【導(dǎo)讀】成了資源浪費還會對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)安全造成嚴(yán)重的影響。各個方案的優(yōu)劣。然后針對經(jīng)不同處置途徑進(jìn)入環(huán)境中的菌渣所引起的人群健。實現(xiàn)的過程進(jìn)行了說明。以石家莊某抗生素制造廠為例，運用AHP-模。置技術(shù)，得出飼料化為最佳處置技術(shù)。的菌渣進(jìn)行了人體健康風(fēng)險評價和水生生態(tài)風(fēng)險評價。首先運用層次分析法建。為制藥菌渣的安全處置與管理提供指導(dǎo)作用。

　　

【正文】 風(fēng) 險 評 價健 康 風(fēng) 險 評 價 生 態(tài) 風(fēng) 險 評 價環(huán) 境 行 為土 壤 水 體 糞 肥最 低 無 影 響 濃 度風(fēng) 險 識 別暴 露 反 應(yīng) 劑 量 效 應(yīng) 分 析暴 露 濃 度基 礎(chǔ) 資 料 的 收 集菌 渣 類 型Β 內(nèi) 酰 胺 類 四 環(huán) 素 類 大 環(huán) 內(nèi) 酯 類 氨 基 糖 苷 類 其 他 類風(fēng) 險 表 征圖 11 研究課題的技術(shù)路線圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 14 第 2章 菌渣處理處置技術(shù)與技術(shù)庫框架的構(gòu)建 菌渣如何處置關(guān)系到菌渣或菌渣處置產(chǎn)生物進(jìn)入環(huán)境而導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量的變化 以及可能引起的環(huán)境風(fēng)險，而且目前菌渣的處置主要集中在外賣做肥料、填埋或焚燒，這些處理處置菌渣的方式或技術(shù)是否可能引起環(huán)境問題或肥料中抗生素殘留是否存在潛在的環(huán)境風(fēng)險，有必要進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。為此，本章對菌渣處置技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析、整理，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建菌渣技術(shù)數(shù)據(jù)庫，以便指導(dǎo)菌渣科學(xué)有效的處置與管理。 抗生素菌渣處置技術(shù)現(xiàn)況調(diào)查與分析 抗生素菌渣是抗生素生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的發(fā)酵廢渣，為了篩選出技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的菌渣處理處置方案，必須要先準(zhǔn)確的了解菌渣的基本性質(zhì)。 抗生素菌渣的分類與菌渣主要成分分析 抗生素菌渣的分類 一般抗生素菌渣是按照抗生素的區(qū)分的， 抗生素的分類也有很多種， 可以按照它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)或者作用機理，目前應(yīng)用較多的是依據(jù) 抗生素的結(jié)構(gòu)分為 六 大類 。 （ 1）β 內(nèi)酰胺類抗生素 系指化學(xué)結(jié)構(gòu)中具有β 內(nèi)酞胺環(huán)的一類抗生素，具體結(jié)構(gòu)見圖 21，最常見的此類抗生素是青霉素和頭孢菌素，以及新發(fā)展的頭霉素類、硫霉素類等。它們主要抑制抗革蘭氏陽性菌的活性，作用機制均相似，通過抑制轉(zhuǎn)肽酶干擾細(xì)胞壁的合成。 圖 21 青霉素類抗生素結(jié)構(gòu)式 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 15 其中青霉素由母核 6APA 與側(cè)鏈構(gòu)成，側(cè)鏈決定 其特異性。 6APA 包括β 內(nèi)酰胺環(huán)和四氫噻唑環(huán)。天然抗生素主要包括青霉素 G、 x、 F、 K、雙氫 F等 5 種 [46]，穩(wěn)定性差，不耐酸、不耐堿，易受親核性試劑和親電性試劑的進(jìn)攻使β 內(nèi)酰胺環(huán)開環(huán)而失效；青霉素是一元酸，可成鹽。其鹽易溶于水，酸易溶于有機溶劑。醫(yī)藥上常用鉀鹽和鈉鹽為白色結(jié)晶或粉末。青霉素鈉鹽為白色結(jié)晶性粉末，無臭或微有特異性臭，有引濕性，遇酸、堿或氧化劑等即迅速失效，水溶液在室溫放置易失效。青霉素鈉是很不穩(wěn)定的化合物，內(nèi)酰胺鍵易被水、酸、堿、重金屬離子及青霉素酶等分解而使其失去活性，并且分子很易發(fā)生重 排。早在 1973 年， Cole 就發(fā)現(xiàn)青霉素的主要代謝產(chǎn)物是青霉噻唑酸。 青霉素對人體的最大危害是可能會引發(fā)過敏反應(yīng)和變態(tài)反應(yīng)。致敏物質(zhì)主要是外源性雜質(zhì)和內(nèi)源性聚合物，作為半抗原的降解產(chǎn)物，進(jìn)入體內(nèi)后與蛋白質(zhì)或多肽分子結(jié)合成為全抗原，刺激機體產(chǎn)生抗體，抗原抗體結(jié)合引起各種類型的過敏反應(yīng)。 （ 2）大環(huán)內(nèi)酯類抗生素 以大環(huán)內(nèi)酯為母體，通過羥基以苷鍵和 1~3個糖分子相連的抗生素，通常按內(nèi)酯環(huán)的組成分為 14 元環(huán)和 16 元環(huán)等。臨床常用的有紅霉素、泰樂菌素、羅紅霉素、乙酞螺旋霉素、麥迪霉素和交沙霉素等。 圖 22 紅霉素類抗生素結(jié)構(gòu)式 馬玉龍研究表明紅霉素由鏈霉素 (Stretomyees erythreus)所產(chǎn)生，是一種堿性抗生素，為白色或類白色的結(jié)品或粉末，無臭，味苦，微有引濕性。在甲醇、乙醇或丙酮中易溶，在水中極微溶解。紅霉素抗菌譜和青霉素相似，主要是對革蘭剛性菌如金葡菌、溶血性鏈球菌、肺炎球菌、白喉桿菌、炭疽桿菌及梭形芽胞桿菌等 ，均有抗菌作用。 （ 3）四環(huán)素類抗生素 由鏈霉菌提取，具有共同的基本母核 (氫化駢四苯 )，僅取代基有所不同的一類化合物。它們是兩性物質(zhì)，可與堿或酸反應(yīng)而成鹽。通常在堿性水溶液中易降解，在酸性水溶液中則較穩(wěn)定，故臨床一般用哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 16 其 鹽 酸 鹽 。 主 要 包 括 四 環(huán) 素 (tetraeyeline) ， 土 霉 素 ( 氧 四 環(huán) 素 ，oxytetraeycline)，金霉素 (氯四環(huán)素， chlortetracycline)和去甲金霉素等。四環(huán)素類藥物快速抑菌劑，在高濃度具有殺菌作用，抗菌譜廣，價格便宜。 圖 23 四環(huán)素類抗生素結(jié)構(gòu)式 從 結(jié)構(gòu)上看，四環(huán)素類抗生素同時含有酸性官能團和堿性官能團，酚羥基、烯醇羥基以及二甲胺基，為兩性化合物，故而在環(huán)境介質(zhì)中吸附性較強。姚志鵬等對土霉素在土壤中的微生態(tài)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其中的一個降解產(chǎn)物 4epiOTC，半衰期長達(dá) 270 天，其他產(chǎn)物的濃度不到母體的 2%，因此考慮土霉素及代謝產(chǎn)物的環(huán)境影響時僅考慮土霉素和 4epiOTC 即可 [29]。 （ 4）氨基糖苷類藥物 化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有氨基醇環(huán)和氨基糖分子，并由配糖鍵連接成苷，由氨基糖與氨基環(huán)醇通過氧橋連 接而成的苷類抗生素。天然抗生素主要有慶大霉素（ gentamicin）、鏈霉素（ streptomycin）、卡那霉素等，由鏈霉菌和小單胞菌產(chǎn)生。 (5) 多肽類 桿菌肽類、萬古霉素等。 （ 6）其他類 抗腫瘤抗生素 、林可霉素抗生素、氯霉素等抗生素。 四環(huán)素類抗生素、大環(huán)內(nèi)酯類抗生素、林可霉素抗生素的理化性質(zhì)如下表21，可以看出抗生素的揮發(fā)性都很差，四環(huán)素類抗生素是兩性化合物、大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的非極性較林可霉素和四環(huán)素類抗生素強。 表 21 抗生素的基本理化性質(zhì) 藥物名稱 CAS 編號 摩爾質(zhì)量(g/mol) 酸離解常數(shù)pKa 辛醇 水分配系數(shù) logKow 亨利常數(shù)H(atm/m3 mol) 金霉素 57625 ， ， ， 土霉素 79572 ， ， ， 四環(huán)素 60548 ， ， 紅霉素 114078 泰樂菌素素 1401690 ， 林可霉素 154212 抗生素菌渣的成分分析 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 17 菌渣主要是微生物在發(fā)酵培養(yǎng)基上培養(yǎng)一段時間后，發(fā)酵液經(jīng)過過濾形成的濾餅部分，從整個培養(yǎng)過程來看，菌渣中含有豐富的有機物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)，還有一定的抗生素殘留、滅活的菌絲體、重金屬以及絮凝劑等，不含其它的有害物質(zhì)。 抗生素發(fā)酵培養(yǎng)基主要有為菌種生長代謝提供能量的碳源，如葡萄糖、淀粉、有機酸等，氮源主要有玉米漿、黃豆餅粉、麥麩、酵母粉、硫 酸銨、尿素等，以及無機鹽、微量元素和苯乙酸、丙酸鹽等抗生素的前體?？股厥俏⑸锏拇渭壌x產(chǎn)物，菌種接入培養(yǎng)基后，經(jīng)過一段時間的發(fā)酵后，需要把發(fā)酵罐中發(fā)酵液過濾來提取高純度的抗生素。過濾機上的濾渣（又稱濾餅）就是過濾后的廢棄物也就是本研究的研究對象，簡稱菌渣。為了提高抗生素的提取效率，發(fā)酵液過濾前需要加入絮凝劑、助濾劑可能還會加入酸化劑等加快菌絲體的絮凝沉淀，而這些物質(zhì)毒性較小，由此可見菌渣中的有毒有害物質(zhì)是很有限的。 石 英 砂 土 管 菌 種 斜 面 試 管 孢 子 菌 種茄 子 瓶 生 產(chǎn) 用 米 孢 子 菌 種發(fā) 酵 罐發(fā) 酵 液過 濾濾 餅濾 液酸絮 凝 劑水青 霉 素 工 業(yè) 鹽種 子 罐 圖 24 青霉素菌渣的形成過程 圖 24 為某制藥廠青霉素菌渣的形成過程，由于抗生素發(fā)酵菌種對發(fā)酵原材料的利用率很低僅 1%~4%，因此抗生素工業(yè)化生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄菌渣的數(shù)量相當(dāng)大， 一般每 100m3 的發(fā)酵液可形成約 30~40m3 的濕菌渣 [9]， 按照每噸抗生素產(chǎn)品產(chǎn)生 6 噸菌渣計算，我國抗生素菌渣年排放量已經(jīng)超過 180 萬噸?？股禺a(chǎn)生菌主要是放線菌（約占 70%以上），其中鏈霉菌又是一個很好的代表。在菌渣中的鏈霉菌細(xì)胞核內(nèi)含有核酸、細(xì)胞膜中含有豐富 的麥角固醇、細(xì)胞壁中含有葡聚糖和甲殼素等，細(xì)胞質(zhì)和結(jié)合水 內(nèi)營養(yǎng)成分 ，此外還有 少量的抗生素 及代謝產(chǎn)物殘留。抗生素菌渣粘度大，含水率高（且多為結(jié)合水），長時間放置即可自溶變質(zhì)。 不同種類的抗生素菌渣的成分不同，即使是同一種類由于每個抗生素生產(chǎn)廠家采用的工藝不同，菌渣的成分也會有所不同。表 22 為調(diào)查的不同廠家的抗生素菌渣的成分。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 18 表 22 調(diào)查的抗生素菌渣中主要養(yǎng)分含量 材料 pH 含水量（ %） 殘余效價（ mg/kg） 有機質(zhì)含量（ %） 熱值( MJ/kg) N（ %） 無機成分（ %） 重金屬（ mg/kg） 多環(huán)芳烴（μ g/kg） 來源 P2O5 SiO2 CaO Zn 其他 紅霉素藥渣 32 1000~3000 11% ＜，低于《 中華人民共和國農(nóng)用污泥控制標(biāo)準(zhǔn) 》 的標(biāo)準(zhǔn)限值 鎮(zhèn)江制藥 廠 紅霉素藥渣 西安光華 制藥廠 青霉素藥渣 44. 08 21. 130 . 無機成分＜ 15 176. 4 苊 芘 熒蒽 華北制藥 青霉素藥渣 石家莊中 潤 青霉素藥渣 75 河南省華星制藥廠 土霉素菌渣 41. 36 17. 950 249. 72 苊 芴 芘 石家莊曙光飼料有限公司 土霉素菌渣 8～ 9 % 華北制藥 四環(huán)素菌渣 ~ 南陽普康藥業(yè)有限公司 林可霉素菌渣 74 泰樂菌素 45~2020 少量 寧夏多維藥業(yè)有限公司 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 19 菌渣的處理處置技術(shù)現(xiàn)狀分析 菌渣處理處置技術(shù)是菌渣實現(xiàn)“無害化、減量化、資源化”的前提和保證，科學(xué)合理的菌渣處理處置技術(shù)不但能夠?qū)崿F(xiàn)安全、環(huán)保地解決菌渣產(chǎn)生的環(huán)境問題，還能夠最大限度地利用菌渣，使其中有用的資源得到二次利用。對于菌渣的處理處置，國內(nèi)與國外有所差別，國外正在逐步將常規(guī)抗生 素生產(chǎn)推向發(fā)展中國家，自己生產(chǎn)技術(shù)成分高、附加值高的抗生素，故而產(chǎn)生污染較少一般采用高溫焚燒的方法，而國內(nèi)由于抗生素生產(chǎn)規(guī)模大、難以支付焚燒法的高昂費用，一般是作為飼料或肥料。目前我國正在研究的菌渣處理處置技術(shù)主要包括菌渣脫毒即抗生素消除、干化、焚燒、菌渣肥料化、飼料化、能源化、填埋等。 抗生素菌渣中殘留抗生素的去除 菌渣中抗生素的去除主要有加入化學(xué)試劑降解法、生物降解。化學(xué)法降解耗時短，效果好，但操作復(fù)雜，且降解過程中會使用大量的有機溶劑、酸堿化學(xué)品等，不僅價格昂貴，還會產(chǎn)生大量的廢水，對 環(huán)境和工作人員產(chǎn)生一定的傷害。生物降解不僅過程簡單，而且相對安全，無毒性。 化學(xué)降解，主要是采用化學(xué)試劑使抗生素失去活性，主要適用于自然條件下降解性能差的抗生素，如四環(huán)素類菌渣。孫宏麗 [ 47]等對用鹽酸處理土霉素菌渣發(fā)現(xiàn)土霉素處理率可以高達(dá) 97%。 生物降解的實現(xiàn)是以抗生素菌渣作為微生物培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)，微生物（主要是抗生素耐藥菌等）在生長過程中把這些營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成自身物質(zhì)或者可以礦化掉，在此過程中可以使殘留的抗生素得到降解。浙江大學(xué)的許曉玲 [ 48]等從長期堆放紅霉素菌渣的土壤中分離出紅霉素降解菌粘性紅圓酵母（ Rhodotorula mucilaginosa)，該菌株能以紅霉素唯一生長碳源，降解率為%。在最適降解條件下即 pH 為 5~，反應(yīng) 48h 紅霉素降解率可達(dá)到100%。從長期堆放四環(huán)素菌渣的土壤中分離出四環(huán)素降解菌缺陷短波單胞菌（ Brevundimonas diminuta)；和人蒼白桿菌 (Ochrobactrum anthropi)，該菌株能以四環(huán)素唯一生長碳源，降解率為 %和 %。在最適降解條件下培養(yǎng) 5天四環(huán)素降解率可達(dá)到 %和 %。 菌渣干化 菌渣干化主要有加入脫水試劑法、物理法、加熱法等。 抗生素濕菌渣含水率可達(dá) 60%~80%以上，其中大部分是表面水和細(xì)胞水等結(jié)合水，粘性大，尤其是現(xiàn)在發(fā)酵液過濾中先進(jìn)的超濾膜設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的板哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 20 框過濾機、真空轉(zhuǎn)鼓過濾機工藝后，菌渣的水分更高，粘度更大，夏季自然晾曬至少得 7 天以上，水分才能降到 12%以下，堆放過程中二次發(fā)酵會產(chǎn)生惡臭甚至污染地下水，保存十分困難。若加入化學(xué)試劑脫水，由于菌渣產(chǎn)生量大，在工業(yè)生產(chǎn)中成本較高，因此應(yīng)用較少。 目前的干燥工藝主要采用加熱法，分為直接加熱和間接加熱，間接加熱菌絲與器壁黏連嚴(yán)重， 成本高，操作較困難等，基本不再采用。目前的干燥工藝是熱源直接與菌渣接觸，主要有 :旋轉(zhuǎn)直燒爐、蒸汽烘缸、導(dǎo)熱油爐、生物發(fā)酵降解法 [ 49]。旋轉(zhuǎn)直燒爐工藝熱源是高溫凈化高溫燃煤煙氣爐，與菌渣在經(jīng)過串聯(lián)兩級干燥然后冷卻，設(shè)備運行可靠、干燥效果好，污染較輕，但熱源溫度不好控制。烘缸、導(dǎo)熱油爐工藝：熱源是蒸汽或?qū)嵊停瑹嵩礈囟鹊?，有機物破壞少，工藝簡單，但設(shè)備投資大，占地多，成本高。生物發(fā)酵降解工藝：首先對菌渣進(jìn)行中溫預(yù)處理，在與腐植酸、發(fā)酵菌種等混合均勻，送至發(fā)酵塔