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猪粪中四环素类抗生素残留物的生物降解.pdf

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资源描述

1、第 9 卷第 5 期 过 程 工 程 学 报 Vo l . 9 N o . 5 2009 年 10月 The Chinese Journal of Process Engineering Oct. 2009 收稿日期: 20090508, 修回日期: 20090602 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (编号: 50578156);国家高技术研究发展计划 (863)基金资助项目 (编号: 2007AA06Z344) 作者简介: 沈颖 (1984),女,浙江省嘉兴市人,硕士研究生,环境工程专业;魏源送, 通讯联系人, Tel: 010-62923543, E-mail: . 猪粪中四环素类抗

2、生素残留物的生物降解 沈 颖1, 魏源送1, 郑嘉熹2, 方 云3, 陈立平4(1. 中国科学院生态环境研究中心,北京 100085; 2. 北京航空航天大学化学与环境学院环境工程系,北京 100191; 3. 西南大学资源环境学院环境工程系,重庆 400715; 4. 轻工业环境保护研究所,北京 100089) 摘 要: 通过 L9(34)正交批量实验,研究了温度、初始含水率、时间对猪粪中土霉素、四环素和金霉素生物降解的影响,并考察了此过程中微生物群落的变化 . 结果表明, 3 种四环素类抗生素在 55.0、初始含水率 60.0%时降解 14 d的降解率最大,均符合一级反应动力学模型,且细菌

3、为优势微生物 . 统计分析表明,温度是土霉素和四环素降解的主要影响因素,初始含水率是金霉素降解的主要影响因素,但上述因素对 3 种四环素类抗生素的降解率及真菌、放线菌和细菌的相对丰度均没有显著性影响 . 关键词: 生物降解;四环素类抗生素残留;猪粪;堆肥 中图分类号 : X713 文献标识码: A 文章编号: 1009606X(2009)050962071 前 言 据统计, 2002 年全国畜禽粪便产生量约为 17.3 亿t (约 50%来自集约化畜禽养殖场 ), 是工业固体废弃物的2.7 倍,其中全国猪粪产生量为 12 亿 t,占畜禽粪便总量的 46.9%1. 预计到 2010 年,全国畜禽

4、粪便的排放量将达到 45 亿 t. 我国每年约有 6000 t兽用抗生素用于畜禽饲料添加剂,占全球抗生素饲料添加剂使用量的50%,其中四环素类抗生素在我国及世界畜禽养殖业中的生产量与实际使用量均最大2,3. 然而,约有 30% 90%的兽用抗生素以原药的形式随着畜禽粪便排泄出来48, 对环境和人体健康构成巨大潜在危害 . 畜禽粪便中残留抗生素的环境污染及其控制日益受到重视3. 堆肥化技术是一种广为应用的畜禽粪便无害化和资源化处理技术 . 目前有关堆肥化技术去除畜禽粪便中抗生素残留的研究较少,但现有的研究914表明,堆肥能有效去除畜禽粪便中的四环素类抗生素残留 . 张树清等9考察了强制通风堆肥过

5、程中猪粪 /鸡粪 +麦秸和外源添加微生物对四环素类抗生素残留去除的影响,结果表明,不同堆肥处理四环素、土霉素和金霉素均以猪粪 +麦秸和鸡粪 +麦秸去除效果最好 . 强制通风堆肥反应器的研究结果10,11表明,堆肥能迅速降解牛粪中的土霉素和金霉素 . Dolliver 等12考察了 3 种处理方式 (自然堆放、条垛堆肥、反应器堆肥 )对火鸡粪便中添加的金霉素、莫能霉素、磺胺甲嘧啶、泰乐菌素的去除效果,堆肥期间 (2235 d)金霉素降解率 99%,莫能霉素和泰乐菌素降解率为 54%76%,而磺胺甲嘧啶未降解 . Bao 等13研究了堆肥对仔鸡粪、蛋鸡粪、育肥猪粪中金霉素的去除效果,猪粪中仅为 2

6、7.33%,而鸡粪中金霉素降解率大于 90%. Arikan 等14考察了不同堆肥管理措施 (小牛粪便简单堆放、粪便与秸秆混合、粪便与秸秆混合并添加秸秆为保温层 )对堆体温度及牛粪中土霉素、金霉素降解的影响,结果表明,经过 28 d 堆肥后,采用牛粪与秸秆混合后堆放在秸秆上,并在牛粪表面覆盖秸秆的管理措施,堆体温度及牛粪中土霉素和金霉素的降解率均高于其他措施 . 目前这些研究主要集中在不同堆肥化技术和堆肥管理措施对残留四环素类抗生素的去除效果,而由于堆肥过程影响因素多,不易明确各因素对粪便中残留四环素类抗生素降解的影响, 导致相应研究不够深入 . 例如, Arikan 等14只比较了不同管理措

7、施下环境气温(1124)、堆体中温 (3645)、堆体高温 (约 70)对牛粪中土霉素、金霉素降解的影响 . 为了明确堆肥过程主要影响因素对畜禽粪便中四环素类抗生素残留去除的影响,本研究采用批量实验方法,通过 L9(34)正交实验,以猪粪和四环素类抗生素为对象,模拟强制通风静态垛堆肥过程,考察和分析堆肥过程的 3 个主要工艺参数堆体温度、堆料初始含水率和堆肥时间对猪粪中土霉素 (Oxytetracycline, OTC)、四环素 (Tetracycline, TC)和金霉素 (Chlortetracycline, CTC)降解的影响, 明确猪粪中四环素类抗生素生物降解的反应动力学,以期为有效降

8、解畜禽粪便中残留四环素类抗生素的强制通风堆肥工艺参数优化提供依据 . 2 实 验 2.1 材料与试剂 标准品:土霉素盐酸盐 (Oxytetracycline 第 5 期 沈颖等:猪粪中四环素类抗生素残留物的生物降解 963 hydrochloride 98.5%) 、四环素盐酸盐 (Tetracycline hydrochloride 97.5%)、金霉素盐酸盐 (Chlortetracycline hydrochloride 99.0%)均来自 Dr. Ehrenstorfer, Germany. Mc I lvaine 缓冲液:将 1 L 0.1 mol/L 柠檬酸溶液和 625 mL 0

9、.2 mol/L 磷酸氢二钠溶液混合,必要时用 0.1 mol/L HCl 或 NaOH 调节 pH 值至 4.000.05,需每周制备 . Mc I lvaineNa2EDTA 溶液: 每周制备含 0.1 mol/L EDTA 二钠盐的 Mc I lvaine 缓冲液 . 猪粪来自北京一家集约化养猪场 . 根据前期调查结果9和参考文献15中猪粪的四环素含量,向猪粪中添加一定量土霉素、四环素和金霉素混合水溶液,混合均匀后于阴暗处静置 24 h 以待吸附平衡 . 添加液中土霉素、四环素和金霉素浓度分别为 100.0, 25.0 和 25.0 mg/kg(干重 ),由于猪粪本身含一定量四环素类抗生

10、素,因此,添加四环素类抗生素混合液后猪粪中实际四环素类抗生素初始浓度分别为土霉素 128.980.08 mg/kg、 四环素 28.470.06 mg/kg 和金霉素 28.620.06 mg/kg. 2.2 实验装置与仪器 用 500 mL 烧杯作为堆肥容器,在烧杯下部设有穿孔板和布气管,布气管入口通过通气管与空气增压泵连接 . 空气增压泵的开启、关闭及运行时间由时间继电器控制 . 烧杯置于恒温水浴锅内以保持温度 . 四环素类抗生素残留检测使用的主要仪器有: 冷冻干燥机 (ALPHA 1-2LD PLUS, Christ, Germany)、分析天平 (Adventurer TM OHAUS

11、/Florham Park, NJ USA)、 固相萃取装置 (SUPELCO VISIPREPTM DL, USA)、 超高效液相色谱仪 (Waters Acquity UPLC, USA)联用质谱仪(Micromass Q-ToF micro Waters, USA). 2.3 实验方法 实验按 L9(34)16正交实验进行 (见表 1), 三因素三水平分别为:堆体温度 (T) 35.01.0, 45.01.0 和55.01.0;初始含水率 (M) 40.0%3.0%, 60.0%3.0%和 75.0%3.0%;堆肥时间 (t) 7, 14 和 21 d. 在强制通风堆肥过程中,堆体温度通

12、常经历升温期 (从环境气温升至 50)、高温期 (满足无害化要求,一般 5055保持57 d)和降温期 (从 50逐渐下降至环境气温 )17. 现有研究914结果表明,畜禽粪便中四环素类抗生素残留的降解主要发生在升温期 . 因此,基于堆肥过程中堆体温度、无害化和四环素类抗生素降解特点,本研究选用上述 3 个温度水平 . 堆肥系统适宜的堆料初始含水率为55%60%,应不低于 40%17,但考虑到本研究所用猪粪中含水率约为 75%17,所以选择 40%, 60%和 75%作为堆料初始含水率的 3 个水平 . 通常强制通风静态垛堆肥系统的高温堆肥阶段为 21 d17,所以,本研究选用7, 14 和

13、21 d 作为时间因素的 3 个水平 . 表 1 L 9(34)正交实验的因素和水平 Table 1 Factors and levels of L9(34) orthogonal experiments No. Temperature ( ) Initial moisture content (%) Time (d) Error 1 1 (35.0) 1 (75.0) 1 (7) 1 2 1 (35.0) 2 (60.0) 2 (14) 2 3 1 (35.0) 3 (40.0) 3 (21) 3 4 2 (45.0) 1 (75.0) 2 (14) 3 5 2 (45.0) 2 (60.0

14、) 3 (21) 1 6 2 (45.0) 3 (40.0) 1 (7) 2 7 3 (55.0) 1 (70.0) 3 (21) 2 8 3 (55.0) 2 (60.0) 1 (7) 3 9 3 (55.0) 3 (40.0) 2 (14) 1 Note: All analyses were conducted using duplicate samples. 实验所用猪粪干重均为 100.0 g. 根据初始含水率不同,向 500 mL 烧杯中添加不同鲜重的猪粪,分别为166.7(含水率 40.0%), 250.0(含水率 60.0%)和 400.0 g(含水率 75.0%). 烧杯底部铺

15、设曝气管,通风量为 0.5 L/(minkg)12,采用时间控制的通风方式 (开 /关 )10 s/10 min, 通过恒温水浴设定堆体温度 . 分别在第 7, 14 和 21 d 时采集容器中的全部粪便,混合均匀后用四分法获取样品,用于各指标的测量 . 采用固相萃取 超高效液相色谱联用质谱法检测猪粪中四环素类抗生素残留18. 样品经冷冻干燥后,粉碎过 60 目 (250 m)尼龙筛网,准确称取筛余物 1.00 g,加入 20.0 mL Mc I lvaineNa2EDTA 缓冲液,旋振 1 min,40 kHz, 300 W 下常温超声 20 min, 于 4下 10000 r/min离心

16、10 min, 准确吸取 10.00 mL 上清液待用 . 弃去所剩上清液,再次加入 20.0 mL Mc I lvaineNa2EDTA 缓冲液,同样操作后再次吸取 10.00 mL 上清液,并与上一步的上清液合并 . 再次弃去所剩上清液,加入 10.0 mL Mc I lvaineNa2EDTA 缓冲液, 同样操作后吸取 5.00 mL上清液,合并所得提取液,充分混合,置于避光处待测 . 采用 Hydrophilic lipophilic balance (HLB)/60 mg 小柱 (Oasis, Waters, USA)和配套的固相萃取装置对样品进行净化 . 依次用 5.0 mL 甲醇

17、、 5.0 mL Mc I lvaine Na2EDTA 缓冲液将 HLB 柱活化,然后取 5.00 mL 样品提取液以约 0.05 mL/s 的速度过柱, 以 5.0 mL 5%甲醇水溶液和 5.0 mL 纯净水依次淋洗,以 10.00 mL 10%甲醇 /乙酸乙酯溶液 (1:9, )洗脱样品 . 氮气吹干,以 1.00 mL 1%乙酸溶解残留物,待分析 . 采用 Waters Acquity UPLC 色谱仪和配置 Acquity UPLCTMBEH Shield RP18 色谱柱 (1.7 m, 2.1 mm50 mm, Waters, USA)的 Micromass Q-ToF mic

18、ro 质谱仪进行分析 . 柱温 30,进样量 1 L,流动相 A 为乙腈,流动相 B 为 1.0%乙酸 . 采用的线性梯度如下: 02.00 min 从 A 12%, B 88%线性变化为 A 25%, B 75%; 964 过 程 工 程 学 报 第 9 卷 2.004.00 min 线性变化为 A 30%, B 70%; 4.004.10 min回复 A 12%, B 88%; 4.105.00 min 保持 A 12%, B 88%. 流速均为 0.25 mL/min. 紫外检测波长为 352 nm,采用MBF 模式 . 四极杆 飞行时间串联质谱的操作条件如下:电喷雾正离子模式,锥孔气流

19、速 100 L/h, 雾化气流速 700 L/h,毛细管电压 3500.0 V,源温度 80,脱溶剂温度250 . 一级质谱的碰撞电压为 5.0 V,二级质谱的碰撞电压为 20.0 V. 采用平板培养法1922进行异养总菌落计数 . 细菌培养基为营养琼脂:牛肉膏 5 g,蛋白胨 10 g,氯化钠 5 g,水 1000 mL, pH 值 7.2, 121灭菌;真菌培养基为土豆浸汁琼脂配培养基: 300 g 土豆浸出液定容至 1000 mL, 10 g 葡萄糖, 20 g 琼脂, 不调节 pH 值, 121灭菌;放线菌培养基为 JCM 琼脂 (高氏淀粉琼脂 ): 可溶性淀粉15 g,葡萄糖 5 g

20、,酵母粉 5 g,琼脂 20 g,水 1000 mL,121灭菌 . 分别在 28, 45.0 和 55.0恒温培养箱中培养 4 d 后用计数器计数菌落数 . 通过革兰氏菌染色法和细菌的生理生化方法将分离的菌株鉴定到属 . 使用光学显微镜 (OLYMPUS BX41, Japan)观察形态特征 . 用下式计算菌落变化: i0(%) ( 1) 100%,nn=菌落数变化率 其中, ni, n0为实验结束时和初始时的微生物群落菌落数(CFU/g). 同时还分析了各样品的 pH 值、电导率、含水率、有机质含量、总碳、总凯氏氮和总磷的变化2325. 3 结果与讨论 3.1 猪粪中四环素类抗生素的降解

21、正交实验结果见表 2, 3 种抗生素的降解率土霉素 四环素 金霉素,次序与在猪粪堆肥工厂的调查结果一致,但异于某些已有的研究,如张树清等9在畜禽粪便高温堆肥过程中得到四环素类抗生素的降解率是四环素 金霉素 土霉素 . 本研究猪粪中四环素浓度和金霉素浓度相近 (分别为 28.47 和 28.62 mg/kg),但土霉素浓度 (128.98 mg/kg)约为四环素和金霉素浓度的 4 倍; 而在张树清等9的研究中,猪粪中 3 种四环素类抗生素浓度相近 (土霉素 12.45 mg/kg,四环素 19.34 mg/kg,金霉素15.66 mg/kg),初始浓度的差异可能导致了降解率排序的不同 . 前期调

22、查和研究914结果均表明,残留的四环素类抗生素在堆肥过程中均能被迅速降解,如火鸡粪便堆肥第 10 d时金霉素的降解率大于 99%12. 本研究前期对冬季猪粪条垛堆肥调查中,第 26 d 时,猪粪中 3 种四环素类抗生素的含量已均低于检测限 . Arikan 等10将牛粪与秸秆、木片混合,利用堆肥反应器降解牛粪中的土霉素(初始浓度高达 115 mg/kg), 但堆体中大于 90%的土霉素在堆肥的前 6 d 就被降解了,而在 35 d 内几乎所有的土霉素都被降解 . 表 2 L 9(34)正交实验分析结果 Table 2 Analysis results of L9(34) orthogonal

23、experiments Degradation rate (%) Item Temperature () Initial moisture content (%) Time (d) Error Oxytetracycline Tetracycline Chlortetracycline1 35.0 75.0 7 1 43.584.47 40.964.22 30.016.45 2 35. 60. 14 2 80.312.55 82.790.06 70.823.72 3 35.0 40.0 21 3 28.455.27 2.951.65 18.9410.12 4 45. 75. 14 57.020

24、.13 49.742.95 28.233.72 5 45.0 60.0 21 1 87.551.80 58.20 58.286.06 6 45. 40. 7 2 78.863.62 59.220.92 33.753.82 7 55.0 70.0 21 85.250.61 78.190.87 55.561.11 8 55. 60. 7 3 84.141.65 73.732.93 58.28 9 55.0 40.0 14 1 89.460.27 74.251.86 52.594.54 ROTC(%) 106.51 66.15 25.54 74.81 RTC(%) 99.47 78.30 67.44

25、 93.78 RCTC(%) 84.54 119.98 56.74 92.56 OTC Temperatureerrorinitial moisture contenttime Majorminor TC Temperatureerrortimeinitial moisture content CTC Initial moisture contenterrortemperaturetime OTC 100 62.11 23.98 70.24 Relative influence (%) TC 100 78.72 67.80 94.28 CTC 100 141.92 67.12 109.49 F

26、OTC2.01 0.86 0.12 FTC1.14 0.70 0.52 FCTC0.75 1.53 0.34 Note: F0.1(2,2)=19.00, F0.05(2,2)=9.00. 第 5 期 沈颖等:猪粪中四环素类抗生素残留物的生物降解 965 如图 1(a)所示, 3 种四环素类抗生素在不同温度下的降解率为 55.045.035.0,土霉素、四环素和金霉素在 55.0时的降解率分别是其在 35.0时的 1.7, 1.8 和 2.0 倍, 土霉素在 55.0时的降解率达到了 86.28%. 这些结果证实了牛粪中土霉素、金霉素的降解随温度的升高而加大,尤其当温度高于 35后,其高温降解

27、效果明显14. 猪粪中土霉素在不同堆料初始含水率下的降解率为 60.0%75.0%40.0%, 四环素降解率为 60.0%40.0% 75.0%,金霉素降解率为 60.0%40.0%75.0%. 其中金霉素在初始含水率为 60.0%时的降解率为 62.46%,75.0%时只有 22.4%,前者是后者的 2.8 倍 . 猪粪中四环素类抗生素累积降解率均为堆肥时间 14 d7 d21 d. 值得注意的是,本研究中 3 种四环素的降解率在35.0条件下均出现了明显的先升高后降低的现象 (见表 2 中 Item 13),尤其是金霉素在 35.0、初始含水率40%下, 21 d 时出现了负降解率 . 出

28、现这种情况有两种可能,一是猪粪中原有降解产物再次转化成母药而造成总量增长;二是基质中原先难被检测到的金霉素在微生物的作用下转为易于提取、检测的状态 . 图 1 不同条件下猪粪中四环素类抗生素的降解状况 Fig.1 Biodegradation results of residual tetracyclines in swine manure由图 1(b)和图 1(c)可知,猪粪中四环素类抗生素的降解率在不同温度、堆料初始含水率和堆肥时间下均有明显的折点,分别为 55.0, 60.0%和 14 d. 统计结果表明,堆体温度是土霉素和四环素降解的主要影响因素,含水率是金霉素降解的主要影响因素,但

29、3 个因素对 3 种四环素类抗生素的降解率没有显著性影响 (其 F值小于具有显著影响的阈值,见表 2). 在温度 55.0、初始含水率 60.0%和堆肥时间 14 d的批量连续实验条件下,猪粪中 3 种四环素类抗生素残留的生物降解均符合一级反应动力学模型 y=y0exp(kx) 式中, y0为四环素初始浓度 (mg/kg), k 为反应速率常数(d1), x 为时间 (d),拟合结果如表 3 所示,相关系数 r2均大于 0.95. Bao 等13的研究结果表明,金霉素在畜禽粪便堆肥过程中的降解均符合一级反应动力学模型,但 表 3 猪粪中四环素类抗生素生物降解的 一级反应动力学模型拟合结果 Ta

30、ble 3 Fitting results of TCs biodegradation in swine manure batch experiments using the first-order model y0(mg/kg) k (d1) Tetracycline Value Error Value Error r2OTC 122.48 9.67 0.1564 0.0157 0.9592TC 42.32 2.14 0.1497 0.0152 0.9761CTC 58.33 2.96 0.2932 0.0336 0.9830金霉素浓度不同,其半衰期也不同,金霉素在仔鸡粪(94.71 mg/

31、kg)、育肥猪粪 (879.6 mg/kg)中的半衰期分别为 11 和 86.6 d,在蛋鸡粪的半衰期分别为 12.2 d(150.3 mg/kg), 12.0 d(100.0 mg/kg)和 4.39 d(53.10 mg/kg). 3.2 微生物群落 表 4 为平板菌落数变化率 . 与实验初始时刻相比,28时真菌菌落数增长明显,放线菌菌落数明显下降,而细菌菌落数下降多于上升; 45 和 55时,真菌菌落数均没有发生变化,而放线菌、细菌的菌落数增长和下降互现 . 然而,统计结果表明, 3 个因素对猪粪中 3 种四环素类抗生素降解过程的微生物群落菌落数的变化率没有显著性影响 . 如图 2 所示

32、 (实验 No.0 代表原始菌 ),细菌在常温、中温和高温均为优势微生物,其总菌落数超过真菌和放线菌之和,尤其在初始含水率为60.0%、温度 55.0下堆肥时间 7 d 时,细菌的相对丰度达到 100%,且在 45.0 和 55.0下培养只得到了放线菌和细菌 . 但与初始时刻相比,实验结束时的放线菌相对丰度均略有降低,真菌相对丰度增加明显 . 由图 2 可知,作为优势微生物的细菌,革兰氏阳性菌的比例始终大于革兰氏阴性菌 . 本研究堆肥过程中分离得到的微生物种属如下:放线菌属 (Actinomycete) 的链霉菌属35 40 45 50 552030405060708090Degradatio

33、n rate(%)Temperature ( )OTCTCCTC6 8 10 12 14 16 18 20 22304050607080Time (d)OTCTCCTC40 50 60 70 802030405060708090Initial moisture content (%)OTCTCCTC966 过 程 工 程 学 报 第 9 卷 (Streptomyces) ,真菌 (Fungi) 的黑曲霉菌 (Aspergillus niger)、木霉菌属 (Trichoderma)、青霉菌属 (Penicillium)、毛霉菌属 (Mucor) ,革兰氏阳性菌的微球菌属(Micrococcus

34、)、芽孢杆菌属 (Bacillus)、微小杆菌属(Microbacterium)、金杆菌属 (Aureobacterium)、短小杆菌属 (Curtobacterium)、棍状杆菌属 (Clavibacter)、纤维单胞菌属 (Cellulomomas),革兰氏阴性菌的埃希氏菌属(Escherichia)、黄色杆菌属 (Xanthobacter)、热微杆菌属(Thermomicrobium)、假单胞菌属 (Pseudomonas)、 土壤杆菌属 (Agrobacterium)、氮单胞菌属 (Azomonas)、交替单胞菌属 (Alteromonas). Arikan 等10用牛粪、秸秆和木屑的

35、混合物进行堆肥,堆肥后总异养菌和土霉素抗性菌量分别上升了 30倍和降低了 10 倍 . 表 4 L 9(34)正交实验平板菌落数变化率 Table 4 Changes of total heterotrophic microorganisms in standard dilution plating for the L9(34) orthogonal experiments (%) 28 45 55 Item Fungi Actinomycete Bacteria Fungi Actinomycete Bacteria Fungi Actinomycete Bacteria 1 7.5 11.

36、4 4.0 0 16.1 16.1 0 12.8 12.8 2 10.1 13.1 3.0 0 12.0 12.0 0 13.0 13.0 3 35.1 8.1 27.0 0 18.0 18.0 0 2.0 2.0 4 24.1 8.1 16.0 0 5.0 5.0 0 11.0 11.0 5 6.1 11.1 5.0 0 3.0 3.0 0 4.0 4.0 6 9.8 4.6 5.2 0 2.1 2.1 0 7.4 7.4 7 26.1 13.1 13.0 0 16.0 16.0 0 13.0 13.0 8 32.1 11.1 21.0 0 27.0 27.0 0 21.0 21.0 9 2

37、5.1 10.1 15.0 0 4.0 4.0 0 2.0 2.0 0.6 0.1 0.1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 4.4 6.0 1.0 2.5 0.3 0.3 0.4 0.6 4.0 F 0.3 0.3 0.0 2.5 0.3 0.3 0.4 0.6 4.0 Note: F0.1(2,2)=19.00, and F0.05(2,2)=9.00. 图 2 不同温度时总菌落数及细菌菌落数、革兰氏阴、阳性菌的变化 Fig.2 Changes of total heterotrophic microorganisms, part of bacteria and propor

38、tion of G+, G bacteria ( G G+ Total heterotrophic microorganisms Total bacteria) 图 3 pH 值、电导率、含水率、有机质、总碳与总凯氏氮的比值及总磷的变化 Fig.3 Changes of pH, electric conductivity, organic matter, moisture content, TC/TKN and TP 0123456789020406080100(a) 28G+ andGbacteriaproportion (%)Experiment No.40.0k60.0k80.0k100

39、.0k120.0k140.0kTotalheterotrophic microorganismsand bacteria (CFU/g)0123456789020406080100(c) 55Experiment No.2.0k4.0k6.0k8.0k10.0k12.0k0123456789020406080100(b) 45Experiment No.6.0k8.0k10.0k12.0k14.0k16.0k18.0k20.0k1234567897.57.67.77.87.98.08.1pHExperiment No.2000220024002600280030003200Electricco

40、nductivity(S/cm)123456789687072747678Organicmatter(%)Experiment No.01020304050607080Moisturecontent (%)1234567893234363840424446TC/TKNExperiment No.283236404448TP (mg/kg)第 5 期 沈颖等:猪粪中四环素类抗生素残留物的生物降解 967 3.3 常规指标 批量实验期间猪粪的 pH 值、电导率、含水率、有机质含量、总碳 (TC)、总凯氏氮 (TKN)和总磷 (TP)的变化如图 3 所示 . pH 值保持在 7.508.00,呈微碱

41、性 . 电导率保持在 20003000 S/cm 之间 . 由于在实验期间没有补充水分,导致含水率的变化幅度较大,在10.0%80.0%之间,有机质含量变化较平缓,保持在70.0%80.0%之间,总碳 /总凯氏氮比值在 3544 之间,总磷变化在 2947 g/kg 之间 . 4 结 论 (1) 以猪粪和四环素类抗生素为对象,模拟强制通风静态垛堆肥过程,通过 L9(34)正交批量实验,研究温度、初始含水率、时间对猪粪中土霉素、四环素和金霉素生物降解的影响, 并考察此过程中微生物群落的变化 . 结果表明,在温度 55.0、初始含水率 60.0%和处理时间 14 d 的条件下, 猪粪中 3 种四环

42、素类抗生素残留的降解率最大,并符合一级反应动力学模型 . (2) 实验统计表明,温度是土霉素和四环素降解的主要影响因素,堆料初始含水率是金霉素降解的主要影响因素,但温度、堆料初始含水率、时间均对猪粪中 3种残留四环素类抗生素的降解及降解过程可培养的真菌、 放线菌和细菌的相对丰度没有显著性影响 F 显著性检验小于阈值 F0.05(2,2)=9.00. 细菌在 3类微生物 (细菌、放线菌和真菌 )中占绝对优势,且细菌中的革兰氏阳性菌多于革兰氏阴性菌 . 参考文献: 1 Gao D, Chen T, Liu B, et al. Releases of Pollutants from Poultry

43、Manure in China and Recommended Strategies for the Pollution Prevention J. Geographical Research, 2006, 25(2): 311319. 2 陈育枝, 张元元, 袁希平, 等 . 动物四环素类抗生素现状及前景 J. 兽药与饲料添加剂 , 2006, 11(3): 1617. 3 Sarmah A K, Meyer M T, Boxall B A A. A Global Perspective on the Use, Sales, Exposure Pathways, Occurrence, Fa

44、te and Effects of Veterinary Antibiotics (VAs) in the Environment J. Chemosphere, 2006, 65(5): 725759. 4 Donoho A L. Biochemical Studies on the Fate of Monensin in Animals and in the Environment J. J. Anim. Sci., 1984, 58(6): 15281539. 5 Elmund G K, Morrison S M, Grant D W, et al. Role of Excreted C

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46、rence, Fate, and Removal of Pharmaceutical Residues in the Aquatic Environment: A Review of Recent Research Data J. Toxicol. Lett., 2002, 131(1/2): 517. 8 Montforts M H M M, Kalf D F, van Vlaardingen P L A, et al. The Exposure Assessment for Veterinary Medicinal Products J. Sci. Total Environ., 1999

47、, 225(1/2): 119133. 9 张树清,张夫道,刘秀梅,等 . 高温堆肥对畜禽粪中抗生素降解和重金属钝化的作用 J. 中国农业科学 , 2006, 39(2): 337343. 10 Arikan O A, Sikora L J, Mulbry W, et al. Composting Rapidly Reduces Levels of Extractable Oxytetracycline in Manure from Therapeutically Treated Beef Calves J. Bioresour. Technol., 2007, 98: 169176. 11

48、Arikan O, Mulbry W, Rice C. Management of Antibiotic Residues from Agricultural Sources: Use of Composting to Reduce Chlortetracycline Residues in Beef Manure from Treated Animals J. J. Hazard. Mater., 2009, 164: 483489. 12 Dolliver H, Gupta S, Noll S. Antibiotic Degradation during Manure Composting J. J. Environ. Q., 20

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