​专家分享|陈能场：堆肥产物应用的安全性问题

在中国，抗生素原料的年产量约为21万吨，其中出口3万吨。剩余的18万吨用于中国的医疗、农业和其他用途，人均年消费量约为138克(美国为13克)。四环素、喹诺酮和磺胺是最常用的抗生素。含有大量抗生素的粪便进入土壤后，导致抗生素在土壤中的积累，并导致抗生素抗性细菌或抗性基因的产生。抗生素残留在环境中的扩散存在潜在风险，残留可能通过食物链进入人体，从而危害人体健康。抗生素是否能在堆肥中降解成为堆肥产物安全性急需解决的一个主要问题。

动物源原料通常含有较多的抗生素，其直接施用将对公众和生态健康构成潜在威胁。研究表明，高温堆肥可有效降解粪便和动物源原料中抗生素化合物。不同类型的堆肥原料（这里指不同类型的动物粪便）会影响堆肥过程中的抗生素的降解。在中试规模的静态高温堆肥过程中，科学家研究了抗生素氟苯尼考、磺胺二甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素的变化，并测试了温度对抗生素降解速率的影响。将以上四种抗生素分别加入奶牛粪便，以及奶牛粪便和废水产生的生物固体（沼渣）/木制品（1：3
v/v）中进行堆肥，堆肥过程中分别设置主动曝气和不主动曝气组。对于生物固体堆肥，试验设计堆体温度保持在≥55°C，持续6-7天；牛粪堆肥，堆体温度保持在≥55°C以上并持续17-20天，峰值温度为66-73°C（见图1）。结果显示，主动曝气和不主动曝气处理之间没有显著差异；平均而言，在堆肥7、14和21天后观察到抗生素降的解率为≥85%、≥93%和
≥95%（见图2），磺胺二甲氧嘧啶和磺胺二甲嘧啶的降解没有显著差异。温度试验表明，温度低的堆肥原料中磺胺类和泰乐菌素以及生物固体中的氟苯尼考的降解慢。

图1 试验过程中的温度变化

图2 四种抗生素的降解速率

（图1，图2引自Mitchell, S.M., Ullman, J.L., Bary, A. et al. Antibiotic Degradation During Thermophilic Composting. Water Air Soil Pollut 226, 13 (2015). https://doi.org/10.1007/s11270-014-2288-z）

不同抗生素降解速率不同，受堆肥过程的温度影响很大。有试验表明，在上述四种抗生素中，可提取部分的四环素和金霉素的去除率受温度的影响比磺胺嘧啶和环丙沙星大。但当堆肥过程温度上升到在55±2℃时，四种抗生素可提取部分的去除率都超过90%。此外，也有研究表明，在堆肥过程中金霉素浓度下降迅速，而莫能菌素和泰乐菌素浓度下降缓慢，而磺胺二甲嘧啶不降解，在堆肥结束时(22-35天)，金霉素减少了99%以上，而莫能菌素和泰乐菌素在所有三个处理中减少了54-76%。

对于去除机理，四环素和金霉素的去除主要是由于在水中的化学降解，而磺胺嘧啶的去除主要是因为吸附在锯屑颗粒上，让可提取态含量降低。

除了源头确保原料的安全性之外，堆肥过程的温度变化对堆肥产物的安全性也非常重要。堆肥的第二个阶段即高温阶段（55-70℃），是好氧堆肥过程中最重要的阶段，有机物中如蛋白质、脂肪和复合碳水化合物（纤维素和半纤维素）等主要结构分子被嗜热微生物分解。当温度上升到55℃时，耐热微生生物占主导地位，此时部分有害微生物被高温灭活；当温度达到65℃时，堆中的微生物数量进一步减少，同时，大量有害微生物被高温灭活（表2）。

表2 常见致病微生物温度-致死时间统计

（引自：Thi
Thien Kim Ho, Van Tung Tra, Thanh Hai Le, Ngoc-Kim-Qui Nguyen,
Cong-Sac Tran, Phuong-Thao Nguyen, Thi-Dieu-Hien Vo, Van-Nam Thai,
Xuan-Thanh Bui。2022.Compost
to improve sustainable soil cultivation and crop productivity. Case
Studies in Chemical and Environmental Engineering. 6: 100211）

但在堆肥过程中，为确保整个堆体达到良好的卫生无害化效果，堆体持续高温时间一般要求在55℃以上至少保持5天。我们国家对此有相应的技术规范(见表3，总结见《叮咚！您有一份《社区堆肥培训讲义》待查收！！！》

表3 我国堆肥相关技术规范中温度和持续时间要求

堆肥产物腐熟程度对于堆肥产物的安全应用至关重要。堆肥中的腐熟是指堆肥物料通过微生物分解，转化为稳定腐殖质类物质的过程。堆肥产物呈现出物质结构稳定、生物活性稳定、对植物无害等特征。

施用腐熟程度不够的堆肥产物，将直接影响种子的发芽和幼苗的生长。未完全腐熟的堆肥会继续降解，所含碳氮比、铵态氮、挥发性有机酸或其他植物毒性化合物较高，直接施用将损害或杀死植物。同时，由于微生物活动仍然活跃，可能会与植物争夺养分而造成短暂“养分饥饿”。国内外有关标准显示，衡量堆肥产物腐熟度的指标包括发芽指数、C/N比、二氧化碳释放率、耗氧率、自升温检测、氨氮硝酸盐比、氨氮浓度、挥发性有机酸、挥发性固体减少量等，其中发芽指数和二氧化碳释放率是最常见的腐熟度指标。

（种子发芽指数检测方法见《NY/T 2021 有机肥料》附录F）

杂草种子指堆肥产物中存活的、不利于人类生产、绿化的植物种子，通常会影响作物产量或绿化效果，甚至造成物种入侵，危害生态环境安全。因此，杂草种子活性被列为重要的无害化检测指标。杂草种子一般可通过高温堆肥灭活（表3）得到控制，从源头上减少杂草来源、降低杂草数量，维护园林和农业生产。

当厨余、畜禽粪尿等含盐物质作为堆肥原料时，最终堆肥产物的盐分安全性对土壤影响较大。简单地说，盐分指堆肥产物中可溶性盐的总量，可包括Na⁺、K⁺、Cl^–、Ca²⁺、SO₄^2-和Mg²⁺等各种成分。其中，K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺是堆肥产物中重要的营养物质。需要注意的是当Na⁺、Cl^–含量过高时，长期施用这类高盐堆肥产物会导致土壤盐碱化，严重影响植物发育和生长。盐分一般通过电导率这一间接指标进行检测，当电导率检测值超标时，为保险起见，需要进一步检测区别是哪些元素导致超标。换言之，可用电导率指示盐分含量，并结合Na⁺、Cl^–含量等指标更为真实地反映堆肥产物的盐害程度。

近日，南京大学（溧水）生态环境研究院牵头，联合其他相关机构，共同推出《厨余堆肥产物》的团体标准（T/CAQI
XXX-2024）。以下是堆肥产物的主要限量指标，其中包括盐分指标。

结语

中国有机废弃物产量巨大，堆肥是实现其资源化利用的主要方式之一，让养分和有机质回收回归土壤中。有研究指出，堆肥施用有以下23个益处，而这些益处建立在保障堆肥产物安全性的基础上。