一種高效降解畜禽糞便中抗生素的堆肥方法與流程

2023-04-28 13:07:01 1

本發明屬於環境汙染修復技術領域，特別涉及一種高效降解畜禽糞便中抗生素的堆肥方法。

背景技術：

有機肥料農用是養殖固體廢棄物資源化利用較為經濟有效的方式之一。在目前國家倡導化肥減量的形式下，有機肥在農業中的作用將會越來越大。長期、大量的養殖源糞便有機肥的施用也增加了土壤中抗生素的殘留。土壤獸用抗生素汙染已成為一個全球性普遍存在的問題，大多數抗生素具有較高的生物活性, 其必然存在一定的潛在生態環境風險。

由於畜禽糞便有機肥是環境中抗生素汙染的主要貢獻者，以有機肥中殘留抗生素去除為核心的抗生素汙染風險控制技術，是一種源頭控制策略，可以實現畜禽養殖與種植業的安全連結，推動農業可持續發展。但是，當前針對有機肥生產環節來開展抗生素汙染防控技術研究還較少。堆肥處理是有機肥生產中的必備環節，在這個過程中，減少有機肥中抗生素殘留，阻斷或減少汙染向農田土壤的輸入，是最經濟可行的一項策略。

抗生素殘留於生態環境中可以通過吸附、水解、光解、氧化降解和生物降解等途徑減少其對生態環境的危害。用堆肥的方法處理畜禽糞便幫助降解其中的抗生素殘留是目前主要的畜禽糞便抗生素去除手段。但是我們也發現，很多畜禽糞便雖然也經過堆肥處理，但是其仍然殘留有大量的抗生素。可見，提高堆肥抗生素降解能力意義重大。

目前也有一些技術用於提高畜禽糞便中抗生素的去除。「一種高效降解畜禽養殖糞便中四環素類抗生素的堆肥方法」（CN201511004438.8），通過在畜禽糞便與堆肥原料共同堆肥，達到高效降解抗生素的目的，採用的堆肥原料中各組分的重量百分比為：玉米秸稈30-50%、小麥秸稈30-50%、花生殼5-15%、白薯秧5-15%。但是，該專利並沒有比較不添加堆肥原料和添加堆肥原料抗生素的降解率，所以無法了解堆肥原料對畜禽糞便中抗生素降解的促進效果，且該方法僅針對四環素類抗生素。中國專利授權了一項「一種竹炭豬糞堆肥去除抗生素的方法」（CN 103387432B），利用風乾鋸末、腐熟糞便和竹炭合理的復配在一起，經過高溫堆肥發酵，高效去除畜禽糞便中有害抗生素。本發明方法針對不同性質的畜禽糞便堆肥原料，通過新型堆肥用抗生素降解促進劑的使用和特定的堆肥步驟，強化畜禽糞便中四環素類、氟喹諾酮類等各種抗生素的降解，相比常規堆肥，本發明方法明顯了降低畜禽糞便中抗生素的殘留。此外，本發明方法使用的抗生素降解促進劑的必備成分是活性炭和凹凸棒土，也可以配合活性炭固定化菌劑，在活性炭和凹凸棒強化堆肥抗生素降解的同時，利用抗生素降解菌劑的生物降解能力進一步加強堆肥中四環素類抗生素降解。

此外，與以往的畜禽糞便抗生素去除方法不同的是，本發明方法中活性炭、凹凸棒土以及活性生物炭不僅可以明顯提高畜禽糞便堆肥中抗生素降解，還可以減少堆肥中重金屬有效態含量，鈍化重金屬，降低重金屬的生物有效性。在實際生產中，畜禽糞便有機肥往往伴隨抗生素和重金屬的複合汙染。據統計，我國每年使用的微量元素添加劑約為15～18萬噸，大約有10萬噸左右未被動物利用而隨禽畜糞便排出。據調查，當前部分有機廢棄物中的重金屬含量與上個世紀90年代初相比， Zn、Cu、Cr增加了2~4倍。因此，本發明方法是一項畜禽糞便中抗生素和重金屬複合汙染修複方法。

技術實現要素：

針對現有技術存在的不足，本發明提供了一種高效降解畜禽糞便中抗生素的堆肥方法，通過在堆肥原料中加入特定用量的抗生素降解促進劑，使用特定的堆肥方法，顯著促進堆肥中磺胺類、四環素類、大環內酯類、氟喹諾酮類等多類型抗生素降解，同時鈍化重金屬，降低堆肥中重金屬的生物有效性，是一項畜禽糞便中抗生素和重金屬複合汙染修複方法。

本發明提供一種高效降解畜禽糞便中抗生素的堆肥方法，步驟如下：

（1）準備畜禽糞便；

（2）原料判斷，判斷上述畜禽糞便中外源輔料含量和種類；

當所用畜禽糞便為不含有外源輔料或外源輔料含量按質量比小於或等於5%的畜禽糞便，則經步驟（3）和步驟（4）進入步驟（5）；

當所用畜禽糞便中外源輔料含量按質量比大於5%的畜禽糞便，則經過步驟（3）直接進入步驟（5）；

（3）向堆肥原料中加入抗生素降解促進劑，翻堆，混合均勻；

（4）向步驟（3）處理後的物料中添加10%-20%的木屑，翻堆，混合均勻；

（5）採用pH試紙測定混合物料的pH；

當混合物料pH為弱酸性或酸性，則經步驟（7）直接進入步驟（8）；

當混合物料pH為鹼性，則經步驟（6）和步驟（7）進入步驟（8）；

（6）向混合物料中噴灑或添加pH調節劑，將物料pH調節至6.2-7.0；

（7）混合均勻，堆製成條形，調節水分含量為60%-65%；

（8）槽式好氧堆肥發酵，每周翻堆至少1次，堆肥時間為35-48天。

本發明的堆肥方法進一步設置為，上述抗生素降解促進劑包括活性炭和凹凸棒土，活性炭為畜禽糞便乾重的0.8%-2%，凹凸棒土為畜禽糞便乾重的5%-10%。

本發明的堆肥方法進一步設置為，上述抗生素降解促進劑包括活性炭、凹凸棒土和生物活性炭，活性炭為畜禽糞便乾重的0.5%-1.5%，凹凸棒土為畜禽糞便乾重的5%-10%，生物活性炭為畜禽糞便乾重的0.5%-1%。

本發明的堆肥方法進一步設置為，上述生物活性炭，其通過活性炭固定化黃孢原毛平革菌製備而成。

本發明的堆肥方法進一步設置為，上述生物活性炭，製備步驟依次如下：

（A）菌株活化培養，將黃孢原毛平革菌斜面保藏物接種到馬鈴薯葡萄糖固體培養基，置於35℃下培養3-5天，直至形成大量孢子；

（B）孢子懸液的製備，在PDA固體培養基上加入一定量Tween80-NaCl溶液，三角刮刀輕輕刮落孢子，混入水中，吸取含孢子的水溶液，過濾除去菌絲，濾液經血球計數板計數並稀釋至孢子濃度為108/ml，作為種子液；

（C）按照2.5%-5%接種量將種子液接種到KirK培養液中，35℃培養3天後，向液體中加入1.5%-2.5%的活性炭，繼續培養2天；

（D）隨後過濾，收集固體部分；

（E）37℃以下鼓風烘乾後，形成生物活性炭，室溫保存；

本發明的堆肥方法進一步設置為，上述步驟（A）中為KirK培養液，其包括：KH2PO4 2.0g、 MgSO4·7H2O 0.71g、 VB1 0.01g、酒石酸銨 0.2g、葡萄糖10 g、微量元素液100 mL、緩衝溶液850 mL、緩衝溶液為20 mmol/L酒石酸鈉緩衝液：3.0018g酒石酸 / 1000mL ，用3%(m/v)的NaOH 調節pH為4.5，吐溫80（0.1% V/V）； Kirk 培養基的微量元素液（L-1）：NaCl 1.0g、CoCl2·6H2O 0.18g、Na2MoO4·2H2O 0.01g、ZnSO4·7H2O 0.1g、CaCl2 0.1g、CuSO4·5H2O 0.01g、MnSO4·H2O 0.5g, FeSO4·7H2O 0.1g、AlK(SO4)2·12H2O0.01g, MgSO4·7H2O 3.0g、 H3BO3 0.01g,NTA 1.5g 。

本發明的堆肥方法進一步設置為，上述畜禽糞便為豬糞、雞糞中的任意一種或兩種混合物。

本發明的堆肥方法進一步設置為，上述外源輔料包括木屑、菇渣、農糠中一種或多種。

本發明的針對性措施在於以下幾點：

1、本發明方法針對不同性質的畜禽糞便堆肥原料，通過新型堆肥用抗生素降解促進劑的使用和獨特的堆肥方法提高堆肥降解畜禽糞便中抗生素的能力。

2、抗生素降解促進劑的必備成分為活性炭和凹凸棒土，活性炭用量為畜禽糞便乾重的1%，凹凸棒土為畜禽糞便乾重的5%。除了必備成分，在抗生素降解促進劑中添加0.5%生物活性炭，通過能高效降解四環素和吸附鎘Cd的固定化黃孢原毛平革菌的生物作用，可以進一步增強堆肥中四環素類抗生素降解和重金屬Cd的鈍化。

3、根據堆肥原料是否需要添加輔料，選擇在未添加輔料的堆肥原料中添加10%的木屑，可以促進堆體中抗生素降解。其中相比菇渣、農糠，木屑是促進堆肥中抗生素降解最好的促進劑，其對抗生素降解的促進效率在三種輔料中最佳，具有不可替代性。

本發明的優點在於：

1. 本發明方法能顯著促進堆肥中磺胺類、四環素類、大環內酯類、氟喹諾酮類等多類型抗生素降解，對四環素類、氟喹諾酮類抗生素降解的促進作用較強，相比常規堆肥，明顯了降低畜禽糞便中抗生素的殘留，其中四環素類殘留濃度降低20%以上。

2、本發明方法中活性炭、凹凸棒土以及活性生物炭不僅可以明顯提高畜禽糞便堆肥中抗生素降解，還可以減少堆肥中重金屬有效態含量，鈍化重金屬，降低重金屬的生物有效性。因此，本發明方法是一項畜禽糞便中抗生素和重金屬複合汙染修復技術。

3.本方法操作方便，凹凸棒土、活性炭來源廣泛，成本不高，可直接在現有堆肥工藝基礎上應用。本發明的添加劑天然、環境友好、本身無毒，加入堆肥中後無需分離，進入土壤後是良好的土壤改良劑，能提高土壤的保肥效果。

附圖說明

圖1 常規堆肥（CK）和抗生素降解技術處理（T1）中抗生素殘留濃度變化。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。

在不背離本發明精神和實質的情況下，對本發明的方法、步驟或條件所做的修改或替換，均屬於本發明範圍，若未特別指明，實施例中所用的技術手段為本領域技術人員所熟悉的常規手段。

活性炭市售活性炭，顆粒大小在80-120目；凹凸棒土市售，顆粒大小在80-120目。黃孢原毛平革菌：從菌種保藏庫購買。

實施例1

（1）堆肥原料為豬糞-輔料混合物，pH為酸性。

（2）向原料中加入佔原料溼重1%的活性炭和5%的凹凸棒土，翻堆2-3次，混合均勻；

（3）測定堆體pH，發現堆體pH在6-7之間；

（4）混合均勻，堆製成條形，調節水分含量在60%-65%之間，每5-7天翻堆一次，發酵時間為42天。

實施例2

（1）堆肥原料為豬糞，無輔料添加，pH為鹼性。

（2）向原料中加入佔原料溼重1%的活性炭、5%的凹凸棒土和 10%的木屑，翻堆2-3次混合均勻；

（3）測定堆體pH，堆肥pH呈弱鹼性，因此在堆體中噴灑醋酸，將堆體pH調節至6-7之間；

（3）混合均勻，堆製成條形，調節水分含量在60%-65%之間，每5-7天翻堆一次，發酵時間為35-49天。

實施例3

與實施1的區別在於：在步驟（2）中加入佔原料溼重1%的活性炭、5%的凹凸棒土、10%的木屑和0.5%生物活性炭。

實施例4

與實施2的區別在於：在步驟（2）中加入佔原料溼重1%的活性炭、5%的凹凸棒土和0.5%生物活性炭。

實施例5

所述生物活性炭製備方法為：（1）菌株活化培養，將黃孢原毛平革菌斜面保藏物接種到PDA平板，置於35℃下培養3-5天，直至形成大量孢子；（2）孢子懸液的製備，在PDA固體培養基上加入一定量Tween80-NaCl溶液（0.1%吐溫80,0.85% 氯化鈉），三角刮刀輕輕刮落孢子，混入水中，吸取含孢子的水溶液，過濾除去菌絲，濾液經血球計數板計數並稀釋至孢子濃度為108/ml，作為種子液；（3）按照5%接種量將種子液接種到KirK培養液中，35℃培養3天後，向液體中加入2%的活性炭，繼續培養2天；（4）隨後過濾，收集固體部分；（5）室溫烘乾後，形成生物活性炭，室溫保存。KirK培養基配方（1L）： KH2PO4 2.0g, MgSO4·7H2O 0.71g, VB1 0.01g, 酒石酸銨 0.2g, 葡萄糖10 g 。微量元素液100 mL。緩衝溶液850 mL左右。緩衝溶液為 20 mmol/L酒石酸鈉緩衝液：3.0018g酒石酸 / 1000mL ，用 3%(m/v) 的NaOH 調節pH為 4.5，吐溫80（0.1% V/V）。 Kirk 培養基的微量元素液（L-1）：NaCl 1.0g, CoCl2·6H2O 0.18g, Na2MoO4·2H2O 0.01g, ZnSO4·7H2O 0.1g, CaCl2 0.1g, CuSO4·5H2O 0.01g, MnSO4·H2O 0.5g, FeSO4·7H2O 0.1g, AlK(SO4)2·12H2O0.01g, MgSO4·7H2O 3.0g, H3BO3 0.01g, NTA（甘氨酸）1.5g 。

性能測試：

1、黃孢原毛平革菌的抗生素和重金屬鈍化性能

（1）試驗材料

菌種活化：將黃孢原毛平革菌斜面保藏物接種到PDA平板，置於35℃下培養3-5天。

生物活性炭：製備方法同實施例3。

（2）土黴素降解試驗

在5ml KirK培養基加入100mg/kg 土黴素，形成降解培養基。設置兩個處理： T1處理，用接種環從PDA平板中挑取部分菌培養物到降解培養基中，35℃，120rpm，避光培養； T2處理，在降解培養基中按照降解培養基體積的1%加入生物活性炭，35℃，120rpm。設置降解培養基空白對照。培養一定時間後，取培養液過濾，利用高效液相色譜法測定濾液中土黴素殘留濃度。

（3）Cd吸附試驗

在5ml KirK培養基加入10mg/L 鎘離子，形成鎘培養基。設置兩個處理：A處理，用接種環從PDA平板中挑取部分菌培養物到鎘培養基，35℃，120rpm，避光培養； B處理，在鎘培養基中按照鎘培養基體積的1%加入生物活性炭，35℃，120rpm。培養一定時間後，取培養液過濾，用原子分光光度計測定濾液中剩餘的鎘離子濃度。

（4）結果

在土黴素初始濃度為100mg/L時，培養5天後，T1和T2濾液中土黴素殘留濃度比對照組分別降低41%和60%；在鎘的初始濃度分別為 10mg/L時，培養3天後，A處理濾液中鎘離子濃度降低48%和52%。因此，黃孢原毛平革菌及利用其製備的生物活性炭均具有土黴素降解和鎘吸附能力。

2、抗生素降解和重金屬鈍化堆肥試驗

（1）試驗材料

堆肥原料為豬糞與菇渣的1:1混合物，由當地有機肥料廠提供，基本理化指標如下：含水率68.5%；pH（1:10） 6.5；EC（1:10）電導率 4403μs/cm；碳氮比15.4；有機質（風乾基）70.1%；總氮（風乾基）2.6%；總磷 1.75%；總鉀 1.82%。豬糞中檢出5種磺胺類、5種喹諾酮類、4種四環素類和1種大環內酯類抗生素，其中每千克幹豬糞中四環素類總殘留濃度為2178μg，喹諾酮類總殘留濃度222μg(μg微克)，磺胺類總殘留濃度874μg以及大環內酯類總殘留濃度1.1μg，共3275μg抗生素。

抗生素降解促進劑：活性炭、凹凸棒土。

（2）試驗方法

好氧堆肥試驗於2016年夏季在浙江省衢州市某有機肥料廠開展。設置2個試驗處理：CK：對照處理，取4噸堆肥原料，堆製成條形，按該有機肥料廠習慣進行翻堆，堆肥時間為42天；T1：取4噸堆肥原料，向原料中加入佔原料溼重1%的活性炭和5%的凹凸棒土，翻堆2-3次，混合均勻，堆製成條形；用pH試紙測定堆肥pH，堆體pH為6.8，水分含量60%，因此不需要調節pH和水分；每5-7天翻堆一次，堆肥時間為42天。堆肥期間當地平均最高氣溫32℃，平均最低氣溫23℃。

採樣：每隔一周採樣1次直到堆肥結束，採集堆體不同部位樣品進行混合，保證採樣代表性。

有機肥料中抗生素濃度測定：採用固相萃取提取抗生素，高效液相色譜與串聯質譜聯用技術（HPLC/MS/MS）進行分析。

有效態重金屬測定：重金屬測定參照GB/T 23349-2009的規定執行，有效態含量採用0.05mol/L DTPA提取法後測定重金屬。根據測定結果，按以下公式計算有效態重金屬的分配率和鈍化率：分配率=（有效態重金屬含量/重金屬全量)×100%；抗生素降解促進技術對重金屬生物有效性的降低效果計算方法：鈍化效果(%)=（對照組有效態重金屬含量―處理組有效態重金屬含量）/對照組有效態重金屬含量×100%。

（3）結果

從圖1可知，抗生素降解促進技術在有機肥生產中的應用可以顯著促進堆肥過程中抗生素降解，降低有機肥產品中抗生素殘留濃度。42天堆肥後，抗生素降解促進技術處理有機肥中總抗生素殘留濃度比常規堆肥處理降低30%，其中氟喹諾酮類抗生素殘留濃度比常規堆肥處理有機肥低17%，抗生素降解促進技術處理有機肥中四環素類抗生素殘留濃度比常規堆肥處理有機肥低43%。

從表1可知，抗生素降解技術T1處理可以降低豬糞有機肥中有效態Cμ、Zn、As和Cd含量，降低有機肥中有效態重金屬分配率。堆肥42天，抗生素降解技術對有機肥中銅Cμ、鋅Zn、砷As和鎘Cd的鈍化效率分別為6.9%、10.1%、23.5%和19.1%。

表1 常規堆肥（CK）和抗生素降解技術處理（T1）中有效態重金屬含量及分配率

綜上，採用本發明方法，利用抗生素降解促進劑的添加，不僅可以加速堆肥中抗生素降解，降低堆肥產物中抗生素殘留，還可以降低堆體中有效態重金屬含量，鈍化重金屬，實現抗生素-重金屬汙染的同步治理控制，減少伴隨有機肥施用帶來的土壤環境汙染和農產品質量安全問題。

以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。