一种利用常温发酵高效去除畜禽粪便中残留抗生素的方法技术领域
本发明属于环境保护技术领域，特别涉及一种利用常温发酵高效去除畜禽粪便中残留抗生素的方法。
背景技术
畜禽养殖粪便中的抗生素污染问题已引起高度关注。据报道，我国每年约有6000吨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%。这些抗生素的使用可促进畜禽的生长，防治疾病的发生，在很大程度上促进了养殖业的快速发展，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，最终随着施肥等方式进入环境。已有研究表明，蔬菜作物如黄瓜、莴苣等对抗生素存在明显的富集现象。残留抗生素随粪便或地表径流进入水体，也对水体中的微生物产生毒性效应，破坏微生物生态结构。环境中残留的抗生素会导致微生物的耐药性增强以及强耐药性细菌的产生，甚至诱导产生耐药性基因，而细菌的耐药性基因还会在同类细菌中转移。耐药性细菌的产生增加了养殖业和人类健康的风险，这可能也是中国畜禽养殖业发病率一直较高的重要原因之一。总体而言，养殖源畜禽粪便已经成为环境中抗生素污染的主要来源，降低畜禽粪便中抗生素向环境释放迫在眉睫。开发高效的畜禽粪便残留抗生素去除方法十分重要。
抗生素残留于生态环境中可以通过吸附、水解、光解、氧化降解和生物降解等途径减少其对生态环境的危害。但是，目前针对畜禽粪便中抗生素污染去除的方法还比较单一和局限。用堆肥的方法处理畜禽粪便帮助降解其中的抗生素残留是目前主要的畜禽粪便抗生素去除手段。但是我们也发现，很多畜禽粪便虽然也经过堆肥处理，但是其仍然残留有大量的抗生素。目前研究表明，抗生素的降解主要发生在堆肥的升温和高温期，也就是说堆肥中抗生素的降解主要依赖于高温发酵。在堆肥过程中，如果高温分布不均匀，或者在冬季较冷的条件下，高温无法维持，那么这种堆肥就无法有效去除粪便中的抗生素。此外，研究表明，粪便中残留的抗生素会延长堆体达到高温的时间，缩短高温期，反过来进一步削弱了堆肥对抗生素的降解作用。此外，部分畜禽粪便在使用前往往不经过堆肥，例如养殖蝇蛆。因此，寻找有效的去除畜禽粪便中抗生素的方法，以及探索不依赖于高温的畜禽粪便抗生素去除方法，使得畜禽粪便中抗生素去除技术多元化具有十分重要的意义。事实上，抗生素的降解不一定依赖于高温。目前筛选获得很多抗生素降解菌均是常温微生物，不能耐受高温。因此，探索在常温条件下的畜禽粪便抗生素去除方法具有较好的前景和推广价值。
发明内容
本发明目的在于提供一种利用常温发酵高效去除畜禽粪便中残留抗生素的方法，该方法不依赖于高温堆肥，可以在常温条件下短时间快速去除猪粪中多种类型的畜用抗生素，尤其是对猪粪中高浓度四环素类和磺胺类抗生素去除效果明显，去除率可在80%以上。
本发明的技术方案如下：
一种利用常温发酵高效去除畜禽粪便中残留抗生素的方法，包括如下步骤：
（1）在含有抗生素污染物的畜禽粪便中加入浓硫酸，混合均匀后在室温下放置1-2小时；
（2）利用氢氧化钠或氢氧化钙将步骤（1）处理后的畜禽粪便的pH调节至4.5-6.0，维持含水率在70%-45%之间；
（3）将步骤（2）处理后的畜禽粪便平铺在封闭或半封闭的容器中，控制温度在28-35℃之间，发酵培养4-5天。
进一步地，上述步骤（1）中浓硫酸添加量按质量百分比为1%-3%。
进一步地，在上述步骤（3）中容器上添加可实现光照培养的光源，加速抗生素的降解。
进一步地，上述可实现光照培养的光源为太阳光或日光灯或节能灯。
进一步地，上述抗生素类污染物为四环素类、磺胺类和氟喹诺酮类抗生素中的任意一种及其混合物。
进一步地，上述步骤（1）中添加木屑用于促进抗生素降解，上述木屑添加量按质量百分比为10%-20%。
进一步地，上述畜禽粪便为猪粪。
有益效果
本发明的优点在于：
（1）25-35℃的常温条件下畜禽粪便中的抗生素即可降解，不依赖于高温，温度控制相对简单，易于实现。
（2）去除效率高，操作简单，且对畜禽粪便中各种不同类型的兽用抗生素均有较高的去除效果，尤其适用于高浓度四环素类和磺胺类抗生素残留畜禽粪便；其中四环素类抗生素去除率可在80%以上，磺胺类抗生素去除率可在90%以上，是直接中温固态发酵去除率的5.5-10.8倍。
（3）目前筛选获得很多不能耐受高温的常温抗生素降解菌可直接用于本方法，从而强化抗生素的降解。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明的方法、步骤或条件所做的修改或替换，均属于本发明范围，若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟悉的常规手段。
备注说明：本发明不适用于大环内酯类抗生素为主要残留抗生素的畜禽粪便，因为大环内酯类抗生素在碱性pH下的降解优于酸性pH。
本发明以中温固态发酵为基础，研发简单、高效的去除畜禽粪便中四环素类、磺胺类和喹诺酮类抗生素的方法。采用该方法能在短时间内降低畜禽粪便中四环素类、磺胺类和喹诺酮类抗生素浓度，其中四环素类抗生素去除率可在80%以上，磺胺类抗生素去除率可在90%以上，是直接中温固态发酵去除率的5.5-10.8倍。
实施例1
试验材料：猪粪；类型为农户散养型肉猪；表观为黑褐色，较湿，臭味很重；原始pH为7.4；猪粪中检出5种磺胺类、5种喹诺酮类、3种四环素类和3种大环内酯类抗生素，其中每千克干猪粪中四环素类总残留浓度为77.4mg，喹诺酮类总残留浓度35.9mg，磺胺类总残留浓度15.1mg以及大环内酯类总残留浓度12.8mg。
一种利用常温发酵高效去除畜禽粪便中抗生素的方法，该方法由下述步骤组成：
（1）在500g新鲜猪粪中加入质量比为1%的浓硫酸，搅拌均匀后，在室温25℃左右放置1-2小时；
（2）采用10M的氢氧化钠溶液将步骤（1）处理后的猪粪pH调节至6.4、5.4和4.8，含水率在70%左右；
（3）将不经过步骤（2）处理的猪粪以及步骤（2）处理后的猪粪平铺18cm培养皿中，在30℃温度条件下培养4-5天。
本实施例中，将不进行步骤（2）处理的猪粪作为对照样品，与处理猪粪在相同条件下发酵培养。发酵结束后的猪粪样品经冷冻干燥后，采用高效液相-二级质谱联用技术测定抗生素含量。本实施例中猪粪在经过常温固态发酵4-5天后，抗生素去除率在6.9-64.0%之间。其中经过调酸处理和pH调节处理组猪粪中抗生素去除率大大提高，是不经过处理组猪粪抗生素去除率的5.5-9.3倍，特别是四环素类抗生素的去除率从0%提高至85.2%。
不同处理后猪粪中各类抗生素的具体去除率见表1。其中残留浓度最高的四环素类抗生素去除率为去除率计算公式为：去除率=(处理后猪粪抗生素浓度-处理前猪粪抗生素浓度)/(处理前猪粪抗生素浓度)。
表1不同处理后猪粪中各类抗生素的去除率
处理组磺胺类去除率氟喹诺酮去除率四环素类去除率大环内酯类去除率总去除率
猪 pH=4.881.2 10.6 56.0 27.9 40.5
猪 pH=5.479.8 26.2 85.2 39.4 64.0
猪 pH=6.460.1 27.0 46.9 41.6 37.9
猪 pH=7.4 对照处理56.8 5.8 0.0 93.0 6.9
实施例2
试验材料同实施例1。
一种利用常温发酵高效去除畜禽粪便中抗生素的方法，该方法由下述步骤组成：
（1）在500g新鲜猪粪中加入质量比为1%的浓硫酸，搅拌均匀后，在室温25℃左右放置1-2小时；
（2）采用10M的氢氧化钠溶液将步骤（1）处理后的猪粪pH调节至5.4；
（3）将步骤（2）处理后的畜禽粪便平铺18cm培养皿中，置于光照培养箱中，24小时光照，0小时黑暗，光源为LED节能光源，在30℃温度条件下培养4-5天。
本实施例中，对照处理为将步骤（2）处理后的畜禽粪便平铺18cm培养皿中，采用报纸进行遮光培养，置于光照培养箱中，在30℃温度条件下培养4-5天。发酵结束后的猪粪样品经冷冻干燥后，采用高效液相-二级质谱联用技术测定抗生素含量。本实施例中光照处理使得猪粪中去除率提高到72.4%，是实施例1所述表1中对照处理猪粪抗生素去除率的10.5倍。光照处理使得磺胺类抗生素去除率提高了2.0%，喹诺酮类抗生素提高了21.2%，四环素类抗生素去除率提高了2.0%，但略微削弱了大环内酯类抗生素的去除。
实施例3
试验材料同实施例1。
一种利用常温发酵高效去除畜禽粪便中抗生素的方法，该方法由下述步骤组成：
（1）按照重量百分比为10%、20%，将木屑与新鲜猪粪混合；
（2）在步骤（1）处理后的猪粪木屑混合物中，加入质量比为3%的浓硫酸，搅拌均匀后，在室温25℃左右放置1-2小时；
（3）采用10N的氢氧化钠溶液将步骤（2）处理后的样品pH调节至5.4；
（4）将步骤（3）处理后的样品平铺18cm培养皿中，在30℃温度条件下培养4-5天。
本实施例中，发酵结束的猪粪样品经冷冻干燥后，采用高效液相-二级质谱联用技术测定抗生素含量。本实施例中猪粪在经过常温固态发酵4-5天后，抗生素去除率为66.6-77.1%，是实施例1所述表1中对照处理猪粪抗生素去除率的9.9-10.8倍，其中四环素类抗生素去除率超过80%，磺胺类抗生素去除率超过90%。
不同处理后猪粪中各类抗生素的具体去除率见表2。去除率计算公式同实施例1所述。
表2不同处理后猪粪中各类抗生素的去除率