1 引言(Introduction)

近年来, 随着畜禽养殖业的快速发展, 抗生素被广泛应用于畜禽养殖业预防动物疾病以及作为饲料添加剂促进动物生长.2013年, 我国抗生素消费总量达16.2×10⁴ t, 其中兽用抗生素的使用量占使用总量的50%以上(Zhang et al., 2015).抗生素使用后只有部分被生物体吸收, 其余随着代谢产物排出体外, 造成水环境和土壤环境中抗生素的残留(Tasho et al., 2016；李辉等, 2020).环境中的抗生素会诱导抗性基因的产生, 对人类健康以及生态环境形成巨大威胁(Ashbolt et al., 2013).随着分析检测技术的提高和人们环境保护意识的增强, 抗生素作为新兴环境污染物, 已成为国内外研究的热点问题.

辽宁省是畜禽养殖大省, 多年来, 辽宁省的畜禽养殖业一直处于稳步发展状态.但在畜禽养殖业不断发展的同时, 也面临着由此带来的抗生素污染的风险.目前, 关于抗生素污染的研究一方面集中于环境介质中抗生素污染特征的研究(Chen et al., 2018；谢全模等, 2020), 另一方面集中于各类废水和养殖粪便中抗生素去除方法的研究(Feng et al., 2017；魏健等, 2020；张欢欢等, 2020).关于抗生素来源及排放量的定量研究则非常有限.Zhang等对我国36种抗生素(包括人用和兽用)的使用量进行了调查, 估算了我国抗生素的排放量, 并预测了我国58个流域环境介质中抗生素的浓度(Zhang et al., 2015)；Zhang等对我国东江流域的36种抗生素的使用量和动态归宿进行了调查分析(Zhang et al., 2020)；Chen等根据小尺度流域特征, 对梅江流域四环素类抗生素向不同环境介质中的排放量进行了估算(Chen et al., 2019).上述关于流域尺度的研究均根据调研的抗生素使用量以及各种生物体的排泄系数对抗生素的排放量进行估算.郭冬生等根据畜禽养殖数量、粪便排放系数和粪便中抗生素残留系数对2011年湖南省畜禽粪便中三类抗生素的排放量进行了估算(郭冬生等, 2014).由于多年来我国畜禽养殖业一直缺乏有效的废物处理设施, 上述关于抗生素排放量的研究均没有考虑养殖废物处置过程对抗生素的去除作用, 而且, 关于抗生素减排措施的系统分析也未见报道.

随着畜禽养殖业环保要求的提高, 养殖业的废物处置设施逐渐改善.因此, 畜禽养殖业抗生素的排放量不仅取决于养殖过程抗生素的使用量, 废物处置过程对抗生素的去除以及排放去向具有越来越重要的影响.同时, 抗生素的使用量和排放量也与政策导向以及行业发展水平有关.因此, 系统识别抗生素在畜禽养殖系统内的迁移转化特征以及影响因素对制定抗生素减排策略具有重要意义.然而相关研究却未见报道.磺胺类和四环素类是动物粪污中常见的抗生素(刘锋等, 2010；勾长龙等, 2017), 本研究以磺胺类和四环素类抗生素为研究对象, 采用物质流分析方法对辽宁省畜禽养殖系统抗生素的流动与排放特征进行了系统分析, 识别影响抗生素排放的关键环节及主要因素, 并通过情景分析法对抗生素减排路径进行比较分析, 从而为辽宁省养殖业抗生素污染的控制与管理提供理论依据.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 物质流分析框架

本研究基于物质流分析理论构建了畜禽养殖业抗生素物质流分析框架, 如图 1所示.分析框架包括抗生素使用阶段和养殖污染物处理阶段.在使用阶段, 抗生素进入养殖系统的途径是作为饲料添加剂促进动物生长和作为药物预防和治疗动物疾病.抗生素进入生物体后少部分被生物体吸收, 大部分随粪便和尿液排出体外, 进入养殖废水和粪便.由于家禽类动物无单独的尿道, 无尿液排泄, 其排泄物以粪便为主.对养殖废水和粪便采取的处理方式不同, 最终的去向也不同.如厌氧-好氧组合工艺对废水的处理效果较好, 可以实现达标排放, 而简单储存或多级沉淀处理之后的废水不能达标, 一般就地储存或还田利用.对粪便的处理除少部分生产有机肥外售外, 基本采取自然堆积的方式, 然后还田利用.养殖废水和粪便中携带的抗生素通过废水处理和粪便处理可以得到一定程度的去除, 但不同的处理工艺对抗生素的去除效率不同.未被去除的残留抗生素随废水和粪便的处置进入水环境或土壤环境.

2.2 抗生素流量的相关参数及计算方法

本研究基于质量守恒定律并结合辽宁省养殖行业的具体情况, 根据生猪和家禽的出栏数量、抗生素消耗系数、排泄系数以及各种污染处理技术对抗生素的去除率计算抗生素从使用到排放各个过程的流量以及去除量.

抗生素消耗量的计算见式(1).

(1)

式中, M为抗生素消耗总量(t·a^-1)；M₁和M₂分别为生猪和家禽的抗生素消耗量(t·a^-1)；P₁为生猪出栏数(万头·a^-1)；P₂为家禽出栏数(万只·a^-1)；C_{i, 1}为生猪第i种抗生素消耗系数(mg·头^-1)；C_{i, 2}为家禽第i种抗生素消耗系数(mg·只^-1)；i 为抗生素种类, n=10；10^-5为单位转换系数.

在污染治理阶段, 仅设定规模化养殖场具有废水的处理能力.根据辽宁省养殖业对废水和粪便处理工艺的实际情况, 本研究主要考虑废水厌氧、厌氧-好氧组合处理工艺以及粪便有机堆肥对抗生素的去除作用.由于废水沉淀处理和粪便自然堆积对抗生素的去除作用非常有限(Zhou et al., 2013), 本研究没有考虑.废水和粪便处理对抗生素的去除量分别见式(2)和式(3).

(2)

(3)

式中, Q_w、Q_f分别为废水处理和粪便处理对抗生素的去除量(t·)；Ru_i、Rf_i和Rd_i分别为猪尿、猪粪和禽粪中各种抗生素的排泄系数；G为规模化养殖比例；X、Y分别为废水厌氧、厌氧-好氧组合处理工艺所占的比例；Z为粪便有机堆肥比例；Wx_i和Wy_i分别为厌氧处理、厌氧-好氧组合处理对各种抗生素的去除率；Wp_i和Wc_i分别为猪粪和鸡粪有机堆肥对各种抗生素的去除率.

废水和粪便中抗生素的排放量分别见式(4)和式(5).

(4)

(5)

式中, E_w和E_s分别为废水和粪便中抗生素的排放量(t).

抗生素的总排放量(E)见式(6).

(6)

2.3 数据来源

辽宁省的禽类养殖以鸡为主, 因此家禽计算过程均采用鸡的消耗系数、排泄系数等相关指标进行计算.生猪和家禽出栏数量来自于《中国畜牧兽医年鉴》.抗生素消耗系数根据Zhang等对我国生猪和鸡抗生素消耗量的调查数据以及生猪和鸡的养殖数量计算而来(Zhang et al., 2015).本研究包括的抗生素种类及消耗系数详见表 1.各种抗生素的排泄系数以及粪污的各种处理工艺对抗生素的去除率均取自参考文献, 详见表 2和表 3.为了保证取值的可靠性, 尽可能选取文献的平均值作为该种抗生素的去除效率, 未能找到数值的抗生素取同一类别其他抗生素的平均值.

调研结果显示, 目前辽宁省畜禽标准化规模养殖比例达到65% 以上, 规模化养殖场在废水处理上主要有多级沉淀、厌氧处理和厌氧-好氧组合处理3种模式, 3种模式所占的比例分别为81%、10%和9%.前两种模式处理后的废水一般达不到《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596- 2001)的要求, 可还田利用.厌氧-好氧组合模式处理后的废水水质较好, 可实现达标排放.养殖粪便的处理主要有自然堆积模式和有机堆肥模式, 其中有机堆肥比例约为10%, 其余为自然堆积后还田利用或堆存.

2.4 减排情景设置

抗生素使用量、养殖废水和粪便处理工艺是影响抗生素排放量以及排放去向的重要参数.综合考虑以上参数随政策导向以及行业发展趋势的变化, 以2017年为基准情景(情景A), 设置了4个减排情景.

根据农业农村部194号公告, 自2020年1月1日起, 退出除中药外的所有促生长类药物饲料添加剂, 因此本研究设置了禁止饲料添加抗生素作为促生长剂情景(情景B).本研究对象中可以作为饲料添加剂的抗生素有土霉素和金霉素, 两种抗生素的添加量根据饲料药物添加剂使用规范(农业部第168号公告)推荐的剂量进行计算.计算所得的添加剂量均大于目前的消耗量.因此, 在情景B中, 设定猪和鸡对土霉素和金霉素的消耗系数均为0.

随着养殖场粪污处理设施装备配套率以及养殖行业环保要求的不断提高, 养殖废水和粪便进行有效处理的比例将逐渐提高.考虑到废水以及粪便不同处理工艺对抗生素的去除效果以及处理后的排放去向, 本研究设置了改善废物资源化利用情景(情景C)和加强废物末端治理情景(情景D).另外, 随着各种“限抗”措施的陆续开展, 养殖业各种抗生素的消耗系数会逐渐降低.随着行业的不断发展, 标准化规模养殖也将不断壮大.综合考虑以上因素, 设置了全过程优化情景(情景E).

为了保证各情景参数值的合理性, 对我国部分地区进行了调研.结果显示, 甘肃省酒泉市的生猪养殖废水厌氧处理后还田利用率达到59.56%, 有机堆肥比例达到36.40%(李鹏, 2020).另外, 我国卫生医疗系统已经率先开展了一系列遏制细菌耐药的行动, 居民医用抗生素的使用量明显下降.2017年, 全国抗菌药物临床应用监测网中心成员单位(综合医院)的住院患者抗菌药物使用强度比2011年下降了42.14%(国家卫生健康委员会, 2018).本研究综合考虑畜禽养殖业的情况, 设定在采取一系列遏制动物源细菌耐药行动计划后抗生素消耗系数降低20%.本研究设置的减排情景及参数值见表 4.

3 结果与分析(Results) 3.1 抗生素物质流分析

以2017年为基准年份, 绘制了辽宁省畜禽养殖业抗生素的物质流图, 见图 2.图 2详细展示了抗生素在畜禽养殖系统内各阶段流动的方向和数量.在使用阶段, 辽宁省畜禽养殖业磺胺类和四环素类抗生素的消耗总量为712 t, 生猪养殖行业和家禽养殖行业分别消耗310 t和402 t.就目前的养殖结构来看, 生猪养殖行业抗生素消耗量略低于家禽养殖行业, 其抗生素消耗量之比为1∶1.3.另外, 畜禽有机体在使用阶段对抗生素的平均吸收率约为57.16%, 其余随排泄物排出体外.其中有39.34%进入养殖废水, 60.66%进入养殖粪便.由此可见, 养殖粪便的有效处理对降低抗生素的排放量至关重要.

在养殖废物处理阶段, 目前对抗生素的去除率非常低.废水中携带的抗生素去除率为7.50%, 粪便中的抗生素去除率为8.15%, 大部分抗生素随废物的处置进入环境.就废水和粪便处理工艺来看, 厌氧处理工艺对10种抗生素的平均去除率为50%, 厌氧-好氧组合工艺对抗生素的平均去除率为71.43%, 有机堆肥对生猪粪便中抗生素的平均去除率为75%, 对家禽粪便中抗生素的平均去除率为85.71%, 去除效果均较明显.因此, 在末端治理阶段对抗生素的去除具有较大提升空间.

从抗生素的排放去向来看, 2017年辽宁省畜禽养殖业磺胺类和四环素类两类抗生素的排放总量为280 t, 其中绝大部分随废水或粪便的资源化利用或储存进入土壤环境.因此, 土壤环境抗生素的负荷量明显高于水环境.

3.2 抗生素排放时间序列分析

由于2000年以来, 畜禽养殖方式以及抗生素使用情况没有明显的变化, 因此, 根据历年养殖数量以及抗生素消耗系数, 采用抗生素排放量计算公式对2000—2017年辽宁省畜禽养殖业的抗生素排放量进行了核算.2000—2017年, 辽宁省生猪和家禽出栏量见图 3a, 抗生素排放量的核算结果见图 3b.

由图 3b可知, 2000—2014年, 辽宁省畜禽养殖业抗生素排放总量基本呈逐年增加趋势, 从2000年的155.15 t增加至2014年的327.91 t, 增加了一倍以上.2015年开始, 抗生素排放总量略有下降, 2017年出现明显下降.造成该趋势的原因主要是养殖数量的变化.生猪出栏数量在2012—2014年连续处于高位后, 2015年有所下降, 并连续3年保持平稳.受禽流感的影响, 2017年禽类出栏数量明显下降.另一方面, 2014年辽宁省针对规模化养殖场开展了一批污染物治理项目, 部分规模化养殖场废水采取了厌氧或厌氧-好氧组合处理模式, 部分养殖粪便用来生产有机肥.以上处理工艺对抗生素具有较好的去除作用, 但采取以上处理工艺所占的比例较小, 因此对抗生素的去除作用有限, 去除率仅为7.9%.由此可见, 2017年以前, 由于缺乏有效处理设施, 抗生素排放量主要受养殖数量的影响, 而且, 随着养殖数量的增加, 抗生素排放量不断增加.因此, 亟需采取有效措施降低抗生素的排放量, 以减小抗生素的环境负荷.

3.3 情景预测及分析

辽宁省畜禽养殖业抗生素排放情景预测结果见图 4.由图 4可以看出, 与基础情景相比, 情景B抗生素的排放量可削减18.02%.由此可见, 饲料中禁止添加促生长类抗生素对抗生素的减排具有较为明显的效果.但是同时也必须加强对其他种类抗生素的监管, 避免由于饲料“禁抗”而带来的抗生素滥用现象的出现.

情景C抗生素的排放量可削减13.05%, 情景D抗生素排放量可削减25.29%, 情景D具有明显的减排效果.因此, 为了减少抗生素排放带来的生态风险, 养殖场在进行污染治理设施改造和升级过程中应优先采用废水厌氧-好氧组合处理工艺以及粪便的有机堆肥工艺.情景C虽然有助于养殖废物的资源化利用, 可以减缓养殖废物中有机物对水环境的污染, 但其抗生素的减排潜力较小, 对土壤环境的抗生素残留具有较大压力.

发展畜禽标准化规模养殖是建设现代畜牧业的重要内容, 也是行业发展的必然.随着标准化规模养殖比例的逐步提高, 养殖场对污染物治理的能力也逐渐提升.在本研究设置的全过程优化情景(情景E)下, 对畜禽养殖业实行从使用到废物治理的全过程控制与管理, 抗生素的排放量将明显减少, 较基础情景减少46.99%.

4 讨论(Discussion)

为了遏制细菌的耐药性, 我国卫生医疗系统已经率先开展了行动, 居民医用抗生素的使用量明显下降.2017年, 全国抗菌药物临床应用监测网中心成员单位(综合医院)的住院患者抗菌药物使用强度比2011年下降42.14%(国家卫生健康委员会, 2018).为应对动物源细菌耐药挑战, 提高兽用抗菌药物科学管理水平, 我国农业农村部已经印发了《全国遏制动物源细菌耐药行动计划(2017—2020年)》, 除了推动促生长用抗菌药物逐步退出外, 该计划还提出了强化兽用抗菌药物监督管理、健全动物源细菌耐药性监测体系、强化兽用抗菌药物残留监控、开展兽用抗菌药物使用减量化示范创建以及加强从业人员培训和公众宣传教育五个重点任务.由此可见, 在使用环节控制抗生素的消耗量具有较大的潜力.

随着环保要求的提高以及对抗生素污染的逐渐重视, 养殖废物治理的力度会逐渐加大.厌氧或厌氧-好氧组合工艺是目前典型猪场废水的处理工艺, 但随着其它技术的不断完善与革新, 也会逐渐引入新的治理工艺以提高污染物的去除效率.目前已有应用或比较成熟的技术有人工湿地技术和膜生物反应器(Membrane bioreactor, MBR)技术, 该两种技术对部分种类抗生素的去除效率均优于厌氧-好氧组合工艺(Huang et al., 2015; Song et al., 2017).MBR技术具有占地面积小, 易于从传统工艺进行改造的特点, 因此具有较好的推广应用前景.人工湿地技术投入少但占地面积大, 可以在有土地利用空间的养殖区域适当应用.

由于各地养殖数量以及养殖结构存在较大差异, 难以对本研究核算的抗生素排放量进行比较分析.因此, 本研究将核算的抗生素排放量根据畜禽粪便排泄系数及饲养周期折算成粪便中抗生素的浓度, 与文献中的实测浓度进行了比较分析.生猪粪便排泄系数取2 kg·头^-1·d^-1, 鸡粪便排泄系数取0.125 kg·只^-1·d^-1(张敏等, 2011), 生猪饲养周期取165 d, 鸡饲养周期取55 d.本研究的核算浓度见表 5.根据Yan等对我国东三省畜禽粪便中抗生素浓度的检测结果, 猪粪中磺胺类和四环素类抗生素的浓度分别为0.10~4.84、0.32~56.81 mg·kg^-1, 鸡粪中分别为0.09~7.11、0.54~13.39 mg·kg^-1(Yan et al., 2013).比较后发现, 猪粪和鸡粪中四环素类抗生素的核算浓度与文献的实测浓度基本一致, 鸡粪中磺胺类的核算浓度也介于实测浓度之间.然而, 猪粪中磺胺类的核算浓度比实测浓度约低了一个数量级.文献中猪粪的磺胺类实测浓度虽比较高, 但检出率却很低, 介于11.1%~27.8%之间(Yan et al., 2013).抗生素的实际使用量与动物的生长周期、季节等因素有关, 而本研究结果为核算的平均值, 因而导致以上差异.

抗生素种类众多, 由于数据可得性等原因, 本研究只涵盖了磺胺类和四环素类两大类抗生素.2001年, 我国农业部批准的具有预防动物疾病、促进动物生长作用的抗生素等药物添加剂有33种(农业部第168号公告), 但只有土霉素和金霉素属于本研究对象的范畴, 本研究在情景分析中也只考虑了禁止添加以上两种抗生素对抗生素减排的效果.因此, 本研究在数据的覆盖面上存在一定的局限.此外, 本研究采用的各种系数以及抗生素的去除率等参数均取自参考文献, 也会导致研究结果存在一定的不确定性.

5 结论(Conclusions)

1) 2017年辽宁省畜禽养殖业磺胺类和四环素类抗生素的消耗总量为712 t, 排放总量为280 t.畜禽有机体在使用阶段对抗生素的平均吸收率为57.16%, 排泄物中的抗生素有39.34%进入养殖废水, 60.66%进入养殖粪便.废水中抗生素的去除率为7.50%, 粪便中抗生素的去除率为8.15%, 具有较大提升空间.从排放去向来看, 土壤环境抗生素的负荷量明显高于水环境.

2) 2000—2014年, 辽宁省畜禽养殖业抗生素排放总量呈逐年增加趋势, 从2000年的155.15 t增加至2014年的327.91 t.2015年开始, 抗生素排放总量略有下降, 2017年出现明显下降.由于缺乏有效处理设施, 抗生素排放量主要受养殖数量的影响.

3) 饲料中禁止添加促生长类抗生素情景可使抗生素排放量削减18.02%, 改善废物资源化利用情景抗生素排放量可削减13.05%, 加强废物末端治理情景抗生素排放量可削减25.29%.为了减少抗生素排放带来的生态风险, 养殖场应优先采用废水厌氧-好氧组合处理工艺以及粪便的有机堆肥工艺.全过程优化情景下抗生素的排放量将明显减少, 较基础情景减少46.99%.