利用黑水虻處理畜禽糞便中殘留抗菌藥物研究進展

謝潔微，胡文鋒，李雪玲，胡 斌

（1. 華南農業(yè)大學食品學院， 廣東 廣州 510642；2. 廣東省農業(yè)科學院動物科學研究所 畜禽育種國家重點實驗室廣東省動物育種與營養(yǎng)公共實驗室 廣東省畜禽育種與營養(yǎng)研究重點實驗室，廣東 廣州 510640）

抗菌藥物指具有殺菌或抑菌活性的藥物，包 括抗生素、磺胺類、咪唑類、硝基咪唑類、喹諾酮類等化學合成藥物［1］。 隨著畜牧業(yè)的集約化發(fā)展，大量獸用抗菌藥物被用于預防和治療動物疾病，或用作動物體重增長促進劑［2-3］。 然而，動物機體新陳代謝程度較低，大部分（20%～90%）抗菌藥物以母體化合物或生物活性形式通過動物糞便排泄到環(huán)境中， 抗菌藥物抗性基因 （antibiotic resistance genes，ARGs） 通過頻繁插入的方式在糞便中的細菌與臨床病原體之間進行傳播和沉積［4］，導致超級細菌的出現(xiàn)，因此，牲畜糞便可能成為環(huán)境抗性基因污染的潛在來源， 且對環(huán)境安全和人類身體健康構成威脅。有研究表明，質粒介導的喹諾酮抗性基因在雞糞、豬糞和牛糞便中普遍（占總抗性基因的60%） 存在， 抗性基因濃度的總體趨勢是雞糞>豬糞>牛糞［5］；磺胺類、四環(huán)素類和大環(huán)內酯類藥物的耐藥基因也常在動物飼養(yǎng)環(huán)境中被檢測到［6］，因此，采取有效的處理抗菌藥物殘留措施很關鍵，動物農場通常使用簡單的處理系統(tǒng)，糞便處理方法主要是厭氧消化（anaerobic digestion，AD）、堆肥、濕地或潟湖［7］，此外，有一些去除或減少抗菌藥物的新方法，包括活性炭吸附、膜過濾及先進的氧化工藝等［8-12］，但需要先進的技術監(jiān)督以及巨額費用。 有研究表明堆肥可以有效去除基質中殘留的抗菌藥物［13-15］，當使用基質中抗菌藥物含量為1～150 mg/kg 的牲畜糞便或污泥堆肥時，結果顯示，四環(huán)素、磺酰胺和大環(huán)內酯類抗菌藥物的去除率高達70%以上［16］。 堆肥不僅降低了抗菌藥物的濃度和生物利用率， 還降低了抗菌藥物抗性基因和耐藥細菌的豐度， 但成功的堆肥需要足夠的氧氣、 水分、 碳源和其他養(yǎng)分以滿足微生物生長需要，此外，溫度、pH 值、水解和吸附動力學是提高堆肥效率的重要因素。 近年來，利用黑水虻（Hermetia illucens）消化有機廢物的方式備受關注。 黑水虻能夠在短期內利用糞便、 廢料或低附加值的材料促進生物積累和蛋白質合成，因此，利用黑水虻幼蟲對有機廢物進行生物轉化被認為是一種經濟、可持續(xù)且環(huán)保的選擇，具有促進農業(yè)系統(tǒng)循環(huán)經濟的潛力［17］。另外，在黑水虻幼蟲體內沒有檢測到有機藥物的積累， 減少了殘留抗菌藥物等廢棄物對環(huán)境的危害。 黑水虻與微生物共同轉化畜禽糞便中殘留的抗菌藥物， 在此過程中黑水虻能更高效地轉化有機廢物， 黑水虻幼蟲腸道微生物是轉化有機廢物的關鍵。研究表明，黑水虻幼蟲腸道微生物對動物健康和生長有促進作用，然而，這類昆蟲對抗菌藥物的降解能力、 降解過程和降解機制尚不明確。

1 畜禽糞便中常見抗菌藥物殘留

我國抗菌藥物殘留主要來源于施肥土壤、污糞水、畜禽糞便等。目前在畜禽糞便中檢測到的殘留抗菌藥物種類較多，含量可達mg/kg 水平。 表1為近年來不同類型肥料基質中抗菌藥物殘留情況。 由表1 可知，在糞污及周邊土壤中殘留濃度較高的抗菌藥物，主要是四環(huán)素類。另外也有研究表明，相對于磺胺類、喹諾酮類抗菌藥物，四環(huán)素類積累能力更強，在糞便中的殘留量可達12.5 mg/kg，可能與四環(huán)素類抗菌藥物結構較穩(wěn)定、 不易被降解等因素有關。 畜禽糞便中殘留抗菌藥物隨有機肥施用、降雨徑流和滲透進入周邊環(huán)境，導致一系列環(huán)境污染問題，不僅會殃及土壤和水體、破壞生態(tài)環(huán)境平衡， 還會引起環(huán)境微生物對抗菌藥物產生耐藥性， 抗菌藥物抗性基因將危害動物及人體健康。

表1 施肥土壤、糞污水、畜禽糞便中抗菌藥物平均殘留濃度

2 降低抗菌藥物殘留的傳統(tǒng)方法

為解決抗菌藥物殘留污染問題， 國內外研究人員進行了大量探索。 傳統(tǒng)的有效處理方法為生物降解和物化降解。 生物降解以微生物降解和植物吸收為主，物化降解主要為光降解、水解和化學氧化降解［20］。目前，去除環(huán)境中殘留抗菌藥物主要采用生物降解中的微生物降解法。 畜禽糞便的生物處理工藝主要經過好氧堆肥或厭氧消化， 將有機污染物轉化為H2O、CO2和礦物質等［21］。 微生物群落能夠顯著影響環(huán)境中殘留抗菌藥物的生物減少率，使用堆肥方法處理抗菌藥物發(fā)酵殘留物，除了使有機廢物更安全， 堆肥最終產物還包含大量的有機物和礦物質營養(yǎng)素， 可以將其用作有機肥料［22］。好氧堆肥、厭氧消化的方式可以有效去除抗菌藥物殘留， 不同處理方法對糞便中抗菌藥物的去除率如表2 所示。

表2 不同處理方法糞便中抗菌藥物殘留的去除率

2.1 厭氧消化

利用厭氧消化， 牛糞中金霉素去除率為83.0%～89.0%，牛糞中泰樂菌素去除率為100.0%。盡管這些發(fā)現(xiàn)表明可以通過特定的厭氧消化過程完全去除某些獸用抗菌藥物， 但仍缺乏證據(jù)說明為什么消化物中仍然存在大多數(shù)獸用抗菌藥物以及采用什么條件才能完全去除［29］。 厭氧消化不能完全去除獸用抗菌藥物和ARGs， 或去除效率很低，需要采用更全面的方法，方法之一就是通過高溫好氧堆肥。

2.2 好氧堆肥

適當?shù)奶幚矸绞娇梢詼p少動物糞便中ARGs污染，好氧堆肥是一種有效的生物修復方法，可用于回收畜禽糞便，不僅可消滅其中病原體，也可將最終殘留物作為有機肥料［30］，好氧堆肥是降低抗菌藥物殘留的有效技術［31］。 當使用含抗菌藥物在1～150 mg/kg 的基質牲畜糞便或污泥時， 通過堆肥，四環(huán)素類、磺胺類和大環(huán)內酯類抗菌藥物去除率超過70%。 有研究表明，在最佳預處理條件下，藥渣中泰樂菌素濃度降低了97.1%， 通過添加堆肥輔料進行高溫堆肥，15 d 后堆肥材料中泰樂菌素的含量低于檢測限（<1 mg/kg）。 然而，將堆肥作為唯一的處理方法時， 并不能完全去除發(fā)酵殘渣中的抗菌藥物殘留。 堆肥不僅降低了抗菌藥物的濃度和生物利用度， 而且降低了ARGs 和抗藥性細菌的豐富度［32］。但是，成功的堆肥需要足夠的供微生物生長的氧氣、水分、碳源和營養(yǎng)物質，此外，適宜的溫度、pH 值等亦可提高堆肥效率［33］。 近年來， 黑水虻幼蟲將畜禽糞便轉化為自身營養(yǎng)物質和生物積累，因成本低、處理時間短、生物處理效率高引起人們廣泛關注。

3 黑水虻降低畜禽糞便中殘留抗菌藥物

為滿足人類需求和實現(xiàn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，人們開發(fā)了一種新的方法， 將昆蟲轉化糞便這一功能使用到動物飼養(yǎng)系統(tǒng)中。 自然生態(tài)系統(tǒng)中有機體分解糞便和其他腐爛有機物， 糞便是這些有機體的主要食物。黑水虻是這些有機體之一，黑水虻幼蟲以不同種類的肥料為食， 減少溫室氣體排放， 黑水虻幼蟲處理的糞便中溫室氣體排放比料堆堆肥低47 倍。 黑水虻是一種腐生昆蟲，能夠消化餐廚垃圾、畜禽糞便等有機物。基于生物學特性和攝食習慣，昆蟲已被廣泛用于處理工業(yè)、農業(yè)、家庭和其他領域有機廢物， 以實現(xiàn)綜合資源利用和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展［34］。 通過生物轉化，有機廢物被消化并轉化為幼體有機物如蛋白質、脂質等［35-36］。黑水虻幼蟲的利用價值已在飼料加工、工業(yè)、保健、醫(yī)藥領域得到驗證［37-40］，具有廣闊的發(fā)展前景。與堆肥相比，利用黑水虻幼蟲處理糞肥的潛在優(yōu)勢包括能夠減少糞肥量以及糞肥中某些重金屬、抗菌藥物和病原微生物，提高幼蟲生物量和蛋白質含量，提供生物柴油來源，降低糞肥污染對環(huán)境的不良影響。

黑水虻幼蟲可以抑制3 種藥物（卡馬西平、羅紅霉素和甲氧芐啶）和2 種農藥（阿唑菌素和丙環(huán)唑）進入環(huán)境，5 種物質的半衰期在添加黑水虻幼蟲處理下均比未添加的對照組短（見表3）。 此外，有研究發(fā)現(xiàn)黑水虻幼蟲能夠有效降解霉菌毒素、農藥［41］、黃曲霉毒素B1［42］、四環(huán)素［43］和其他有機藥物。幼蟲組織中沒有發(fā)現(xiàn)有機藥物積聚，減少了有機廢物對環(huán)境的危害。

表3 5 種物質半衰期變化

關于黑水虻幼蟲對四環(huán)素的生物學機制和降解途徑的研究表明，在非無菌黑水虻幼蟲處理系統(tǒng)中，將近97%的四環(huán)素在12 d 內被降解，比普通堆肥快1.6 倍，四環(huán)素的快速降解主要是通過幼蟲腸道微生物群進行，其降解速率比無菌BSFL 系統(tǒng)提高了1 倍。通過對四環(huán)素的體外降解分析，確定了4 種可能的生物降解產物、2 種水解產物和3 種可能的失活產物， 即四環(huán)素的降解反應包括水解、氧化、脫氨、去甲基化、裂解環(huán)和修飾［43］。

黑水虻幼蟲可以有效降低土霉素母體化合物。用3 日齡黑水虻幼蟲對殘留抗菌藥物進行8 d的處理，試驗結束后，土霉素對幼蟲的發(fā)育無明顯影響［44］，幼蟲對初始濃度分別為100、1 000、2 000 mg/kg （干重） 土霉素的降低率分別為82.7%，77.6%、69.3%， 效率遠高于未添加幼蟲的對照組（19.3%～22.2%），主要歸因于黑水虻幼蟲腸道微生物，并且幼蟲組織中未檢測到土霉素。盡管幼蟲的腸道微生物受到土霉素的影響， 但它們適應了改變的環(huán)境， 幼蟲腸道內的腸球菌和放線菌等對暴露的抗菌藥物有強烈的抵抗， 尤其是腸球菌能夠有效降解土霉素的四環(huán)素酶修飾基因宿主， 這說明土霉素可以被有效降解， 同時證明黑水虻幼蟲對抗菌藥物污染具有生物修復作用。 與其他微生物降解方法相比， 通過黑水虻幼蟲降解土霉素是減少或消除環(huán)境中殘留抗菌藥物污染的更實用、更經濟解決方案。 研究發(fā)現(xiàn)黑水虻幼蟲具有耐受一定水平的磺酰胺污染的能力［45］。

添加黑水虻幼蟲處理有機物， 半衰期較未添加幼蟲明顯縮短， 且未發(fā)現(xiàn)任何目標物質在幼蟲中有生物積累［46］。因此，利用黑水虻對不同有機廢物組分進行堆肥處理， 可降低藥物和殺蟲劑在環(huán)境中傳播的風險。

4 添加黑水虻幼蟲降低抗菌藥物殘留的前瞻性及思考

由于全球人口數(shù)量劇增，特別是發(fā)展中國家，人類食物包括動物飼料需求增加， 動物活動的增長導致固體廢物（尤其是糞便）的產生顯著增加。近年來， 使用昆蟲幼蟲將經濟價值低的廢物轉化為具有市場價值產品的趨勢日益明顯， 將黑水虻作為動物飼料既能解決食物短缺難題， 又可變廢為寶、保護環(huán)境。 此外，利用黑水虻消化動物糞便可有效減少糞便中抗菌藥物、 重金屬等污染物的含量， 控制動物飼料中重金屬的添加和獸藥的使用，不斷監(jiān)測動物糞便中有毒金屬的含量，以減少這些外來物質在幼蟲和魚類體內的生物積累。 最后，利用蠅蛆進行糞便生物轉化，在未來可能成為處理和回收動物糞便的生態(tài)且可行的選擇。 大規(guī)模系統(tǒng)開發(fā)、 遺傳改良和對黑水虻幼蟲的微生物操作可以提高養(yǎng)分產量， 同時減少廢棄物中污染物的排放而不影響產品質量（黑水虻幼蟲生物量和生物肥料）。 由于底物轉化的高效率、快速生長和易于繁殖，黑水虻可解決2 個全球性問題：有機廢物管理和動物蛋白生產的替代方法。已有研究評估了黑水虻幼蟲對藥物和殺蟲劑（包括羅紅霉素和甲氧芐啶）降解的影響，發(fā)現(xiàn)與對照處理相比，黑水虻幼蟲能夠大幅度減少這些有害化合物含量，且幼蟲生物體未檢測到殘留。 對于另一類抗菌藥物——磺胺類，當其生物積累在濃度0.1～10 mg/kg時，磺胺甲噁唑和磺胺間甲氧嘧啶均無積累［40］；而當?shù)孜餄舛葹?～10 mg/kg 時， 磺胺嘧啶會在幼蟲體內積累。綜上所述，利用黑水虻幼蟲處理畜禽糞便中殘留的抗菌藥物具有高度前瞻性， 降低抗菌藥物向環(huán)境傳播的風險。然而，當幼蟲處理含有高濃度外來生物制劑（例如磺胺嘧啶） 的有機廢物時，一些化合物可能會在幼蟲體內積累，同時可能會產生抗性基因和細菌耐藥性等不良影響。

5 總結與展望

利用黑水虻和家蠅幼蟲進行生物轉化， 可以減少一些重金屬、抗菌藥物、病原體和動物糞便排放的溫室氣體，并將其生成為幼蟲自身生物量（高蛋白質和脂肪含量）和生物肥料，促進循環(huán)經濟和養(yǎng)分循環(huán)農業(yè)生產系統(tǒng)運作。 這種昆蟲對有機廢棄物的降解能力、降解過程和降解機制尚不明確，然而在利用黑水虻幼蟲進行生物轉化， 動物糞便殘留的抗菌藥物會限制幼蟲將廢棄物作為飼料，例如，某些金屬（特別是鎘）的生物積累、抗菌藥物（磺胺嘧啶）的存在以及可轉移到幼蟲體內的病原微生物等。關于對環(huán)境的影響，與其他來源的蛋白質和石油相比， 能源使用類別和全球變暖潛力更高。 另一方面，蠅蛆糞可根據(jù)濃度濃縮某些金屬，如鉛， 并含有昆蟲幼蟲無法降解的殘留抗菌藥物和病原體?？赏ㄟ^后續(xù)加工如微波、高溫或熱風等方式對黑水虻幼蟲進行生物轉化后處理， 還可以利用堆肥處理黑水虻幼蟲殘渣， 保證飼料的安全性和提高黑水虻幼蟲的利用率、使用價值。