综述：利用生物炭减轻动物粪便堆肥中的抗生素及抗生素抗性基因污染：综述

《Waste Management》：Mitigating antibiotic and antibiotic resistance gene contamination in animal manure compost by biochar: A review

抗生素残留和耐药基因（ARGs）在畜禽粪便中的环境风险及生物炭调控机制研究。生物炭通过物理吸附、化学结合和微生物群落调控间接抑制ARGs，植物源生物炭（PDB）优于动物源，改性及复合策略可提升效率，但面临成本高、规模化应用难等问题，需开发低成本改性技术及微生物协同机制优化方案。

　　抗生素在动物饲养中的过度使用导致了粪便中抗生素残留和抗生素耐药基因（ARGs）的积累，从而对环境和公共健康构成潜在威胁。尽管堆肥是一种广泛应用的粪便处理方法，但其在减少抗生素和ARGs方面的效果仍存在局限。近年来，生物炭作为一种具有独特物理化学性质的多孔材料，展现出在提升堆肥性能方面的巨大潜力。本文综述了不同类型的生物炭在堆肥过程中对抗生素和ARGs的去除研究，探讨了关键影响因素、去除效率以及可能的作用机制。

生物炭能够直接吸附抗生素和ARGs，同时通过调节微生物群落、改变堆肥的理化条件以及降低环境选择压力，间接抑制其持续存在。在各种来源中，植物来源的生物炭（PDB）在许多情况下表现优于动物来源的生物炭。此外，生物炭的改性与复合策略可以进一步提升其性能。然而，生物炭的实际应用仍面临一些挑战，包括改性技术的限制、较高的生产成本以及有限的规模化生产能力。未来的研究应聚焦于低成本且高效的改性策略，并探索生物炭与微生物过程之间的协同效应。这些努力将有助于开发可持续且有效的基于生物炭的抗微生物风险控制技术，以实现有机废弃物管理的优化。

全球范围内，抗生素被广泛用于农业生产的动物健康管理（Martinez, 2009; Wu et al., 2022）。最近的研究表明，兽用抗菌药物在2020年占全球农业抗生素使用的99,000吨以上，其中亚洲贡献超过67%，预计到2030年使用量将增长8%（Mulchandani et al., 2023）。牲畜中抗生素的滥用引发了全球范围内的政策应对，旨在减少抗微生物耐药性。例如，挪威通过严格的法规和改善的养殖方式显著减少了抗生素的使用，而发展中国家如中国也已开始实施监管措施，包括2019年农业和农村事务部对八种抗菌促生长剂的生产、进口和使用实施禁令（Hobaek and Lie, 2019; Shao et al., 2021）。抗生素是由微生物或化学合成产生的化合物，能够抑制其他微生物的生长（Gunathilaka et al., 2023）。它们的抗微生物特性使其成为治疗人类和动物感染的有效药物（Pepper et al., 2018）。然而，抗生素的过度使用可能会破坏动物肠道的微生物平衡，并选择性地促进耐药菌的生存。抗生素对微生物群落施加选择压力，使得耐药菌能够通过突变、转化、转导和接合等方式存活并积累ARGs。此外，抗生素暴露还可能引发微生物的应激反应，导致抗菌肽的产生或外排泵的激活（Lian et al., 2020; Liu et al., 2021）。由于动物消化系统无法完全代谢抗生素，超过70%的抗生素仍保留在粪便中（Lan et al., 2024）。研究表明，残留的抗生素主要为四环素类、磺胺类和氟喹诺酮类，其浓度分别高达32,5000、30,000和10,895微克/千克（Auger et al., 2025; Huygens et al., 2021; Zhang et al., 2022d）。大量抗生素和ARGs通过动物粪便排放到环境中，威胁着动物和人类的健康（Li et al., 2017）。

在中国，畜牧业和家禽业的粪便产量已超过200亿吨（Tong et al., 2022）。传统的处理方式如填埋和焚烧会导致环境污染和资源枯竭，而堆肥则提供了一种成本效益高且可持续的方法，将废弃物转化为有机肥料（Chen et al., 2023; Muscolo et al., 2018; Varma and Kalamdhad, 2014）。此外，堆肥还能有效去除农业废弃物中的抗生素残留和ARGs（Liu et al., 2021）。例如，Chen等人（2021）观察到，在对羊粪进行好氧堆肥后，四环素类、β-内酰胺类、磺胺类和大环内酯类抗生素的降解率达到了25%至98%。Lan等人（2024）发现，在40℃和50℃条件下进行堆肥，30天后病原体被灭活91%和86%，ARGs的去除率在35%至58%之间，而较低温度下的效果则较差。然而，堆肥过程也可能成为ARGs传播的途径，因为堆肥中的病原体可能携带ARGs，并通过移动遗传元件（MGEs）在人类、动物和微生物群落之间传播（Jiao et al., 2024）。此外，不同的堆肥条件和阶段可能导致ARGs的积累。例如，Zhang等人（2016）发现，堆肥后sul1和sul2基因的相对丰度增加了1个数量级。而且，在堆肥的成熟或冷却阶段，ARGs的丰度通常会出现反弹（Liu et al., 2021）。因此，使用堆肥去除ARGs的方法仍需进一步优化。最近的研究越来越多地关注使用外源添加剂来提高去除效率。

外源添加剂在堆肥过程中被广泛用于促进成熟、保留氮素和减少温室气体排放（Liu et al., 2024; Tong et al., 2022）。近年来，研究重点逐渐转向其在调节堆肥和去除污染物（包括ARGs）中的作用（Zhou et al., 2023）。相比其他外源添加剂，由各种有机废弃物制备的生物炭具有成本低、环保等优势，因此成为当前堆肥研究中的重要方向（Tong et al., 2023）。目前基于生物炭的材料包括原始生物炭、改性生物炭和生物炭复合材料（Lan et al., 2024）。生物炭具有独特的特性，如复杂的多孔结构和优异的比表面积（SSA）（Zhou et al., 2024）。其多孔结构和高比表面积为微生物提供了附着位点，并延长了堆肥的高温阶段，从而加速有机质的分解和堆肥的成熟（Tong et al., 2023; Wang et al., 2023; Yuan and Tan, 2021）。此外，生物炭还具有强大的吸附能力以及丰富的表面官能团，使得其能够通过离子交换、共沉淀、螯合和与抗生素的相互作用等过程有效去除抗生素和重金属（Patel et al., 2022; Yin et al., 2022）。这些污染物的去除降低了ARGs在环境中的选择压力，从而限制了ARGs的扩散和积累（Ezugworie et al., 2021; Liu et al., 2021）。生物炭还能通过吸附遗传物质、调节堆肥性质以及改变微生物群落，抑制水平基因转移（HGT），从而进一步降低ARGs的风险（Tong et al., 2023）。

尽管已有研究探讨了生物炭在堆肥过程中对抗生素和ARGs的去除作用，但大多数研究仅限于单一类型的生物炭或特定污染物，缺乏全面的比较分析。此外，较少有研究评估了生物炭介导ARGs抑制的长期稳定性或其在大规模堆肥场景下的可行性。本文综合了过去十年中关于动物粪便堆肥中生物炭应用的多样化研究，评估了其去除抗生素和ARGs的效率、作用机制以及在复杂堆肥环境中的潜力，并提供了开发更高效、更具成本效益的缓解方案的战略见解。

动物粪便中常见的抗生素残留包括四环素类、磺胺类、氟喹诺酮类和β-内酰胺类抗生素。这些抗生素在农业和动物饲养中的使用量逐年增加，中国的年消耗量估计在150,000至200,000吨之间，远超英国等国家，并预计到2030年将占全球使用量的30%（Li et al., 2022）。抗生素在治疗动物疾病和促进生长方面具有显著效果（Zhang et al., 2019）。然而，约30%至90%的抗生素残留以原始形式或代谢产物的形式通过粪便释放（Zhang et al., 2019）。这些残留不仅对土壤生态系统造成影响，还可能对微生物群落施加选择压力，进而加快细菌耐药性的产生（Ngigi et al., 2019）。因此，有效抑制堆肥中的ARGs，很大程度上依赖于最大程度地去除粪便中的抗生素。然而，堆肥在去除抗生素方面的效果有限（Tong et al., 2023）。例如，在猪粪堆肥21天后，仍有17%至31%的环丙沙星（CIP）残留（Selvam et al.）。

生物炭在堆肥过程中的应用不仅能够通过去除抗生素来减少环境中的选择压力，还能直接影响ARGs的丰度。例如，使用玉米秸秆与羊粪进行堆肥后，tetA基因的相对丰度降低了35.51%（Qin et al., 2024）。Zhou等人（2023）发现，鸡粪、羊粪和混合粪便的堆肥分别实现了ARGs去除率为55.2%、42.9%和54.7%（绝对丰度）。然而，堆肥对ARGs的抑制效果受到一定限制，尤其是在不同堆肥条件和阶段下，ARGs的丰度可能会出现波动。因此，需要进一步研究如何优化生物炭在堆肥中的应用，以提高其对ARGs的去除效率。

未来，生物炭在动物粪便堆肥中的应用前景广阔。然而，与植物来源的生物炭（PDB）和改性生物炭相比，其他类型的生物炭在去除效率方面仍有不足。改性与复合生物炭可以在一定程度上提升生物炭的性能，但其制备过程需要严格的工艺条件。鉴于动物粪便、尸体和污泥的大量存在，进一步的研究是必要的。未来的研究应优先考虑以下几个方面：首先，提高生物炭去除抗生素和ARGs的效率，尤其是在大规模应用和长期稳定性方面。其次，开发低成本且高效的改性策略，以满足实际应用的需求。第三，探索生物炭与微生物过程之间的协同效应，以实现更高效的抗微生物风险控制。这些研究将有助于推动基于生物炭的可持续和有效的抗微生物风险控制技术的发展，为有机废弃物管理提供新的解决方案。

综上所述，本文系统梳理了生物炭在动物粪便堆肥中去除抗生素和ARGs的关键进展。主要结论如下：第一，植物来源的生物炭（如竹子、玉米秸秆）通常优于动物来源的生物炭，这主要归因于其更大的比表面积、更高的微孔率以及较低的氮含量，从而提高了抗生素的吸附能力和ARGs的去除效果。第二，适当的改性和复合材料（如H3PO4处理、nZVI纳米复合材料等）可以增强生物炭的性能，但其制备过程需要严格的技术条件。第三，生物炭在堆肥过程中的应用可以有效抑制ARGs的传播，这主要得益于其对微生物群落的调节作用以及对水平基因转移的抑制。第四，未来的研究应重点关注如何优化生物炭的使用，提高其在实际环境中的适用性和效率，同时探索其与微生物过程的协同作用，以实现更全面的抗微生物风险控制。这些研究不仅有助于解决抗生素残留和ARGs污染问题，还能为可持续的有机废弃物管理提供新的思路和技术支持。