四环素和土霉素对羊粪好氧堆肥过程的影响_温增欣.pdf

为研究不同四环素类抗生素对畜禽粪污堆肥化学性质及酶学指标的影响，本试验共设置3个处理，即CK（不添加抗生素，纯羊粪）、TC（添加含10 mgkg-1四环素的羊粪）和OC（添加含10 mgkg-1土霉素的羊粪），并将不同处理的羊厩肥进行好氧堆肥处理（使用玉米秸秆调节C/N约为30）。结果表明：TC和OC处理堆体高温期持续时间缩短，与CK相比，TC处理堆体总积温显著降低49.3 （POCTC，其中，CK 处理与 TC、OC 处理之间差异达到显著水平，由此可知抗生素的添加抑制了堆体温度的上升，缩短了堆体的高温期持续时间。将各处理高温期积温进行比较发现，四环素与土霉素的加入并未显著影响堆肥高温期积温的变化。在降温期与后熟期，抗生素对温度的影响较小，3个处理温度基本一致，与CK处理总积温相比，TC处理显著下降 49.3。由此得知，抗生素主要在堆肥前期对堆图1 抗生素对堆肥过程中温度的影响Figure 1 Effects of antibiotics on temperature during composting表3 抗生素对堆体关键温度参数的影响Table 3 Effects of antibiotics on key temperature parameters of the reactor注：不同小写字母表示处理间差异显著（P0.05）。下同。Note：Different lowercase letters indicate significant differences among treatments（P0.05）.The same below.处理TreatmentCKTCOC进入高温期时间Time to enter high temperatureperiod/d111高温期持续时间High temperature duration/d7.70.5a6.00.8b6.30.5b高温期积温Accumulated temperature in hightemperature period/322.09.0a304.610.7a315.06.3a总积温Total accumulatedtemperature/1 365.07.6a1 315.77.1b1 350.07.5ab1399农业环境科学学报第42卷第6期体温度产生一定程度的影响，且四环素对堆体温度的影响大于土霉素。2.2 四环素类抗生素对堆肥过程中化学性质的影响2.2.1 对pH的影响pH也是影响堆肥过程的重要因素，表4为3个处理pH的变化趋势。抗生素对pH的影响主要在堆肥的314 d，在堆肥第3天时，CK、TC、OC处理的pH分别为8.65、8.60、8.55，相比CK处理，OC处理显著降低了0.10个单位，TC处理pH有所降低，但并未达到显著水平。随着堆肥的进行，各处理pH开始上升，在堆肥第 7 天时，CK、TC、OC 处理的 pH 分别达到 8.73、8.65、8.68，与CK处理相比，添加抗生素处理的pH相对较低。在堆肥第14天时各处理pH达到峰值，分别为9.15、9.10、8.99。与CK、TC处理相比，OC处理显著降低，降幅为0.110.16个单位。14 d后各处理间pH差异逐渐缩小，至堆肥结束时 CK、TC 和 OC 处理的pH分别为8.77、8.73、8.78。上述结果表明，土霉素的添加能够轻度降低堆体的pH。2.2.2 对电导率的影响电导率反映了堆肥浸提液中可溶性盐的含量，与堆肥原料性质及发酵过程相关21。由图2可知，3个处理的堆体电导率均呈现先上升后下降的趋势，07d堆体电导率上升，1435 d堆体电导率下降。抗生素对堆体电导率的影响主要在堆肥第14 d时，此时，CK、TC、OC处理的电导率分别为2.94、3.83、4.74 mScm-1，受四环素类抗生素影响，堆体第14天时的电导率有所增加，与CK处理相比，OC处理电导率增加较为明显，显著高于CK处理1.80 mScm-1（P0.05），而TC处理电导率增加了0.89 mScm-1，并未达到显著水平。堆肥14 d后，3个处理电导率差异开始减小，直至堆肥结束时，CK、TC、OC 处理的电导率分别为4.38、4.40、4.60 mScm-1。2.2.3 对C/N的影响碳氮元素是微生物的重要能源物质，许多研究将C/N的变化作为堆肥过程中的重要指标。四环素与土霉素的添加对堆肥过程中C/N的影响见图3，整个堆肥过程中3个处理的变化趋势相同，即先降低趋于稳定并在后期有短暂上升的趋势。抗生素对堆体C/N的影响主要在堆肥的314 d，在堆肥37 d时，CK、TC 与 OC 的 C/N 分别从 26.5、27.7、27.2 降至 22.5、25.2、24.4，分别下降 15.1%、9.0%、10.3%。在堆肥第14 天时，CK、TC、OC 处理的 C/N 分别为 18.6、20.1、20.4，与 CK处理相比，四环素与土霉素的添加使堆体的C/N增高。在堆肥第24天时CK、TC、OC处理的C/N达到最低值，其比值均降至 20以下，分别为 16.9、18.7、18.1。上述结果说明抗生素的添加使堆体有机表4 抗生素对堆体pH的影响Table 4 Effects of antibiotics on heap pH处理TreatmentCKTCOC0 d8.700.03a8.700.03a8.680.04a3 d8.650.04a8.600.06a8.550.02b7 d8.730.03a8.650.02b8.680.02ab14 d9.150.02a9.100.02a8.990.01b24 d8.910.02a8.920.11a8.930.04a35 d8.770.01a8.730.09a8.780.05a不同小写字母表示处理间差异显著（P0.05）。下同。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments（P0.05）.The same below.图2 抗生素对堆体电导率的影响Figure 2 Effects of antibiotics on electrical conducivity of pile电导率Electrical conducivity/（mScm-1）1400温增欣，等：四环素和土霉素对羊粪好氧堆肥过程的影响2023年6月质分解速率减慢。2.2.4 对腐植酸含量的影响腐植酸及其各组分是腐殖化过程中生成的最具代表性的次生产物，其变化与堆肥的稳定性与腐熟程度密切相关。如图4所示，CK、TC、OC 3个处理总腐植酸含量均呈现先下降后短暂上升的趋势，说明堆料中原本存在的腐植酸并不稳定，在前期会大量矿化分解，后期才能形成稳定的腐植酸。在整个堆肥过程中抗生素的添加并未对总腐植酸含量产生显著影响，但在堆肥前期，添加抗生素处理的总腐植酸含量相对较高，证明TC与OC处理腐植酸矿化分解较弱。在堆肥后期各处理差异逐渐减小，至堆肥结束时，腐植酸含量分别为11.5%、10.3%、11.9%。2.3 四环素类抗生素对堆肥过程中酶活性的影响2.3.1 过氧化氢酶过氧化氢酶是好氧堆肥过程中的重要酶之一，与堆肥中有机质（主要为木质素）的转化速度密切相关。从图5可以看出，在整个堆肥过程中，抗生素对过氧化氢酶产生影响的时期主要在 724 d。在堆肥第 7天时，添加抗生素处理组的酶活性相对较低，其中TC处理的过氧化氢酶活性为3.22 mgg-1min-1，与CK相比显著降低0.24 mgg-1min-1。CK、TC和OC处理在堆肥第14天时的过氧化氢酶活性分别为3.41、3.17、3.28 mgg-1min-1，相比 CK处理，TC和 OC处理分别降低7.0%、3.8%，显著抑制了堆体的过氧化氢酶活性（P0.05）。在堆肥第24天时，CK、TC、OC处理的过氧图4 抗生素对总腐植酸的影响Figure 4 Effects of antibiotics on total humic acid图3 抗生素对碳氮比的影响Figure 3 Effects of antibiotics on C/N图5 抗生素对过氧化氢酶活性的影响Figure 5 Effects of antibiotics on catalase activity过氧化氢酶活性Catalase activity/（mgg-1min-1）1401农业环境科学学报第42卷第6期化氢酶活性分别为3.80、3.42、3.79 mgg-1min-1，证明过氧化氢酶活性受到了四环素与土霉素抑制，但TC和OC处理影响程度不同，其中TC处理显著低于CK处理，降低了10.0%，而OC处理降低幅度较小，未达到显著水平。堆肥结束时，添加抗生素处理与CK处理未产生显著变化，但TC处理与OC处理产生差异，TC处理显著低于OC处理0.24 mgg-1min-1（P0.05），抑制了堆体的过氧化氢酶活性。总体来看，四环素类抗生素的添加抑制了堆肥过程中过氧化氢酶活性，且四环素和土霉素对过氧化氢酶活性的影响表现出差异，过氧化氢酶活性受四环素的影响较大。2.3.2 脲酶脲酶作为水解酶是堆肥过程中含氮有机物矿化的关键酶，与堆肥过程中的氮元素密切相关，其活性可以表明含氮有机物降解的速度与强度22。在发酵前期各处理间脲酶活性差异较小，主要在堆肥第14天和第35天时有显著影响。在堆肥第14天时，CK处理和OC处理的脲酶活性分别为43.73、42.12 mgg-1d-1，TC处理脲酶活性最高，达到62.12 mgg-1d-1，此时，TC处理脲酶活性显著高于CK处理18.39 mgg-1d-1（P0.05），促进了堆体脲酶活性，OC处理与CK相比未达显著水平，但与TC处理相比产生差异，TC处理脲酶活性显著高于OC处理，证明不同种类抗生素对堆体脲酶活性的影响有所差异。堆肥结束时，CK、TC和OC处理的脲酶活性分别为22.80、40.18、43.74 mgg-1d-1，说明四环素类抗生素的添加促进了堆体脲酶活性，与 CK 相比，TC 和OC 处理分别显著增加 17.38、20.94 mgg-1d-1（P10 mgkg-1）还是较低含量（1 mgkg-1）的抗生素均会显著抑制微生物活性，使微生物群落结构发生变化。添加抗生素处理的脲酶活性要高于CK组，这可能是由于抗生素的添加刺激了有利于含氮有机物降解的微生物。这与张凯煜等40报道的低浓度抗生素的添加可以促进脲酶活性的研究结果相似。综上所述，四环素类抗生素的添加对堆体内物化指标产生了较为复杂的影响，物化指标与微生物活性密切相关。李文兵等41的研究表明评价细菌群落丰富度的Chao1指数与腐熟度指标之间存在较强的相关性，因此，四环素类抗生素的存在可能会对堆体腐熟度与品质造成影响，王桂珍等42曾报道当抗生素含量高于50 mgkg-1时会抑制堆肥过程顺利进行并影响堆体腐熟度。因此，堆体中物化指标的变化与抗生素削减规律及堆料腐熟度的关系值得进一步研究。4结论畜禽粪便中 10 mgkg-1四环素和土霉素的存在会显著影响堆肥过程中各项指标的变化，四环素的添加使堆体总积温显著下降49.3，有机质分解速率及矿质化过程受到一定程度影响，最高使过氧化氢酶活性降低 10.0%，并促进脲酶活性增加 76.2%，相比之下，土霉素对好氧堆肥过程中物化指标影响较小。因此，不同抗生素对堆肥过程产生的影响表现出差异，在堆肥过程中要严格监控堆肥指标变化情况，合理控制堆肥条件，保证堆肥发酵质量。在人为控制和管理的基础上实现预期的堆肥效果。参考文献：1 杨硕.畜禽养殖废水的抗生素污染现状及检测方法J.农业与技术,2020,40（21）：107-108.YANG S.Status and detection methodsof antibiotic pollution in livestock wastewaterJ.Agriculture and Technology,2020,40（21）：107-108.2 王晓娟,年夫照,夏运生,等.抗生素使用现状及其在生态环境系统的行为研究进展J.中国土壤与肥料,2020（6）：286-292.WANG XJ,NIAN F Z,XIA Y S,et al.Current status of antibiotic use and its behavior in ecological systemJ.Soils and Fertilizers Sciences in China,2020（6）：286-292.3 綦峥,齐越,李芳,等.畜牧场土壤中重金属与抗生素抗性基因的分布规律研究J.生态毒理学报,2021,16（1）：204-214.QI Z,QI Y,LI F,et al.Distribution of heavy metals and antibiotic resistance genesin the soil of livestock farmsJ.Asian Journal of Ecotoxicology,2021,16（1）：204-214.4 ARENAS N E,MELO V M.Livestock production and emergency antibiotic resistance in Colombia：systematic reviewJ.Infection,2018,22（2）：110-119.5 于晓雯,索全义.畜禽粪便中四环素类抗生素的残留及危害J.北方农业学报,2018,46（3）：83-88.YU X W,SUO Q Y.Residuesand hazards of tetracycline antibiotics in livestock and poultry manureJ.Journal of Northern Agriculture,2018,46（3）：83-88.6 MKA A,HC A,SKA A,et al.Application of metagenomic analysis fordetection of the reduction in the antibiotic resistance genes（ARGs）bythe addition of clay during poultry manure compostingJ.Chemosphere,2019,220：137-145.7 ZHANG J,LIN H,MA J,et al.Compost-bulking agents reduce the reservoir of antibiotics and antibiotic resistance genes in manures by modifying bacterial microbiotaJ.Science of the Total Environment,2018,649：396-404.8 梁天,张晓东,张玉,等.不同C/N条件下菌酶制剂对牛粪堆肥进程的影响J.中国农学通报,2022,38（31）：77-82.LIANG T,ZHANGX D,ZHANG Y,et al.Effect of bacterial enzyme preparation on com1403农业环境科学学报第42卷第6期posting of cow manure under different C/N conditionsJ.Chinese Agricultural Science Bulletin,2022,38（31）：77-82.9 徐宁.畜禽粪便堆肥无害化技术要点J.现代畜牧科技,2020（8）：81-82.XU N.Technical points of harmless livestock manure compostingJ.Technical Advisor for Animal Husbandry,2020（8）：81-82.10 曾庆军.抗生素在生态环境中的污染转归以及应对措施J.湖南畜牧兽医,2017（5）：49-52.ZENG Q J.Pollution transformation ofantibiotics in ecological environment and countermeasuresJ.HunanJournal of Animal Science&Veterinary Medicine,2017（5）：49-52.11 时红蕾,王晓昌,李倩.四环素对人粪便好氧堆肥过程中酶活性及腐熟的影响J.环境化学,2018,37（2）：209-215.SHI H L,WANG X C,LI Q.Effects of tetracycline in human feces on its aerobic composting process：enzyme activities and compost maturityJ.Environmental Chemistry,2018,37（2）：209-215.12 曹永森.金霉素和重金属对堆肥过程的影响及添加石灰效果研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学,2017.CAO Y S.Effects of chlortetracycline and heavy metals on swine manure composting process andthe impact of limeD.Harbin：Harbin Institute of Technology,2017.13 张凯煜.土霉素和磺胺二甲嘧啶对堆肥过程中微生物群落多样性及抗性基因的影响D.杨凌：西北农林科技大学,2015.ZHANGK Y.Effects of OTC and SM2on the diversity of microbial communityand antibiotic resistance genes during compostingD.Yangling：Northwest A&F University,2015.14 唐小月,陈涛,王微,等.畜禽源四环素类抗生素抗性基因的归趋及影响因素J.黑龙江畜牧兽医,2022（19）：31-35.TANG X Y,CHEN T,WANG W,et al.Trend influencing factors of tetracycline resistance genes from livestock and poultryJ.Heilongjiang Animal Science and Veterinary Medicine,2022（19）：31-35.15 段丽杰,林丽红.吉林省畜禽养殖场粪便中抗生素污染特征J.中国科技信息,2022（6）：100-102.DUAN L J,LIN L H.Pollutioncharacteristics of antibiotics in livestock manure in Jilin ProvinceJ.China Science and Technology Information,2022（6）：100-102.16 白金顺,王伟红,李艳丽,等.我国猪粪中四环素类抗生素残留及好氧堆肥消减研究进展J.中国土壤与肥料,2022（3）：231-238.BAI J S,WANG W H,LI Y L,et al.Advances in residues of tetracyclines and its degradation by aerobic composting in pig manure inChinaJ.Soils and Fertilizers Sciences in China,2022（3）：231-238.17 夏天骄,夏训峰,徐东耀,等.基于固相萃取-高效液相色谱法的畜禽粪便中四环素类抗生素残留量检测J.安全与环境学报,2013,13（2）：121-125.XIA T J,XIA X F,XU D Y,et al.Determination of the residual tetracycline antibiotics in the manure of livestock via the solid-phase extraction-high performance liquid chromatography methodJ.Journal of Safety and Environment,2013,13（2）：121-125.18 彭秋,王卫中,徐卫红.重庆市畜禽粪便及菜田土壤中四环素类抗生素生态风险评价J.环境科学,2020,41（10）：4757-4766.PENGQ,WANG W Z,XU W H.Ecological risk assessment of tetracyclineantibiotics in livestock manure and vegetable soil of ChongqingJ.Environmental Science,2020,41（10）：4757-4766.19 关松荫.土壤酶及其研究法M.北京：中国农业出版社,1983：260-339.GUAN S Y.Soil enzyme and its research methodM.Beijing：China Agriculture Press,1983：260-339.20 LIU H,HUANG Y,DUAN W,et al.Microbial community composition turnover and function in the mesophilic phase predeterminechicken manure composting efficiencyJ.Bioresource Technology,2020,313：123658.21 吴丹.北京地区禽场粪便中抗生素及抗性基因污染特性与好氧堆肥实验研究D.北京：北京化工大学,2018.WU D.Contamination characteristics and aerobic compost study of antibiotics and resistance genes in poultry manure of Beijing areaD.Beijing：Beijing University of Chemical Technology,2018.22 徐超,李兵,俞雯雯,等.快速启温好氧堆肥过程中关键酶活性变化规律研究J.宁波大学学报（理工版）,2019,32（2）：16-22.XUC,LI B,YU W W,et al.Study on variations of key enzyme activity inquick start-up aerobic composting processJ.Journal of Ningbo University（Natural Science&Engineering Edition）,2019,32（2）：16-22.23 马骏.四环素在堆肥过程中的降解及其对堆肥中微生物群落功能多样性的影响D.杨凌：西北农林科技大学,2016.MA J.Degradation of tetracycline and its effect on the functional diversity of microbial communities during compostingD.Yangling：Northwest A&FUniversity,2016.24 SUN J,QIAN X,GU J,et al.Effects of oxytetracycline on the abundance and community structure of nitrogen-fixing bacteria during cattle manure compostingJ.Bioresource Technology,2016,216：801-80725 KAKIMOTO T,OSAWA T,FUNAMIZU N.Antibiotic effect of amoxicillin on the feces composting process and reactivation of bacteria byintermittent feeding of fecesJ.Bioresource Technology,2007,98（18）：3555-356026 杨振边.堆肥去除畜禽粪便中抗生素残留的研究进展J.贵州畜牧兽医,2019,43（1）：63-66.YANG Z B.Advances in research oncomposting to remove antibiotic residues in livestock manureJ.Guizhou Journal of Animal Husbandry&Veterinary Medicine,2019,43（1）：63-66.27 SELVAM A,ZHAO Z,WONG J.Composting of swine manure spikedwith sulfadiazine,chlortetracycline and ciprofloxacinJ.BioresourceTechnology,2012,126（12）：412-417.28 张爱生,曲俊蓉,许斌,等.外环境温度对污泥堆肥过程中抗生素抗性基因的影响J.环境工程,2021,39（5）：104-110.ZHANG AS,QU J R,XU B,et al.Effect of ambient temperature on antibiotic resistance genes during sludge compostingJ.Environmental Engineering,2021,39（5）：104-110.29 LIU B,LI Y,ZHANG X,et al.Effects of composting process on thedissipation of extractable sulfonamides in swine manureJ.Bioresource Technology,2015,175：284-29030 李宇航,邢泽炳,马玮键,等.生物炭对鸡粪好氧堆肥过程的影响J.农业工程,2021,11（8）：53-58.LI Y H,XING Z B,MA W J,etal.Effects of biochar on aerobic composting of chicken manureJ.Agricultural Engineering,2021,11（8）：53-58.31 李金津,史静怡,文婷,等.不同四环素浓度对好氧堆肥和蚯蚓堆肥过程影响的对比研究J.环境科学学报,2022,42（4）：259-267.LI J J,SHI J Y,WEN T,et al.Comparative study on the effects of dif1404温增欣，等：四环素和土霉素对羊粪好氧堆肥过程的影响2023年6月ferent tetracycline content on aerobic composting and vermicomposting processesJ.Acta Scientiae Circumstantiae,2022,42（4）：259-267.32 王亚飞,李梦婵,邱慧珍,等.不同畜禽粪便堆肥的微生物数量和养分含量的变化J.甘肃农业大学学报,2017,52（3）：37-45.WANG Y F,LI M C,QIU H Z,et al.Changes of microbial quantityand nutrient content in different composting of livestock manureJ.Journal of Gansu Agricultural University,2017,52（3）：37-45.33 李维华,赵君,车畅.四环素类抗生素对堆肥腐熟度的影响J.黑龙江医药,2013,26（2）：244-246.LI W H,ZHAO J,CHE C.Influence of tetracycline for compostingJ.Heilongjiang Medicine Journal,2013,26（2）：244-246.34 林辉,汪建妹,孙万春,等.磺胺抗性消长与堆肥进程的交互特征J.环境科学,2016,37（5）：1993-2002.LI H,WANG J M,SUNW C,et al.Interaction between sulfonamide antibiotics fates andchicken manure compostingJ.Environmental Science,2016,37（5）：1993-2002.35 郭梦婷,邓友华,冯小晏,等.土霉素残留对猪粪堆肥过程中理化性质的影响J.环境污染与防治,2012,34（2）：50-54.GUO M T,DENG Y H,FENG X Y,et al.Effects of residual oxytetracycline onthe physical and chemical properties of pig manure during compostingJ.Environmental Pollution&Control,2012,34（2）：50-54.36 李亚宁,盛红坤,王斌,等.磺胺类抗生素对根际微域土壤酶活性的影响J.应用化工,2021,50（6）：1559-1568.LI Y N,SHENGH K,WANG B,et al.Effects of sulfonamides（SAs）on rhizospheresoil enzyme activitiesJ.Applied Chemical Industry,2021,50（6）：1559-1568.37 李敏清,袁英英,杨江舟,等.畜禽粪便堆肥过程中酶活性及微生物数量的变化研究J.中国生物工程杂志,