【正文】 青霉素菌渣能源化和肥料化的可行性分析 青霉素菌渣能源化的可行性分析華北制藥近年來(lái)通過(guò)對(duì)抗生素菌渣資源化的研究，得出抗生素菌渣發(fā)酵制沼氣這一資源化途徑。運(yùn)用MatLab軟件編程建模，X取2000mg/kg，可得青霉素菌渣飼料化的成人和兒童的人體致敏量表征三維模型圖，見(jiàn)圖28和29。d）；——蛋、奶、水產(chǎn)品中的青霉素兒童人體暴露量（mg/kg青霉素菌渣飼料化過(guò)程大部分是經(jīng)口攝入，因此在衡量青霉素致敏量時(shí)主要參考青霉素口服藥臨床反應(yīng)。表214 青霉素菌渣在成人暴露量中的貢獻(xiàn)值菌渣添加比例肉脂肪飲水總貢獻(xiàn)未處置處置80%未處置處置80%未處置處置80%未處置處置80%1%42%52%3%4%24%6%69%62%2%34%49%3%4%39%11%76%64%3%29%47%2%4%49%16%80%67%4%25%44%2%4%56%20%83%68%5%22%42%2%3%61%24%85%69%6%19%40%2%3%65%27%86%70%7%17%39%1%3%69%31%87%73%8%16%37%1%3%72%33%89%73%9%15%36%1%3%74%36%90%75%10%13%34%1%3%76%39%90%76%表215 青霉素菌渣在兒童暴露量中的貢獻(xiàn)值菌渣添加比例肉脂肪飲水總貢獻(xiàn)未處置處置80%未處置處置80%未處置處置80%未處置處置80%1%59%70%8%10%19%4%86%84%2%50%67%7%9%32%9%89%85%3%43%64%6%9%41%12%90%85%4%38%61%5%8%48%16%91%85%5%34%59%5%8%54%19%93%86%6%30%57%4%8%58%22%92%87%7%28%55%4%7%62%25%94%87%8%25%53%3%7%65%27%93%87%9%23%51%3%7%68%30%94%88%10%22%50%3%7%70%32%95%89%由圖22~圖25可知，不論菌渣是否經(jīng)過(guò)處置，肉類和脂肪中青霉素菌渣的貢獻(xiàn)比例均隨著菌渣添加比例的增加而減少，而飲用水中青霉素菌渣的貢獻(xiàn)比例則隨著菌渣添加比例的增加而增加。青霉素隨糞便施加到土壤中約有90%以上被土壤中的復(fù)雜體系降解，剩余10%會(huì)被淋洗至水體中[59]。4）奶、蛋、水產(chǎn)品中青霉素殘留量①牛奶：徐哲[55]等對(duì)106份牛奶進(jìn)行檢測(cè)，；卞欣欣[56]等對(duì)新疆地區(qū)牛奶和雞蛋中抗生素殘留規(guī)律研究表明青霉素鉀在牛奶中的殘留規(guī)律為停藥1d后殘留量達(dá)到最高，；《動(dòng)物性食品中獸藥最高殘留限量》中規(guī)定奶中最高允許殘留量標(biāo)準(zhǔn)4mg/kg。表26 雞肉中青霉素殘留量（mg/kg）菌渣添加比例雞肉中青霉素殘留量（未處置）雞肉中青霉素殘留量（處置80%）1%272%543%814%1085%135276%1627%1898%2169%24310%27054②豬肉中青霉素殘留量當(dāng)豬飼料中青霉素菌渣添加比例為f時(shí)，每千克豬肉中的青霉素殘留量見(jiàn)式。d）。 暴露評(píng)價(jià)暴露評(píng)價(jià)是通過(guò)對(duì)危害因子的強(qiáng)度、暴露持續(xù)時(shí)間、暴露途徑、暴露人群的特征等信息進(jìn)行測(cè)定、估算或預(yù)測(cè)的過(guò)程。青霉素性質(zhì)不穩(wěn)定，受溫度、pH等因素影響較大，易分解成青霉噻唑酸和青霉烯酸。表22 青霉素菌渣與大豆餅常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分及氨基酸含量對(duì)比[28],[30]營(yíng)養(yǎng)成分大豆餅青霉素菌渣青霉素菌渣/大豆餅干物質(zhì)DM（%）粗蛋白質(zhì)CP（%）粗脂肪EE（%）粗纖維CF（%）無(wú)氮浸出物NFE（%）粗灰分Ash（%）鈣Ca（%）總磷P（%）精氨酸Arg（%）2組氨酸His（%）異亮氨酸He（%）亮氨酸Leu（%）賴氨酸Lys（%）蛋氨酸Met（%）胱氨酸Cys（%）1苯丙氨酸Phe（%）酪氨酸Tyr（%）蘇氨酸Thr（%）色氨酸Trp（%）纈氨酸Val（%）總能量（MJ/kg）（1）通過(guò)大豆餅和青霉素菌渣常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分的對(duì)比可知青霉素菌渣的DM，CP，NFE，Ash，Ca，；青霉素菌渣的EE和CF分別占大豆餅的49%和71%，但均滿足GB/T59152008仔豬、生長(zhǎng)肥育豬配合飼料和GB/T59162008肉用仔雞配合飼料的標(biāo)準(zhǔn)。因此有必要建立一套科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以及風(fēng)險(xiǎn)管理體系，將各種處理處置工藝對(duì)人體和環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)影響明確化、定量化，通過(guò)全過(guò)程管理，降低抗生素殘留的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，使抗生素菌渣能夠被有效的資源化利用，減輕企業(yè)的負(fù)擔(dān)，積極響應(yīng)國(guó)家十二五規(guī)劃中“綠色發(fā)展，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”的倡導(dǎo)。（5）其他處理處置技術(shù)抗生素菌渣含有大量蛋白質(zhì)、糖類、生長(zhǎng)因子、粗纖維、維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，處理后可回收制備抗生素菌體發(fā)酵培養(yǎng)基循環(huán)利用[12][14]。但 直接進(jìn)行安全填埋，會(huì) 造成資源浪費(fèi)，且存在選址困難，運(yùn)輸費(fèi)用增加以及滲出液可能污染地下水、菌渣發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣存在火災(zāi)和爆炸隱患等問(wèn)題。青霉素的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖12?？股鼐看?，產(chǎn)量多，且含有大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，脫水后具有很高的熱值，可資源化性強(qiáng)。目前抗生素菌渣的處理處置方式主要采用焚燒和填埋，這樣不僅造成了菌渣中大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的浪費(fèi)，同時(shí)也大大增加了抗生素生產(chǎn)廠家的經(jīng)濟(jì)成本。據(jù)化學(xué)制藥工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)青霉素工業(yè)鹽產(chǎn)量10年間增長(zhǎng)了475%；阿莫西林產(chǎn)量10年間增長(zhǎng)了614%。⑤抗假單胞菌青霉素：如哌拉西林、羧芐西林、替卡西林等。同時(shí)，焚燒方法無(wú)法徹底去除菌渣中的重金屬。河北科技大學(xué)劉波文[19]利用青霉素菌渣為原料制備活性炭，活性炭的產(chǎn)率為15%~25%之間。（3）構(gòu)建抗生素菌渣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理體系結(jié)合國(guó)家相關(guān)政策及抗生素菌渣的危害特性，利用軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)（Linux+Tomcat+Oracle+Java），構(gòu)建出適于我國(guó)抗生素菌渣環(huán)境污染與健康管理的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理信息系統(tǒng)框架，為抗生素制藥菌渣的全過(guò)程管理和安全處置提供網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)。 代謝利用分析飼料在動(dòng)物體內(nèi)的代謝利用能力也是考察飼料可行性的重要指標(biāo)。 劑量反應(yīng)評(píng)估青霉素及其降解產(chǎn)物無(wú)致癌性，為有閾化合物，參考劑量按式計(jì)算[45]。圖21青霉素菌渣飼料化的人體暴露途徑 暴露量的計(jì)算方法（1）攝食途徑青霉素菌渣飼料化后，經(jīng)攝食進(jìn)入人體的途徑有飲食攝入、土壤無(wú)意攝入和飲水?dāng)z入。d）肌肉50肝50腎50脂肪50奶4青霉素菌渣在畜禽飼料中添加比例的不同會(huì)導(dǎo)致人體的青霉素暴露量有所差異。表27 豬肉中青霉素殘留量（mg/kg）菌渣添加比例豬肉中青霉素殘留量（未處置）豬肉中青霉素殘留量（處置80%）1%432%863%1294%1725%215436%2587%3018%3449%38710%430862）脂肪中青霉素殘留量關(guān)于青霉素在動(dòng)物脂肪中殘留的相關(guān)研究較少，本文在計(jì)算脂肪中青霉素殘留量時(shí)根據(jù)《動(dòng)物性食品中獸藥最高殘留限量》中規(guī)定的動(dòng)物脂肪中的青霉素殘留量（PDE3）50μg/kg體重由土壤肥料學(xué)通論可知，每畝耕層土地重150000kg。青霉素在水中經(jīng)吸附、光化學(xué)降解、生物降解以及其他非生物降解，在飲用水中無(wú)法檢出，很多學(xué)者認(rèn)為如此低濃度的抗生素藥物不會(huì)危害人體健康[63]。d）；RfD——青霉素菌渣參考劑量（mg/kg楊志廣[72]觀察到一名19歲患者，連續(xù)服用3天青霉素V鉀片，每天三次，每次500mg，第三天出現(xiàn)過(guò)敏性休克。因此在進(jìn)行菌渣添加比例和處置率的相關(guān)研究時(shí)，以兒童可承受的最大值作為人體健康風(fēng)險(xiǎn)的安全界限。 本章小結(jié)本章通過(guò)對(duì)青霉素菌渣在吸入、接觸、吸收等途徑中的人體暴露量進(jìn)行分析，結(jié)合青霉素菌渣毒性和穩(wěn)定性特征等多重因素，對(duì)青霉素菌渣飼料化的人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究結(jié)果表明：（1）當(dāng)菌渣添加量由1%增加至10%時(shí)，青霉素菌渣未處置和處置80%后飼料化的成人健康風(fēng)險(xiǎn)值和兒童健康風(fēng)險(xiǎn)值均小于10－6，風(fēng)險(xiǎn)可忽略。Kumar等人[87]研究了青霉素在高等植物中的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)500ppm青霉素可誘導(dǎo)水稻種子α淀粉酶等水解酶的形成，有助于菊花、水稻、大豆、向日葵等植物葉綠體色素的合成并抑制其降解，從而延長(zhǎng)植物光合作用，提高作物產(chǎn)量；用1000ppm的青霉素處理綠豆莖插條可促進(jìn)其莖葉的生長(zhǎng)。菌渣處置率大于72%時(shí)，菌渣的最大添加比例可達(dá)到100%，此時(shí)的人體健康風(fēng)險(xiǎn)值小于106，風(fēng)險(xiǎn)可忽略。圖26 青霉素菌渣飼料化的成人健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型圖27 青霉素菌渣飼料化的兒童健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型由圖26和27可知成人和兒童風(fēng)險(xiǎn)值在不同菌渣處置率和添加比例下變化的趨勢(shì)，菌渣處置率越小，飼料中菌渣添加比例越大，兒童和成人風(fēng)險(xiǎn)值越大，相同條件下兒童風(fēng)險(xiǎn)值明顯高于成人風(fēng)險(xiǎn)值。因此，在菌渣添加比例為1%~10%，未處置和處置率為80%的青霉素菌渣飼料化導(dǎo)致的人體過(guò)敏風(fēng)險(xiǎn)均可忽略。 式中 K——風(fēng)險(xiǎn)比值；R0——青霉素菌渣處置率為0時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)值（a1）；R80%——青霉素菌渣處置率為80%時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)值（a1）。d)Ev11ΗTSP(mg/m3)Rv(m3/d)2010RBoBi91274EFO9191EFI274274（2）暴露量根據(jù)上述所取參數(shù)可計(jì)算出青霉素菌渣飼料化過(guò)程中不同添加比例時(shí)成人和兒童的暴露量，具體結(jié)果見(jiàn)表212，213。張麗君[52]研究表明1mg/g的青霉素在土壤中的降解速率約為7d，且降解大致符合線性規(guī)律。表28 青霉素在豬糞尿中的殘留量（mg/kg）菌渣添加比例豬糞尿中青霉素殘留量(未處置)豬糞尿中青霉素殘留量(處置80%)1%2%3%4%5%6%7%8%9%10%表28為青霉素菌渣不同添加比例時(shí)，青霉素在豬糞尿中的殘留量。1）肉類中青霉素殘留量青霉素菌渣飼料化過(guò)程中，青霉素在肉類中的殘留量以雞肉和豬肉為例進(jìn)行計(jì)算，取二者計(jì)算結(jié)果中最大的殘留量為后續(xù)模型計(jì)算的基準(zhǔn)。但對(duì)于青霉素菌渣而言，直接接觸途徑主要是通過(guò)土壤與皮膚接觸進(jìn)入人體。FAO/ 危害識(shí)別危害識(shí)別主要是確定對(duì)人群產(chǎn)生有害效應(yīng)的環(huán)境因素并估計(jì)其強(qiáng)度。將青霉素菌渣中重金屬含量與GB130782001中規(guī)定的重金屬最大允許量對(duì)比，具體見(jiàn)表21。 抗生素菌渣處理處置難點(diǎn)通過(guò)對(duì)抗生素菌渣各種處置技術(shù)的綜合比較可知，所有處置技術(shù)的難點(diǎn)都與菌渣中抗生素殘留有關(guān)。抗生素?zé)o害化處理后按適當(dāng)比例作為動(dòng)物飼料添加劑可增加禽畜抗病能力，提高禽畜產(chǎn)品產(chǎn)量。青霉素鉀或鈉極易溶于水，水解率隨溫度的升高而加速，最終水解產(chǎn)物為無(wú)抗菌活性的青霉烯酸和青霉素噻唑酸，兩者可使溶液的pH值降低，促進(jìn)青霉素的進(jìn)一步水解。圖11 青霉素菌渣生產(chǎn)工藝流程圖 青霉素菌渣的性質(zhì)青霉素菌渣是青霉素發(fā)酵的副產(chǎn)物，含水率高、成分復(fù) 雜，由少量青霉素、重金屬、發(fā)酵菌菌 體、多環(huán)芳烴等有機(jī)物組成。所構(gòu)建的水生生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型可通過(guò)菌渣中青霉素殘留量、青霉素在水中的停留時(shí)間和廢水中青霉素的處置率計(jì)算出青霉素菌渣能源化和肥料化過(guò)程的水生生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)表征值。評(píng)價(jià)結(jié)果表明青霉素菌渣在能源化和肥料化過(guò)程中對(duì)陸生生態(tài)和水生生態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)均很小，可忽略。 青霉素菌渣的產(chǎn)生及性質(zhì) 青霉素菌渣的產(chǎn)生青霉素產(chǎn)生于菌種發(fā)酵工藝后期，發(fā)酵液過(guò)濾后，青霉素由后續(xù)工藝結(jié)晶提純，而過(guò)濾所得的濾渣即為青霉素菌渣，具體的產(chǎn)生流程見(jiàn)圖11。青霉素鈉在pH為6~7時(shí)穩(wěn)定性最好，脫離此pH范圍均會(huì)使β內(nèi)酰胺環(huán)斷裂，最終導(dǎo)致青霉素鈉分解[3]。吳萍等[10]以廢菌渣為主要原料，利用釀酒酵母和黑曲霉兩菌株進(jìn)行混合固態(tài)發(fā)酵，%的粗蛋白質(zhì)。上述技術(shù)對(duì)抗生素菌渣中的可利用資源進(jìn)行了提取和循環(huán)利用，但由于受工藝條件、提取率較低、二次污染等原因的限制，使得這些技術(shù)目前還難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。 衛(wèi)生安全性分析青霉素菌渣中不含有惡唑烷硫酮、氰化物、異硫氰酸酯、游離棉酚等其他有害物質(zhì)，可能含有的有害物質(zhì)只有重金屬，因此，在對(duì)其進(jìn)行衛(wèi)生安全性分析時(shí)，主要側(cè)重于重金屬含量是否在安全范圍內(nèi)。 青霉素菌渣飼料化的人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)本文在對(duì)青霉素菌渣飼料化進(jìn)行人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)主要通過(guò)對(duì)青霉素菌渣飼料化過(guò)程進(jìn)行危害識(shí)別，結(jié)合青霉素毒理性實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行劑量反應(yīng)評(píng)估，然后對(duì)經(jīng)口攝入、皮膚接觸（土壤）、吸入土壤顆粒物等暴露途徑中涉及的人體暴露量