大環內酯類抗生素菌渣無害化處置與資源化利用研究進展

摘要：我國是世界最大的抗生素原料藥生產與出口大國，每年會產生超過200萬t抗生素菌渣?？股貧埩羲幬锟赡軙ㄟ^環境進行轉移和積累，對環境安全構成較大的風險，抗生素帶來的環境污染問題已成為新型有機污染物領域的重要課題。本文結合大環內酯類抗生素菌渣的來源及污染性，梳理近年研究成果，分析抗生素菌渣無害化處置與資源化利用研究現狀，為大環內酯類抗生素菌渣的無害化處置與資源化利用提供思路。

關鍵詞：大環內酯類抗生素菌渣；無害化處置；資源化利用

中圖分類號：X787 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）05-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.05.032

Abstract： China is the world's largest producer and exporter of antibiotic raw materials， producing over 2 million tons of antibiotic residue annually. Residual antibiotics may transfer and accumulate through the environment， posing a significant risk to environmental safety， the environmental pollution caused by antibiotics has become an important topic in the field of new organic pollutants. Based on the source and pollution of macrolide antibiotic residues， this paper summarizes recent research achievements， analyzes the current research status of harmless disposal and resource utilization of antibiotic residues， and provides ideas for the harmless disposal and resource utilization of macrolide antibiotic residues.

Keywords： macrolide antibiotic residue; harmless disposal; resource utilization

大環內酯類抗生素是由鏈霉菌產生的弱堿性抗菌素，因分子中含有大環內酯結構的14元環或16元環而得名，作用于細菌細胞核糖蛋白體50S亞單位，阻礙細菌蛋白質合成，屬于生長期抑制劑。它主要用于治療需氧革蘭陽性球菌和陰性球菌、某些厭氧菌以及軍團菌、支原體、衣原體等感染。其在醫療衛生、水產養殖等方面發揮重要作用，抗生素使用后，大多數通過代謝物的形式排出體外，最終進入環境。研究顯示，抗生素暴露在環境中會誘導耐藥菌的產生，其攜帶的耐藥基因通過可移動的遺傳原件在細菌間發生水平轉移和傳播，可能產生多重耐藥菌株甚至超級細菌，將對人類的公共健康構成潛在威脅。

1 大環內酯類抗生素菌渣的來源及污染性

大環內酯類抗生素生產過程中，大環內酯類藥物的有效成分從產生菌的發酵液中提取，剩余部分經濾膜、壓縮處理后作為固體廢物排出。該固體廢棄物即為大環內酯類藥物發酵菌渣，因提取效率的原因，藥物有效成分無法提取徹底，菌渣中會殘留少量大環內酯類藥物及其他代謝產物。含有藥物殘留的菌渣進入環境，在不同環境介質中均能進行遷移和轉化，會誘發和傳播大量耐藥菌，水體和土壤等環境是耐藥菌產生的重要場所，大環內酯類藥物在河流等水體中會形成一個高濃度的區域，越來越多的試驗證明，環境致病菌耐藥性的增加和擴散將會對人類的公共健康構成潛在威脅。除此之外，抗生素發酵菌渣干基中的粗蛋白含量為30%～40%，粗纖維和粗脂肪含量為10%～20%，有機質含量高，富含有機酸、蛋白質、氮、磷、鉀和多種微量元素。

2 大環內酯類發酵菌渣的傳統處置方法

2.1 安全填埋

我國已將抗生素菌渣列為危險廢物，菌渣填埋處置須在危險廢物安全填埋場進行。因菌渣含水率較高，安全填埋處理成本高，填埋后菌渣中特征組分長期無法降解完全，存在二次污染，并增加后續滲濾液的處理壓力。同時，抗生素菌渣中大量的營養成分可回收利用，直接填埋會造成資源浪費，而且填埋占用大量土地，不適宜大規模處置抗生素菌渣，因此，填埋技術在抗生素菌渣處置方面并未得到廣泛應用。

2.2 焚燒

焚燒是一種高溫熱處理技術，常用于具有高熱值類有機固體廢物的資源化利用，因可以徹底無害化處置抗生素菌渣而被廣泛應用，大大減少菌渣中的污染物向環境排放。我國許多大型制藥企業建設了抗生素菌渣焚燒處理裝置。然而，抗生素菌渣的含水率高（70%～80%），體量大、熱值較低，導致運行能耗和成本較高，同時焚燒過程中產生的煙氣含有二噁英等污染物，焚燒后的灰渣也存在重金屬的富集情況，此類二次污染物的產生增加了后續處理成本。

3 大環內酯類發酵菌渣無害化處置研究現狀

3.1 厭氧消化

抗生素菌渣含有豐富的有機質、糖類、礦物質等營養成分，用于生產沼氣的潛力較大，通過厭氧消化處理可產生良好經濟效益和環境效益。蘇建文等[1]使用厭氧消化技術處理紅霉素菌渣，35 ℃溫度下接種比為40%，系統穩定運行時產氣量平均為21.97 L/d，在消除污染物的同時還能獲得較高的沼氣產能。蔣明燁等[2]通過厭氧發酵技術處理紅霉素菌渣，采用微生物作用消解抗生素殘留并制取生物燃氣，研究發現，發酵10 d后紅霉素的降解率大于94%。但厭氧消化處理抗生素菌渣存在效率過低、異味處理困難等問題。

3.2 生物降解

生物降解是去除環境抗生素殘留的有效手段之一，因成本低、處理效率高以及環境污染小等特點，目前，不同種類抗生素微生物代謝途徑的研究較多[3]。紅霉素菌渣可以富集分離出青霉屬菌株，該菌株經過培育可降解紅霉素。紅霉素菌渣可以分離出彎孢菌屬菌株，它通過酶催化斷裂糖苷鍵可以將紅霉素降解。袁鈺龍等[4]篩選出高效降解大環內酯類抗生素的微生物菌株，并對降解后產物進行分析，研究降解機制。生物降解用于抗生素菌渣的無害化處理具有一定的安全性，但某一菌株對抗生素的降解具有特異性，該方法適用面窄，不能滿足我國抗生素菌渣處置需求。

3.3 熱解法

熱解氣化是一種新型固體廢棄物處理技術，在無氧或缺氧條件下，抗生素菌渣中的大分子有機物高溫裂解為可燃性小分子氣體、液體和固定碳，與焚燒技術相比，熱解氣化從源頭上減少二噁英的產生，并可將原料中大量的重金屬固定在灰渣中，有效降低重金屬排放，實現抗生素菌渣減量化的同時有效去除抗生素殘留，但其運行成本較高，反應過程存在一定的污染物排放風險。熱解法處理抗生素菌渣，可以減輕環境負擔，實現菌渣資源化，但運行成本高，產物利用難。

3.4 水熱處理

水熱處理是指在密閉缺氧的條件下，以水為媒介，利用水在亞/超臨界條件下的特殊性，實現有毒有害化合物的無害化以及大分子有機物質的分解。水熱技術在降解抗生素領域具有顯著作用和巨大潛力。根據產物類型，水熱技術可以分為水熱氣化、水熱液化以及水熱碳化。水熱處理具有無害資源化優勢，可以有效去除抗生素殘留，但其運行成本高，反應時間長，不適合實際生產應用。

3.5 電子束輻照

電子束輻照利用高能量、穿透性強的射線與物料反應，它是一種新興的高級氧化技術。與傳統高級氧化技術不同，電子束輻照利用電子束直接破壞藥物分子結構，同時大部分射線與菌渣中的水分子作用，產生活性粒子，利用自由粒子破壞藥物結構，還能實現對抗性基因的降解，達到深度消解抗生素菌渣的目的。電子束輻照可用于處理硫紅菌渣，其間可使用過氧化氫作為氧化劑進行協同處理，紅霉素去除率較高。王建龍等[5]利用60Co γ射線輻照處理紅霉素菌渣，結果表明，紅霉素菌渣中抗生素殘留得到有效去除。電子束輻照具有束能量高、處理效率高、無須加入任何藥劑、反應條件溫和、安全可靠等優點，適合大規模工程應用。

4 大環內酯類發酵菌渣資源化利用研究現狀

4.1 生物質燃料

大環內酯類抗生素菌渣含有大量的纖維素、木質素，適合作為生物質燃料利用[6-8]，但其殘留藥物化學結構穩定。要控制溫度、壓力等參數，完善生物質燃料系統工藝設計，實現制藥固體廢物中藥物殘留的深度消解，實現抗生素菌渣減量化、無害化、資源化利用。抗生素菌渣進行干燥處理，干燥菌渣造粒成生物質燃料，實現菌渣減量化、資源化利用?？股鼐稍锖蟮臒嶂的軌蜻_到生物質成型燃料的標準，可以作為燃料，具有著火點低、灰分低等特點。

4.2 肥料化

抗生素菌渣富含有機物、氮、磷等營養物質，添加碳源、輔料復配，然后進行堆肥發酵，生產高質化功能肥料，有效改良土壤，促進植物生長。堆肥是實現抗生素菌渣無害化、減量化和資源化的有效手段[9-11]。

紅霉素菌渣高溫堆肥后，產品有機質含量符合有機肥標準，且未檢出抗生素殘留。好氧堆肥可用于處理富含抗性基因的固體廢物，生產高質量的土壤改良劑，提高土壤肥力，實現其減量化、資源化和無害化。破碎后，大環內酯類抗生素菌渣進行無害化處理，將產物作為植物肥料添加劑?？股鼐柿匣墙陙硌芯恐攸c，但菌渣無害化處理難度大，存在潛在生態風險。因此，肥料化產品的安全性尚需進一步評估。

4.3 其他資源化處置技術

大環內酯類抗生素菌渣含有大量蛋白質、纖維素等，可以用于制備活性炭，其具有較好的吸附能力。青霉素菌渣可用于提取麥角固醇，但菌渣有效成分利用率低，處理成本高，難以大規模推廣應用。

5 結論

大環內酯類抗生素菌渣具有潛在環境風險，目前，其無害化處置與資源化利用存在諸多制約因素，制藥工業較難大規模推廣應用。現行標準還不能涵蓋抗生素菌渣無害化處置與資源化利用，抗生素菌渣無害化處理后，監管部門很難鑒別產物能否從危險廢物中豁免。近年來，國內抗生素菌渣無害化處置與資源化利用研究取得一定進展，但產品利用仍未取得根本突破。未來，要持續開發無害化處置與資源化利用工藝，建立環境風險評估體系，從根本上消除抗生素菌渣的環境風險，引導制藥工業發展綠色制造，實現經濟效益、社會效益、環境效益的高度統一。

參考文獻

1 蘇建文，王俊超，許尚營，等.紅霉素菌渣厭氧消化實驗研究[J].中國沼氣，2013（5）：25-28.

2 蔣明燁，宋思琪，付 歡，等.厭氧發酵處理紅霉素菌渣的效能及紅霉素降解規律研究[J].環境保護科學，2017（4）：62-67.

3 吳 迎，馮朋雅，李 榮，等.環境抗生素污染的微生物修復進展[J].生物工程學報，2019（11）：2133-2150.

4 袁鈺龍，劉冬梅，向榮程，等.大環內酯類抗生素微生物降解的研究進展[J].生物工程學報，2021（9）：3129-3141.

5 王建龍，初里冰.采用電離輻照去除抗生素抗性基因的方法：CN108046370A[P].2018-05-18.

6 李 同，胡 俊，黃 輝，等.污水中大環內酯類抗生素去除技術研究進展[J].工業水處理，2021（6）：88-97.

7 郝天怡，赫衛清.大環內酯類抗生素代謝工程的研究進展[J].生物工程學報，2021（5）：1737-1747.

8 莊紅娟.農用地典型農藥與大環內酯類抗生素污染特征及風險評價[D].淮南：安徽理工大學，2021：11-12.

9 宋桂芳，張世文，莊紅娟，等.農用地大環內酯類抗生素與殺菌劑殘留污染評價[J].環境化學，2022（7）：2309-2319.

10 華 濤，李勝男，馮宇航，等.典型大環內酯類抗生素污染物生物電化學降解研究[J].工業水處理，2020（2）：50-55.

11 雒曉芳，仇柏林，王婉瑩，等.大環內酯類抗生素檢測方法研究進展[J].西北民族大學學報（自然科學版），2022（2）：30-36.