CN111635262A - 一种畜禽粪便抗生素的降解方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种畜禽粪便抗生素的降解方法，具体的，涉及一种畜禽粪便常温消毒灭菌同时有效去除抗生素生产安全有机肥料的方法，所述方法为在畜禽粪便中混合碱金属碳酸盐‑双氧水混合试剂，或者先混入双氧水后混入碱金属碳酸盐溶液，放置或混合搅拌1小时以上，可得到抗生素含量低于10ppb有机肥料。本发明巧妙地利用更绿色安全的过氧化碳酸盐破坏畜禽粪便中的抗生素结构，降低了抗生素的活性和毒性，同时杀菌灭活粪便中的病菌。本简单工艺不会对环境造成二次污染，经过处理后畜禽粪便抗生素含量可以从4300ppb降低到10ppb左右，远低于750ppb的抗生素含量要求，降解率为99.77％；细菌含量可以从9.2亿个/克，降低到3万个/克以下，灭菌率可达99.997％。使用更安全。使用碳酸钾/双氧水复合物更适合作为肥料。

Description

一种畜禽粪便抗生素的降解方法

技术领域

本发明属于有机肥料生产领域，具体涉及畜禽粪便及生物质中有效降解抗生 素及同时常温消毒灭菌生产安全有机肥料的方法，特别是涉及一种畜禽粪便抗生 素的降解方法。

背景技术

随着集约化养殖的发展，兽用抗生素使用越来越普遍。然而，抗生素并不能 被动物完全吸收和降解，大部分仍以原形或代谢产物的形式由粪便和尿液排出体 外，造成畜禽粪便中抗生素超标。另一方面，抗生素生产企业的发酵废渣中也残 留大量需要有效处理的抗生素。目前，在畜禽养殖过程中广泛使用的抗生素包括 喹诺酮类、多肽类、四环素类、大环内酯类、磺胺类、氨基糖苷类六大类。由于 此类抗生素结构复杂、生物降解困难，这些抗生素进入环境中会很容易在环境中 积累，对微生物及植物种群产生严重影响，对人类的健康来说是严重的污染物。 微生物降解抗生素虽具有效果好及环保无害的优点，但存在处理效果受到的影响 因素多，处理结果波动性大，存在处理不完全及死区的问题。并且必须具有对抗 生素具有抗性的菌株才能发挥作用。因此，畜禽粪便尿液和抗生素企业发酵废渣使用存在安全隐患，尚无安全高效的处理方法，导致畜禽粪便被禁止作为肥料， 发酵废渣难以作为肥料使用。

现有技术中一般采用过碳酸钠、过碳酸钾或过碳酸钙进行粪便的氧化降解， 或者采用双氧水和一些助剂进行粪便的氧化降解，但是降解效果都不好，采用过 碳酸钠降解粪便中的抗生素成本比较高，时间也比较长，常温下难以进行有效的 降解反应，所以需要开发一种更高效、经济和便捷的粪便中抗生素降解的方法。

发明内容

本发明开发了一种选择性降解畜禽粪便等生物质中抗生素获得安全有机肥 料的方法。

研究结果表明，碳酸钠或者碳酸钾与双氧水能够形成稳定的复合物，碳酸钠 或碳酸钾具有稳定双氧水的作用，复合物具有降解抗生素和消毒杀菌的作用。通 过碳酸钠的碱性、复合物的稳定性及双氧水的化学氧化活性的共同作用，可以实 现低用量和常温情况下高效降解抗生素。本发明通过碱金属碳酸盐和双氧水的用 量和条件的优化，开发出了常温条件下选择性破坏畜禽粪便中抗生素并同时杀灭 病菌和虫卵的有机肥的方法。本发明解决了长时间发酵处理或高温消毒等过程的 能耗高及无法有效去除抗生素，病菌和虫卵的问题，解决了肥料领域采用过碳酸 钠、过碳酸钾等高昂的成本问题。本发明的方法具有原料安全无毒，处理成本低， 低能耗，效果高效而简单的有益效果。

具体的，本发明提供了一种畜禽粪便常温消毒灭菌同时有效去除抗生素生产 安全有机肥料的方法，所述方法包括如下步骤：

在畜禽粪便中混入碱金属碳酸盐-双氧水混合试剂，或者先混入双氧水后混 入碱金属碳酸盐溶液，充分混合后放置1小时以上，得到抗生素合格的有机肥料， 所述碱金属碳酸盐-双氧水混合试剂中碱金属碳酸盐和双氧水的质量比为 (0.2-15)∶1；先混入双氧水后混入碱金属碳酸盐的情况下，双氧水和碱金属碳 酸盐的质量比为1∶(0.2-15)；其中，碱金属碳酸盐-双氧水混合试剂占畜禽粪 便的质量百分比为1-10％。

优选的，上述方法中，所述碱金属碳酸盐为碳酸钠或碳酸钾。

在应用碱金属碳酸盐-双氧水混合试剂降解畜禽粪便中的抗生素的情况下， 采用碱金属碳酸盐-双氧水混合物时，碱金属碳酸盐的为饱和浓度，在0-100℃ 的情况下，每千克混合试剂中碳酸钠的质量为60-330克，碳酸钾的质量为 500-610克，每千克混合试剂中，双氧水的质量为100-300克。

所以说，为了保证抗生素的降解，碱金属碳酸盐和双氧水的质量比为 (0.2-15)∶1。

当抗生素降解反应在常温下进行，常温的温度范围为10-40℃之间，那么每 千克混合试剂中碳酸钠的质量为100-330克，碳酸钾的质量数为520-540克。所 以，优选的，所述碱金属碳酸盐-双氧水混合试剂中碱金属碳酸盐和双氧水的质 量比为(5-27)∶(5-15)；先混入双氧水后混入碱金属碳酸盐的情况下，双氧水 和碱金属碳酸盐的质量比为(5-15)∶(5-27)。

当碱土金属碳酸盐为碳酸钠时，所述碳酸钠-双氧水混合试剂中碳酸钠和双 氧水的质量比为(10-33)∶(10-30)；先混入双氧水后混入碳酸钠的情况下，双 氧水和碳酸钠的质量比为(10-30)∶(10-33)。

当碱土金属碳酸盐为碳酸钾时，所述碳酸钾-双氧水混合试剂中碳酸钾和双 氧水的质量比为(26-27)∶(5-15)；先混入双氧水后混入碳酸钾的情况下，双氧 水和碳酸钠的质量比为(5-15)∶(26-27)。

优选的，上述方法中，所述碱金属碳酸盐-双氧水混合试剂占畜禽粪便的质 量百分比为0.5-5％。

优选的，上述方法中，畜禽粪便为含水量为5-90％的畜禽粪便，尤其优选的， 畜禽粪便为发酵后的粪便。尤其优选的，畜禽粪便为含水量为10-50％的畜禽粪 便。

优选的，上述方法中，畜禽粪便中抗生素的降解率≥99％，抗生素浓度降低 到50ppb以下，达到有机肥料中抗生素含量低于750ppb的要求；灭菌率≥99％， 细菌含量降低到3万/克以下，处理后的有机肥料完全符合安全使用要求。

优选的，上述方法中，所述畜禽粪便为猪粪便、牛粪便、鸡粪、鸭粪和羊粪 便中的一种或多种。

优选的，上述方法中，所述抗生素为β-内酰胺类、头孢菌素类、大环内酯 类、四环素类、氨基糖苷类、喹诺酮类、多肽类、氟甲砜霉素、磺胺类、林可酰 胺类等。优选的，抗生素为磺胺嘧啶、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲恶唑、 土霉素、四环素、金霉素或强力霉素等。

优选的，上述方法中，所述发酵的工艺为，薄土覆盖，室温发酵5-7天，3-4 天搅拌一次。

优选的，上述方法中，所述有机肥料为抗生素、大肠杆菌、虫卵符合要求的 有机肥料。

优选的，上述方法中，放置的温度为常温或室温，放置的时间为2小时以上。

优选的，上述方法中，所述方法还包括抗生素检测步骤，所述检测步骤为：

经过双氧水和碱金属碳酸盐处理的畜禽粪便中加入粪便质量3％-5％的0.1M 盐酸和甲醇混合物作为提取剂进行抗生素的提取，超声波震荡10-20分钟，然后 在3500-4500r/min中下离心5-10分钟，取上清液测定，其中0.1M盐酸和甲醇 的质量比1∶1。

本发明的研究结果表明：加入碳酸钠-双氧水混合试剂、碳酸钾-双氧水混合 试剂优于将两者分开加入到畜禽粪便降解抗生素的效果。双氧水和碳酸钠或碳酸 钾的复合物比过氧碳酸钠或过碳酸钾有着更好的抗生素降解功效。

本发明的有益效果

1、本发明利用对环境和人体无害的降解试剂使畜禽粪便中的抗生素结构和 性质发生改变，将抗生素降解或转变为无毒物质，双氧水以及碳酸钠或碳酸钾形 成的复合物能够有效分解抗生素分子，同时杀菌灭活粪便中的微生物，所用原料 材料均为无毒无害物质，不会对环境造成二次污染，经过处理后的畜禽粪便可直 接作为肥料。当碳酸盐为碳酸钾时，有机肥料中增加钾肥，有利于作物生长。

2、本发明利用双氧水和碳酸钠或碳酸钾进行畜禽粪便中抗生素的降解，一 方面双氧水、碳酸钠、碳酸钾的成本低，另一方面，应用双氧水、碳酸钠、碳酸 钾降解畜禽粪便中的抗生素的效果比较优异，降低速度快，降解后的抗生素浓度 低，获得的有机肥料满足有机肥中抗生素含量要求。畜禽粪便中抗生素的降解率 可达到99％以上，浓度可降低到10ppb左右，远低于750ppb的抗生素含量要求； 灭菌率可达99％以上，细菌含量可降低到3万个/克以下。处理后的有机肥料完 全符合安全使用要求。

3、本发明通过应用双氧水和碳酸盐对畜禽粪便中的抗生素降解研究，为达 到比较好的降解效果，明确了双氧水和碱金属碳酸盐混合试剂中双氧水和碱金属 碳酸盐的比例，也明确了混合试剂在畜禽粪便中的添加量。当双氧水和碱金属碳 酸盐溶液分别添加的情况下，为达到比较的抗生素降解效果，明确了双氧水的浓 度及添加量和碱金属碳酸盐溶液的浓度及添加量。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，实施例仅用于证 明本发明的有益的技术方案，并不对本发明的保护范围形成限制。

下述实施例中，涉及到浓度单位ppm和ppb，其中ppm为百万分之一，ppb 为十亿分之一，且在本专利中均为质量浓度，也就是6ppm为百分之六的质量含 量，6ppb为十亿分之六的质量含量。

实施例1：应用含有双氧水的降解试剂降解四环素的实验

S1：配制4.3mg/l的四环素溶液，取1ml于烧杯中加入降解试剂，降解试剂 的成分及添加量如下表1所示。

S2：完成上述步骤后，根据表1中反应温度和反应时间进行降解，降解反应 在磁力搅拌器搅拌的情况下进行。

S3：完成上述步骤后，超声波震荡10-20分钟，然后在3500-4500r/min中 下离心5-10分钟，取上清液测定，测量结果用酶标仪在450mm下ELISA法测定 四环素含量。

如下表1，1毫升的四环素溶液中加入1毫升的试剂，编号为1的空白组中， 添加1毫升蒸馏水，标号2-9中添加的1毫升试剂，试剂中的成分参见实际成分 及降解条件列，例如编号为2-5的实验，1毫升试剂中含有10％wt的双氧水，含 有10％wt的氢氧化钾，编号6-9的实验，仅含有10％wt的双氧水。编号10-13 的实验，其中试剂中含有碳酸钠，碳酸钠为饱和态(质量浓度为18.1％)，含有 10％wt的双氧水。通过降解，获得产物的吸光度及根据吸光度测量得到的四环素 的浓度情况下参见表1的产物吸光度栏和样品浓度栏。

表1对四环素溶液应用双氧水进行处理的结果

根据上述实验结果可得出：采用含有碳酸钠和双氧水的混合试剂，在室温下 进行四环素的降解试验效果较优，其含量都在6ppb左右，且随着反应时间的延 长，降解效果并没有改善。碳酸氢钠/双氧水体系降解四环素效果更佳。用碳酸 钠-双氧水混合体系试验，可看到明显的降解效果。四环素的降解试验在室温和 碳酸钠-双氧水混合体系中进行效果比较好。

实施例2：双氧水不同浓度降解畜禽粪便抗生素的实验

S1：收集发酵至含水量为20％wt的鸡粪20g，添加四环素溶液，调整粪便中 的四环素初始浓度为500ppm。

S2：在鸡粪中加入碳酸钠-双氧水混合试剂，常温下反应2小时。碳酸钠- 双氧水混合试剂中碳酸钠为饱和状态(质量浓度为18.1％)，双氧水浓度为30wt％， 混合试剂的添加量如下表2所示，添加量为鸡粪的质量百分比。

S3：取上层清液超声波震荡20分钟，然后在4500r/min中下离心10分钟， 取上清液测定。用酶标仪在450mm下ELISA法测定四环素含量。

表2鸡粪中抗生素降解实验条件及结果

根据表2中的数据可知，碳酸钠-双氧水混合试剂的使用量为鸡粪质量的 1％-5％之间较优。对于1-5％之间的区间的用量在实施例3中进行进一步实验，验 证碳酸钠-双氧水混合试剂最佳用量。

实施例3：碳酸钠-双氧水混合试剂不同添加量降解抗生素的实验

S1：收集发酵至含水量为10％wt的鸡粪20g，添加四环素溶液，调整粪便中 的四环素初始浓度为250ppm。

S2：在鸡粪中加入碳酸钠-双氧水混合试剂，常温下反应2小时。碳酸钠- 双氧水混合试剂中碳酸钠为饱和状态(质量浓度为18.1％)，双氧水浓度为30wt％， 混合试剂的添加量如下表3所示，添加量为鸡粪的质量百分比。

S3：反应完成后加入0.1M盐酸∶甲醇(50ml∶50ml)的提取剂，提取抗生素， 按提取剂∶鸡粪＝2∶1(v/m)的量添加提取剂。

S4：取上层清液超声波震荡20分钟，然后在4500r/min中下离心10分钟， 取上清液测定。用酶标仪在450mm下ELISA法测定四环素含量。

表3验证混合试剂降解畜禽粪便的最佳用量实验

从表3中能够看出，通过降低抗生素的起始浓度验证最佳混合试剂的添加 量，显示了混合试剂的添加量为0.5-5％的情况下，混合试剂均能够降解鸡粪有 机肥的抗生素浓度达到合格的浓度。最优的混合试剂的添加量为3-4％。

实施例4：复合试剂和分别添加对粪便中抗生素降解的实验

S1：收集发酵至含水量为15％wt的鸡粪10g，添加四环素溶液和蒸馏水，总 质量达到50g，形成鸡粪溶液，调整鸡粪溶液中的四环素初始浓度为500ppm。

S2：在鸡粪溶液中加入碳酸钠-双氧水混合试剂，常温下反应2小时。碳酸 钠-双氧水混合试剂中碳酸钠为常温下饱和状态(质量浓度为18.1％)，双氧水浓 度为30wt％，混合试剂的添加量如下表4所示，添加量为鸡粪溶液的质量百分比， 参见如下表4的实验序号5-8。

或者是分别添加双氧水溶液(30％wt)和碳酸钠水溶液(常温下饱和溶液， 质量浓度为18.1％)。在鸡粪溶液中添加完双氧水后，泡沫基本消失后再加入碳 酸钠水溶液，碳酸钠水溶液的添加量为双氧水的添加量相同，参见如下表4的实 验序号1-4。添加饱和碳酸钠水溶液后在常温下反应2小时。

S3：反应完成后取上层清液超声波震荡20分钟，然后在4500r/min中下离 心10分钟，取上清液测定。用酶标仪在450mm下ELISA法测定四环素含量。

表4混合试剂添加和分别添加对鸡粪抗生素降解的条件和结果

从表4能够看出，在鸡粪溶液中添加碳酸钠-双氧水混合试剂降解抗生素的 效果略差于分别添加双氧水和饱和碳酸钠水溶液，但是均能够实现对鸡粪中抗生 素降解到合格的水平。

实施例5：碳酸钾-双氧水对粪便杀菌和抗生素降解的实验

S1：收集发酵至含水量为20％wt的鸡粪20g，添加四环素溶液和蒸馏水，总 质量达到100g，形成鸡粪溶液，调整鸡粪溶液中的四环素初始浓度为200ppm。

S2：完成上述发酵步骤后，在鸡粪溶液中分别添加碳酸钾-双氧水混合试剂、 双氧水以及分别添加双氧水和碳酸钾。具体情况如下表5所示，实验序号1-3 为添加碳酸钾-双氧水混合试剂，混合试剂中碳酸钾为常温下饱和状态(质量浓 度为52.6％)，双氧水浓度为30wt％，然后在常温下下反应2小时。实验序号4-6 为仅添加30％wt的双氧水，然后在常温下下反应2小时。实验序号7-9为先添加 双氧水溶液(浓度为30％wt)，等泡沫基本消失后再添加常温饱和的碳酸钾水溶 液(质量浓度为52.6％)，然后在常温下反应2小时。

S3：反应完成后取上层清液超声波震荡20分钟，然后在4500r/min中下离 心10分钟，取上清液测定。用酶标仪在450mm下ELISA法测定四环素含量。

表5碳酸钾和双氧水对鸡粪进行抗生素降解的条件和结果

从上述表5的实验数据可以看出碳酸钾-双氧水混合试剂及先后添加双氧水 溶液和碳酸钾溶液均能够实现鸡粪中抗生素的降解。单独应用双氧水也能够实现 对鸡粪中抗生素的降解，而且降解的效果同样能够达到有机肥中抗生素的含量要 求。

按照上述添加降解试剂碳酸钾-双氧水混合试剂(混合试剂中碳酸钾为常温 下饱和状态，质量浓度为52.6％)，双氧水浓度为30wt％)、双氧水(30wt％)、分 别添加碳酸钾(常温下饱和溶液，质量浓度为52.6％)和双氧水(浓度为30wt％)、 添加碳酸钠-双氧水混合试剂(混合试剂中碳酸钠为常温下饱和状态，质量浓度 为18.1％，双氧水浓度为30wt％)，添加量分别添加4％和5％。添加前测试鸡粪溶 液的微生物数为9.2×10⁸/ml。添加降解试剂后微生物的具体检测结果参见如下 表6。

表6降解试剂对鸡粪中微生物数量的影响

实验序号	降解试剂添加量	微生物数/ml
			1	4％混合试剂	2.7×10<sup>4</sup>
2	5％混合试剂	2.9×10<sup>4</sup>
			3	4％双氧水	3.2×10<sup>6</sup>
4	5％双氧水	5.4×10<sup>6</sup>
			5	4％双氧水+4％饱和碳酸钾水溶液	4.8×10<sup>4</sup>
6	5％双氧水+5％饱和碳酸钾水溶液	5.5×10<sup>4</sup>
			7	4％双氧水+4％饱和碳酸钠水溶液	3.3×10<sup>4</sup>
8	5％双氧水+5％饱和碳酸钠水溶液	2.9×10<sup>4</sup>

从上表6能够看出，双氧水对微生物的灭杀效果相对于混合试剂来说效果不 够优异，相对于先添加双氧水后添加碳酸钾或碳酸钠来说效果不够优异。所以， 通过上述结果能够看出，碳酸钾/碳酸钠-双氧水体系对抗生素的降解效果和微生 物的灭杀效果两个方面均比较优异。

实施例6：提高抗生素浓度情况下的降解抗生素的实验

S1：收集发酵至含水量为20％wt的鸡粪20g，添加四环素溶液，调整鸡粪的 四环素初始浓度为200ppm(参见表7实验序号1-3)、2000ppm(参见表7实验序 号4-6)、2000ppm(参见表7实验序号7-9)。

S2：在鸡粪溶液中分别添加碳酸钾-双氧水混合试剂，混合试剂中碳酸钾为 常温下饱和状态(质量浓度为52.6％)，双氧水浓度为30wt％，然后在常温下反应 2小时。

S3：反应完成后取上层清液超声波震荡20分钟，然后在4500r/min中下离 心10分钟，取上清液测定。用酶标仪在450mm下ELISA法测定四环素含量。

表7不同抗生素浓度粪便的降解条件和降解效果

从表7的实验结果来看，增加鸡粪中四环素浓度的情况下，使用碳酸钾-双 氧水进行粪便的处理依然能够实现对抗生素的降解，而且降解到有机肥中的抗生 素浓度达到合格的水平。

实施例7：降解抗生素的粪便对土壤微生物的影响

按照表7中的实验序号1的抗生素浓度、抗生素降解条件处理的鸡粪排放到 作物种植土壤中并充分与土壤搅拌，每平方米土壤添加处理的鸡粪的量为0.5 公斤，然后取土测定前后微生物数量的变化。具体测定结果参见如下表8。

组别	1天后	2天后	3天后	4天后
					未处理土壤	6.73×10<sup>8</sup>	5.75×10<sup>8</sup>	7.36×10<sup>8</sup>	6.95×10<sup>8</sup>
处理后土壤	8.42×10<sup>5</sup>	1.29×10<sup>7</sup>	2.13×10<sup>8</sup>	4.98×10<sup>8</sup>

根据上述试验结论可得出，虽然处理后的粪便略微降低了微生物的数量，但 其影响并不大，随着时间的延长，微生物又繁殖回来。可见处理后的粪便对环境 不会产生负面作用，抑制微生物生长。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明 的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之 内。

Claims (9)

1.一种畜禽粪便常温消毒灭菌同时有效去除抗生素生产安全有机肥料的方法，所述方法包括如下步骤：

在畜禽粪便中混入碱金属碳酸盐-双氧水混合试剂，或者先混入双氧水后混入碱金属碳酸盐溶液，充分混合后放置1小时以上，得到抗生素合格的有机肥料，所述碱金属碳酸盐-双氧水混合试剂中碱金属碳酸盐和双氧水的质量比为(0.2-15)：1；先混入双氧水后混入碱金属碳酸盐的情况下，双氧水和碱金属碳酸盐的质量比为1：(0.2-15)；其中，碱金属碳酸盐-双氧水混合试剂占畜禽粪便的质量百分比为1-10％。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述碱金属碳酸盐为碳酸钠或碳酸钾。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述碱金属碳酸盐-双氧水混合试剂中碱金属碳酸盐和双氧水的质量比为(5-27)：(5-15)；先混入双氧水后混入碱金属碳酸盐的情况下，双氧水和碱金属碳酸盐的质量比为(5-15)：(5-27)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述碱金属碳酸盐-双氧水混合试剂占畜禽粪便的质量百分比为0.5-5％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述畜禽粪便为含水量为5-90％的畜禽粪便。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述畜禽粪便为发酵后的粪便，畜禽粪便为含水量为10-50％的畜禽粪便。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述发酵的工艺为，薄土覆盖，室温发酵5-7天，3-4天搅拌一次。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于畜禽粪便中抗生素的降解率≥99％，抗生素浓度降低到50ppb以下，达到有机肥料中抗生素含量低于750ppb的要求；灭菌率≥99％，细菌含量降低到3万/克以下，处理后的有机肥料完全符合安全使用要求。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述放置的温度为室温，放置的时间为2小时以上。