除效果,对寄生虫及虫卵的杀灭效果也很显著。王洪志等对双流县的5 个规模化养猪场粪便无害化处理系统进行取样,检测粪便堆肥前后寄生虫及虫卵的存活情况,堆肥前小袋虫、球虫、蛔虫等均有较高的阳性率,而堆肥后各种寄生虫及虫卵的阴性率均达99%以上。由此可见,堆肥对粪便中的致病菌及寄生虫等均有很好的杀灭效果。


在堆肥消减畜禽粪便中病原微生物的研究中发现,堆肥温度、肥堆水分含量以及堆肥时的添加剂,是影响病原微生物消减的重要因素。牛粪堆肥过程中,37℃时灭活90%以上的沙门氏菌需要1.7~8.4 天,而55℃只需要2~3 天。Millner 等研究牛粪堆肥对病原菌的消减作用时,同样发现堆肥温度越高,对各种病原菌的消除效果越快。在同一温度情况下,堆肥过程中大肠杆菌在高湿度情况下比低湿度时对温度更敏感,大肠杆菌O517 在60℃、水分含量分别为40% 和70%的肥堆中的致死时间分别为10 min 和28.8 min。


堆肥过程中一些添加剂的使用,可以提高病原微生物的消减效果。斯木吉德等在对牛粪进行堆肥时添加了不同浓度的石灰氮,结果表明在较低温度下,石灰氮表现出很好的抑菌效果,50℃以上时,高温作用就能杀死大肠杆菌,导致石灰氮效果不明显。Vinneras 等在用牛的粪尿及锯末进行堆肥时,向肥堆中加入不同浓度的尿素,尿素在酶的作用下分解产生氨气,一方面使肥堆的pH 值升高,另一方面发挥了除菌效果,在较低温度( 20℃) 下,沙门氏菌和大肠杆菌的d 值( decimal reduction time) 就能达到0.7 以下,肠球菌的d 值在5 以下。堆肥时,肥堆表面的温度相对较低,对病原菌的去除效果较差,石灰氮及尿素的加入,可增强除菌效果。此外,一些外源菌剂的添加,如EM 菌剂、Hsp 菌剂、VT 菌剂,不但可以提高堆肥温度,还可以延长维持高温的时间,促进肥堆中致病微生物及虫卵的去除。


3 畜禽粪便堆肥过程中各种抗生素的消减


畜禽粪便中抗生素的残留有诸多危害,堆肥能够除臭、杀菌、消减其中抗生素含量,从而减轻粪便使用时对环境的污染,现将畜禽粪便中检出率较高的四环素类、氟喹诺酮类、磺胺类、大环内酯类4 类抗生素在堆肥过程中的去除情况进行综述。


3.1四环素类抗生素


四环素类抗生素家族包括四环素、土霉素、金霉素、地美环素、美他环素、多西环素等天然和半合成抗生素,与其他类抗生素相比,四环素类抗生素在我国及世界畜禽养殖业中实际使用量均最大,因此四环素类抗生素在畜禽粪便中的检出率和检出浓度均较高,关于四环素类抗生素去除方面的研究也最广泛和深入。田哲等将近年来各国学者对堆肥去除畜禽粪便中四环素类抗生素的效果进行了总结和比较,发现堆肥化处理可有效消减畜禽粪便中的四环素类抗生素,并且对抗性基因的扩散和传播具有一定的控制效果


Arikan 等用含土霉素的牛粪和稻草、木屑一起进行避光、好氧堆肥,发现在堆肥第6 天时土霉素含量就下降了95%,堆肥结束时去除率超过了99.8%。匡光伟等用含土霉素和金霉素的新鲜鸡粪在自然光照下进行堆肥,两种抗生素在15 天内的平均降解率均在90% 以上。Bao 等研究堆肥去除畜禽粪便中四环素类抗生素时则发现,堆肥对鸡粪中的金霉素去除率超过90%。因此,堆肥能够有效去除畜禽粪便中的四环素类药物。