抗生素发酵废菌渣的无害化及资源再利用研究进展

陈立文方森海王明兹，2

（1.福建师范大学生命科学学院，福州　350117；2.福建师范大学工业微生物教育部工程研究中心，福州　350117）

抗生素发酵废菌渣的无害化及资源再利用研究进展

陈立文1方森海1王明兹1，2

（1.福建师范大学生命科学学院，福州350117；2.福建师范大学工业微生物教育部工程研究中心，福州350117）

抗生素发酵每年产生大量有毒菌渣，处理不当将导致环境和健康问题。概述近来抗生素菌渣无害化处理及重新用作发酵培养基氮源，生产能源、饲料、可降解生物薄膜、石膏缓凝剂等资源化利用研究进展，提高抗生素危废菌渣的无害化处理及资源化利用效率。

抗生素菌渣；无害化处理；资源化利用

我国是抗生素生产大国，抗生素的生产和需求量都很大，在其发酵生产过程中会产生大量菌渣，据统计2009年就达100多万吨［1］。由于菌渣中存在相应的残余抗生素，为危险固体废弃物，处理不当会造成严重的环境问题，大量的抗生素菌渣处理已成为一大难题。

目前对固体危险废弃物的传统的处理方式是进行焚烧或填埋。抗生素菌渣曾经作为有机肥料或饲料添加，如今归属于有毒固体废弃物，填埋处理菌渣，其残留的抗生素不仅会造成环境耐药性的产生，还可能通过土壤在动植物体内蓄积，经食物链转移到人体上，危害人体健康。2002年，农业部、卫生部、国家食品药品监督管理局发布的176号公告中，禁止在饲料和动物饮用水中使用抗生素菌渣［2］。焚烧方式不仅成本巨大，对大气也造成不利影响。因此，寻求高效、经济、安全、无害的资源化处理和应用菌渣的方法具有重要的意义。

1 抗生素菌渣的理化特点

抗生素菌渣是抗生素发酵残余固体废弃物，含有抗生素产生菌的菌体、剩余培养基、抗生素、其他代谢产物和无机盐等［2］。菌渣含有丰富的菌体蛋白，粗蛋白含量在20%-50%左右，还含有Ca、P和S等微量元素［3］。以青霉素菌渣为例，干燥的菌渣中粗蛋白含量29.26%-49.50%，含水量12.65%。通过对青霉素菌渣中残留的多环芳香烃和重金属含量进行分析发现，其含有几种致癌和致突变多环芳香烃，但含量低于国家危险固体废弃物鉴别标准，菌渣中Pb、Cr、Cd、Zn、As、Ni和Hg，7种重金属的含量也均低于国家标准。而且青霉素菌渣大部分有机物质在200-500℃分解，重量减少约60%［3-5］。通过对菌渣的理化特性分析了解，有助于对菌渣进行综合处理和再利用。

2 抗生素菌渣潜在的危害

抗生素菌渣中含有多种有毒物质，如抗生素残留、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［6］。若处理不当，残留的抗生素排放到环境中，整个微生物系统暴露在空前的抗生素选择压力下会导致微生物耐药性的产生，特别是致病菌和条件致病菌中的抗药性在不断的增加，这极大的阻碍对于疾病的治疗。微生物形成的耐药性还会进行传播，通过食物链、饮用水及户外休闲运动，将抗生素抗性基因转移到人体病原菌上，引起卫生安全事件［7-10］。

3 抗生素菌渣无害化处理

由于菌渣毒害性，用传统焚烧和填埋处理方式存在许多弊病。焚烧菌渣，脱水需要耗费大量的能源，而且对设备的要求高，排放的废气还容易造成二次污染；填埋菌渣，首先对土地造成很大负担；其次菌渣填埋后会发生腐化、液化，产生大量的渗滤液，进入到地下水中，污染水源。

抗生素菌渣因含有抗生素残留，极大地限制其再利用。通过高温处理、化学处理或者生物降解的方式去除菌渣中抗生素残留，可极大消除其弊，实现菌渣的无害化和资源化利用。

高温处理：有些抗生素对热敏感，在较高的温度下会分解，可以采用高温对其进行无害化降解处理。Wang等［11］研究发现青霉素菌渣对热敏感，100℃时青霉素的半衰期为9.73 min。

化学处理：通过利用酸、碱、盐或有机溶剂处理菌渣，破坏抗生素分子结构，从而降解抗生素。马玉龙等［12］的研究表明NaOH、HCl、H2SO4和NaClO均能在一定程度上降解泰乐菌素。

微生物降解：通过从抗生素富集的环境中获取土壤，水体样品或者活性污泥，从中筛选出相应的抗生素高效降解菌，并对其降解特性进行研究，应用于菌渣处理达到无害化的目的，以便后续的再利用。马玉龙等［13］从堆放泰乐菌素菌渣附近的土样中筛选出具有良好降解效果的复合菌株。毛菲菲等［14］从污泥中筛选出红霉素降解菌，并发现其共代谢机制，加入葡萄糖、酵母膏和牛肉膏能促进其对红霉素的降解。赵连英等［15］从链霉素厂附近土样中筛选出能降解最高浓度1 200 μg/mL链霉素的降解菌。

酶法降解：利用抗生素降解酶破坏抗生素菌渣中的抗生素，拓宽菌渣资源化利用路径。刘慧娟等［16］利用无毒、稳定的青霉素酶降解青霉素菌渣中残留的抗生素，37℃，1 h能实现完全降解。张新沙等［17］通过研究泰乐菌素降解酶的酶促降解性质，为其应用奠定理论基础。

4 抗生素菌渣资源化再利用

早期对抗生素菌渣的再利用方式就是直接用作饲料或饲料添加剂和农肥。虽然对资源有一定的利用，但菌渣中残留的抗生素等有害物质会造成生态及健康问题。随着人们对环境问题越来越重视，抗生素菌渣无害化成为其资源化再利用的前提。

目前抗生素菌渣的常见再利用方式有：用作培养基氮源、厌氧发酵和热解能源化；用作饲料和饲料添加剂，堆肥，生物吸附剂。近年来还开发出抗生素菌渣新应用，如石膏缓凝剂及可降解生物薄膜。

4.1 重新用于发酵替代培养基氮源

抗生素菌渣因其含有的丰富的蛋白质，含氮量高，可以作为培养基中的氮源。抗生素菌渣用作培养基成分主要有两种方式：一种是直接将菌渣研磨过筛后用于替代发酵培养基中的氮源；一种则是利用酵母菌和芽孢杆菌等对菌渣进行固体发酵，达到生物改性的目的后，再用在培养基中或者制成如酵母膏之类的高值化培养基成分。

4.1.1 抗生素菌渣直接用于发酵培养基 早在1961年，Ghosh等［18］通过研究发现青霉素废菌渣在不经过任何预处理的情况下，就能用作青霉素发酵培养基中的唯一氮源，并取得了很好的效果。在不减发酵产青霉素效价的前提下，菌丝体重复利用的次数可达5次。近年来国内也有相关的研究，蔡翔等［19］研究利用可利霉素菌渣替代发酵培养基中的有机氮源，菌渣作唯一氮源时，加量为4%，效价最高，达到对照的77%，然后通过正交试验优化发酵条件，最终可利霉素效价达到对照的88%。虽然抗生素产量稍有下降，但是生产成本降低，处理方便，同时解决了菌渣处理的难题，保护环境。然而抗生素菌渣含有抗生素残留及有毒代谢产物，散发异味等不利因素，不但使得适用该处理方式的抗生素菌渣种类较少，而且目前这方面的相关文献报道中，某一抗生素菌渣也仅用于该抗生素发酵，适用性较窄。为此大部分菌渣通常需要进行无害化预处理以及生物改性，使其能更好地应用于发酵培养基。

4.1.2 生物改性 采用微生物固体发酵的方式对菌渣进行生物改性，残留的抗生素通过高温，化学药品或生物降解等方式去除。改性后的菌渣，消除了菌渣的异味，无残抗，粗蛋白的含量也有所提高，能够用于发酵培养基作氮源，或者是进一步制成更高值的培养基组分。例如，制成膏状或者粉状的营养物质。张志宏等［20］利用白地霉、假丝酵母和乳酸菌等复合菌对红霉素菌渣混合发酵培养，4 d后测得菌渣中抗生素效价为0，粗蛋白从原来的23.37%增加到39.43%，然后作者用改性后的红霉素菌渣部分替代红霉素发酵培养基中的黄豆饼粉发现，当替代量达到50%的时候，效果最好，红霉素效价较对照提高了12%。刘小朋等［21］利用酿酒酵母和枯草芽孢杆菌对阿维菌素菌渣进行生物改性制成液态、膏状及粉状的营养成分，替代酵母膏用于阿维菌素发酵，阿维菌素的效价提高3%-5%。

由于菌渣的含氮量比较高，发酵过程中通过补充一定量的碳源，有利于微生物的生长。还可通过联合处理高碳废弃物共同发酵，产生更好的效果，不仅能降低成本，还能达到综合治理的目的。例如，韩淑云［22］利用酿酒酵母和蜡样芽孢杆菌等复合菌发酵泰乐菌素菌渣和维生素B12废水，获得了高值的膏状菌体提取物。

4.2 能源化利用

抗生素菌渣含有丰富的生物质，故可以同其他生物质资源一样利用厌氧发酵，热解或者水热的方式进行能源化利用。

厌氧发酵是将含有高有机质的废弃物，如猪粪，有机垃圾、蔬菜废弃物和秸秆等资源化利用，变废为沼气的很好的处理方式，抗生素菌渣含有丰富的有机质，因而可采用厌氧发酵的方式达到减量化和资源化的目的，且这种处理方式既减少环境污染，又获得了经济效益。厌氧发酵处理适用性较广，可用于多种类型的抗生素菌渣，如红霉素、林可霉素、青霉素、四环素、洁霉素和麦迪霉素等［23-27］。

但是由于抗生素菌渣C/N比较低，蛋白质含量高，故其水解会造成氨氮的积累，氨氮和残留抗生素是其厌氧发酵的两个重要的抑制因素［25］。过多的氨氮可以通过添加碳源来处理［24］，抗生素残留则可通过降解菌或者降解酶预处理，而且一定浓度抗生素残留对产甲烷菌存在抑制作用的同时也能对其驯化。刘子旭等［28］发现甲烷菌的活性会受到红霉素的抑制，未投加红霉素时甲烷的含量为68%，在150 mg/L的红霉素浓度下，甲烷菌的甲烷产量降低约50%，250 mg/L时甲烷菌基本丧失活性。通过保持添加20 mg/L的红霉素浓度不变，连续运行60 d，初始时甲烷含量下降到49.5%，运行20 d、40 d和60 d后甲烷含量呈现递增趋势，分别增长至52.6%、56%和64.2%。虽未达到未投加红霉素的时候的68%的甲烷含量，但仅下降4%。说明通过甲烷菌对抗生素的驯化能力，利用驯化的甲烷菌也能在一定程度上提高厌氧发酵效果。

除此之外，抗生素菌渣用于厌氧发酵还存在一个问题，菌丝体细胞壁存在由肽链交联的多糖成分，不利于生物降解［24］，因此对菌渣进行破壁处理有益于厌氧发酵。目前对菌渣的预处理常见的有物理方法：微波法和超声破碎法；化学方法：酸热法和碱热法。选择高效且经济的破壁方式，具有很好的应用前景。韩庆等［29］通过对比微波法、碱热法和酸热法对青霉素菌丝体细胞壁的破壁效果发现，在相同的时间和温度条件下，碱热法的效果最好，且破壁所需的时间相对较短，具有最高的性价比。原因在于细胞壁主要由甲壳素、葡萄糖及聚糖醛酸等物质组成，这些物质大多在碱性条件不稳定，所以在碱性环境中破壁效果最好［29］。Zhong等［24］通过对链霉素菌渣进行碱热预处理发现，反应器的生产性能和甲烷产量提高22.08%-27.08%，菌渣去除率达到64.09%，总挥发性脂肪酸和氨氮的积累量都有所下降。因此，通过对菌渣进行合适的预处理，对其进行厌氧发酵实现菌渣减量化和能源化利用具有广阔的前景，同时厌氧发酵后的废渣，经过安全性分析后可用于农肥，实现综合利用。

热解液化处理是在缺氧和高温条件下处理有机物，将其由大分子分解成为小分子，甚至是气体，主要获得生物油资源和部分燃气及焦炭［30］。水热法则是以高温的液态水作为反应介质，将生物质转化成燃气、生物油和焦炭等。水热法和热解法都能很好地对菌渣进行无害化处理，不同的是水热法的能效更高，所得油品的热值也更高，更易于制成液体燃料［31］。张光义等［32］研究利用水热法处理头孢菌素C制备固态燃料过程中的特性，表明水热处理能对菌渣进行无害化处理，并实现多重效益。但由于水热处理存在条件要求苛刻，设备成本高，反应时间长等问题，应用受到很大的限制，目前水热技术还未得到推广应用。

4.3 提取活性物质

菌渣菌丝体中含有多种可利用的活性物质，如蛋白质、壳聚糖和麦角固醇等，对其进行回收利用，不仅能缓解菌渣排放造成的环境污染问题，而且还能获得经济效益。

虽然提取活性物质是很好的菌渣资源再利用方式，但是也存在诸多问题。首先在提取过程中需要用到多种有机溶剂进行萃取、除杂，有机溶剂毒性大，对后续废液、废渣的处理不利；其次利用专门的用于提取某种活性物质的非抗生素菌丝体能获得比抗生素菌丝体更高的产率［33］；再者抗生素菌渣中的有毒成分对提取产物毒性的影响有待评估，特别是用于食品添加剂的这类物质。因此这些极大的限制了这一再利用方式的应用。

尽管存在以上的缺点，但是抗生素菌渣有来源丰富，成本低廉的优点，而且通过提取工艺的改善，如用酶法替代有机溶剂进行抽提，不仅能得到更好的提取效果，对环境的影响也更小。例如，刘玲等［34］采用碱性蛋白酶进行酶解取代传统的有机溶剂除杂，减少有机溶剂的使用，降低成本。

以抗生素菌渣为原料提取的活性物质，如果能够通过可靠的安全性分析，对其应用有重大意义，特别是在食品工业上的应用。如Kongishi等［35］对从青霉素菌丝体的提取葡糖氧化酶应用于食品工业进行安全性评价，用小鼠进行口服毒性试验，90 d，每天单位体重（kg）服用相当于193 mg葡萄氧化酶固体，并未发现任何不利影响，并且经过一系列的基因毒性研究，未发现基因毒性，这些结果都为从青霉素菌丝体提取的葡糖氧化酶应用于食品工业提供有力支撑。

4.4 用作饲料或饲料添加剂

早期人们利用菌渣中含有丰富的蛋白质的特性，将其用于饲料或者饲料添加剂。饲料的制作过程，只是简单的烘干、粉碎，并未预先对菌渣进行无害化处理，以及未经过可靠的安全性分析［36］。菌渣内的残留抗生素被牲畜食用，会造成抗生素蓄积，产生耐药性，危害生态平衡，甚至影响到人体健康。

抗生素菌渣虽然被列入危险物质，但是如果能够对菌渣进行无害化处理，并对其进行可靠的安全性分析，菌渣饲料化仍不失为菌渣资源化利用的有效途径。为此，人们对此进行广泛的研究，目前常用黑曲霉、白地霉、酿酒酵母、假丝酵母、乳酸菌和枯草芽孢杆菌等对菌渣进行固态发酵生产单细胞蛋白和饲用酶制剂，菌渣经过预处理和固体发酵后，残留抗生素被降解，单细胞蛋白的含量及各种酶的活性增加，大大提升饲料品质，改善饲料的适口性。已有研究表明，多种类别的抗生素菌渣能够利用固体发酵的方式生产安全无残抗的高品质单细胞蛋白饲料和饲用酶制剂［20，37-41］。但抗生素残留并非菌渣中的唯一危害安全性的因素，还可能存在残留重金属，多环芳香烃，以及抗生素降解产物是否有毒性等未知因素，所以人们对抗生素菌渣应用于饲料方面仍抱有谨慎态度，亟需更全面可靠的安全性分析。

4.5 生物肥料

菌渣含有丰富的有机质，含有丰富的N、P等元素，能有效的改善土质，促进植物的生长，已有很多研究表明堆肥化有助于动物粪便中残留抗生素的降解［42-47］。但对于抗生素菌渣堆肥化应用研究，目前还不多。张红娟［48］研究利用林可霉素菌渣和牛粪进行联合堆肥，能够对林可霉素起到很好的降解作用，说明抗生素菌渣堆肥化的可行性。

由于菌渣低C/N比，故一般需要加入碳源成分进行混合堆肥，因此选择可作为碳源的废弃物，与菌渣共同发酵，能达到综合利用的目的。温沁雪等［49］通过将城市污泥和青霉素菌渣混合堆肥，弥补两种原料各自的不足。研究还发现，青霉素灭活菌丝体用作肥料，还具有抗病害的作用［50，51］。

4.6 生物吸附剂

抗生素菌渣用于制备活性炭：活性炭80%-90%由碳组成，孔多，吸附能力强，可循环使用，无二次污染，广泛应用于电力行业、化工行业、食品行业和环保行业等。抗生素菌渣碳含量高，可以用于制备活性炭。周宝华等［1，52］利用青霉素和土霉素菌渣，采用K2CO3作为活化剂，通过响应面法对制备工艺进行优化，采用比表面积，亚甲基蓝吸附值和苯酚吸附值作为指标，获得的活性炭中孔结构均匀，含有大量的微孔，一定量的中孔和大孔，综合说明了菌渣制备活性炭的可行性。

抗生素菌渣用作阴离子染料，重金属吸附剂：废弃的生物质来源广，量大，价格便宜，在去除水体中金属离子方面效果显著，废弃的生物质中含有很多-NH2及-OH基团，因此能与多种金属螯合，诸如，铜离子、铬离子、锌离子及镍离子等。但也存在机械强度不够，重复利用率及吸附容量低等一系列问题，有文献报道的应用于生物吸附剂的抗生素菌渣中以青霉素菌渣研究应用比较广泛，青霉素菌丝体可用于对镍离子的吸附［53，54］，以及酸性橙8、酸性蓝45和活性橙16这三种阴离子染料的吸附［55］，但是其他菌渣在这方面的应用研究文献报道的较少，有待进一步研究。

4.7 其他新型的应用

4.7.1 石膏缓凝剂 脱硫石膏是一种轻便、好用、无毒的建筑材料，但其缺点是凝固时间很短，因此需要加入缓凝剂，常规的缓凝剂中含有有机柠檬酸、多磷酸钠和蛋白质。废弃的菌渣中含有丰富的蛋白质，而蛋白质能够起到缓凝的作用。Ren等［56］通过研究利用青霉素废菌渣作为石膏缓凝剂，对比柠檬酸钠和多聚磷酸钠，青霉素废菌渣对机械强度的影响最小。也就是说，青霉素菌渣在延长石膏的凝固时间的同时，保证石膏有较好的机械强度。青霉素废菌丝改性制备新型的石膏缓凝剂，不仅能达到废物利用，保护环境，而且产品不与人和动物直接接触，不存在安全性问题，原料来源丰富，成本低廉，是一种经济且环保的废弃菌丝体处理方式，应用前景广阔［57］。

4.7.2 可降解生物薄膜 生物薄膜是利用有机废弃物制成的薄膜，与塑料薄膜相比具有可降解、无污染、保水能力强的优点，还能逐渐释放K+、NO3-和Mg2+等多种离子和有机物质，促进植物的生长［58］。Ao等［59］通过利用废弃青霉素菌丝体，或柠檬酸发酵废弃物制成生物薄膜，通过研究表明这两种生物质制成的薄膜都具有良好的保温性能，温度较不加膜高了5-7℃，保水性能与塑料薄膜相当，而且90 d后薄膜的降解率分别达到40%和20%，期间还能缓慢地释放出P，促进植物生长，说明利用有机发酵废菌丝体制作的生物薄膜相对于塑料薄膜具有很大的潜在优势，不仅原料来源丰富，而且有利于生态农业可持续发展，实现废物利用，保护环境。

抗生素菌丝体用于生物薄膜有赖于菌渣无害化处理技术的发展。目前对于抗生素菌渣应用于石膏缓凝剂和可降解生物薄膜的研究还很少，文献报道仅有青霉素菌渣，其他抗生素菌渣是否适用需要进行深入的可行性和安全性分析。

5 展望

人们对环境安全的重视程度与日俱增，越来越多的污染性企业被关闭、整改，迁移出人口聚集区。抗生素菌渣是一种高危险的固体废弃物，因此对其合理的无害化和资源化利用，具有较大经济和社会价值。要做到合理处置菌渣，首先要保证菌渣无害化，特别在饲料、肥料和可降解生物薄膜等直接接触动植物和人体方面的应用上，安全性尤为重要。其次除优化工艺，降低污染和成本外，综合多种处置和再利用方式，提高资源再利用效率，或与其他工农业废弃物联合处理，也有广阔的应用前景。如抗生素菌渣用于提取活性物质及制备石膏缓凝剂，染料吸附剂后残余的废液废渣可以通过联合废弃活性污泥或动物粪便进行厌氧发酵或者堆肥化处理，厌氧发酵后残留的污泥又可作为农业肥料。然而抗生素菌渣生成量大，目前各种再利用方式尚不完善，难以完全承载，仍然主要依赖传统的焚烧处理减量化，所以研发更高效节能的焚烧设备，以及开发新的资源化应用途径，拓宽菌渣资源化综合应用水平迫在眉睫。

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（责任编辑 狄艳红）

Research Progress on the Harmless Treatment and Resource Reuse of Antibiotic Bacteria Residues

Chen Liwen1Fang Senhai1Wang Mingzi1，2
（1. College of Life Sciences，Fujian Normal University，Fuzhou350117；2. Engineering Research Center of Industrial Microbiology of Ministry of Education，Fujian Normal University，Fuzhou350117）

The dozens of hazard bacteria residues are generated during the antibiotics fermentation process. An incorrect disposal of themwould cause critical environmental and health problems. Here we summarize the recent progresses on the harmless treatment and resource utilization with this kind of waste， such as reusing it as nitrogen source in fermentation medium， producing energy， forage， biodegradable film and gypsum retarder， for enhancing the efficiency of harmless treatment and resource utilization of antibiotic bacteria residues.

antibiotic bacteria residues；harmless treatment；resource utilization

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.05.003

2014-11-12

企业委托项目（DH-596）

陈立文，男，硕士，研究方向：微生物药物；E-mail：chenxiaowenfjgt@126.com

王明兹，男，博士，副教授，研究方向：微生物药物；E-mail：mingziw@fjnu.edu.cn