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兽用抗生素残留对环境有什么影响?对人有什么影响?

07-24 09:02 《猪业》2020年第3期【绿色养殖时代】专题系列文章
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畜禽粪便兽用抗生素残留及其环境效应

黄洁兰,吴银宝

华南农业大学动物科学学院

摘要

兽用抗生素的广泛使用导致环境中抗生素的残留和微生物的耐药性,因此值得关注环境中兽用抗生素残留所引起的环境效应。本文总结了兽用抗生素在我国的使用情况及粪便中的残留情况,阐述了兽用抗生素残留对于环境生物的影响以及诱导微生物耐药性产生和传播的风险。

关键词:兽用抗生素 残留 环境效应

1、兽用抗生素在养殖业的应用

畜禽养殖业是应用抗生素的主要应用领域之一,其在降低畜禽的发病率与死亡率、促进动物生长和提高饲料利用率等方面发挥着重要作用。我国于2015年发布的首份抗生素使用和排放清单显示,从2007年至2013年间抗生素的使用量逐年增长,2013年我国畜禽养殖业抗生素的总使用量约为8.4万吨,为全球兽用抗生素使用量最多的国家,其中磺胺类、四环素类、氟喹诺酮类、大环内酯类、β-内酰胺类和其他抗生素分别占总使用量的5%,7%,17%,26%,21%和24%,并预计到2030年还将增长59%(Zhang QQ et al., 2015)。

2、畜禽粪便中抗生素的残留情况

由于抗生素在动物体内的代谢率低,畜禽生产在使用抗生素后,抗生素除残留在畜禽机体组织和产品中外,有40%~90%以原型或次级代谢物的形式通过粪便、尿液的方式排出体外(Sarmah et al.,2006),因此畜禽粪便中常有大量的兽用抗生素残留,其中四环素类、氟喹诺酮类、大环内酯类和磺胺类是最为常见的兽用抗生素检出类型。

相关研究表明,四环素类、氟喹诺酮类、大环内酯类和磺胺类兽用抗生素在畜禽粪便中的残留浓度范围分别为0.16~134.75 mg/kg、0.15~1420.76 mg/kg、0.22~4.90mg/kg和0.02~6.04mg/kg,具体如表1所示。

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3 、兽用抗生素残留的环境效应

土壤常因畜禽粪肥的使用而检测出兽用抗生素,并且由于土壤环境的复杂性及对物质的强吸附性,兽用抗生素很容易在土壤中存留和积累。菜地等农用地土壤常被检出兽用抗生素残留,四环素类兽用抗生素是最为常见的检出类别,其中四环素、金霉素、土霉素和强力霉素的检出浓度范围分别为0.16~275.00μg/kg、0.29~297.42 μg/kg、0.04~1620.00 μg/kg和0.87~814.00μg/kg(Qingtao et al.,2019; Xiang et al.,2016; 孔晨晨等,2019; 郎朗等,2018),另外磺胺类(李彦文等,2009)、氟喹诺酮类(Luqman et al.,2018; 任珂君等,2017)、大环内酯类(Silva et al., 2018)等抗生素也常在土壤中被检出。

当过量的抗生素释放到自然环境中,不仅会造成大量的耐药菌株,增加微生物在生态环境中的耐药性,甚至可能破坏生态平衡,将对土壤、水、空气、昆虫、微生物和水生生物产生有害影响,而且对人畜健康也构成严重威胁(丁撷瑛,2019)。尽管环境介质中残留的兽用抗生素浓度较低,但其引起的环境效应不容忽视。

(1)影响环境生物

兽用抗生素残留会显著影响微生物,还可与重金属等污染物复合,使微生物数量减少、群落结构多样性降低、功能丧失。当其进入土壤后,可以在土壤中富集,对作物产生毒害作用,如恩诺沙星对黄瓜、莴苣、菜豆、萝卜等均有一定程度的毒性作用,高浓度时显著抑制初生根的生长,而且根部蓄积的药物量最多。

兽用抗生素对水生生物同样具有毒性效应,Sanderson et al.(2004)评估了226种抗生素的水生生态危害性,结果表明20%的抗生素对藻类毒性强(EC50<1mg/L);16%的抗生素对大型溞毒性极强(EC50<0.1mg/L),44%为毒性强(EC50<1mg/L);近1/3的抗生素对鱼类毒性强(EC50<1mg/L),112种抗生素对鱼类有毒(EC50<10mg/L)。

2015年4月,复旦大学的研究表明,在上海、江苏和浙江的1000名8~11岁在校儿童中,至少有58%的儿童尿中检1种抗生素,25%的儿童尿中检出2种以上抗生素,有的尿液样本中能检出6种抗生素,更值得关注的是,金霉素、恩诺沙星、泰乐菌素等只限于畜禽使用的抗生素也有检出。儿童尿液中检测出兽用抗生素,一方面可能来源于养殖业用药后畜禽产品中的兽用抗生素残留,另一方面还可能来源于随排泄物进入环境的兽用抗生素通过食物链进入人体。

(2)诱导并传播耐药性

畜禽长期接触兽用抗生素会导致肠道内微生物产生耐药菌;畜禽肠道内产生的耐药菌和未被畜禽吸收的抗生素随粪尿排放到环境中将可能引起环境微生物耐药性的产生和传播。环境中抗生素的残留与抗生素抗性基因(ARGs)丰度的具有相关性。抗生素的长期使用会造成ARGs的污染更为严重,并且抗生素的残留对环境中的微生物造成了选择压力,会促进环境中ARGs和抗性微生物的增多(张俊等,2014)。

相关的研究表明,鸡粪的可培养总菌中,耐药菌的检出率达62.58~89.43%(Yang et al.,2014);张昊等人(2018)对鸡粪和猪粪中的多抗生素耐药菌分布特性进行研究,发现鸡粪和猪粪中多抗生素耐药菌比例在7.96%~12.40%,并集中在埃希氏杆菌属、不动杆菌属和变性杆菌属;在这些耐药菌中,不乏有金黄色葡萄球菌、沙门氏菌和空肠弯曲杆菌等致病菌的存在(韩帅,2018;匡秀华,2015)。这些具有致病性的耐药菌会威胁畜禽健康安全,甚至部分人畜共患的致病菌会威胁人类卫生安全。因此畜禽粪污中的耐药菌污染不可忽视。

粪便作为肥料用于种植作物时,残留的抗生素还会增加土壤中耐药菌的选择压力(Wang et al.,2015)。相关研究表明,从长期施用猪粪的土壤中分离出13个菌属的59株耐药菌,而对照组中只分离出1个菌属的3株耐药菌(张俊等,2014)。研究人员对土壤中抗性基因(ARGs,Antibiotics Resistance Genes)进行了调查,发现ARGs主要存在于养殖场及其周围的土壤以及施用过粪肥的农田土壤。黄福义等(2014)发现,施用有机肥后,土壤中的ARGs种类明显高于未施用有机肥的土壤。

还有学者发现,在长期施用猪粪的水稻田土壤中,tetG、tetW、tetQ、tetM、sul1、sul2的相对丰度较高,但tetA和tetC的相对丰度较低,说明施用粪肥并不会提高每一种ARGs的相对丰度(楼晨露,2016)。表明猪粪中的ARGs会通过有机肥的施用进入土壤,从而导致土壤的ARGs污染。说明养殖场使用兽用抗生素导致土壤中ARGs增加,这对于养殖环境甚至整个生态环境的微生物都会造成一定威胁。

4、堆肥对畜禽粪便兽用抗生素及抗性基因的影响

堆肥是最常见的畜禽粪便处理方式,是目前畜禽粪便无害化和资源化处理的主要方式。大量报道表明,堆肥可增强粪便中兽用抗生素的降解效果(王惠惠,2011)。对于四环素类抗生素,去除率可达到80%以上。对于氟喹诺酮类抗生素,其去除率在30%-70%(潘兰佳等,2015)。

最近的研究表明,堆肥还可以有效减少畜禽粪便中ARGs。王晓慧(2017)采用荧光定量PCR方法对猪粪及猪粪堆肥中所含的tetA和tetC基因的含量进行检测,结果表明猪粪堆肥中tetA和tetC基因的含量相比于新鲜猪粪均有降低,且随着堆肥的进行tetA和tetC的含量呈下降趋势,去除率分别为49%和99.9%。

不过堆肥虽然可以有效减少粪便中抗生素的残留和ARGs的丰度,但并不能完全去除,因此农田中施用堆肥产品仍可能会造成兽用抗生素和抗性基因的污染风险。

Xie et al.(2016)检测了中国华东地区商业堆肥厂的堆肥产品中抗生素和ARGs的含量。结果表明在鸡粪和猪粪堆肥中含有较高浓度的氟喹诺酮类抗生素,并且总ARGs的拷贝数较高。虽然在腐熟的牛粪和鸡粪堆肥产品中,ARGs丰度分别下降9.6%和31.7%,但仍有一些ARGs(aadA、aadA2、qacEΔ1、tetL)和MGEs(cintI-1、intI-1、tnpA-04)具有较高的丰度,说明堆肥产品的利用仍存在ARGs的传播风险。

5、结语

畜禽养殖过程中,兽用抗生素绝大部分以原型或代谢产物的形式残留在畜禽粪便中,畜禽粪便通过施肥的形式进入土壤环境中,导致兽用抗生素从畜禽体到土壤和水体环境的转移,对环境微生物形成持续性的诱导和筛选压力,从而导致兽用抗生素和抗性基因的污染风险。对人类健康造成直接或间接的伤害,使人们面临巨大的威胁。因此,兽用抗生素降解和抗生素抗性基因去除的研究具有重大意义。

来源:《猪业》2020年第3期【绿色养殖时代】专题系列文章
原标题:畜禽粪便兽用抗生素残留及其环境效应
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