抗生素菌渣的处置利用现状

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、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。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，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6072h，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200226 号关于办理非法生产、销售、使用禁止在饲料和动物饮用水中使用药品等刑事案件具体应用法律若干问题的解释，进一步强化了对抗生素菌渣流向饲料市场的管理。2008 年修订的国家危险废物名录又明确将抗生素菌渣定为危险废物。因此，抗生素菌渣做饲料的利用方式在我国被彻底禁止。2.5厌氧消化技术 厌氧消化是指在没有游离氧的条件下，以厌氧微生物为主对有机物进行降解、稳定的一种无害化处理方式。在厌氧消化过程中，复杂有机化合物降解转化成简单、稳定的物质，同时释放能量，其中，大部分能量以甲烷的形式出现。国内最早有关抗生素菌渣厌氧处理的研究报道出现在1990年。孙效新等对青霉素、链霉素、土霉素、洁霉素和麦迪霉素等菌渣液利用厌氧生物法处理进行了可行性研究。结果表明，青霉素、链霉素、麦迪霉素的菌渣液无论是单独处理还是混合处理都能取得较好效果，COD去除率都在70%以上，产生的沼气中甲烷含量在58%65%，但利用厌氧生物法处理土霉素菌渣液的效果很差。孙效新等在得出上述结果后并没有给出合理的解释，而何品晶11等在利用林可霉素菌渣产沼气的过程中，考虑到厌氧消化易受到有机酸和胺累积的影响，同时含固率和微生物接种比也是影响启动时间和基质产甲烷能力的直接因素，从而研究了一系列的影响厌氧消化的因素，包括含固率、接种比、氨氮和林可霉素等因素。研究结果表明，含固率越低，接种比越高，越有利于甲烷的产生，其中含固率为3%、接种比为3时的工况中，菌渣的挥发性固体(VS)累积产甲烷最高，达到106mL/g。实验中观察到，当氨氮(TAN)浓度高于1000mg/L、挥发性脂肪酸(VFAs)浓度高于2000mg/L时，体系产甲烷能力开始受到抑制，并随着浓度的累积，抑制不断增强。同时，在研究林可霉素单独抑制效应过程中发现，林可霉素浓度在1030mg/L的范围内，对厌氧消化的抑制程度从16%升至51%，林可霉素的半抑制浓度(EC50)为35mg/L。但是，在整个实验过程中，林可霉素非常稳定，几乎没有得到降解。 现阶段，除了上述利用厌氧消化法处理抗生素菌渣外，很少有相关报道出现，但有关抗生素废水利用厌氧消化技术处理的研究较多。这部分报道中，主要关注总COD和残留抗生素的降解，同时研究抗生素对于厌氧发酵的抑制作用的原理。这些研究也为抗生素菌渣的厌氧发酵处理提供了借鉴意义。2.6填埋技术 我国已将抗生素菌渣列为危险废物，采用填埋技术进行处置时，必须将抗生素菌渣送入危险废物安全填埋场进行安全填埋。在抗生素菌渣的贮存、运输和安全填埋过程中必须严格执行GB185972001危险废物贮存污染控制标准和GB185982001危险废物填埋污染控制标准。安全填埋是将危险废物放置或贮存在土壤中的一种处置方式，其目的是埋藏或改变危险废物的特性，适用于处置不能回收利用有用组分或能量的危险废物。由于抗生素菌渣含水率高、有机质含量高，直接进行安全填埋，存在占地面积大、处置成本高和二次污染问题，而且造成资源浪费。因此，在其填埋之前，应采用物化和生物处理方法尽可能地利用其中的有价值物质和能量。虽然安全填埋技术可有效解决抗生素菌渣带来的生物安全性问题，但受占用大量土地和无限期维护的限制，目前很少有企业采用该技术处置抗生素菌渣。2.7国内外目前使用的处置技术在美国，目前已对抗生素菌渣的处置方法进行了研究，例如当菌丝体中混入1%的石灰石时，可用于土壤改良。当然，也可以作为动物饲料添加剂，但由于干燥方式及热稳定运行问题，抗生素残留会很难去除，虽然通过蒸汽喷射方式可以解决上述问题，但这过程中添加的水分最终也要去除，在一定程度上增加了生产成本。在欧盟，鉴于抗生素所具有的特性，认为对于抗生素菌渣的危险特性判定是有毒有害特性分析，并未划入危险废物的范畴。在英国抗生素菌渣经无害化处理后被用于动物饲料或添加剂。在印度，灭活的菌丝体被认为是可完全生物降解的并作为制肥原料进行堆肥。通过添加不同的添加剂和其他组分制造的肥料具有丰富的营养、可以调节土壤结构和作为农家肥的作用。而在我国，对16家抗生素企业的三十二种抗生素菌渣调研结果显示12，目前最常用的抗生素菌渣处置技术如下：1、资源化综合利用方式：菌渣干燥后做有机肥、菌渣抗生素灭活堆肥、烘干灭活后作为培养基原料回用、将菌渣掺拌后做成水煤浆；2、焚烧处理：晾晒后环能热电焚烧、脱水后均匀掺拌焚烧、干燥处理后直接进行焚烧；3、填埋处理：直接外运，由环卫处进行填埋。大约53%的企业采用有机肥方式处置菌渣，焚烧也占到了19%左右，其他方式较少不成规模。3展望采用危险废物焚烧炉焚烧处置抗生素菌渣运行成本太高，其今后的发展方向是抗生素菌渣焚烧和高温窑炉的共处置技术; 抗生素菌渣生产饲料目前已被国家禁止，但如果抗生素菌渣经过处理能通过生物安全性评价，则可彻底解决抗生素菌渣处理处置的难题; 危险废物填埋技术不适于处置产生量大、含水率和有机质含量高的抗生素菌渣; 利用抗生素菌渣制备培养基、吸附剂以及提取有用成分等综合利用技术，由于有用成分的回收利用率低，大量剩余菌渣仍需要进一步处置。相对而言，抗生素菌渣的肥料化技术和能源化技术( 厌氧消化和热解气化技术) 是解决大宗抗生素菌渣处置问题的最有效途径，但其处理处置过程和再生产品的抗生素残留带来的生物安全性问题也需要进一步评估。因此，针对抗生素菌渣的特点，有必要开发一套系统、公正、科学的生物安全性评估方法和评估标准，评估筛选出合理、可行、安全的抗生素菌渣处理处置技术，为实现抗生素菌渣的无害化、减量化、资源化提供技术保障，这对于促进制药行业的可持续发展具有重要意义13。参考文献1李月海，刘冬玲，谢幼梅. 抗生素菌渣的综合利用J. 山东畜牧兽医，2000，06：28-31+39.2胡芳.制药业废渣处理亟待突出困境N.中国医药报，2012-08-13005. 3张照明,谭天伟.麦角固醇的市场前景J.精细与专用化学品，2002(22)：9-10.4汪青.头孢类抗生素生产过程中的废渣处理J.江苏环境科技，2007，20(4)：31-33.5成建华，张文莉.抗生素菌渣处理工艺设计J.医药工程设计，2003，24(2)：31-34. 6马玉龙, 张作义, 刘宁普, 等. 废弃药渣中残留泰乐菌素降解茵的筛选J. 环境科学研究, 2010, 23 (8): 1076-1080. 刘力嘉, 谢丽, 张作义,等. 泰乐菌素高效降解茵的筛选及降解特性研究J. 农业环境科学学报, 2011, 30 (5): 1027-1030.7Tchobanoglous G，Kreith F 固体废物管理手册M 北京: 化学工业出版社，2006: 332-4478张红娟, 郭夏丽, 王岩. 林可霉素菌渣与牛粪联合堆肥实究进展J. 药学学报, 2006, 41(8): 694-701.9张明峰 抗生素渣的营养价值及饲用效果J 饲料博览，2000，13( 3) : 40-4110王乃英 关于抗生素菌渣的利用J 当代畜牧，1992，10 ( 1 ) :37-4311徐颂, 吴铎, 吕凡, 等. 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