（同濟大學 環境科學與工程學院,上海 200092)
研究背景
甾體類藥物是指分子結構中含有環戊烷駢多氫菲(cyclopentano-perhydrophenthrene)基本骨架的1類藥物，主要包括甾體激素類藥物、甾醇類藥物、甾體皂苷類藥物、強心苷類藥物和甾體生物堿等，是維持機體正常生命活動的重要活性物質，其在調節機體物質代謝、細胞發育分化、性功能及免疫調節等方面發揮著重要作用，并且其臨床作用范圍不斷擴大。目前，全球生產的甾體類藥物已超過400種，2016年全球甾體激素藥物銷售額超過1000億美金，是僅次于抗生素的第2大類化學藥。我國是甾體類原料藥的生產大國，甾體類藥物年產量占世界總產量的1/3左右，其中皮質激素原料藥生產能力和實際產量均居世界第一，激素類原料藥和中間體已成為我國原料藥走向世界的重要品種。
在甾體類藥物生產行業蓬勃發展的同時，其產業相關的污染問題也開始逐漸受到人們關注，尤其是藥物發酵生產過程中殘留固體廢棄物亟須進一步全面認識，然而目前對于該過程中廢棄物的處理處置鮮有綜述報道。本文重點論述了發酵菌渣無害化與資源化的研究進展，并對未來的發展方向進行展望，可為甾體類制藥行業的技術從業者、相關研究人員和管理人員提供可靠的技術支撐。
摘 要
我國為甾體類原料藥的生產大國，微生物轉化法生產甾體藥物的過程中產生的發酵菌渣是一種非常寶貴的資源，但發酵菌渣中仍存在少量有毒的甾體類殘留物，在我國被列入《國家危險廢物名錄》。目前，甾體藥物發酵菌渣的處理仍存在一定困難，嚴重制約著制藥企業的健康發展，為此很多研究者針對藥物發酵菌渣的無害化與資源化途徑開展了廣泛的研究。從甾體類藥物發酵菌渣的來源、污染屬性及國家相關管理要求等方面入手，分別綜述了目前包括水熱處理、堿熱處理、微波處理等預處理技術，燃料化、肥料化、材料化等資源化利用技術，焚燒處置、安全填埋等處置技術在內的甾體藥物發酵菌渣無害化與資源化方面的研究現狀與最新進展，并對不同處理處置技術的可行性與可操作性進行了綜合分析，最后對該領域未來的研究方向進行展望。
01
甾體藥物菌渣的來源、組成及危害
1. 甾體藥物合成方法演變
自20世紀20—30年代起，Ehrenstein等發現從動物腺體中提煉出的天然產物，如膽酸、膽固醇等，可用于合成甾體激素及其衍生物。20世紀40年代，美國和墨西哥發現薯蕷皂素這一植物性天然產物后，甾體藥物的生產原料逐漸完成從動物性向植物性原料的過渡，除某些特殊激素特殊產品如雌激素需從動物尿液中提取外，幾乎所有的甾體藥物都開始以薯蕷皂素、劍麻皂素和番麻皂素3種植物皂素為起始原料進行生產，由此衍生的合成技術成為這一行業的主要生產技術。
中華人民共和國成立后，黃鳴龍在甾體藥物的研究上取得了長足的進步；自1958年以來，我國陸續建立了以薯蕷皂素為主要原料的甾體藥物工業，并形成了各種較為成熟的工藝。到20世紀70年代中后期，由于連續一二十年的采挖，薯蕷科植物資源已近枯竭，薯蕷皂素價格開始上漲。同時，我國企業在植物甾醇發酵工程取得了突破性進展，80年代開始，以禾本科植物甾醇為起始原料制造雄烯二酮(AD)、雄二烯二酮(ADD)等中間體的微生物轉化技術逐步應用于規?；I生產，植物甾醇逐漸開始替代植物皂素廣泛應用于性激素、孕激素和皮質激素等甾體藥物的生產。國內漸漸形成了“上游(禾木科植物甾醇原料)—中游(甾體藥物中間體原料)—下游(產品制劑)”的甾體藥物產業鏈。
2. 甾體藥物發酵菌渣
目前，不同種類的甾體藥物所采用的生產工藝不一定相同，同種甾體藥物不同廠家的生產工藝也不一定相同，而且很多廠家的生產工藝也是涉密信息，因此甾體藥物的生產過程不能一概而論，本文僅概述普遍意義上的情況。一般來講，由植物甾醇生產氫化可的松等甾體藥物的主要反應過程分為生物發酵階段(植物甾醇→甾體中間體)和化學合成(甾體中間體→甾體藥物)2個階段。
以常見的甾體中間體雄烯二酮(AD)為例，AD等中間體的微生物轉化階段途徑如圖2所示。不同的研究者分別利用分枝桿菌、芽孢桿菌等微生物轉化膽固醇(Ⅰ)、谷甾醇(Ⅱ)、豆甾醇(Ⅲ)、菜油甾醇(Ⅳ)、菜籽甾醇(Ⅴ)、谷甾烷醇(Ⅵ)、菜油甾烷醇(Ⅶ)、麥角甾醇(Ⅷ)和孕酮(Ⅸ)等物質制備AD，也有學者通過誘變育種或基因工程技術進一步選育高效菌種，顯示出較好的轉化活性與較高的轉化效率。典型的微生物轉化途徑是通過分枝桿菌等微生物對甾醇側鏈C17位降解、C5，6位雙鍵的氫化以及C3位上的羥基的酮基化等生產AD等甾體中間體。
生物發酵生產甾體中間體的微生物轉化工藝不同研究者的方法不盡相同。張崢斌采用常壓室溫等離子體系誘變系統(ARTP)對分枝桿菌菌種進行誘變處理，選育出能轉化植物甾醇合成AD的菌種，生物發酵高效轉化制備AD，生物轉化率95%以上；劉喜榮應用兩步發酵技術，成功獲得了11-α-OH[1]4AD關鍵中間體，解決了醋酸氫化可的松的關鍵性官能團合成難度大的問題，提高了產品收率及產品質量；Shao等對分枝桿菌發酵轉化植物甾醇制備ADD的發酵工藝進行優化，采用三階段發酵工藝，以果糖為初始碳源，以葡萄糖為原料進行補料兩段發酵以維持菌株代謝，后期補加植物甾醇發酵轉化制備ADD，縮短發酵周期的同時也提高了產量。
微生物轉化技術的生產特點基本比較相似，一般都需要經過菌株優選、種子制備與擴增培養、微生物發酵、發酵液預處理、固液分離、產物提取與純化、精制與包裝等多個步驟。在發酵完成后，對于產生胞外甾體的菌體而言，發酵物經固液分離后產生的固態或半固態濾餅即為甾體藥物發酵菌渣；而對于產生胞內甾體的菌體，經過甲醇等溶媒浸泡提取后，再進一步固液分離的濾餅即為甾體藥物發酵菌渣。
受分離提取效率的限制，發酵液中的甾體藥物無法被徹底提取，使得菌渣中不可避免地殘留少量的甾體物質及其他代謝產物，可能會影響各種生物的生殖系統、免疫系統和神經系統，具有一定的生態毒性。與此同時，微生物轉化過程產生的菌渣中還含有豐富的菌絲體和殘留的有機質、糖類、蛋白質和礦物質等營養成分，是一種具有廣闊開發前景的資源。
3. 國家相關管理要求
因藥物發酵菌渣富含營養成分，所以在2002年之前，大部分甾體類發酵菌渣主要用作畜禽及漁業飼料以促進畜禽等的生長。然而，鑒于菌渣中殘留的甾體物質會在生態系統中不斷累積，并與動物體內激素受體結合發揮拮抗作用，對生態環境中動植物都有潛在累積性與危害性，2002年，國家農業部176號文件《禁止在飼料和動物飲用水中使用的藥物品種目錄》出臺，明令禁止將含甾體物質的菌渣用作畜禽飼料或飼料添加劑，甾體物質菌渣的處理開始逐漸受到政策限制。隨后又有研究者考慮將其用于改善花卉生長發育的土地處理。但在2008年，甾體藥物菌渣因可能對生態環境或者人體健康造成有害影響被列入《國家危險廢物名錄》，自此禁止藥物菌渣未經處理就直接利用。此后，該名錄又經過2016年和2020年修訂后已近完善?，F如今，菌渣的處理處置只能按照相關危險廢棄物管理辦法進行管理，因而不同的處理處置技術得到了國內外研究者的廣泛關注。
02
菌渣處理處置技術國內外研究現狀
1. 菌渣預處理技術
1）水熱處理技術。
水熱處理是指在水介質中利用高溫直接作用或水合氫離子破壞化合物的1類清潔處理技術。水熱處理技術具有過程清潔，且不受含水率限制的優點，已廣泛用于高含水率固體廢棄物預處理?；诖?，水熱處理技術在熱穩定性較差的藥物菌渣無害化處理中的應用已受到廣泛關注。
Cai等發現水熱處理可作為預處理技術，高效地滅活菌渣中殘留的紅霉素，從而實現菌渣無害化預處理。王志強通過水熱液化等熱化學轉化技術，有效解決青霉素菌渣處理處置問題，并進一步探討了水相循環及催化水熱液化過程的作用機制。李春星研究了頭孢菌素C菌渣水熱預處理結合厭氧發酵甲烷化技術的可行性，發現水熱處理后的菌渣具有更高產甲烷的潛力。此外，經過水熱處理后，菌渣中難生物降解的大分子有機質可以被轉化為易降解的小分子物質，同時使得發酵藥物菌渣的沉淀、脫水、干燥性能以及可生化性得到明顯改善。因此，通過水熱預處理不僅可以破壞物質殘留，消除資源化產品的危害，同時可能提高后續資源化處理的效率，實現菌渣安全、高效的回收利用。
2）堿熱處理技術。
針對部分酸堿性條件下穩定性差的污染物，可通過調節菌渣的pH來實現其有效去除。由于菌渣基質復雜，pH緩沖性較強，需要添加大量的酸堿才能獲得較為理想的pH反應條件，這不僅增加了處理成本，還降低了菌渣質量。目前，單獨采用堿水解過程用于復雜基質預處理的應用比較少，多數研究者普遍通過與高溫過程聯合來加快處理效率，提高處理效果并盡可能地降低酸堿使用量。趙燕肖等應用響應面法優化青霉素菌渣堿熱預處理工藝，建立了SCOD數學模型，并通過降維分析對模型進行優化，以找到青霉素菌渣堿熱預處理的最佳條件。Zhong等以鏈霉素發酵菌渣為原料，探究了堿熱預處理對后續生化反應的影響，發現該手段可促進微生物細胞和有機物質的溶解和分解，有效提高后續厭氧消化產甲烷的能力。
目前，堿熱處理已成功應用于發酵菌渣中多種藥物的去除，有效降低了菌渣后續資源化利用的環境風險。與水熱處理過程類似，堿熱同樣可有效改善菌渣的可生化性，最大程度地將不溶性有機物轉化為可溶性物質，提高后續厭氧消化資源化利用的效果。
3）其他預處理技術。
除上述技術之外，微波處理、高級氧化處理以及多種手段合用等技術在藥物菌渣預處理中均有相關報道。微波輻射處理不僅使菌渣分解并破壞菌絲體細胞，而且還可以使殘留的抗生素降解，微波處理條件較為溫和，可有效去除菌渣中熱穩定性較差的污染物，并有效提高菌渣的可生化性，但目前應用較少。高級氧化技術可有效破壞大多數菌渣中的污染物殘留，降低菌渣的儲存及應用風險，并實現菌渣可生化性的改善。然而，其處理過程需要添加熱活化過硫酸鹽等氧化劑，提高菌渣中的離子含量；其次，氧化反應的選擇性較差，會明顯造成菌渣中有機質損失，降低菌渣無害化預處理產品的質量。
2. 菌渣資源化處理技術
1）燃料化。
厭氧消化是1類高效的生物質轉化技術，在厭氧環境中，微生物體系能分解利用有機質并將其轉化為CH4，從而可以實現將藥物菌渣中低品位的有機質轉化為高品位的沼氣進行利用。因為回收的沼氣可作為燃料用于做飯、取暖和照明等，藥物菌渣的厭氧消化在20世紀90年代已受到部分學者的關注。閆陽以慶大霉素菌渣作為研究對象，使用升流式厭氧污泥床反應器(UASB)對菌渣厭氧消化處理的動態效果進行探究，并改變含固率和接種比等參數進行工藝優化。董永博對青霉素菌渣厭氧發酵產沼氣的影響因素進行了全面研究，在此基礎上開展了上流式厭氧固體反應器(USR)的半連續運行試驗。紀鈞麟等以甾體藥物發酵菌渣為原料，進行了批量式和CSTR半連續式沼氣發酵實驗，證實了甾體藥物菌渣具有較好的產沼氣潛力，適宜應用于沼氣工程。
現有研究表明，藥物菌渣的直接厭氧消化效果并不夠理想。一方面，作為生物發酵過程產物，藥物菌渣中大部分有機質存在于菌絲體及未完全利用的發酵顆粒中，可生化性較差，使得其厭氧消化水熱過程緩慢，限制了菌渣厭氧消化的沼氣產生量；另一方面，菌渣中殘留污染物可能會抑制微生物生長，降低菌渣產氣量，并可能造成耐藥菌的大量繁殖，影響沼渣沼液后續進一步的資源化利用。Zhang等采用厭氧消化與水熱預處理相結合的方法降解頭孢菌素C菌渣生產沼氣的可能性，并取得了較好的效果。Li等在厭氧消化過程前進行了堿熱預處理，并證明在產生甲烷量相同的情況下，加堿可降低前處理的熱解溫度，減少能源消耗。Song等研究了熱水解預處理對大觀霉素菌渣厭氧消化的影響，并發現隨著預處理溫度升高，大觀霉素去除率會隨之提高。
當前除了水熱、堿熱前處理工藝外，包括微波處理、高級氧化處理等在內的處理技術已被用于菌渣預處理，以改善藥物菌渣的可生化性并去除藥物殘留?，F有研究表明，經過預處理后，藥物菌渣中的有機質得到有效釋放，污染物質得到有效去除，消化效果得到明顯提高。然而，目前關于沼液沼渣后續利用的環境風險未受到足夠關注，需要進一步研究。
2）肥料化。
發酵藥物菌渣中有機質含量豐富，產物構成滿足NY525—2012《有機肥料》的營養要求，且重金屬等有害物質含量較低，目前的研究初步證實了藥物菌渣肥料化利用的價值。好氧堆肥是在好氧微生物的作用下，將菌渣中的復雜有機物分解轉化為相對穩定的腐殖質的過程，并可以去除生物質中的有害物質，經過一定處理后可用作土壤改良劑或有機肥并促進作物生長，實現其穩定化、資源化。
菌渣肥料化的過程通常需要接入高效菌種或引入動物糞便、市政污泥中微生物進行混合堆肥，堆肥結束后也需要進一步評估有機肥料的安全性。張紅娟研究了2種藥物菌渣與牛糞的混合堆肥試驗，發現菌渣堆肥過程中的藥物殘留已基本降解，制得的堆肥成品基本可達到無害化標準；張詩華主要研究了青霉素菌渣與市政污泥混合好氧堆肥工藝，并探究了影響堆肥工藝性能的因素，證實了藥物菌渣肥料化利用的可行性；平然等采用SEA-CBS技術先將藥物菌渣熱壓進行無害化預處理，然后再經好氧發酵工藝制成抗生素菌渣有機肥，并對菌渣肥施入土壤后植物的生長性能進行測定，為抗生素菌渣的安全利用提供了有效的數據支撐。
基于菌渣的危廢性質，各類菌渣肥料化后必須經過安全性評估，通過評估堆肥后的菌渣肥對于微生物及動植物的安全性與穩定性，才可使得菌渣在滿足無害化工藝的同時實現資源化利用。肥料化途徑適于毒副作用小的藥物菌渣的處理，且工藝簡單，處理成本相對較低，資源化回收效果好，是目前最可行的處理技術。
3）其他利用途徑。
除了上述處理技術外，回收提取菌渣中高質量物質、利用菌渣制備新型煤基流體潔凈環保材料及活性炭等處理技術也受到部分學者的關注。吳萍等以廢棄菌渣作為主要原料，利用高效菌株進行混合固態發酵生產高質量單細胞蛋白；程俊山等提出了一種從青霉素菌渣中提取麥角固醇的方法，并對此工藝進行優化；馬玉龍等采用固體發酵技術，以微生物降解后的藥物菌渣為主要原料，生產高效復合酶制劑；王冰對青霉素菌渣進行稀酸加熱預處理，繼而將優選的酵母菌接入蛋白胨培養基進行培養，最后制備得到飼料酵母和酵母膏等產品，對實際生產過程具有一定的指導意義。
然而，目前有用物質回收技術普遍回收率較低，難以實現藥物發酵菌渣的徹底處理；制備水煤漿的方法雖然可以不考慮甾體等有害物質殘留，但由于菌渣中存在大量有機質極易腐敗，使得所制備的水煤漿變得不易儲存，并影響水煤漿的穩定性；采用化學活化法制備活性炭雖然可以完全消除菌渣的有害物質殘留，但目前該技術處理成本較高，不適宜規?；a應用。因此，將這些技術引入藥物菌渣的資源化處理是否可行仍有待進一步討論。
3. 菌渣處置技術
藥物發酵菌渣等固體廢棄物的處置技術是指對其進行最終處置或安全處置，是固體廢棄物污染控制途徑的末端環節，也可以有效解決固體廢棄物最終歸宿的問題。
1）焚燒處置。
焚燒是常見的固體垃圾處置方式之一，在高熱值類有機固體廢物處理處置中應用廣泛。在藥物菌渣被列為危險廢棄物后，受處理技術發展水平限制，焚燒因其較為徹底的無害化效果而用于藥物菌渣處置，并逐漸發展為主流處置工藝。焚燒技術在菌渣處置中的應用，特別是在一系列資源化處理技術發展成熟之前，有效地控制了菌渣中污染物向環境排放。李剛等通過對藥物菌渣焚燒處理工藝及燃料配比進行設計，比較分析了菌渣焚燒處置過程中最佳的系統燃料配比以及干燥水分比例。張曉虹等針對某制藥企業的廢藥渣開發了一類特種流化床焚燒裝置，通過檢測常規污染物排放、重金屬浸出毒性等多項指標對其焚燒可能性進行印證。鄭向軍等則采用中溫中壓氧化干化(MOD)技術與焚燒技術聯合處置抗生素菌渣，聯合處理后菌渣及殘液中抗生素殘留均未檢出，菌渣減量化程度達到90%。
然而，菌渣含水率均較高，使得菌渣的處理處置費用遠高于甾體物質產品的銷售利潤，高昂的處理費用甚至在一定程度上限制了制藥企業發展。此外，焚燒殘渣和飛灰中殘留的重金屬存在富集現象，而且煙氣中二噁英等“三致”物質濃度極易超標，增加了后續的處理成本。這樣的處置方式不僅不符合企業的發展利益，同樣與當前的環保理念相悖，已難以滿足當前藥物菌渣的處理要求。然而由于焚燒的無害化效果好，使得其在萬古霉素等毒性較大的抗生素類發酵菌渣的處置應用中依然具有無可替代的地位。
2）安全填埋。
作為危險廢棄物，藥物菌渣在進行填埋處置時必須采用危險廢物安全填埋場。同時，為了保證菌渣在儲存、轉運及填埋過程中的安全性，必須嚴格按照GB18598—2001《危險廢物填埋污染控制標準》和GB18597—2001《危險廢物貯存污染控制標準》中的規定進行操作。目前有少數制藥廠對發酵菌渣直接填埋，也有部分廠家通過前處理后再進行安全填埋。雖然填埋技術在一定程度上可以徹底解決困擾企業發展的菌渣處理處置問題，但因菌渣含水率較高，安全填埋在菌渣處置時不僅處理成本高，而且菌渣中個別成分填埋后長期內仍無法徹底降解，仍存在二次污染風險，并會進一步增加后續滲濾液的處理壓力。此外，菌渣中含有大量可回收利用成分，直接進行填埋也會造成嚴重的資源浪費。因此，填埋技術在菌渣處置方面并未得到大規模應用。
03
總結與展望
綜上，目前已有的藥物菌渣無害化與資源化技術中:填埋處置浪費資源，并且不適合大規模地處置藥物菌渣；焚燒處理成本較高，且易引發二次污染問題；厭氧消化技術雖然高效但會增加污水處理壓力；好氧發酵研究主要集中在抗生素菌渣處理，對甾體藥物菌渣的研究鮮有報道。因此針對大量甾體藥物菌渣的無害化處理與安全利用難題，亟待進一步研究開發高效的菌渣處理工藝，尋找安全利用的有效途徑。
