微生物制藥菌渣處理方法研究進展

王遠山，王雨薇，官佳慧，程東遠

(浙江工業(yè)大學 生物工程學院，浙江 杭州 310014)

微生物制藥菌渣是制藥過程中微生物發(fā)酵后產(chǎn)生的固體廢物，而我國的微生物制藥菌渣主要是抗生素菌渣?？股鼐谐煞謴碗s，其中含有菌絲體、未利用的原培養(yǎng)基、發(fā)酵次級代謝物與殘留的抗生素等，如果直接排放或處理不當，有害物質(zhì)進入生態(tài)循環(huán)，最終將危害人體健康與環(huán)境安全。2002年，在農(nóng)業(yè)部、衛(wèi)生部、國家藥品監(jiān)督管理局第176號公告中抗生素菌渣被禁止作為飼料或飼料添加劑使用[1]，2008年微生物制藥菌渣又被列入《國家危險廢物名錄》，2016年，利用生物技術生產(chǎn)生物化學藥品、基因工程藥物過程中的蒸餾及反應殘渣(包括抗生素菌渣)危險廢物屬性進一步被確定為HW02醫(yī)藥廢物類[2]。隨著我國制藥產(chǎn)業(yè)的飛快發(fā)展，我國已成為微生物藥物生產(chǎn)大國，產(chǎn)生的微生物制藥菌渣超過200 萬噸/年[3]，帶來了嚴重的環(huán)境負擔。微生物制藥菌渣的高效處理不僅是國家生態(tài)環(huán)境保護的需要，也是制藥行業(yè)自身可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。因此，筆者對現(xiàn)有的微生物制藥菌渣的無害化處理方法進行歸納總結(jié)。

1 微生物制藥菌渣的主要來源、特點與危害

1.1 主要來源

抗生素菌渣是微生物制藥菌渣的主體，是由抗生素產(chǎn)生菌接種于固體、液體培養(yǎng)基上發(fā)酵后，再將抗生素提取后得到的。據(jù)統(tǒng)計，目前我國抗生素年產(chǎn)量超過24 萬噸，每年產(chǎn)生的菌渣量超過200 萬噸[4]。

1.2 主要特點

微生物制藥菌渣是生產(chǎn)發(fā)酵后的殘余固體廢棄物，其含水率在80%左右，黏度高、易變質(zhì)，而脫水后，其粗蛋白含量約占30%，粗脂肪含量為10%～20%[5]，還含有Ca、P和S等微量元素[6]。在抗生素生產(chǎn)過程中，需加入培養(yǎng)基、提取劑等[7]，這些物質(zhì)和抗生素會殘留于菌渣中。不同的微生物制藥菌渣中所含成分多樣，同種抗生素的不同工藝流程產(chǎn)生的菌渣也不同，其無害化處理工藝也有所不同。

1.3 主要危害

微生物制藥菌渣中含有多種有毒物質(zhì)，如殘留抗生素、其他有毒代謝產(chǎn)物、重金屬及多環(huán)芳香烴，因此被列為危險廢棄物，禁止在動物飼料和飲用水中添加。微生物制藥菌渣的組成、含量復雜，若不經(jīng)過完全無害化處理就排放出來，將給人體、環(huán)境帶來嚴重危害，具體表現(xiàn)[8-9]在：1) 菌渣中殘留的抗生素會抑制微生物生存與繁殖，影響土壤養(yǎng)分循環(huán)；2) 菌渣中殘留的藥物，如阿維菌素、伊維菌素會抑制昆蟲繁衍，痕量的避孕藥物能導致魚和兩棲動物的雌性化[10]，破壞生態(tài)平衡；3) 有些微生物制藥菌渣會影響植物發(fā)育，抑制農(nóng)作物生長；4) 牲畜長期低劑量食用含抗生素菌渣的食物，會導致其產(chǎn)生耐藥性[11]，抗生素會沿食物鏈傳遞到人，引起一部分人過敏與腸道菌群的紊亂；5) 抗生素在菌渣中的殘留物進入環(huán)境中，會形成選擇壓力，導致微生物耐藥性增強，出現(xiàn)超級細菌[12-13]。

2 微生物制藥菌渣主要處理方法

2.1 焚燒與填埋法

焚燒法是利用高溫將菌渣氧化分解，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的小分子物質(zhì)、二氧化碳、有機物和能被利用的能量，可在較短時間內(nèi)大幅度減少菌渣量，并且可以完全消除菌渣中的有害物質(zhì)，同時又可以回收利用產(chǎn)生的熱量[5]，有著高效、技術簡便等優(yōu)點。但由于微生物制藥菌渣的含水率高、熱值低，不能作為獨立燃燒物，需要對樣品脫水干化預處理并添加燃料，因此處理成本高昂。此外，菌渣在焚燒時會產(chǎn)生致癌物二噁英、氮氧化物等有害物質(zhì)，若尾氣處理不當，會造成二次污染，故燃燒處理微生物制藥菌渣要嚴格執(zhí)行《危險廢物焚燒污染控制標準》，這又大大增加了處理成本[14]。目前解決二噁英的方法是將燃燒溫度提高到1 200 ℃以上，再采用急冷技術迅速降溫[15]，減少處于二噁英合成溫度的時間，但此技術不利于熱量回收，也還不完善。未來對焚燒法的研究應著眼于如何降低可合成二噁英的氯化物含量，加快研發(fā)新的焚燒技術，從而更環(huán)保地利用焚燒余熱并降低處理成本。

對于填埋法處理菌渣，由于微生物制藥菌渣是危險固廢物，必須將其填埋于特殊的安全填埋場[16]，但其中有些成分難以自然降解，如果泄漏可能會滲入地下，造成水資源污染。因菌渣年產(chǎn)量巨大，填埋場易達到飽和，尋找新的填埋場址需要從地形、水文等自然因素和城市規(guī)劃等社會因素考慮[15]。故填埋法處理成本高，占用空間大，污染風險大且資源回收率低，不適合菌渣產(chǎn)生量大的企業(yè)，應用不廣泛。

2.2 堆肥法

微生物制藥菌渣中含有豐富的有機質(zhì)，可以采用堆肥法對其進行再利用。已有許多研究表明，堆肥法對于微生物制藥菌渣中殘留的抗生素具有很好的降解作用。堆肥法需先將菌渣粉碎、過篩，再與污泥混合，經(jīng)過升溫、降溫等堆肥處理，混合物中的微生物能夠降解殘留的抗生素，使菌渣穩(wěn)定化和無害化，所得產(chǎn)物還可以當作有機肥料[17]，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。研究表明堆肥后的產(chǎn)物對植物完全無害并且可以促進植物的生長[18]。Wang等[19]將頭孢菌素菌渣和雞糞混合堆肥，頭孢菌素菌渣和雞糞質(zhì)量比為3∶4時降解率最高，為99.81%；Liao等[20]采用嗜熱堆肥法處理泰樂菌素抗生素發(fā)酵殘基(TFR)，結(jié)果顯示TFR去除率達95%。堆肥法成本低，設備簡單，具有良好的經(jīng)濟效益。

但堆肥法作為處理固體廢棄物的一種有效手段，若未完全將抗生素降解，有機肥中仍會殘留抗生素，施用后可能會在微生物及生物體內(nèi)累積，導致抗藥性增加，從而威脅生態(tài)平衡。自微生物制藥菌渣被列入《國家危險廢物名錄》后，其堆肥法后的產(chǎn)品能否達到國家無害化衛(wèi)生標準仍需嚴格的安全性評估。目前很多學者都在研究微生物制藥菌渣與其他廢棄物的聯(lián)合堆肥，如溫沁雪等[21]將青霉素菌渣混合城市污泥堆肥，在第5天時菌渣中未檢測到殘留青霉素，不僅有效地降解了菌渣中殘留的青霉素，還實現(xiàn)了青霉素菌渣和城市污泥的資源化利用，達到綜合利用的目的。因此，如能獲得高效的降解菌及優(yōu)化菌渣與其他廢棄物的比例，這種聯(lián)合堆肥處理抗生素的方法將會被廣泛應用。

2.3 厭氧消化法

厭氧消化法又稱厭氧發(fā)酵法，是一種將含有高營養(yǎng)的廢棄物(如牲畜糞便、腐爛水果、廢棄蔬菜與秸稈等)資源化利用，變廢為沼氣的處理方式[22]。微生物制藥菌渣中含有大量的粗蛋白與粗脂肪等，營養(yǎng)豐富，因此可采用厭氧消化法對其進行減量化、資源化處理[23]。劉鵬宇等[24]利用四級串聯(lián)厭氧反應器降解阿卡波糖菌渣，菌絲體全部降解，固體物質(zhì)去除率高達64%，同時培育出厭氧顆粒污泥；朱培等[23]使用多級厭氧反應器降解螺旋霉素發(fā)酵菌渣，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過88 d的馴化后系統(tǒng)達到高效快速降解狀態(tài)，有機負荷COD達2.73 kg/(m3·d)時，螺旋霉素降解率高達97%。在厭氧消化過程中，存在抗生素C/N比低和菌絲體細胞壁葡聚糖等成分不利于生物降解的問題，在生產(chǎn)中需要添加碳源以及通過預處理等手段進行輔助。從工藝角度分析，高溫處理后，菌渣中的抗生素大量溶于水中，只有少量殘留于菌渣中；在發(fā)酵之后，菌渣中殘留的抗生素基本降解。楊茜等[25]將L-精氨酸生產(chǎn)菌渣與麥秸一起厭氧發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)其最佳產(chǎn)氣條件是菌渣與麥秸質(zhì)量比1∶1，消化溫度35 ℃；Awad等[26]采用70 ℃高溫下厭氧消化螺旋霉素發(fā)酵殘留物的方法，大大降低了殘留菌渣中抗生素的濃度，單獨的螺旋霉素殘留及其與超嗜熱污泥的混合物的去除率分別為55.3%和99.0%；Li等[27]研究發(fā)現(xiàn)通過堿熱預處理菌渣，可有效提高厭氧消化處理菌渣的降解率與能源轉(zhuǎn)化率，顯著降低操作與能耗成本；Zhang等[28]將水熱預處理與厭氧消化技術相結(jié)合，有效降解了頭孢菌素C菌渣，大部分含碳有機物被降解，并產(chǎn)生了大量氨，因此消化的產(chǎn)物可作為液體肥料被重新利用。

微生物制藥菌渣經(jīng)過厭氧消化后，幾乎不會殘留生物毒性，可作為有機肥使用，既減少環(huán)境污染，又獲得了經(jīng)濟效益[29]。但厭氧消化法產(chǎn)生的廢水含有大量抗生素，對后續(xù)廢水處理帶來挑戰(zhàn)。而厭氧消化法采用的工藝不同，產(chǎn)生的廢水成分也不同，應嚴格按照國家廢水處理標準，選用合適的廢水處理措施，確保排放達標，不污染環(huán)境。當前海外學者對工業(yè)廢水的處理方面有著較多研究，如雙水相萃取法[30]、鐵碳原電池法[31]等，所以厭氧消化法可以和各種廢水處理法聯(lián)合使用，達到完全降解抗生素的目的。

2.4 微生物降解法

微生物降解法是從微生物藥物或菌渣富集的環(huán)境樣品(土壤、水體、活性污泥等)中，篩選相應藥物的高效降解菌株，并考察其降解特性，進而應用于菌渣的無害化處理[22]。微生物降解主要是將菌渣作為培養(yǎng)基的碳源、氮源或碳氮源，在微生物中各種酶的作用下，殘留藥物結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而引起理化性質(zhì)發(fā)生改變，即將大分子殘留藥物化合物降解為小分子化合物，經(jīng)代謝利用最終形成二氧化碳和水[32]，實現(xiàn)污染物無害化的過程。在該方法中，高效降解菌最為重要，一般為該種藥物的耐藥菌，可以通過直接破壞和修飾對應藥物而使其失活，包括水解、基團轉(zhuǎn)移和氧化還原等機制。根據(jù)微生物制藥菌渣中殘留藥物分子結(jié)構(gòu)(多為蛋白質(zhì)和多糖)特點，可通過酶水解和微生物發(fā)酵等技術使殘留藥物失活，同時開發(fā)生物有機肥料。馬玉龍等[33]從泰樂菌素藥渣堆放點周圍的土壤中篩選到一株可降解藥渣中殘留泰樂菌素的菌株，接種量為10%時，在30～35 ℃、pH 7.0的條件下，發(fā)酵處理120 h后，發(fā)酵液中檢測不到泰樂菌素；趙連英等[34]從鏈霉素廠附近土壤中篩選出了鏈霉素降解菌，該菌能降解最高質(zhì)量濃度為1 200 μg/mL的鏈霉素；王剛等[35]從實驗室保藏的若干蛋白酶產(chǎn)生菌中篩選得到高效降解多黏菌素的菌株；劉越等[36]從蘇州某制藥廠受污染土壤中篩選出一株1,3,6,8-四溴咔唑降解菌，在最適條件下該菌20 d對1 mg/L的1,3,6,8-四溴咔唑的降解率為80%。這些都證明了使用微生物法降解微生物制藥菌渣中殘留抗生素的可行性。筆者從堆放菌渣的土壤中篩選出一株可降解阿卡波糖菌渣的鉤狀木霉，培養(yǎng)7 d后該菌可將25 g/L的游動放線菌菌渣降解70%以上。

微生物法可有效解決微生物制藥過程中產(chǎn)生的廢棄物生物安全問題，不僅提高了資源的回收利用率，也延長了相關產(chǎn)業(yè)鏈，既有利于生物醫(yī)藥相關產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，又對社會、經(jīng)濟和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[37]。但由于大部分微生物制藥菌渣存在殘留抗生素及有毒代謝產(chǎn)物等不利因素，使得該法局限于少數(shù)抗生素菌渣的處理，在相關文獻中，某一抗生素菌渣也僅回用于該抗生素發(fā)酵，適用性較窄。因此，應在發(fā)現(xiàn)高效、適用性廣的降解菌種及開發(fā)相應處理工藝方面加大研究力度。

2.5 熱解法

熱解法是指在高溫和無氧或缺氧條件處理大分子有機物，將其分解為小分子的固體碳、液體和氣體[38]。微生物制藥菌渣中含有豐富的粗蛋白、粗脂肪、微量元素和一定的殘留抗生素，可通過熱解法將其轉(zhuǎn)化為生物油、燃氣(合成氣)及生物炭[39]，有效減少了有害氣體的排放。賈蒙蒙等[40]對慶大霉素菌渣熱解產(chǎn)物的化學特性進行研究，結(jié)果表明其熱解油中含C13～C18和C1～C12化合物含較多，可通過進一步加工將其作為優(yōu)質(zhì)燃料油使用；陳黎等[41]以妥布霉素菌渣為原料制備出具有高吸附力的生物炭，在該生物炭中未檢測到妥布霉素殘留，證明了熱解技術可有效實現(xiàn)抗生素菌渣減量化，并可進一步制備生物吸附劑；王斌[42]使用微型流化床分析系統(tǒng)在氬氣氣氛中將青霉素菌渣和褐煤共熱解，發(fā)現(xiàn)在含20%的菌渣時，對兩者的共熱解具有最大促進作用，氣體產(chǎn)率最高，氣化產(chǎn)物可達到工業(yè)應用標準，證明了流化床熱解氣化技術可無害化處理菌渣，并能為工業(yè)生產(chǎn)提供燃氣等清潔能源。

熱解技術的脫毒效果好，并能實現(xiàn)菌渣的多重資源化利用，但設備及運行成本較高，其應用受到較大限制，但其仍對穩(wěn)定性強、毒副作用較大的抗生素菌渣處理具有研究價值[43]。

2.6 水熱法

水熱法是利用高溫液態(tài)水將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成焦炭、生物油和燃氣的技術。由于反應在密閉條件下進行，可消除二噁英等二次污染物的影響[44]。水熱法是一種菌渣無害化處理的良好方法，如趙志瑞等[45]采用水熱炭化處理青霉素菌渣制備出生物炭；張光義等[46]利用水熱法處理頭孢菌素C制備固態(tài)燃料。

與其他處理方式相比，水熱法反應溫度較低、條件較為溫和，并且在處理含水率高、分散的有機廢棄物時具有原料無需干燥、能耗低等優(yōu)點，降低了能量消耗和運行成本[47]，同時還能產(chǎn)生燃氣、生物油和焦炭等附加產(chǎn)物，可以實現(xiàn)危險廢物的資源化利用[5]。但水熱處理設備成本高，反應時間長，應用受到較大限制，目前未廣泛應用?？蓪⑺疅岱ㄅc其他處理技術聯(lián)合使用，降低能耗的同時也可縮短反應時間，同時提高菌渣的處理效果。

2.7 電子束輻照技術

電子束輻照技術利用加速過的電子束對處理對象進行沖擊或輻照，引發(fā)一系列非常規(guī)的化學反應，從而破壞待降解物的結(jié)構(gòu)。電子束輻照技術常用于污水處理與食品滅菌領域，近年來也被嘗試應用于降解菌渣。其原理在于：一方面，高能電子束可以直接作用于殘留藥物，使其分子鏈斷裂；另一方面，它能與菌渣中的水分子作用，產(chǎn)生強氧化粒子與強還原粒子，破壞殘留藥物結(jié)構(gòu)[48]。陳川紅等[49]對硫紅霉素菌渣采用電子束輻照與雙氧水氧化協(xié)同處理，對頭孢菌素菌渣直接采用電子束輻照處理，其污染物含量均下降50%以上；王建龍等[50]采用Co60γ-射線對青霉素菌渣進行輻照，測得在輻照吸收劑量為10 kGy時，青霉素去除率達80%以上，證明電子束輻照技術處理菌渣可行且高效；Shen等[51]利用電離輻射法降解發(fā)酵殘留物中的抗生素，輻射劑量為10 kGy時，微生物制藥菌渣中的紅霉素A含量降低了86%，其細菌去除率高達99%，并且微生物制藥菌渣中大分子有機物無明顯變化，表明處理后的發(fā)酵殘留物可作為肥料。

電子束輻照技術可在常溫常壓條件下進行，且在使用過程中較少使用化學試劑，不產(chǎn)生二次污染，具有高效、節(jié)能、安全的優(yōu)點，但對其降解機理與產(chǎn)物毒性方面的研究并不全面，在微生物制藥菌渣降解方面應用也較少，需要進一步研究和開發(fā)。

3 結(jié) 論

綜上所述，微生物制藥菌渣的高效處理備受各界關注，盡管目前有多種處理方法，但都有明顯的優(yōu)勢與瓶頸。焚燒法成本高，且易造成空氣污染；填埋法成本高且容易造成土壤污染，占地面積廣，造成土地資源的浪費甚至可能會污染地下水資源；厭氧消化法可高度資源化利用菌渣，但在處理過程中會產(chǎn)生廢水，且抗生素等藥物不能完全被降解，后續(xù)處理工藝繁瑣；堆肥法成本低，設備簡單，經(jīng)濟效益高但不能徹底處理殘留抗生素[52]，造成污染；微生物法安全高效但適用性單一，需要加大開發(fā)力度；熱解法與水熱法都是較好的無害化處理菌渣的方法，能提供多種可再利用的附加產(chǎn)品，經(jīng)濟效益高，但因設備成本高昂，未得到廣泛應用；電子束輻照技術是一種高效節(jié)能的新型技術，但在其降解機理、產(chǎn)物毒性以及菌渣的處理方面還需要進一步探索。文獻表明[53-54]：現(xiàn)有的處理技術不能完全高效地處理所有微生物制藥菌渣，故在處理菌渣時可聯(lián)合使用兩種或兩種以上技術，提高降解效率，降低處理成本，增加經(jīng)濟、環(huán)境效益。目前，國外對于合理處置菌渣的相關文獻報道較少，微生物藥物殘留的處理技術主要集中于各種工業(yè)廢水的處理和飲用水水質(zhì)的凈化，如利用微生物降解廢水中藥物并回收營養(yǎng)物質(zhì)[55]、電化學法處理醫(yī)療廢水[56]和雙水相萃取廢水中殘留藥物[30]等。隨著社會的發(fā)展，人們對環(huán)境的要求也越來越高，所以在處理微生物制藥菌渣的時候，要保證菌渣在直接接觸動植物和人體方面的應用(如肥料、飼料)上無害，安全性需要嚴格達標；除改良工藝、減少污染和降低成本外，需要結(jié)合相關企業(yè)生產(chǎn)工藝、菌渣產(chǎn)量和菌渣理化特性來選擇具體的處理方法，或者綜合多種處理和再利用方式，提高資源循環(huán)利用效率。各個地方應加大微生物制藥菌渣處理技術研發(fā)力度，盡量采用就地無害化處理和綜合利用技術[47]，如菌渣厭氧消化法、堆肥法、生物降解法、熱解法、水熱法和電子束輻照技術等。隨著人們愈加重視環(huán)境安全，菌渣處理技術會不斷進步，為企業(yè)低成本及高效處理菌渣提供新的思路，推動我國微生物制藥產(chǎn)業(yè)更好更快地發(fā)展。