電離輻照技術處理抗生素發(fā)酵菌渣的研究進展

熊 強，冀 東，劉迎云,宋旺旺，崔碩垚，王興華

(1.南華大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001;2.中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050011)

0 引言

抗生素菌渣是微生物發(fā)酵液經(jīng)過過濾之后留下的濾渣或濾餅，主要成分有殘留的菌絲體、未利用的培養(yǎng)基以及殘留的抗生素等。抗生素菌渣的有機物含量高、營養(yǎng)價值大，有很大的資源化利用潛力，但是由于抗生素菌渣中含有抗生素和抗性基因會給生態(tài)環(huán)境帶來的巨大的風險，抗生素菌渣也在2008年入選了《國家危險廢物名錄》[1]。中國是世界上生產(chǎn)和使用抗生素最多的國家，每年使用的抗生素的量達到9.27萬噸，每年所產(chǎn)生的抗生素菌渣的量更是達到了130萬噸以上[2]。抗生素的大量生產(chǎn)和使用在一定程度上保障了人類和禽畜的健康，但抗生素也會通過各種途徑進入生態(tài)環(huán)境，世界上許多國家和地區(qū)已經(jīng)從土壤、地表水甚至地下水和飲用水中檢測到了抗生素的存在[3]。生態(tài)環(huán)境中殘留的抗生素會導致細菌通過選擇性變異而產(chǎn)生抗性基因，從而導致超級細菌的出現(xiàn)，如何解決抗生素和抗性基因的帶來的環(huán)境問題是人類面臨的巨大挑戰(zhàn)。

電離輻照技術是一種廣泛應用于環(huán)保、醫(yī)療、食品、材料等多領域的新型技術，尤其在環(huán)保領域顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢來，被國際原子能機構列為21世紀原子能和平應用的研究方向之一[4]。電離輻照技術在環(huán)境領域主要應用于消毒滅菌、有機物降解、污泥處理、煙氣凈化以及重金屬去除等多方面。在2020年新型冠狀病毒肆虐期間，電離輻照技術在防護服、口罩等醫(yī)療物資的消毒殺菌方面發(fā)揮了重要作用[5]。本文以抗生素菌渣為研究對象，主要探討電離輻照技術在抗生素殘留和抗性基因的去除方面的優(yōu)勢和應用前景，目的是為抗生素菌渣的處理處置找到一種新的解決方法，并為相關的技術研究提供理論依據(jù)。

1 抗生素菌渣的現(xiàn)狀

1.1 性質與危害

抗生素菌渣的含水率較高，通常在79%～92%之間，菌渣中大部分是以結合水的形式存在，具有較高的黏度。抗生素菌渣干物質中含有10%～20%的粗脂肪以及30%～40%的粗蛋白，還含有一些有機溶媒、無機鹽、微量元素和少量的抗生素等[6]。

抗生素菌渣對環(huán)境產(chǎn)生的危害主要是殘留抗生素和抗性基因對生態(tài)環(huán)境造成的威脅，殘留在環(huán)境中的抗生素會導致抗性基因的增加和超級細菌的出現(xiàn)[6-11]。環(huán)境中抗性基因的出現(xiàn)主要是基因突變和基因轉移兩種方式，基因突變是微生物在抗生素的誘導作用下使自身發(fā)生突變從而產(chǎn)生抗性基因，基因轉移是微生物通過轉化、轉導、結合以及轉座的方式獲得抗性基因[12]。抗性基因在環(huán)境中的存在會使得越來越多的微生物對抗生素具有耐藥性，從而導致攜帶多種抗性基因的“超級細菌”出現(xiàn)。2015年世界衛(wèi)生組織將抗生素耐藥性定義為一場全球性的公共衛(wèi)生危機[13]。

此外，環(huán)境中殘留的抗生素會抑制微生物的活性，對動植物產(chǎn)生毒性作用，也會對動植物造成一定的危害。

1.2 抗生素菌渣的主要處理技術

1.2.1 焚燒技術

焚燒處理是將抗生素菌渣直接送入焚燒爐內進行燃燒，在燃燒過程中直接生成CO2和一些小分子物質。焚燒技術是一種可以實現(xiàn)無害化、減量化和資源化的處理技術，可以有效解決抗生素殘留和抗性基因帶來的問題。

但是該技術也存在明顯的不足：首先，菌渣的含水率較高、脫水困難，不能獨立作為熱源使用，需要外加熱源；其次，在燃燒過程中會產(chǎn)生二噁英、硫氧化物、氮氧化物等有毒有害物質，既增加了處理成本，也存在二次污染的風險；最后，焚燒爐的處理能力有限，而且處理成本較高，目前焚燒處理抗生素菌渣的成本達到了2 000元/t[14]。

1.2.2 堆肥處理技術

抗生素菌渣的堆肥處理技術主要有厭氧堆肥和好氧堆肥兩類。厭氧堆肥是通過厭氧微生物將有機質轉化成甲烷和二氧化碳等穩(wěn)定質的生化過程；好氧堆肥是利用好氧微生物自身的新陳代謝作用將有機廢物進行氧化分解的生化過程。

研究表明，堆肥技術可以有效降解抗生素菌渣中殘留的抗生素，但是堆肥后的菌渣中抗性基因對環(huán)境產(chǎn)生風險較大。任省濤等[15]研究了高溫好氧堆肥后林可霉素菌渣中殘留抗生素和抗性基因的變化，研究結果表明，堆肥后的菌渣中林可霉素的降解率達到了99%，但是抗性基因的豐度有所增加，而且基因intI1的絕對含量和相對含量急劇增加，表明堆肥后的林可霉素菌渣存在一定的生態(tài)環(huán)境風險。楊蓮[12]的研究表明，在堆肥后的青霉素菌渣中出現(xiàn)抗性基因增多的現(xiàn)象，也說明堆肥難以解決抗性基因的問題。Song等[2,16]利用厭氧消化技術處理大觀霉素菌渣，研究表明經(jīng)過100 ℃、120 ℃和140 ℃水解后大觀霉素菌渣在厭氧發(fā)酵后，大觀霉素的去除率分別為39.5%、97.7% 和99.6%，能很好實現(xiàn)抗生素的降解，但是抗性基因對環(huán)境產(chǎn)生的風險不可忽視。

1.2.3 其他處理技術

抗生素菌渣還有一些其他的處理技術，如熱解技術[17]、微波消解技術[18]、提煉生物油技術[19]、水煤漿制作技術[20]、吸附材料制備技術[21]以及可利用物質提取技術[22]等，這些技術盡管能解決抗生素菌渣存在的危害，也能進行資源化利用，但是目前這些技術主要停留在實驗室研究階段，還難以實現(xiàn)大規(guī)模的市場應用。

1.3 抗生素菌渣處理存在的問題

目前，抗生素菌渣的處理處置過程中存在三大問題：

(1)處理技術的局限性。技術的局限性主要表現(xiàn)在處理能力不足、處理成本過高和污染物降解不徹底。由于目前常用的焚燒、堆肥處理等技術的處理能力有限，使得許多企業(yè)只得將未及時處理的菌渣進行封存[23]，而且處理中還存在成本過高、污染物去除不徹底以及產(chǎn)生新的污染物等問題。

(2)存在二次污染的問題。抗生素菌渣在封存堆放過程中會發(fā)酵變臭、孳生蚊蠅，從而導致大氣環(huán)境受到污染，還可能隨著地表徑流和入滲污染地下水和土壤。

(3)存在管理失控的風險。抗生素菌渣在封存堆放的過程中，由于管理上的不到位可能導致菌渣通過其他途徑進入環(huán)境中，比如作為肥料使用進入土壤環(huán)境，作為飼料添加劑進入禽畜養(yǎng)殖市場，一旦出現(xiàn)管理失控，菌渣對環(huán)境產(chǎn)生的風險難以估計。

2 電離輻照技術

2.1 輻照技術原理

輻照技術是通過對水進行高能的電磁輻射作用，使水分子在這一過程中產(chǎn)生羥基自由基(·OH)、氫自由基(·H)、水合電子(eaq-)以及離子等一系列高活性粒子，這些活性粒子與水中的污染物發(fā)生加成、取代、電子轉移以及斷鍵等一系列化學反應，從而使污染物得以去除。這些粒子中，水合電子(E0=-2.9 V)是強還原劑，而羥基自由基(E0=2.8 V)是氧化劑，整個反應體系是由強氧化劑和強還原劑組成的混合體系，該體系發(fā)生的化學反應也是十分地復雜[24]。目前，應用得較多的電離輻照技術是電子束和γ射線，電子束是由電子加速器產(chǎn)生，而γ射線主要來源于60Co或137Cs兩種放射源。水分子經(jīng)過電離輻照之后會發(fā)生如下反應：

H2O→(2.8)·OH+(2.7)eaq-+(0.55)·H+(0.45)H2+(0.7)H2O2+(2.7)H+

(1)

式(1)中的數(shù)值表示活性粒子的產(chǎn)額(G值)，表示每吸收100 eV(1.6×10-17J)的能量之后所產(chǎn)生的粒子數(shù)目，單位為mol/J。

電離輻照作用于污染物時分成直接作用和間接作用，直接作用是污染物直接吸收輻照過程中產(chǎn)生的射線能量而分解，間接作用是水分子受到射線作用產(chǎn)生的活性粒子與污染物發(fā)生反應而降解，在水處理過程中電離輻照主要是間接作用。

2.2 輻照技術的應用

2.2.1 輻照技術降解抗生素

電離輻照技術在降解抗生素方面有很大的優(yōu)勢，具有安全、高效、徹底的特點。輻照過程中影響抗生素去除效率的主要影響因素包括吸收劑量、吸收劑量率、溶液酸堿度、氣氛條件以及協(xié)同作用等因素，而且不同的抗生素在輻照反應體系中的降解途徑是不同的，所需要的輻照條件也不同，中間產(chǎn)物也有很大的區(qū)別[25]。

2.2.2 輻照技術處理抗生素菌渣

在處理抗生素菌渣方面，電離輻照技術能直接作用于DNA分子鏈，從而實現(xiàn)抗性基因的降解，對殘留抗生素的降解效果也是十分明顯。輻照過程中影響去除效果的主要因素有吸收劑量、最佳穿透厚度、目標污染物的含量以及協(xié)同作用等方面，不同抗生素菌渣具有不同性質，輻照的條件也不相同，輻照參數(shù)需要根據(jù)不同菌渣的性質進行確定。

陳丹[28]利用60Co γ射線輻照處理頭孢菌素C菌渣，結果表明隨著吸收劑量的增加，抗生素和抗性基因的降解效果越好，在100 kGy的吸收劑量時，頭孢菌素C的去除率為85.5%，抗性基因tolC的去除率為74.2%。陳川紅等[29]利用電子束輻照技術處理頭孢菌渣，當輻照吸收劑量為40～50 kGy 時，頭孢菌素的含量下降50%以上，在用電子束輻照技術處理硫紅菌渣時，使用過氧化氫作為氧化劑，只需要20 kGy就能達到50%以上的降解率。

王建龍等[30]利用60Co γ射線輻照處理抗生素菌渣，菌渣中殘留的抗生素和抗性基因均有很好的去除效果，其結果如表1和表2所示。由表1可知，初始殘留量較小的紅霉素菌渣和青霉素菌渣只需要10 kGy的吸收劑量就可以降解80%，而初始殘留量較大的硫氰酸紅霉素菌渣在30 kGy也能降解60%以上。由表2可知，隨著吸收劑量的增加，硫氰酸紅霉素菌渣中殘留的抗性基因的去除效果越好，在30 kGy時抗性基因的去除率都在85%以上。

表1 抗生素菌渣中殘留抗生素的去除效果

表2 硫氰酸紅霉素菌渣中抗性基因的去除效果 拷貝·g-1

2.3 輻照技術的特點

目前應用得最多的輻照設備是電子加速器和γ射線源。電子加速器產(chǎn)生的電子束具有可控性好、安全性高以及輻射劑量高等優(yōu)勢，但是穿透能力和射線能量不如γ射線；而γ射線具有很強的穿透能力而且射線能量高，但是γ射線的輻射劑量不高，需要較長的輻照時間，而且常用的放射源60Co的半衰期只有5.26 a，放射源的強度也是一個需要考慮的問題。目前，實驗室的輻照研究主要是γ射線，而工業(yè)應用主要是電子束。

輻照技術也存在一定的局限性，主要體現(xiàn)在“劑量率效應”和“自由基消除作用”兩個方面[31]：

(1)劑量率效應。在輻照過程在會產(chǎn)生大量的活性粒子，這些活性粒子之間會相互作用，導致自由基的產(chǎn)額下降，以致于與目標污染物發(fā)生反應的自由基也減少了，從而導致去除效果下降。

(2)自由基消除作用。輻照過程中生成的自由基活性粒子的選擇性差，在成分單一的水溶液中的去除效果往往較好，但是在抗生素菌渣這樣成分復雜的廢棄物中，自由基除了與目標污染物發(fā)生反應外，還會與其他物質發(fā)生反應，這在個過程中可能會生成新的污染物。

3 前景與展望

(1)輻照技術可以有效解決抗生素菌渣中殘留抗生素和抗性基因對環(huán)境產(chǎn)生的危害，但是要實現(xiàn)菌渣的資源化利用，還需要與其他的技術相結合。發(fā)揮輻照技術降解污染物的優(yōu)勢，結合其他資源化利用的技術，才能真正變廢為寶。

(2)要深化機理研究，解決“劑量率效應”和“自由基消除作用”帶來的負面影響，從而提高輻照技術降解污染物的效率。

(3)要進行不同種類的抗生素菌渣的輻照實驗研究，并找到處理各類抗生素菌渣的最佳工藝條件，從而實現(xiàn)電離輻照技術處理抗生素菌渣的規(guī)模化應用。