微生物制药菌渣处理方法研究进展

王远山，王雨薇，官佳慧，程东远

(浙江工业大学 生物工程学院，浙江 杭州 310014)

微生物制药菌渣是制药过程中微生物发酵后产生的固体废物，而我国的微生物制药菌渣主要是抗生素菌渣。抗生素菌渣中成分复杂，其中含有菌丝体、未利用的原培养基、发酵次级代谢物与残留的抗生素等，如果直接排放或处理不当，有害物质进入生态循环，最终将危害人体健康与环境安全。2002年，在农业部、卫生部、国家药品监督管理局第176号公告中抗生素菌渣被禁止作为饲料或饲料添加剂使用[1]，2008年微生物制药菌渣又被列入《国家危险废物名录》，2016年，利用生物技术生产生物化学药品、基因工程药物过程中的蒸馏及反应残渣(包括抗生素菌渣)危险废物属性进一步被确定为HW02医药废物类[2]。随着我国制药产业的飞快发展，我国已成为微生物药物生产大国，产生的微生物制药菌渣超过200 万吨/年[3]，带来了严重的环境负担。微生物制药菌渣的高效处理不仅是国家生态环境保护的需要，也是制药行业自身可持续发展的迫切需求。因此，笔者对现有的微生物制药菌渣的无害化处理方法进行归纳总结。

1 微生物制药菌渣的主要来源、特点与危害

1.1 主要来源

抗生素菌渣是微生物制药菌渣的主体，是由抗生素产生菌接种于固体、液体培养基上发酵后，再将抗生素提取后得到的。据统计，目前我国抗生素年产量超过24 万吨，每年产生的菌渣量超过200 万吨[4]。

1.2 主要特点

微生物制药菌渣是生产发酵后的残余固体废弃物，其含水率在80%左右，黏度高、易变质，而脱水后，其粗蛋白含量约占30%，粗脂肪含量为10%～20%[5]，还含有Ca、P和S等微量元素[6]。在抗生素生产过程中，需加入培养基、提取剂等[7]，这些物质和抗生素会残留于菌渣中。不同的微生物制药菌渣中所含成分多样，同种抗生素的不同工艺流程产生的菌渣也不同，其无害化处理工艺也有所不同。

1.3 主要危害

微生物制药菌渣中含有多种有毒物质，如残留抗生素、其他有毒代谢产物、重金属及多环芳香烃，因此被列为危险废弃物，禁止在动物饲料和饮用水中添加。微生物制药菌渣的组成、含量复杂，若不经过完全无害化处理就排放出来，将给人体、环境带来严重危害，具体表现[8-9]在：1) 菌渣中残留的抗生素会抑制微生物生存与繁殖，影响土壤养分循环；2) 菌渣中残留的药物，如阿维菌素、伊维菌素会抑制昆虫繁衍，痕量的避孕药物能导致鱼和两栖动物的雌性化[10]，破坏生态平衡；3) 有些微生物制药菌渣会影响植物发育，抑制农作物生长；4) 牲畜长期低剂量食用含抗生素菌渣的食物，会导致其产生耐药性[11]，抗生素会沿食物链传递到人，引起一部分人过敏与肠道菌群的紊乱；5) 抗生素在菌渣中的残留物进入环境中，会形成选择压力，导致微生物耐药性增强，出现超级细菌[12-13]。

2 微生物制药菌渣主要处理方法

2.1 焚烧与填埋法

焚烧法是利用高温将菌渣氧化分解，转变为无害的小分子物质、二氧化碳、有机物和能被利用的能量，可在较短时间内大幅度减少菌渣量，并且可以完全消除菌渣中的有害物质，同时又可以回收利用产生的热量[5]，有着高效、技术简便等优点。但由于微生物制药菌渣的含水率高、热值低，不能作为独立燃烧物，需要对样品脱水干化预处理并添加燃料，因此处理成本高昂。此外，菌渣在焚烧时会产生致癌物二噁英、氮氧化物等有害物质，若尾气处理不当，会造成二次污染，故燃烧处理微生物制药菌渣要严格执行《危险废物焚烧污染控制标准》，这又大大增加了处理成本[14]。目前解决二噁英的方法是将燃烧温度提高到1 200 ℃以上，再采用急冷技术迅速降温[15]，减少处于二噁英合成温度的时间，但此技术不利于热量回收，也还不完善。未来对焚烧法的研究应着眼于如何降低可合成二噁英的氯化物含量，加快研发新的焚烧技术，从而更环保地利用焚烧余热并降低处理成本。

对于填埋法处理菌渣，由于微生物制药菌渣是危险固废物，必须将其填埋于特殊的安全填埋场[16]，但其中有些成分难以自然降解，如果泄漏可能会渗入地下，造成水资源污染。因菌渣年产量巨大，填埋场易达到饱和，寻找新的填埋场址需要从地形、水文等自然因素和城市规划等社会因素考虑[15]。故填埋法处理成本高，占用空间大，污染风险大且资源回收率低，不适合菌渣产生量大的企业，应用不广泛。

2.2 堆肥法

微生物制药菌渣中含有丰富的有机质，可以采用堆肥法对其进行再利用。已有许多研究表明，堆肥法对于微生物制药菌渣中残留的抗生素具有很好的降解作用。堆肥法需先将菌渣粉碎、过筛，再与污泥混合，经过升温、降温等堆肥处理，混合物中的微生物能够降解残留的抗生素，使菌渣稳定化和无害化，所得产物还可以当作有机肥料[17]，用于农业生产。研究表明堆肥后的产物对植物完全无害并且可以促进植物的生长[18]。Wang等[19]将头孢菌素菌渣和鸡粪混合堆肥，头孢菌素菌渣和鸡粪质量比为3∶4时降解率最高，为99.81%；Liao等[20]采用嗜热堆肥法处理泰乐菌素抗生素发酵残基(TFR)，结果显示TFR去除率达95%。堆肥法成本低，设备简单，具有良好的经济效益。

但堆肥法作为处理固体废弃物的一种有效手段，若未完全将抗生素降解，有机肥中仍会残留抗生素，施用后可能会在微生物及生物体内累积，导致抗药性增加，从而威胁生态平衡。自微生物制药菌渣被列入《国家危险废物名录》后，其堆肥法后的产品能否达到国家无害化卫生标准仍需严格的安全性评估。目前很多学者都在研究微生物制药菌渣与其他废弃物的联合堆肥，如温沁雪等[21]将青霉素菌渣混合城市污泥堆肥，在第5天时菌渣中未检测到残留青霉素，不仅有效地降解了菌渣中残留的青霉素，还实现了青霉素菌渣和城市污泥的资源化利用，达到综合利用的目的。因此，如能获得高效的降解菌及优化菌渣与其他废弃物的比例，这种联合堆肥处理抗生素的方法将会被广泛应用。

2.3 厌氧消化法

厌氧消化法又称厌氧发酵法，是一种将含有高营养的废弃物(如牲畜粪便、腐烂水果、废弃蔬菜与秸秆等)资源化利用，变废为沼气的处理方式[22]。微生物制药菌渣中含有大量的粗蛋白与粗脂肪等，营养丰富，因此可采用厌氧消化法对其进行减量化、资源化处理[23]。刘鹏宇等[24]利用四级串联厌氧反应器降解阿卡波糖菌渣，菌丝体全部降解，固体物质去除率高达64%，同时培育出厌氧颗粒污泥；朱培等[23]使用多级厌氧反应器降解螺旋霉素发酵菌渣，发现经过88 d的驯化后系统达到高效快速降解状态，有机负荷COD达2.73 kg/(m3·d)时，螺旋霉素降解率高达97%。在厌氧消化过程中，存在抗生素C/N比低和菌丝体细胞壁葡聚糖等成分不利于生物降解的问题，在生产中需要添加碳源以及通过预处理等手段进行辅助。从工艺角度分析，高温处理后，菌渣中的抗生素大量溶于水中，只有少量残留于菌渣中；在发酵之后，菌渣中残留的抗生素基本降解。杨茜等[25]将L-精氨酸生产菌渣与麦秸一起厌氧发酵，发现其最佳产气条件是菌渣与麦秸质量比1∶1，消化温度35 ℃；Awad等[26]采用70 ℃高温下厌氧消化螺旋霉素发酵残留物的方法，大大降低了残留菌渣中抗生素的浓度，单独的螺旋霉素残留及其与超嗜热污泥的混合物的去除率分别为55.3%和99.0%；Li等[27]研究发现通过碱热预处理菌渣，可有效提高厌氧消化处理菌渣的降解率与能源转化率，显著降低操作与能耗成本；Zhang等[28]将水热预处理与厌氧消化技术相结合，有效降解了头孢菌素C菌渣，大部分含碳有机物被降解，并产生了大量氨，因此消化的产物可作为液体肥料被重新利用。

微生物制药菌渣经过厌氧消化后，几乎不会残留生物毒性，可作为有机肥使用，既减少环境污染，又获得了经济效益[29]。但厌氧消化法产生的废水含有大量抗生素，对后续废水处理带来挑战。而厌氧消化法采用的工艺不同，产生的废水成分也不同，应严格按照国家废水处理标准，选用合适的废水处理措施，确保排放达标，不污染环境。当前海外学者对工业废水的处理方面有着较多研究，如双水相萃取法[30]、铁碳原电池法[31]等，所以厌氧消化法可以和各种废水处理法联合使用，达到完全降解抗生素的目的。

2.4 微生物降解法

微生物降解法是从微生物药物或菌渣富集的环境样品(土壤、水体、活性污泥等)中，筛选相应药物的高效降解菌株，并考察其降解特性，进而应用于菌渣的无害化处理[22]。微生物降解主要是将菌渣作为培养基的碳源、氮源或碳氮源，在微生物中各种酶的作用下，残留药物结构发生改变，从而引起理化性质发生改变，即将大分子残留药物化合物降解为小分子化合物，经代谢利用最终形成二氧化碳和水[32]，实现污染物无害化的过程。在该方法中，高效降解菌最为重要，一般为该种药物的耐药菌，可以通过直接破坏和修饰对应药物而使其失活，包括水解、基团转移和氧化还原等机制。根据微生物制药菌渣中残留药物分子结构(多为蛋白质和多糖)特点，可通过酶水解和微生物发酵等技术使残留药物失活，同时开发生物有机肥料。马玉龙等[33]从泰乐菌素药渣堆放点周围的土壤中筛选到一株可降解药渣中残留泰乐菌素的菌株，接种量为10%时，在30～35 ℃、pH 7.0的条件下，发酵处理120 h后，发酵液中检测不到泰乐菌素；赵连英等[34]从链霉素厂附近土壤中筛选出了链霉素降解菌，该菌能降解最高质量浓度为1 200 μg/mL的链霉素；王刚等[35]从实验室保藏的若干蛋白酶产生菌中筛选得到高效降解多黏菌素的菌株；刘越等[36]从苏州某制药厂受污染土壤中筛选出一株1,3,6,8-四溴咔唑降解菌，在最适条件下该菌20 d对1 mg/L的1,3,6,8-四溴咔唑的降解率为80%。这些都证明了使用微生物法降解微生物制药菌渣中残留抗生素的可行性。笔者从堆放菌渣的土壤中筛选出一株可降解阿卡波糖菌渣的钩状木霉，培养7 d后该菌可将25 g/L的游动放线菌菌渣降解70%以上。

微生物法可有效解决微生物制药过程中产生的废弃物生物安全问题，不仅提高了资源的回收利用率，也延长了相关产业链，既有利于生物医药相关产业的可持续发展，又对社会、经济和环境可持续发展具有重要意义[37]。但由于大部分微生物制药菌渣存在残留抗生素及有毒代谢产物等不利因素，使得该法局限于少数抗生素菌渣的处理，在相关文献中，某一抗生素菌渣也仅回用于该抗生素发酵，适用性较窄。因此，应在发现高效、适用性广的降解菌种及开发相应处理工艺方面加大研究力度。

2.5 热解法

热解法是指在高温和无氧或缺氧条件处理大分子有机物，将其分解为小分子的固体碳、液体和气体[38]。微生物制药菌渣中含有丰富的粗蛋白、粗脂肪、微量元素和一定的残留抗生素，可通过热解法将其转化为生物油、燃气(合成气)及生物炭[39]，有效减少了有害气体的排放。贾蒙蒙等[40]对庆大霉素菌渣热解产物的化学特性进行研究，结果表明其热解油中含C13～C18和C1～C12化合物含较多，可通过进一步加工将其作为优质燃料油使用；陈黎等[41]以妥布霉素菌渣为原料制备出具有高吸附力的生物炭，在该生物炭中未检测到妥布霉素残留，证明了热解技术可有效实现抗生素菌渣减量化，并可进一步制备生物吸附剂；王斌[42]使用微型流化床分析系统在氩气气氛中将青霉素菌渣和褐煤共热解，发现在含20%的菌渣时，对两者的共热解具有最大促进作用，气体产率最高，气化产物可达到工业应用标准，证明了流化床热解气化技术可无害化处理菌渣，并能为工业生产提供燃气等清洁能源。

热解技术的脱毒效果好，并能实现菌渣的多重资源化利用，但设备及运行成本较高，其应用受到较大限制，但其仍对稳定性强、毒副作用较大的抗生素菌渣处理具有研究价值[43]。

2.6 水热法

水热法是利用高温液态水将生物质转化成焦炭、生物油和燃气的技术。由于反应在密闭条件下进行，可消除二噁英等二次污染物的影响[44]。水热法是一种菌渣无害化处理的良好方法，如赵志瑞等[45]采用水热炭化处理青霉素菌渣制备出生物炭；张光义等[46]利用水热法处理头孢菌素C制备固态燃料。

与其他处理方式相比，水热法反应温度较低、条件较为温和，并且在处理含水率高、分散的有机废弃物时具有原料无需干燥、能耗低等优点，降低了能量消耗和运行成本[47]，同时还能产生燃气、生物油和焦炭等附加产物，可以实现危险废物的资源化利用[5]。但水热处理设备成本高，反应时间长，应用受到较大限制，目前未广泛应用。可将水热法与其他处理技术联合使用，降低能耗的同时也可缩短反应时间，同时提高菌渣的处理效果。

2.7 电子束辐照技术

电子束辐照技术利用加速过的电子束对处理对象进行冲击或辐照，引发一系列非常规的化学反应，从而破坏待降解物的结构。电子束辐照技术常用于污水处理与食品灭菌领域，近年来也被尝试应用于降解菌渣。其原理在于：一方面，高能电子束可以直接作用于残留药物，使其分子链断裂；另一方面，它能与菌渣中的水分子作用，产生强氧化粒子与强还原粒子，破坏残留药物结构[48]。陈川红等[49]对硫红霉素菌渣采用电子束辐照与双氧水氧化协同处理，对头孢菌素菌渣直接采用电子束辐照处理，其污染物含量均下降50%以上；王建龙等[50]采用Co60γ-射线对青霉素菌渣进行辐照，测得在辐照吸收剂量为10 kGy时，青霉素去除率达80%以上，证明电子束辐照技术处理菌渣可行且高效；Shen等[51]利用电离辐射法降解发酵残留物中的抗生素，辐射剂量为10 kGy时，微生物制药菌渣中的红霉素A含量降低了86%，其细菌去除率高达99%，并且微生物制药菌渣中大分子有机物无明显变化，表明处理后的发酵残留物可作为肥料。

电子束辐照技术可在常温常压条件下进行，且在使用过程中较少使用化学试剂，不产生二次污染，具有高效、节能、安全的优点，但对其降解机理与产物毒性方面的研究并不全面，在微生物制药菌渣降解方面应用也较少，需要进一步研究和开发。

3 结 论

综上所述，微生物制药菌渣的高效处理备受各界关注，尽管目前有多种处理方法，但都有明显的优势与瓶颈。焚烧法成本高，且易造成空气污染；填埋法成本高且容易造成土壤污染，占地面积广，造成土地资源的浪费甚至可能会污染地下水资源；厌氧消化法可高度资源化利用菌渣，但在处理过程中会产生废水，且抗生素等药物不能完全被降解，后续处理工艺繁琐；堆肥法成本低，设备简单，经济效益高但不能彻底处理残留抗生素[52]，造成污染；微生物法安全高效但适用性单一，需要加大开发力度；热解法与水热法都是较好的无害化处理菌渣的方法，能提供多种可再利用的附加产品，经济效益高，但因设备成本高昂，未得到广泛应用；电子束辐照技术是一种高效节能的新型技术，但在其降解机理、产物毒性以及菌渣的处理方面还需要进一步探索。文献表明[53-54]：现有的处理技术不能完全高效地处理所有微生物制药菌渣，故在处理菌渣时可联合使用两种或两种以上技术，提高降解效率，降低处理成本，增加经济、环境效益。目前，国外对于合理处置菌渣的相关文献报道较少，微生物药物残留的处理技术主要集中于各种工业废水的处理和饮用水水质的净化，如利用微生物降解废水中药物并回收营养物质[55]、电化学法处理医疗废水[56]和双水相萃取废水中残留药物[30]等。随着社会的发展，人们对环境的要求也越来越高，所以在处理微生物制药菌渣的时候，要保证菌渣在直接接触动植物和人体方面的应用(如肥料、饲料)上无害，安全性需要严格达标；除改良工艺、减少污染和降低成本外，需要结合相关企业生产工艺、菌渣产量和菌渣理化特性来选择具体的处理方法，或者综合多种处理和再利用方式，提高资源循环利用效率。各个地方应加大微生物制药菌渣处理技术研发力度，尽量采用就地无害化处理和综合利用技术[47]，如菌渣厌氧消化法、堆肥法、生物降解法、热解法、水热法和电子束辐照技术等。随着人们愈加重视环境安全，菌渣处理技术会不断进步，为企业低成本及高效处理菌渣提供新的思路，推动我国微生物制药产业更好更快地发展。