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1、抗生素菌渣的处置利用现状摘要：抗生素发酵废菌渣中，由于有残留的培养基和少量的抗生素及其降解物，对生态环境存在着潜在的危害性，已被国际社会视为抗生素生产的主要公害之一。抗生素菌渣含有一定量的抗生素残留而被国家有关部门列为危险废弃物，不合理的处理方法极易造成环境污染和生态危害，同时也会造成资源浪费。通过对目前抗生素菌渣处理利用技术及各国对此采取的方式的调查，做出了抗生素菌渣处理利用的展望。关键词：抗生素菌渣；微生物技术；焚烧技术；堆肥技术；饲料化技术；厌氧消化技术；填埋技术1引言 抗生素生产过程中产生的固体废弃物为菌渣，其主要成分是抗生素产生菌的菌丝体、未利用完的培养基、发酵过程中产生的代谢产物、
2、培养基的降解物以及少量的抗生素等。抗生素发酵废菌渣中，由于有残留的培养基和少量的抗生素及其降解物，对生态环境存在着潜在的危害性，已被国际社会视为抗生素生产的主要公害之一，这也是世界上一些发达国家抗生素原料药生产纷纷下马，而将其转入第三世界国家生产的主要原因。同时由于菌渣有机质含量较高，可引起二次发酵，颜色变黑，产生恶臭味，严重影响环境，因而长期以来，人们一直在积极寻求一种经济、高效且处理量大的治污方法。目前，国内有数家单位开展了抗生素菌渣用作高蛋白饲料及有机肥料的研究，均获得了较为满意的效果 。但是，菌渣中残留的少量抗生素及其降解产物会在动物体内富集，进而可影响到人类本身产生耐药性，因而使菌渣
3、用作动物饲料的可能性遭到质疑。2002年2月，农业部、卫生部、国家药品监督管理局第176号公告，把抗生素菌渣列为禁止在饲料和动物饮用水中使用的药物品种目录中。1.1污染现状 一般发酵液固体含量大约20 ，100m3 发酵液大约形成3040 m3菌渣，由于发酵过程的连续性，每天都有放罐的批次，产生大量的菌渣。据有关资料统计，一个中等规模的抗菌素工厂，年产的菌渣大约6万吨左右，我国年排放量约为100万吨以上。抗生素菌渣含有一定量的抗生素残留而被国家有关部门列为危险废弃物，不合理的处理方法极易造成环境污染和生态危害，同时也会造成资源浪费。其中，抗生素菌渣对环境的污染主要体现在残留抗生素对环境的影响。
4、1.2抗生素菌渣的来源和组成 抗生素是微生物次级代谢的产物，工业上通过对特定微生物进行调控发酵，使其在后期发酵过程中形成特定的抗生素等代谢物。这些代谢物或是存在于发酵培养的液体或半固体培养基中，或是存在于微生物菌体中。通过对发酵液进行离心或过滤等操作，使固液分离形成滤液和滤饼。滤液中含有抗生素等代谢产物、盐等可溶性成分。滤饼中包含菌体、未被微生物利用的培养基等成分；菌体中含有抗生素等代谢产物。对于产生胞外抗生素的菌体而言，其液固分离后滤饼即为抗生素废渣；而对于产生胞内抗生素的滤饼，经过溶媒浸泡提取后再液固分离的滤饼即为抗生素菌渣。因此，分析抗生素菌渣的主要组成，其包括未被完全提取的微量抗生素及
5、其他代谢产物；未被抗生素产生菌完全利用的各种不溶性成分，如淀粉和黄豆粉等复合碳氮源、不溶性盐等；以及抗生素产生菌菌体。1.3抗生素菌渣特点 抗生素菌渣的含水率在79% 92%，抗生素菌渣干基中的粗蛋白含量为30% 40%、粗脂肪含量为10% 20% ，还有部分代谢中间产物、有机溶媒、钙、镁、微量元素和少量残留的抗生素，例如青霉素菌渣中含0. 2% 0. 4% 的青霉素，土霉素菌渣中含0. 25% 0. 60% 的土霉素; 四环素菌渣中含0. 3% 0. 5% 的四环素; 洁霉素菌渣中含0. 3% 0. 4% 的洁霉素。2目前抗生素菌渣的利用现状 从 50 年代以来，抗生素菌渣便被用来作为饲料添
6、加剂制成高蛋白饲料，我国也从 1980 年开始致力于这方面的研究1。研究发现，将抗生素菌丝加入饲料具有正反两方面的作用，一方面，如此促进家禽牲畜生长，提高生产率，且由于其残留的药物成分能对某些疾病起预防作用，适量的添加，可降低饲料使用的成本以及畜禽的患病死亡率。但另一方面，菌丝残渣中残留的少量抗生素及抗生素菌体的降解物会在动物体内富集，人类食用后便最终会在人体内富集，从而使人体产生抗药性，发病期间，必须大剂量使用才能缓解病情，严重危害人体健康。同时，菌丝残渣的干燥大都是通过在太阳下暴晒，也严重污染周围环境。因此，不少学者对用菌丝体作为饲料添加剂持有疑义。2002 年，农业部、卫生部、国家药品监
7、督管理局发出公告禁止在饲料和动物饮用水中使用的药物品种目录，将抗生素菌渣列入其中。根据 2012 年 3 月环保部公布的制药工业污染防治技术政策要求，大量菌丝废渣将被列为危险废物，必须焚烧或者安全填埋，但有企业表示，若达到这项要求，对于企业无论在技术上还是经济成本上都有一定的难度，在现有的条件下恐怕是处理成本要超过生产成本2。 目前，国内很多专家对菌丝残渣的资源化做了很多尝试，大部分都集中在如何从废菌丝中提取有用物质，如北京化工大学谭天伟3教授将青霉素发酵菌丝体破碎、皂化、萃取，然后将萃取液浓缩、结晶得到麦角固醇的研究。汪青4研究从头孢噻肟钠、头孢三嗪生产废渣中回收 2-硫醇基苯并噻唑合成二硫
8、化二苯并噻唑，二硫化二苯并噻唑的收率达 23.8%，产品质量达到HGB 2-158-61 标准，但从菌丝残渣中提取部分有用物质后的废渣也同样面临处理难的困境。同济大学生命科学院的成建华5研究抗生素菌渣的发酵降解工艺，经过微生物发酵降解，菌渣中的大分子有机物均降解为小分子营养物，提高了肥料的生物利用度，使干菌渣成为高品质的生物有机肥。 不少制药厂采用焚烧法处理抗生素菌渣，这种方法能够大批量的处理菌渣，能将菌渣的体积降低 95%，且消除菌渣中的药物残留。但这种方法存在不少的缺点，如处理含水量如此大的菌渣具有一定的难度，还需外加燃料，另外焚烧法容易产生二次污染，这是因为抗生素菌渣中含有蛋白质等物质，
9、在焚烧的过程中会产生含有氯的烟气、SO2、甚至是二恶英(Dioxins)，有刺鼻的异味。 我国的制药工业发展迅速，每年产生几百万吨的抗生素菌体废渣，而目前又没有一个安全有效的处理方式，因此寻找一个高效、环保、处理量大的处理方法迫在眉睫。2.1微生物技术法 所谓微生物技术法，即是从特定环境中筛选出或是通过分子手段改造出能够降解特定抗生素的微生物的方法。从细菌耐药性的机制中我们得知，细菌产生耐药性的原因一部分是由于细菌产生了能够降解或修饰特定抗生素的酶，从而使得相应抗生素失活。例如，水解-内酰胺键的-内酰胺酶，钝化氨基糖苷类抗生素的酰基转移酶、腺苷转移酶和磷酸转移酶，水解大环内脂类抗生素酯键的酯酶
10、等。马玉龙、张作义6等从长期堆放泰乐菌素药渣附近土壤中筛选到可降解药渣中残留泰乐菌素的菌株，经过16S rRNA鉴定为无丙二酸柠檬酸杆菌(Citrobacter amalonaticus)。他们通过筛选得到的株组成具有良好降解效果的复合菌株，通过实验发现，在3035，pH为7，转速为120r/m的条件下，发酵120h后微生物法未检出残留泰乐菌素的存在。同时，马玉龙等利用经上述法处理后的泰乐菌素菌渣生产复合酶制剂。结果表明，在含水量为50%60%、干物质中麸皮含量不低于40%的泰乐菌素菌渣培养基中，接入5%10%黑曲霉，在温度30、湿度60%65%、培养基厚度1014cm条件下，好氧发酵6072
11、h，可得到富含纤维素酶、木聚糖酶、-葡聚糖酶、果胶酶和酸性蛋白酶的复合酶制剂。通过对肉鸡饲喂实验表明，经过特定微生物降解法和黑曲霉好氧发酵法相结合处理泰乐菌素菌渣得到的复合酶制剂，饲喂肉鸡效果要优于对照组，其中添加复合酶制剂的饲料中干物质、粗蛋白质、粗脂肪、粗纤维和粗灰分的表现消化率显著提(P0.05)，粪中大肠杆菌数和空肠内容物黏度显著降低(P0.05)，同时，在肉鸡腹肌、肝脏、肾脏中均未检测出残留的泰乐菌素。2.2焚烧技术 焚烧技术是一种高温热处理技术，废物在800 1 200 的焚烧炉内进行氧化燃烧，被氧化或热解为小分子有机物或CO2，是一种可同时实现废物无害化、减量化和资源化的处理处置
12、技术7。美国、欧盟等国家对于制药行业产生的固体废物多采用焚烧方法进行处置。我国华药集团、石药集团等大型制药企业也建设了抗生素菌渣焚烧处理装置。焚烧能在短时间大规模减少抗生素菌渣的总量，菌渣的体积可降至原来体积的5% 以下，同时消除其中许多有害物质，并回收热量。该方法的缺点是抗生素菌渣的含水率高达70% 80% ，热值较低，在焚烧过程中需要外加燃料，导致运行能耗和成本较高，如焚烧1 t 菌渣大约需2 000 元。同时，抗生素菌渣焚烧处理必须严格执行GB 184842001危险废物焚烧污染控制标准，如果焚烧不当，易导致残留抗生素、二恶英等有毒物质的多介质传播，造成二次污染。 由于危险废物专用焚烧炉
13、处理能力一般都较小，难以与抗生素菌渣的处理量相匹配。加上该方法处理成本高、尾气治理难度大等原因，目前我国采用焚烧技术处置抗生素菌渣的实例还较少。欧盟针对危险废物焚烧和高温窑炉共处置技术颁布了2000 /76 /EC关于废物焚烧的指令，美国2005 年9 月发布了工业锅炉、工业加热炉、盐酸生产炉处置危险废物过程中有害大气污染物的国家排放标准。而目前我国关于危险废物共处置技术的管理体系尚属空白，没有与之相关的法律、法规、标准和规范。可见，抗生素菌渣焚烧和高温窑炉的共处置技术将会是我国今后的发展方向之一。2.3堆肥技术 堆肥化(Composting)技术通常是指好氧堆肥化技术，其原理是通过微生物(细
14、菌、真菌和放线菌)在高温(5065 )下发酵，使有机物矿质化、腐殖化和无害化而变成腐熟肥料。通过对有机物的堆肥化处理，不仅可以将有机物转化成农作物生长必须的有效态氮、磷、钾化合物，同时又合成新的高分子有机质腐殖质，它是构成土壤肥力的重要活性物质。堆肥化是有机固体废弃物处理和资源化利用的一种有效手段。现阶段关于传统的有机质，如畜禽粪便、城市生活垃圾、污水处理厂污泥的堆肥化处理报道比较多。但像抗生素菌渣这一类含有抗生素等危险物的有机质，采用堆肥化处理的研究很少。张红娟8等尝试将林可霉素菌渣和牛粪联合堆肥研究。结果表明，处理初始林可霉素含量分别为1.35、1.89、3.52mg/g的菌渣，经过41d
15、的堆制，仅菌渣添加比例最大的一组检测到0.0097mg/g(干重)的林可霉素的残留。同时，张红娟还通过种子发芽指数、芽长抑制率和根长抑制率等参数来评判经过堆肥处理的林可霉素菌渣用于肥料的可行性。堆肥结束时，各处理的种子发芽指数在70%90%，芽长抑制率在-40%-20%，根长抑制率在10%30%，表明堆肥已基本无植物毒性。2.4饲料化技术 抗生素菌渣中优质蛋白质量分数为30% 40%，10 多种人体常见的氨基酸以及丰富的微量元素9,10，国内常见的做法是将抗生素菌渣进行无害化处理后生产蛋白饲料，喂养畜禽后长势良好9,10。但利用抗生素菌渣生产的饲料及添加剂容易造成抗生素在肉、蛋、奶等畜禽产品中
16、残留，诱发人畜共患病等隐患，美国农场出现的超级细菌就是很好的例证。该领域的研究重点是是关注抗生素残留化学效价的消除情况，而对于其残留效价和代谢产物的生物毒性及潜在的环境风险却没得有效评估。 为此，2002 年农业部、卫生部、国家药品监督管理局等部门联合发布了农业部公告第176 号禁止在饲料和动物饮用水中使用的药物品种目录，认为“抗生素菌渣是抗生素类产品生产过程中产生的工业三废，因含有微量抗生素成分，在用作饲料饲养过程中使用后对动物有一定的促生长作用。但对于养殖业的危害很大，一是容易引起抗药性，二是由于未做安全性实验，存在各种安全隐患”，因此将抗生素菌渣列入上述目录中，禁止未进行处理的抗生素菌渣直接制作饲料或饲料添加剂。同年最高人民法院、最高人民检察院发布了法释
