近年来，由于抗生素污染问题诱发的耐药性细菌的出现逐渐引起了人们的重视，与过去相比，抗性细菌在数量、多样性以及抗性强度上都发生了显著变化，一些菌株表现出多重耐药性，抗生素污染的潜在影响不容忽视。重金属污染具有隐蔽性、长期性、不可逆性和生物累积性等特点，在自然环境中很难被降解。
抗生素与重金属的复合污染带来更为严重的生态毒性，在今后的畜禽粪便利用过程中必须加强检测，尽量减少污染的传播扩散。因此，了解畜禽粪便中重金属与抗生素的污染现状、生态毒性以及提出有效的修复措施具有非常重要的意义，已成为环境领域研究的热点之一。
一 畜禽粪便中抗生素和重金属的来源
随着社会经济的发展，人们物质生活水平的提高，畜禽养殖业近年来逐渐走向集约化、规模化。在养殖过程中，一些微量重金属元素如铜、锌、镉，一些抗生素如四环素类、喹诺酮类，作为饲料添加剂被广泛使用。规模化养殖业中重金属和抗生素添加剂一方面可以促进动物生长，提高饲料利用效率；另一方面可以预防和治疗疾病，提高养殖场效益(Koike, Krapac et al. 2007, 周启星, 罗义 et al. 2007)。一些养殖户为追求经济效益，过量添加抗生素和重金属元素，而这些添加剂在动物体内不能被完全吸收利用，添加量中真正参与机体代谢发挥效用的不超过40%，大部分以原药的形式随粪便排除(Wilson and Pyatt 2007)。粪便不处理或处理不当，直接施用于农田会造成农田土壤污染，间接造成部分水污染，从而污染农作物，通过食物链对人体健康构成威胁。
二 畜禽粪便中抗生素和重金属的污染现状
2.1畜禽粪便中抗生素的污染
自 20 世纪 50年代美国食品与药物管理局（FAD）首次批准将抗生素用作饲料添加剂后，世界各国相继进行了抗生素的饲喂试验，并全面推广应用于畜禽养殖业(张慧敏, 章明奎 et al. 2008)。抗生素促生长的原理如下：由于抗生素饲料添加剂对病原微生物有杀灭作用，阻碍了肠道中有害微生物的增殖，从而节约了大量本来应被微生物所消耗的营养成分，提高了养分的利用率；同时，抗生素可使动物的肠壁变薄，利于营养成分通过肠膜，加强养分的吸收。据报道，美国自1985年允许在饲料中添加抗生素后，一年内的产肉量增加10%，同时节约35亿美元。我国每年约有6000t 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为最大(Sarmah, Meyer et al. 2006, 陈育枝, 张元元 et al. 2006, 李兆君, 姚志鹏 et al. 2008)。
2007年全国8个省的集约化养殖场调查表明(Zhao, Dong et al. 2010)，猪粪中土霉素、金霉素的平均含量分别为59.06、21.06 mg·kg^-1DW（Dry weight）；2008年北京、上海、重庆的集约化养猪场调查表明，猪粪中四环素类抗生素的平均含量大小排列如下：仔猪>种猪>育肥猪，其中仔猪猪粪中土霉素、四环素、金霉素的含量可高达524.4、77.10、19.22 mg·kg^-1DW(沈颖, 魏源送 et al. 2009)；胡献刚等对天津市4个养殖基地的畜禽粪便样品进行了检测分析，发现四环素、土霉素和金霉素的浓度范围分别是10.2~41.5 mg·kg^-1DW、9.7~173.2 mg·kg^-1DW和0.6~24.3 mg·kg^-1DW(胡献刚, 罗义 et al. 2008)。另外，美国集约化畜禽养殖场粪便贮存塘中的金霉素、土霉素、洁霉素的平均浓度分别为 3.94、2.37、4.22 mg·L^-1。由以上数据可知，我国畜禽粪便中抗生素污染很严重，应引起足够重视。
2.2畜禽粪便中重金属污染
Barber 曾在1995年首次提出添加高于正常生理需要10倍数量的铜于育肥猪的饲料中，可以加快生长速度并且提高饲料的利用率。其作用机制主要体现在两方面，增加动物的采食量；刺激体内相关酶的活性(贡娇娜 2010)。
张树清等(张树清, 张夫道 et al. 2005)的调查表明，北京地区猪粪中锌的含量范围在281~1295 mg·kg^-1DW，而浙江省猪粪中锌的含量高达8710 mg·kg^-1DW。彭来真(彭来真 2007)对猪粪、牛粪、鸡粪和鸭粪4种畜禽粪便中重金属含量的调查表明，猪粪中铜、锌、砷超标最为严重。参照我国“农用污泥中污染物控制标准（GB4284-1984）”和德国“腐熟堆肥中部分重金属限量标准”，猪粪中铜含量的超标率为 93.56%~98.39%，锌含量的超标率为 91.94%~95.16%，参照我国“有机肥料行业标准”（NY525-2002），猪粪中砷含量的超标率为 38.17。畜禽粪便中重金属含量严重超标，如果不及时处理，会对生态环境和人体健康造成很大威胁。
2.3畜禽粪便中抗生素与重金属的复合污染
    所谓“复合污染”，主要指多种污染物同时存在而产生的环境污染和生态毒理效应问题，它也包括了在环境中发生的两种以上污染过程叠加的环境污染机制及综合生态毒理效应，以及这种复合污染效应对生态系统和人类健康造成的风险评价的研究(王瑞 and 魏源送 2013)。复合污染的环境生态效应主要分为协同作用、拮抗作用、竞争作用和独立作用4大类。影响复合污染物交互作用的因子有很多，如生物、污染物、环境因子等(周启星, 程云 et al. 2003)。抗生素往往具有一个非极性的内核和多个极性的官能团，这些官能团决定了抗生素的药性。抗生素能通过这些官能团与金属离子络合，从而相互影响各自的行为(Turel 2002)。已有研究表明，喹诺酮类和四环素类抗生素能与很多金属离子形成稳定的络合物(López-Gresa, Ortiz et al. 2002) 。
三 畜禽粪便中抗生素与重金属复合污染的危害
    与农药和其他有机物不同，抗生素类药物具有较高的生物活性，即使很低的
浓度对生态环境的潜在危害和人类健康的威胁也是巨大的。
3.1 对环境微生物的危害
畜禽粪便未处理或处理不当施入土壤，会对土壤微生物的数量、种类，代谢活性产生影响，影响土壤养分循环过程和自净能力等。重金属也会对土壤微生物产生毒性，适应重金属环境的微生物逐渐成为土壤优势菌。
抗生素多为抗微生物药物，对环境中的微生物具有抑制或者杀灭作用，能直接杀死环境中某些微生物或抑制其生长，影响环境中微生物群落的组成，改变原有的微生物区系，导致微生态平衡失调。Weber等(Weber, Mitzel et al. 2011)研究了处理过含抗生素环丙沙星废水的人工湿地污水处理系统中微生物群落组成、活性及群落水平生理，发现微生物多样性及活性在5周内受到明显抑制，其降解同化有机物的能力也受到影响。可见，由于抗生素影响了环境微生物的群落结构、种群数量及生物活性，从而影响水体和土壤中动植物残体、粪便和有机质的腐烂和分解，并降低微生物对其他污染物的降解能力(Joss, Keller et al. 2005)。
土霉素与镉复合污染对土壤微生物呼吸和土壤酶活性的交互作用的影响较为复杂，交互作用类型与土霉素浓度有一定的关联性。主要表现为当土霉素的浓度为1和200mg/kg时，复合污染主要为拮抗作用；但当土霉素的浓度为50mg/kg时，复合污染主要为协同作用(闫雷, 毕世欣 et al. 2014)。
3.2 对植物的危害
     重金属元素毒性大、难降解，进入水体之后被水生植物吸收和富集，不仅影响植物体生理生化过程，对植物生长产生毒害，还可能被水生动物取食后经
食物链逐级放大而达到很高浓度，最终危害人畜安全。水体中重金属污染会引起植物中毒症状，主要表现为：生长严重受阻，褐变畸形，出现“爪根”，物叶片黄化甚至枯死；种子萌发和籽粒的发育受到抑制等(向华 and 于晓英 2009)。环境中残留的抗生素能够被植物吸收和积累，并影响植物的生长发育及其对氮、磷、钾等营养元素的吸收，抗生素可与植物体内的某些组分发生相互作用而干扰细胞的正常分裂，影响根系的发育和地上部分的生长及抑制叶绿素的合成并最终导致植物衰亡。Boxall等(Boxall, Johnson et al. 2006)研究发现，土霉素、保泰松和恩诺沙星在浓度为1mg·kg^-1可显著抑制胡萝卜和莴苣的生长。
3.3诱导抗性基因的产生
畜禽粪便中残留的抗生素能够促进微生物的新陈代谢，对耐药性产生选择性压力，从而诱导抗性基因的产生。有研究表明土壤中抗性基因的含量与对应的抗生素含量有很好的相关性。Li 等经过对北京7个养猪场的废水和施用猪粪肥的土壤的研究，发现四环素抗性基因和相应的CTC 残留存在良好的相关性(P<0.05)。即使抗生素的抗性压力消失，抗生素抗性基因仍然可以在生态系统中保持，继续对环境、人体造成一定的影响。
四 畜禽粪便中抗生素的降解
抗生素在土壤中的降解速率是决定其在环境中的持久性、有效性和危害性的关键因素。土壤中抗生素的降解主要包括光降解和生物降解，一般降解过程会降低抗生素的毒性，但有些抗生素的代谢物甚至比抗生素本身的毒性更强，有的可能在土壤和粪便中转化成抗生素母体形式，有些抗生素在土壤中有相对较长的半衰期(长达几个月)，而有些降解速率较快(只有几天)。四环素和磺胺类抗生素在土壤环境中相对比较稳定，相比之下，β-内酰胺类抗生素虽然使用量很大，但是稳定性很差，极易降解，所以对土壤环境影响很小。
光降解是吸附在土壤表面的抗生素得以去除的主要因素。光降解程度与抗生素的类型、季节和纬度等环境条件有关。一般而言，具有可光降解、水溶性和非易失性的物质在土壤表面易发生光降解，而大部分抗生素具有这3个特征，因此通过畜禽施肥或灌溉进入土壤表面的抗生素在暴露于阳光的条件下较易发生光降解。
生物降解是土壤中抗生素降解的主要途径，特别是阳光直射不到的微生物活跃的深层土壤。生物降解效率受抗生素种类、土壤类型和氧化还原条件等因素的影响。通常条件下，四环素类抗生素在土壤中不易被生物降解，磺胺类抗生素降解缓慢，氟喹诺酮类和β-内酰胺类生物降解相对较快。Accinelli等（Accinelli 2007）比较了磺胺二甲嘧啶、磺胺氯哒嗪在砂壤土和砂土中的生物降解过程，测得两种抗生素的平均半衰期分别为18.6 d和 21.3 d，并且两种抗生素在砂壤土中的降解速率要快于砂土。同时发现，向土壤中添加液态粪肥(5%V/W) 能提高微生物的活性，使两种抗生素在砂壤土中的降解速率明显加快。
五 畜禽粪便中抗生素与重金属复合污染的修复技术
5.1堆肥过程
     目前的研究表明，堆肥能够有效去除畜禽粪便中残留的抗生素。吴晓凤等(吴晓凤, 郑嘉熹 et al. 2013)的研究表明，堆肥可有效地去除畜禽粪便中四环素类抗生素的残留，其中 CTC、OTC和TC的去除率分别达到了74%、92%和70%，半衰期分别为8.2d、1.1d和10.0d，并且在堆肥过程中还检测到5种代谢产物包括：ETC、EOTC、ECTC、DMCTC和ATC。
   影响堆肥过程的因素有很多，诸如堆料的pH、含水率、温度、有机质初始浓度以及堆肥化管理措施等，这些因素对于堆肥过程中残留抗生素去除的影响已
有很多报道。Wang等的研究表明，土霉素的降解率随着动物粪便含水率的升高而增加，并认为高含水率的粪便中微生物的活性提高，从而导致了土霉素较高的降解率；同时还认为，粪便中较高的抗生素初始浓度可能会抑制微生物的活性，从而降低降解率。Arikan 等(Arikan 2008)同样认为温度是影响堆肥去除残留抗生素的一个重要因素，经过30d的堆肥处理后，室温25℃下牛粪中金霉素的去除率达到49%，而高温55℃下的去除率高达99%，高温条件下金霉素的降解明显快于室温。
目前我国畜禽养殖业中并没有对重金属的排放进行限定，如我国的GB18596-2001《畜禽养殖业污染物排放标准》，其控制的污染物指标体系中没有涉及到重金属的控制。目前对畜禽粪便中重金属的堆肥处理技术研究主要集中在不同钝化剂的处理效果及重金属的形态变化方面。
张树清等(张树清, 张夫道 et al. 2006)研究表明，通过高温堆肥后，重金属的生物有效性明显降低，添加钝化剂对堆肥中重金属 Cu、Zn、Cr、As元素的形态影响显著。无论是猪粪还是鸡粪，添加风化煤对水溶态的重金属都有良好的钝化作用。刘浩荣等(刘浩荣, 宋海星 et al. 2008)研究了沸石、海泡石和膨润土等钝化剂对猪粪堆肥中重金属的钝化效果，表明堆肥处理能促进猪粪中重金属Zn、Cu等的形态向活性低的方向转化，降低了重金属的生物有效性。在3种重金属钝化剂处理中，海泡石对降低猪粪中重金属 Cu的生物有效性效果最好。
5.2厌氧消化过程
厌氧消化技术是畜禽粪便资源化、减量化、无害化的主要生物处理技术之一，它可以在降解畜禽粪便中大量有机物的同时产生可作为能源回收的沼气，在畜禽粪便处理中广为应用"畜禽粪便中高残留的抗生素在影响厌氧消化效率的同时又可以在厌氧消化过程中得到降解。
Arikan等(Arikan, Mulbry et al. 2009)采用6个实验室规模1L的批式厌氧反应器，在中温35℃的条件下，分别研究了牛粪中金霉素和土霉素的降解情况。结果表明，经过33d的厌氧消化后，这两种形态（水溶态和缓冲液可提取态）的金霉素浓度都快速地下降，去除率分别达到75%和 84%；相对于金霉素而言，土霉素在厌氧消化过程中不易被降解，在经过64d的厌氧消化后，去除率仅为59%。
5.3其他措施
关于土壤环境中抗生素吸附、降解行为以及对土壤生物潜在生态毒理学效应的研究还只是停留在简单的单因素研究阶段，主要采用实验室模拟的方法对一些表面现象进行描述，缺乏对机理的探索。同时抗生素环境风险评价的模型和方法发展得还不完善。抗生素污染问题的解决需要交叉学科领域的部门共同协作，以便开展更加深入的研究。
除了在实验方面加强实践外，关于抗生素抗性基因方面的法制法规应该加以完善，例如污水排放及处理过程中抗生素抗性基因含量水平应该加以规定。加强监测力度。
在药品的制造过程中，寻找抗生素的替代品，以减轻污染。制药厂和医院的废水、废弃物应该严格处理处置，减少抗生素抗性基因污染的传播。
六 总结与建议
6.1加强政府管理机构的执法力度，从源头上控制抗生素与重金属复合污染
经济利益的驱使和监管的缺失导致动物日粮中普遍超量添加兽用抗生素和重金属微量元素，政府应该从立法角度规范饲料添加剂的使用，加大监管和处罚力度，从污染源头上加以控制。
6.2加深抗生素与重金属复合污染生态环境效应的理论研究
虽然当前抗生素与重金属复合污染已非常普遍，但两者复合污染效应的研究还比较欠缺，多数报道仅从单一污染角度进行探讨，很难代表复合污染情况下抗生素与重金属的行为。抗生素作为有机物的一种，分子中含多种官能团，与重金属离子共污染时可能产生一些交互作用如协同作用、拮抗作用等，使两者的环境行为和污染效应与单一污染相比发生明显改变，因此加深复合污染的研究更具有现实意义。
6.3 积极探索绿色高效的抗生素与重金属复合污染修复治理技术
Gengho研究表明，针对当前养殖废水抗生素与重金属复合污染日益严重的局面，单一修复技术往往难以达到理想修复效果，可以借鉴重金属与其他有机物复合污染修复的经验，筛选合适的微生物和植物品种，构建水生植物-微生物联合原位净化体系;或者将物理吸附、化学氧化与生物修复等多种技术相结合，构建绿色高效的养殖废水处理系统，以实现有效的水资源重复利用和水生态环境的保护。
 
 
 
                                                           
 
 
 
 
 
参考文献
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