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抗生素菌渣是发酵类抗生素生产过程中产生的半固体废弃物,其含水率为60~90%,且含有丰富的有机物。基于此特点,未经处理的抗生素菌渣极易进行二次发酵,产生臭味,对大气、土壤和地下水造成污染。其中所残留的抗生素、抗性基因进入环境会加剧细菌的耐药性,危害人体健康;此外,菌渣中含有的重金属对环境健康也带来一定风险。自2008年抗生素菌渣被列入《国家危险废物名录》以来,菌渣的无害化处理是抗生素制药行业亟待解决的问题。本研究基于林可霉素菌渣有机质含量丰富、林可霉素结构稳定不易降解等特点,利用水热法处理林可霉素菌渣,旨在实现残留林可霉素的去除,抗性基因的破坏和重金属的稳定化,并将处理后的菌渣施用于林地或草地土壤中增加其肥力。在为林可霉素菌渣的无害化处理提供方向的同时探索其进一步资源化的方式,为抗生素菌渣处理与利用污染控制技术规范的编制提供理论依据。
采用水热技术对林可霉素菌渣进行处理,考察此过程中有机质的释放规律;同时利用响应面法优化林可霉素去除的水热条件,并且深入研究林可霉素水热处理过程中的去除规律。结果表明,溶解性有机物(多糖和蛋白质)、氮、磷营养元素含量随着反应温度的升高显著增加;水热处理时间延长至180min时,随着美拉德反应的加剧降低了溶解性有机物和氮的含量。基于响应曲面法的回归模型拟合程度良好,可有效预测林可霉素的去除效果;建立了林可霉素水热降解的反应动力学模型描述林可霉素水热去除规律。结合模型分析可知,水热反应温度的提高、酸浓度的增大会增大林可霉素降解速率常数,缩短停滞时间;一定范围内(小于300mg/L)增大林可霉素初始浓度也会促进林可霉素的降解。
考察林可霉素菌渣水热处理过程中特征污染物-抗性基因、可移动遗传因子和重金属的变化。结果表明水热处理后菌渣中抗性基因、可移动遗传因子的去除率大于99%;目标基因在水热处理过程中的去除可用一级动力学模型描述,处理第一阶段(处理前30min)中目标基因去除速率较第二阶段(处理30min后)高两个数量级。林可霉素抗性基因的绝对丰度和可移动遗传元件intI1、Tn916/1545的绝对丰度有显著相关性。水热处理后菌渣中稳定态重金属(有机物结合态、残渣态)比例增加,基于风险编码评价法可知处理后菌渣中重金属环境风险至少降低了一个级别。此外,水热处理后的林可霉素对金黄葡萄球菌和Microcystis微藻细胞均没有抑制作用。林可霉素在水热处理过程中通过水解、连续羟基化反应和脱巯基3种路径生成的相应降解产物活性中心均被破坏,失去了生物毒性。
研究处理后菌渣施入以及林可霉素剂量对土壤中林可霉素抗性基因丰度和微生物群落结构的影响。结果表明,处理后的菌渣没有诱发产生新的耐药基因,而且对土壤中林可霉素耐药基因丰度及基因水平转移的风险没有显著影响。含有不同林可霉素浓度的菌渣施入土壤8d后,林可霉素抗性基因(除基因lnuA)和可移动遗传元件的绝对丰度显著增高,且基因lmrA和lnuB的丰度与土壤中林可霉素浓度有显著的剂量效应关系;随着培养时间延长至50天林可霉素抗性基因和可移动遗传元件的绝对丰度均减少至对照组水平。施用菌渣的土壤培养8d后,细菌α多样性指数远远低于对照组,而且土壤中林可霉素浓度和Chao1指数、Shannon指数呈显著的负相关(p<0.01),细菌的丰富度随着林可霉素浓度的增大而减小;此外,土壤细菌群落结构显著改变,林可霉素浓度为10mg/kg的土壤细菌与浓度为50mg/kg和100mg/kg的土壤细菌群落结构差异性显著。然而,当培养时间延长至50d后,添加菌渣的实验组和对照组的α多样性指数没有显著差异,土壤细菌群落结构有恢复初始水平的趋势。
采用水热技术对林可霉素菌渣进行处理,考察此过程中有机质的释放规律;同时利用响应面法优化林可霉素去除的水热条件,并且深入研究林可霉素水热处理过程中的去除规律。结果表明,溶解性有机物(多糖和蛋白质)、氮、磷营养元素含量随着反应温度的升高显著增加;水热处理时间延长至180min时,随着美拉德反应的加剧降低了溶解性有机物和氮的含量。基于响应曲面法的回归模型拟合程度良好,可有效预测林可霉素的去除效果;建立了林可霉素水热降解的反应动力学模型描述林可霉素水热去除规律。结合模型分析可知,水热反应温度的提高、酸浓度的增大会增大林可霉素降解速率常数,缩短停滞时间;一定范围内(小于300mg/L)增大林可霉素初始浓度也会促进林可霉素的降解。
考察林可霉素菌渣水热处理过程中特征污染物-抗性基因、可移动遗传因子和重金属的变化。结果表明水热处理后菌渣中抗性基因、可移动遗传因子的去除率大于99%;目标基因在水热处理过程中的去除可用一级动力学模型描述,处理第一阶段(处理前30min)中目标基因去除速率较第二阶段(处理30min后)高两个数量级。林可霉素抗性基因的绝对丰度和可移动遗传元件intI1、Tn916/1545的绝对丰度有显著相关性。水热处理后菌渣中稳定态重金属(有机物结合态、残渣态)比例增加,基于风险编码评价法可知处理后菌渣中重金属环境风险至少降低了一个级别。此外,水热处理后的林可霉素对金黄葡萄球菌和Microcystis微藻细胞均没有抑制作用。林可霉素在水热处理过程中通过水解、连续羟基化反应和脱巯基3种路径生成的相应降解产物活性中心均被破坏,失去了生物毒性。
研究处理后菌渣施入以及林可霉素剂量对土壤中林可霉素抗性基因丰度和微生物群落结构的影响。结果表明,处理后的菌渣没有诱发产生新的耐药基因,而且对土壤中林可霉素耐药基因丰度及基因水平转移的风险没有显著影响。含有不同林可霉素浓度的菌渣施入土壤8d后,林可霉素抗性基因(除基因lnuA)和可移动遗传元件的绝对丰度显著增高,且基因lmrA和lnuB的丰度与土壤中林可霉素浓度有显著的剂量效应关系;随着培养时间延长至50天林可霉素抗性基因和可移动遗传元件的绝对丰度均减少至对照组水平。施用菌渣的土壤培养8d后,细菌α多样性指数远远低于对照组,而且土壤中林可霉素浓度和Chao1指数、Shannon指数呈显著的负相关(p<0.01),细菌的丰富度随着林可霉素浓度的增大而减小;此外,土壤细菌群落结构显著改变,林可霉素浓度为10mg/kg的土壤细菌与浓度为50mg/kg和100mg/kg的土壤细菌群落结构差异性显著。然而,当培养时间延长至50d后,添加菌渣的实验组和对照组的α多样性指数没有显著差异,土壤细菌群落结构有恢复初始水平的趋势。