電子束輻照對(duì)土霉素菌渣理化性質(zhì)的影響

冀 東，熊 強(qiáng),2，李元崗，蘇曉書(shū)，宋旺旺，崔碩垚

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

我國(guó)是世界上土霉素藥物(屬于發(fā)酵類(lèi)抗生素藥物)生產(chǎn)和出口大國(guó)，年產(chǎn)十余萬(wàn)噸，占世界產(chǎn)量的50%以上。土霉素菌渣是經(jīng)過(guò)微生物發(fā)酵提取后剩余的固體廢物，主要成分包括菌體、未利用的培養(yǎng)基、發(fā)酵過(guò)程的代謝產(chǎn)物以及殘留的抗生素和抗生素抗性基因等[1]，其產(chǎn)生量約為土霉素產(chǎn)量的8～10倍。鑒于土霉素菌渣中含有殘留的抗生素和抗生素抗性基因，在2008年已被列入《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》，若不對(duì)其妥善處理，菌渣中殘留的抗生素會(huì)造成抗菌性菌群的富集及抗性基因的演變和傳播，從而導(dǎo)致“超級(jí)細(xì)菌”出現(xiàn)[2-4]。

目前抗生素菌渣的處理技術(shù)主要包括焚燒、填埋、堆肥、厭氧消化等物理化學(xué)方法[5-6]，但均存在抗生素降解不徹底、處理成本高、二次污染風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。輻照技術(shù)作為國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)在環(huán)保領(lǐng)域推薦的應(yīng)用技術(shù)之一，已在廢水處理、固廢處置領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，輻照技術(shù)相比常規(guī)處理技術(shù)具有適用性強(qiáng)、處理速度快、無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)，為輻照技術(shù)在抗生素菌渣處理中的應(yīng)用打開(kāi)了新的技術(shù)方向。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)紅霉素、頭孢菌素等菌渣[7-8]的輻照處理已開(kāi)展了大量研究工作，研究表明，輻照技術(shù)可有效去除菌渣中殘留的抗生素和抗生素基因，但針對(duì)輻照處理后菌渣的理化性質(zhì)變化情況，以及是否滿(mǎn)足我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求鮮有研究。因此，選取我國(guó)生產(chǎn)量較大的土霉素菌渣作為研究對(duì)象，在分析輻照技術(shù)對(duì)菌渣中土霉素降解的基礎(chǔ)上，探討土霉素菌渣輻照前、后理化性質(zhì)變化情況，并與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，以期對(duì)抗生素菌渣的無(wú)害化處理和資源化利用提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

土霉素菌渣：河北省某制藥廠；電子加速器：北京某輻照技術(shù)公司提供，加速器能量為10 MeV、電流為1.2 mA，加速器束下裝置傳運(yùn)速度為3.3 m/min，循環(huán)輻照一圈的劑量為5 kGy；1290-6460型液相色譜質(zhì)譜儀(LC-MS)、8890型氣相色譜質(zhì)譜儀(GC-MS)、7700型電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)：安捷倫科技(中國(guó))有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀：型號(hào)FTIR650，沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司；ICS-5000型異煙酸-巴比妥酸光譜儀、ICS-1100型離子色譜儀：美國(guó)Thermo Fisher。

1.2 輻照

土霉素菌渣樣品均勻抹平鋪在無(wú)蓋的塑料盒(24 cm×16 cm×7.5 cm)中，厚度設(shè)置為2 cm，誤差控制在1 mm。將塑料盒布放在加速器束下裝置的軌道托盤(pán)(80 cm×60 cm×20 cm)中，通過(guò)輸送軌道將樣品傳運(yùn)至加速器掃描窗口下進(jìn)行循環(huán)輻照，輻照劑量選取20、50、100、150、200 kGy五個(gè)梯度，待達(dá)到預(yù)定的輻照劑量時(shí)取樣，每個(gè)樣品設(shè)置2個(gè)平行樣，取其測(cè)量結(jié)果平均值進(jìn)行分析。

1.3 檢測(cè)分析方法

1.3.1土霉素檢測(cè) 采用液相色譜質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)定，檢測(cè)方法參照 EPA Method 1694—《Pharmaceuticals and personal care products in water, soil, sediment, and biosolids by HPLC/MS/MS》[9]。色譜條件：色譜柱為C18(150 mm×2.1 mm×5 μm)，柱溫為30 ℃，流速為300 μL/min，進(jìn)樣量為5 μL。質(zhì)譜條件：電噴霧離子源，氣簾氣為11 L/min，噴霧電壓4 000 V，溫度為350 ℃，壓力為45 psi。

1.3.2有機(jī)物變化 采用氣相色譜質(zhì)譜儀進(jìn)行分析，色譜條件：色譜柱HP-AMS 30 m×0.25 mm×0.25 mm，流量為1 mL/min，分流比為5∶1，分流量為5 mL；升溫過(guò)程：初始溫度40 ℃保持2 min，以15 ℃/min的升溫速率升至150 ℃；150 ℃保持5 min，以10 ℃/min的升溫速率升至290 ℃；290 ℃保持8 min。質(zhì)譜條件：離子源EI，溫度230 ℃，電子能量70 eV，傳輸線溫度280 ℃，采集模式全掃描，質(zhì)量掃描范圍m/z：35～450 u，掃描速度：1 562 u/s，步長(zhǎng)：0.1。

1.3.3重金屬元素 采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)定。菌渣樣品按照《固體廢物—浸出毒性浸出方法—硫酸硝酸法》(HJ/T299-2007)[10]的方法進(jìn)行消解，消解后進(jìn)行重金屬元素的檢測(cè)。

1.3.4無(wú)機(jī)陰離子 氰根離子采用異煙酸-巴比妥酸光譜法測(cè)定，樣品按照HJ/T299-2007方法進(jìn)行消解；其他無(wú)機(jī)陰離子采用離子色譜法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.5pH 參照《固體廢物腐蝕性測(cè)定—玻璃電極法》(GB/T 15555.12-1995)[11]。

1.3.6傅里葉紅外光譜 采用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行檢測(cè)。首先將菌渣樣品放置于105 ℃的烤箱中烘干至衡重，然后按照180∶1(KBr：干燥土霉素菌渣樣品)混合研磨，在壓片機(jī)上加壓成模，將透明薄片卡入FTIR樣品槽中進(jìn)行掃描，檢測(cè)波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1。在傅里葉紅外光譜儀中常用波數(shù)表示光譜范圍，單位為cm-1，波數(shù)與波長(zhǎng)互為倒數(shù)，波數(shù)表示在波傳播方向上單位長(zhǎng)度內(nèi)的波周數(shù)目。

1.3.7工業(yè)分析 參照《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T 212-2008)[12]進(jìn)行測(cè)定，首先將菌渣鮮樣和輻照后的樣品在70 ℃下烘干，碾磨后過(guò)60目篩，然后進(jìn)行水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳的測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 菌渣中土霉素輻照降解效果

菌渣中土霉素初始濃度為2 070 mg/kg，分別經(jīng)20、50、100、150、200 kGy吸收劑量輻照后，菌渣中土霉素濃度依次降低至1 250、1 150、875、620、490 mg/kg，去除率分別為39.61%、44.44%、57.73%、70.92%、76.33%。吸收劑量與土霉素的降解關(guān)系示于圖1。由圖1可知，隨著吸收劑量增加，土霉素含量逐漸降低，但降低的速率逐漸變緩。當(dāng)吸收劑量從0 kGy增長(zhǎng)到20 kGy時(shí)，土霉素的去除率達(dá)到39.61%；而吸收劑量由150 kGy增長(zhǎng)到200 kGy時(shí)，土霉素的去除率僅增加5.41%。從上述結(jié)果可知，輻照技術(shù)可有效降解菌渣中的土霉素，但隨吸收劑量的增加土霉素的降解速率逐漸降低。

圖1 吸收劑量與土霉素的降解關(guān)系Fig.1 The relationship between dose and degradation of oxytetracycline

2.2 土霉素菌渣輻照降解過(guò)程有機(jī)物變化

鑒于部分學(xué)者已對(duì)土霉素菌渣中的多環(huán)芳烴(PAHs)進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)分析[16-17]，其結(jié)果低于國(guó)家危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)(GB 5085.6-2007)中規(guī)定的多環(huán)芳烴的物質(zhì)含量，因此應(yīng)用傅里葉紅外光譜和氣相色譜質(zhì)譜對(duì)土霉素菌渣有機(jī)物輻解的過(guò)程變化進(jìn)行分析。

圖2 不同吸收劑量的傅里葉紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of oxytetracycline residue at different absorbed doses

2.2.2氣相色譜質(zhì)譜分析 采用氣相色譜質(zhì)譜法對(duì)未輻照和吸收劑量為100 kGy的兩組樣品進(jìn)行有機(jī)物變化分析，總離子流圖示于圖3和圖4。

圖3 土霉素菌渣原樣的總離子流圖Fig.3 Total ion current diagram of irradiated oxytetracycline residue

圖4 吸收劑量100 kGy土霉素菌渣的總離子流圖Fig.4 Total ion current diagram of oxytetracycline residue with absorbed dose of 100 kGy

對(duì)比圖3和圖4可知，未輻照樣品中色譜峰位置主要出現(xiàn)在保留時(shí)間為3～12 min和19～21 min的范圍內(nèi)；經(jīng)過(guò)100 kGy吸收劑量輻照后的樣品在3～12 min范圍內(nèi)出現(xiàn)的色譜峰略微減少，但在15～30 min的范圍內(nèi)出現(xiàn)了大量新的色譜峰。由此可知，在經(jīng)過(guò)輻照處理后，土霉素菌渣中有大量新的有機(jī)物生成，主要由含有不飽和鍵的有機(jī)物與電子束產(chǎn)生的活性粒子反應(yīng)所致。

鑒于本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選用的GC-MS譜庫(kù)數(shù)據(jù)有限，按照離子流圖僅匹配幾種高豐度色譜峰所對(duì)應(yīng)的有機(jī)物，其中未輻照樣品中4.956 min處出現(xiàn)的高豐度響應(yīng)色譜峰確定為4-羥基-4-甲基-2-戊酮；100 kGy吸收劑量的輻照樣品中4.956 min、19.792 min和20.967 min處出現(xiàn)的色譜峰分別對(duì)應(yīng)4-羥基-4-甲基-2-戊酮、十五烷酸和十六烷酸。輻照前、后高豐度色譜峰對(duì)應(yīng)的有機(jī)物列于表1。由表1可知，輻照后樣品中新的有機(jī)酸生成，主要是由于土霉素菌渣中有機(jī)物與產(chǎn)生的活性粒子發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生羧基所致。另外對(duì)照《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)—浸出毒性鑒別》(GB 5085.3-2007)和《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)—毒性物質(zhì)含量鑒別》(GB 5085.6-2007)，上述物質(zhì)均未列出。

2.3 輻照對(duì)理化性質(zhì)影響

2.3.1化學(xué)特性 抗生素菌渣的化學(xué)特性分析對(duì)其資源化利用有重要意義，菌渣的化學(xué)特性和pH輻照前、后的變化情況列于表2。從測(cè)定結(jié)果可知，土霉素菌渣原樣中揮發(fā)分較高(75.41%)，水分和灰分均較低，分別為3.02%和9.58%，其中揮發(fā)分含量高表示菌渣中有機(jī)物含量高，這與菌渣中主要由剩余培養(yǎng)基、菌絲體和有機(jī)代謝產(chǎn)物組成有關(guān)；灰分含量少，表明土霉素菌渣經(jīng)過(guò)熱處理后可達(dá)到很好的減容效果。經(jīng)過(guò)輻照后，土霉素菌渣中的揮發(fā)分有所下降，水分和灰分有所升高，這主要是由于土霉素菌渣中部分有機(jī)物經(jīng)輻照后發(fā)生降解，部分有機(jī)物發(fā)生礦化生成少量的CO2和H2O，但整體變化幅度較小。

表1 有機(jī)物定性測(cè)量Table 1 Qualitative results of organic matter

表2 輻照前和輻照后土霉素菌渣的工業(yè)分析和pHTable 2 Industrial analysis and pH value of oxytetracycline residue before and after irradiation

土霉素菌渣的初始pH為4.38，經(jīng)輻照后pH有下降的趨勢(shì)，主要是由于土霉素菌渣中部分有機(jī)物與產(chǎn)生的活性粒子發(fā)生反應(yīng)，形成一定的有機(jī)酸所致，與表1給出的結(jié)論一致。對(duì)比《國(guó)家危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)—腐蝕性鑒別》(GB 5085.1-2007)中規(guī)定限值(pH<2)，表明輻照后的菌渣未在腐蝕性物質(zhì)鑒別范疇內(nèi)。

表3 輻照前、后土霉素菌渣中重金屬含量Table 3 Content of heavy metals in soil residue before and after irradiation

表4 輻照前后無(wú)機(jī)陰離子的含量Table 4 Content of inorganic anions before and after irradiation

在《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)—浸出毒性鑒別》(GB 5085.3-2007)中列出無(wú)機(jī)氟化物和氰化物兩類(lèi)物質(zhì)控制限值，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定浸出液中無(wú)機(jī)氟化物的濃度限值為100 mg/L，而檢測(cè)出的氟離子濃度僅在5.66～6.43 mg/L之間；氰化物(以CN-計(jì))的濃度限值為5 mg/L，在輻照過(guò)程中已完全降解，可判斷土霉素菌渣在輻照后不具有氟化物和氰化物超標(biāo)的危險(xiǎn)特征。

3 結(jié)論與展望

鑒于抗生素菌渣的安全處置尚未有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，盡管電子束輻照土霉素菌渣在腐蝕性、浸出毒性方面均未超過(guò)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，但其抗生素殘留成分控制要求并未明確，因此未來(lái)需要推進(jìn)抗生素殘留的安全控制標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，才能判別輻照處理后是否能夠達(dá)到無(wú)害化。經(jīng)上述研究可發(fā)現(xiàn)，電子束輻照處理土霉素菌渣后仍含有大量有機(jī)物，資源化利用具有較大的潛力，但需與其他技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，發(fā)揮不同技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)抗生素菌渣的無(wú)害化處理和資源化利用。