高鏡清， 王世龍， 黃真真， 李 旋， 李永紅

(1.鄭州大學 生態(tài)與環(huán)境學院 河南 鄭州 450001； 2.鄭州大學 藥學院 河南 鄭州 450001)

0 引言

根據(jù)2016年新修訂《國家危險廢物名錄》的定義，危險廢物為：1) 具有以下一種或者幾種危險特性的，例如毒性、腐蝕性、易燃性、感染性或者反應(yīng)性；2) 具有無法排除對人體健康或者環(huán)境安全可能造成有害影響的危險特性。大量堆積的危險廢棄物如果不能妥善處理，一方面會占用土地資源，另一方面也會造成水體、大氣和土壤的污染，并對人類身體健康產(chǎn)生極大影響[1]。涉重污泥和抗生素發(fā)酵菌渣因其中的重金屬和抗生素對環(huán)境的危害而被列入“危廢”行列，是亟待解決的環(huán)境問題。

涉重污泥的處理方法，主要是通過一些合適的措施和手段將污泥中的有害重金屬元素去除或者最大限度降低其濃度。很多專業(yè)研究人員進行了大量的研究，主要使用化學、電化學、微生物、植物修復(fù)等方法用于污泥中重金屬的去除[2-3]。相比其他方法，微生物方法能夠更好地去除污泥中的重金屬，避免污泥農(nóng)用時對農(nóng)作物、生態(tài)環(huán)境造成的傷害。生物瀝浸法因其綠色環(huán)保、節(jié)能高效、成本低廉、實用性強、發(fā)展?jié)摿Υ蟮膬?yōu)點備受青睞[4]。其中，優(yōu)越的產(chǎn)酸能力及良好的耐酸性是生物瀝浸法處理重金屬菌種的必要條件。目前該方法中最常用的菌種包括以S0為底物的氧化硫硫桿菌(Thiobacillusthiooxidans)和以FeSO4為底物的氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusferrooxidans)[5]。這兩種硫桿菌可通過間接或直接作用去除污泥中的重金屬，在氧化、還原、溶解或絡(luò)合反應(yīng)下使污泥中的難溶性重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄灾亟饘?，隨后利用固液分離方法去除液相中的可溶性重金屬[6]；污泥中只有少數(shù)重金屬元素的去除效率低于50%，Cu、Cd、Cr、Zn、Pb、Ni等重金屬元素的去除率一般在60%～90%，另外一些重金屬元素在適宜條件下的去除率超過90%[7-9]。污泥中的大多數(shù)重金屬經(jīng)生物瀝浸法去除后，其剩余養(yǎng)分含量能夠滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)(CJ/T 309—2009)》要求，進一步保證涉重污泥農(nóng)用過程中的有效性和安全性。

我國每年抗生素的產(chǎn)量約為24.8萬噸，達70多種，約占全世界總產(chǎn)量的70%，生產(chǎn)1 噸抗生素會產(chǎn)生約10噸新鮮菌渣，每年的抗生素菌體廢渣產(chǎn)量約200萬噸[10]。目前，抗生素菌渣的主要處理與資源化手段包括堆肥、厭氧消化、焚燒、肥料化、飼料化、填埋、能源化等。堆肥法是通過系統(tǒng)中產(chǎn)生的各種微生物來降解抗生素菌渣中殘留的抗生素，使菌渣達到無害化、穩(wěn)定化，堆肥成品可作為有機肥進行資源化利用，處理成本低廉，經(jīng)濟效益良好。研究表明，經(jīng)過堆肥處理后，菌渣中的抗生素被降解，堆肥基本達到無植物毒性水平；可將其加工成有機肥，并施用于蔬菜和糧食等作物上，顯著提高蔬菜和糧食的產(chǎn)量[11-12]。此外，厭氧消化技術(shù)則是將抗生素菌渣中的有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣，沼氣可用于燃燒供熱，沼氣殘渣直接用于農(nóng)肥，從而實現(xiàn)菌渣的資源化[13]。

本文綜述了微生物技術(shù)在涉重污泥和抗生素菌渣處理方面的新技術(shù)、新發(fā)現(xiàn)，以及存在的不足和未來的研究方向。

1 微生物在含重金屬“危廢”處理方面的應(yīng)用

1.1 重金屬的危害

重金屬在環(huán)境中很難被降解，其危害主要指的是對環(huán)境污染和人體健康的損害。冶金、電鍍等行業(yè)排放的重金屬一旦進入大氣和水體中，會造成大氣和水體污染，而大多數(shù)重金屬最終停留在河流底泥和土壤中，其中的重金屬形態(tài)會隨著環(huán)境條件的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變，將面臨著重新釋放再次進入水環(huán)境，造成二次污染的潛在風險。此外，重金屬具有突出的致畸、致癌、致突變作用，可通過大氣、水體及食物鏈進入人體內(nèi)部，與人體中的各種蛋白、酶發(fā)生反應(yīng)使之失活；在人體某些器官中具有持續(xù)累積效應(yīng)，一旦超過人體耐受限度，將會導(dǎo)致人體產(chǎn)生慢性或急性中毒癥狀，對人體造成重大損害。例如，重金屬Cd和Hg污染導(dǎo)致骨痛病和水俁病。

1.2 涉重危廢的處理方法

涉重危廢泛指含有有毒金屬的危險廢物，按來源分為材料源危廢和工業(yè)源危廢。前者包括失效催化劑、廢舊電池、廢棄太陽能發(fā)電板、電子廢物、廢棄印刷線路板等；后者包括焚燒飛灰、電鍍廢渣、冶煉廢渣、酸洗廢渣等。涉重危廢數(shù)量巨大、種類繁多。最新發(fā)布的《國家危險廢物名錄》共包括46大類，其中涉重危廢包括17大類。僅2016年我國工業(yè)危廢產(chǎn)量就達到6 000萬噸，其中涉重危廢高于2 000萬噸。

涉重危廢通常含有高濃度的劇毒/有毒金屬如Cr、Cd、Pb、As、Hg等，環(huán)境危害嚴重。涉重危廢的不恰當處理是目前我國重金屬污染土壤面積急劇增加的主要原因之一，而近期頻頻發(fā)生的不少涉As、Pb、Cd污染公害事件則直接源于涉重危廢的非法傾倒。涉重危廢常通過穩(wěn)定化處理，以達到無害化的目的，其常規(guī)處理技術(shù)(如石灰固化法、水泥固化法)雖然很多，但局限性明顯，尤其是pH的影響，在pH較低條件下重金屬離子會發(fā)生再溶出現(xiàn)像，達不到長期穩(wěn)定的目的。盡管添加水泥、石灰等藥劑能夠提高穩(wěn)定性、降低浸出率，但是其固化體積和處理費用也隨之增加。直接用無機酸或螯合劑去除沉積物中的重金屬是普遍使用的方法，但是這些化學方法需要用到危險品(如強酸)或昂貴的化學試劑，成本較高。此外，涉重危廢通常含有高價/低價/稀貴金屬如Ag、Au、Ga、Ge、Co、Cu、Pd、Pt、Ni、Li、In、Rh、Zn、Mn等，重金屬含量有時甚至超過原礦，具有極大的回收價值。從涉重危廢中回收稀貴金屬，或通過回收、脫毒以減低或消除其建材化利用風險是未來的發(fā)展方向。生物瀝浸法是處理涉重危廢并同時回收重金屬的新技術(shù)。

1.3 生物瀝浸法作用機理及其在涉重危廢處理中的應(yīng)用

1.3.1生物瀝浸技術(shù)作用機理 生物瀝浸技術(shù)起源于生物冶金，是指通過特定微生物或其代謝活性產(chǎn)物將固體中的金屬浸出到液相的過程，具有廣闊的工程應(yīng)用前景[14-16]。在生物瀝浸過程中，重金屬具有多元化的轉(zhuǎn)移途徑。涉重污泥中70%的重金屬以難溶硫化物形式存在，這些金屬硫化物在氧化硫硫桿菌、氧化亞鐵硫桿菌、嗜鐵鉤端螺旋菌等作用下發(fā)生一系列氧化還原反應(yīng)等，轉(zhuǎn)化為可溶性金屬硫酸鹽，最終通過固液分離手段去除液相中的重金屬。

生物瀝浸去除污泥中的重金屬主要通過兩種作用機理：直接作用和間接作用(如圖1所示)。

圖1 生物瀝浸機理圖

1) 直接作用：細菌可以借助自己分泌的胞外多聚物黏附在污泥中金屬硫化物(MS)的表面，通過菌體胞內(nèi)獨特的氧化酶系統(tǒng)將MS直接氧化，最終形成可溶性硫酸鹽(MSO4)(式(1))。

(1)

2) 間接作用：首先Fe2(SO4)3被還原為FeSO4，并生成S0，重金屬以硫酸鹽形式溶出；然而，F(xiàn)eSO4再次被氧化為Fe2(SO4)3，S0被氧化為H2SO4，形成氧化-還原循環(huán)系統(tǒng)。經(jīng)生物瀝浸法處理后，污泥的pH值降低到2.0左右，進而加速污泥中重金屬的溶解，其反應(yīng)如式(2)～(4)所示[17]。

(2)

MS+2Fe3+→M2++2Fe2++S0，

(3)

2S0+3O2+2H2O

(4)

1.3.2生物瀝浸技術(shù)在涉重污泥處理中的應(yīng)用 隨著不斷增加的城市污水量、持續(xù)加快污水廠提標改造進度，污泥產(chǎn)量也不斷增加。2014年3月底含水率80%濕污泥產(chǎn)量為4 131萬噸/年[18]，2016年9月底達到4 590萬噸/年[19]，中國環(huán)境經(jīng)濟協(xié)會于2017年9月預(yù)測2020年超過8 000萬噸/年[20]。污泥不但含水率和重金屬含量高，還含有病原菌和抗生素抗性基因，制革、電鍍、印染、化工等企業(yè)產(chǎn)生的污泥有害成分含量更高。不妥善處理可能會重新釋放有害物質(zhì)，這些有害物質(zhì)將沿著污泥→土壤→農(nóng)作物→人體的路徑遷移，并會對地下水和生態(tài)環(huán)境造成二次污染[21]，因此污泥處理和處置是亟待解決的環(huán)境問題。

目前常用的污泥處置方法是填埋、焚燒和土地利用。填埋法的缺點是二次污染、占地多和產(chǎn)生溫室氣體。焚燒可實現(xiàn)污泥最大程度的減量化，是缺地城市最好的選擇。土地利用是可持續(xù)的污泥處置方法。污泥含有豐富的有機質(zhì)和N、P、K等營養(yǎng)元素，N、P、K有利于植物生長，有機質(zhì)可增加土壤肥力，改善土壤物理性質(zhì)。但污泥里含有的難降解鹽類、病原菌、激素和重金屬污染物限制了土地利用[22]。尤其是重金屬因其毒性、持久性和生物富集性而引起了人們的廣泛關(guān)注，重金屬去除已成為污泥農(nóng)用最關(guān)鍵的問題之一[23]。生物瀝浸法作為一種環(huán)境可持續(xù)、節(jié)能和低成本的重金屬分離技術(shù)引起了廣泛關(guān)注。

第一階段的研究工作主要對生物瀝浸法去除污泥中重金屬的效果進行驗證。Marchenko等[24]通過土著鐵氧化微生物生物瀝浸從污泥中去除重金屬，同時建立了液相再循環(huán)過程中的元素質(zhì)量平衡模型。周俊等[25]利用生物瀝浸微生物對添加聚丙烯酰胺(PAM)的脫水污泥與濃縮污泥進行生物瀝浸處理，處理結(jié)束后兩種污泥中Zn的溶出率分別為59.13%和66.65%，Cu的溶出率分別為23.55%和13.31%。王京等[23]利用以S0為能源的氧化硫硫桿菌對貴陽市污水處理廠的污泥進行生物瀝浸處理，發(fā)現(xiàn)污泥樣品中Cr、Cd、Cu、Pb、Zn的去除率分別為64.28%～84.41%、58.57%～78.67%、21.20%～61.78%、45.31%～65.11%、85.78%～91.64%；污泥中總N、總P、總K及有機質(zhì)等含量的損失率分別為7.02%、40.74%、12.78%、8.63%，污泥剩余養(yǎng)分含量滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)(CJ/T 309—2009)》要求。周立祥等[26]將嗜酸性硫桿菌(Thiobacillusferrooxidans和Thiobacillusthiooxidans)及以S0為能源物的生物瀝浸技術(shù)應(yīng)用于制革污泥中Cr的去除。經(jīng)過8天的序批式處理，污泥pH降至2以下，Cr(原始濃度14 519 mg/kg)的溶出率高達100%。底泥是各種來源的營養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)一系列化學、物理及生化作用后，在水體底部沉積，形成質(zhì)地疏松、富含營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)的灰黑色淤泥[27]，與污泥成分相似。Wu等[28]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，以S0為能源底物啟動生物瀝浸作用5～12天，底泥中Cu、Zn等重金屬去除率超過80%，Cr去除率約為30%。這些結(jié)果表明生物瀝浸法是去除污泥中重金屬的有效方法。第二階段的研究工作主要側(cè)重于生物瀝浸條件的優(yōu)化，優(yōu)化參數(shù)及結(jié)果如表1所示。

表1 生物瀝浸條件優(yōu)化

我們課題組利用高效氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵硫桿菌建立了一個12級處理量為180 L的平推流生物反應(yīng)器，并在此基礎(chǔ)上研究了不同參數(shù)(如水力停留時間、污泥含水量、營養(yǎng)劑的種類和濃度、通氣量、反應(yīng)器的數(shù)量、乳化劑等)對生物瀝浸效果的影響，發(fā)現(xiàn)水力停留時間越長，處理后所得泥餅含水率越低，處理2天后的泥餅含水率可達到堆肥原料要求標準(60%以下)[33]；對生物瀝浸效果的影響顯著性順序為污泥含水率>營養(yǎng)劑濃度>通氣量>反應(yīng)器數(shù)量。最適條件為污泥含水率98.0%、營養(yǎng)劑質(zhì)量濃度9 g/L、通氣量8 m3/h、10個反應(yīng)器。在最優(yōu)條件下生物瀝浸處理2天后泥餅含水率降至60%以下[34]；乳化劑通過促進S0的溶解而提高生物瀝浸效率，在1 g/L Tween-20、接種率20%、S02 g/L、FeSO4·7H2O 10 g/L的條件下進行生物瀝浸48 h后污泥水分含量為47.16%[35-36]；以水溶性的硫代硫酸鈉代替S0作為氧化硫硫桿菌的能源也可以提高生物瀝浸效果，在最適條件下處理3天后Cu、Zn、Pb、Cr的去除率分別達到83%、78%、31%和38%[37]。

為了解決生物瀝浸系統(tǒng)在冬季等低溫環(huán)境運行不穩(wěn)定的問題，將氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵硫桿菌于15 ℃低溫馴化后共培養(yǎng)，用于提高污泥重金屬去除率。在初始pH 6、接種量15%、氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵硫桿菌4∶1的最適條件下，于15 ℃下處理6天后Zn、Cu、Pb的去除率分別為89.6%、72.8%和39.4%[38-39]。對去除制革污泥中Cr的研究發(fā)現(xiàn)，氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵硫桿菌混合菌種的生物瀝浸效率比單種處理要好。隨著污泥pH值的降低，Cr的去除率最高可達97.1%，殘余Cr濃度為531 mg/kg干重，低于污泥用于農(nóng)業(yè)的中國國家標準GB 4284—2018(<1 000 mg/kg干重)。生物瀝浸效率與pH及氧化還原電位(ORP)呈顯著的相關(guān)性，與pH呈負相關(guān)，與ORP呈正相關(guān)，這說明對于Cr的溶出涉及間接生物瀝浸機理[40]。

分離出一部分可以回收金屬的液相后，固相沉積物通過粉狀石灰石中和達到農(nóng)業(yè)使用標準，中和后的沉積物可以通過多種方式重復(fù)使用，包括用于廢水處理、建筑和施工以及作為土壤改良劑[28]。Liao等[41]發(fā)現(xiàn)含Ag固廢可以促進黃銅礦的生物瀝浸過程，加入含Ag固廢后黃銅礦的生物瀝浸效率由26%提高到87%。生物瀝浸技術(shù)不但可用于貴金屬的浸提和回收，還可用于涉重危廢中重金屬的去除，將涉重危廢轉(zhuǎn)化為一般固廢，或?qū)⒅亟饘俪瑯说暮拥赖啄嗪臀鬯畯S來源的污泥轉(zhuǎn)化為堆肥原料。與傳統(tǒng)的脫水污泥相比，用生物瀝浸處理后的污泥進行堆肥大幅度降低了氨的揮發(fā)及填充劑的用量，提高了堆肥質(zhì)量[42]。

1.3.3異養(yǎng)菌在生物瀝浸中的應(yīng)用研究

Zheng等[43]從制革污泥中分離的耐酸可溶性有機物(dissolved organic matter，DOM)——降解菌斯巴達克畢赤酵母D13可提高氧化亞鐵硫桿菌LX5和氧化硫硫桿菌TS6的活性。將這三株菌在富含DOM的制革污泥中進行共培養(yǎng)，氧化亞鐵硫桿菌LX5和氧化硫硫桿菌TS6的活性分別提高33倍和12倍。按10%回流酸性污泥，加入斯巴達克畢赤酵母D13后第5批生物瀝浸時間縮短3天，6天內(nèi)Cr去除率大于90%。該方法克服了制革污泥中DOM引起硫桿菌中毒性導(dǎo)致Cr去除率降低的問題。異養(yǎng)微生物膠紅酵母R30通過提高可溶性CO2和胞外聚合物(extracellular polymeric substance，EPS)的水平、去除DOM對硫桿菌的毒性來提高生物瀝浸效果[44]。Zhou等[45]將半乳糖酵母菌Z3和兩株硫桿菌共培養(yǎng)，與只接種硫桿菌進行比較，發(fā)現(xiàn)前者使生物瀝浸時間減少了4.5天，Cu和Zn的去除效率及S0和FeSO4的氧化速率也有所提高。半乳糖酵母可消耗污泥中的乙酸鹽、丙酸鹽、異丁酸鹽、丁酸鹽和異戊酸鹽。同時，半乳酸酵母產(chǎn)生的EPS的表面活性劑性質(zhì)提高了S0的氧化速度。

2 微生物在含抗生素菌渣無害化處理方面的應(yīng)用

2.1 環(huán)境中殘留抗生素的危害

抗生素在動植物病蟲防治、人類疾病預(yù)防及治療等方面均發(fā)揮著巨大作用，但是濫用抗生素也會導(dǎo)致環(huán)境污染。環(huán)境中抗生素的污染來源主要包括農(nóng)用獸藥、醫(yī)用藥物兩方面。獸藥抗生素的使用和消耗量較大，主要來源于以下3個方面：1) 獸藥生產(chǎn)過程中廢棄、損失的獸藥；2) 水產(chǎn)養(yǎng)殖中直接施用的獸藥；3) 動物養(yǎng)殖中經(jīng)動物排泄物排出的抗生素。醫(yī)用抗生素主要來源于以下5個方面：1) 生產(chǎn)抗生素過程中產(chǎn)生的固體廢棄物(菌渣)；2) 藥企在生產(chǎn)過程中損失的抗生素；3) 在器械和藥瓶上殘留的抗生素；4) 家庭、醫(yī)院丟棄的過期抗生素；5) 隨病人排泄物排出的處方抗生素等。人畜服用的大多數(shù)抗生素類藥物不能被充分吸收、利用，殘余的抗生素能夠隨排泄物直接或間接地排入環(huán)境中；藥企生產(chǎn)過程中流失的抗生素可隨廢水流入污水處理廠；廢棄的過期抗生素類藥物將被直接丟棄于垃圾填埋場。經(jīng)雨水沖刷、地表徑流，這些殘留的抗生素流入湖泊、河流，造成地表水體污染；此外，在下滲作用下土壤中的抗生素會造成地下水體污染[46]?？股鼐z體殘留(antibiotic mycelia residue，AMR)是主要環(huán)境抗生素污染源之一，自2008年以來，AMR已被列入中國的“國家危險廢物”清單。

2.2 抗生素菌渣及其處理方法

我國是世界上最大的抗生素輸出國，我國每年向世界提供超過15萬噸的抗生素，同時每年產(chǎn)生數(shù)百萬噸的各種AMR。填埋和焚燒是目前常用的處理AMR方法。填埋可能引起抗生素的泄漏和遷移，焚燒需要昂貴的設(shè)備，產(chǎn)生的氣體也會對環(huán)境造成污染[47-48]。

AMR是抗生素發(fā)酵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體生物廢物，主要由菌絲體、殘留的底物、中間代謝產(chǎn)物和殘留的抗生素組成。作為資源和營養(yǎng)物質(zhì)回收是AMR最有前途的處置方法。但其中殘留的抗生素可能會引起環(huán)境中抗性細菌的產(chǎn)生和抗生素抗性基因的傳播。在AMR回收利用前必須對其中抗生素進行降解或去除[49]。

2.2.1抗生素的去除辦法 目前有許多物理化學方法可用于去除抗生素，如酸熱處理法、光降解法、太陽能光降解與膜處理偶聯(lián)方法、光-芬頓方法[50-53]，但由于成本高，易造成有毒物質(zhì)的排放和污泥的形成而無法實施。生物降解包括植物降解、微生物降解以及植物-微生物復(fù)合降解等[54]，其中微生物降解是主要途徑[55]。抗生素的微生物降解是指在微生物作用下，抗生素殘留物的結(jié)構(gòu)、物理化學性質(zhì)均發(fā)生改變，先將其大分子化合物轉(zhuǎn)化為小分子化合物，最終降解為CO2和H2O，其中耐藥性細菌發(fā)揮最重要的作用。

微生物降解根據(jù)參與反應(yīng)微生物種類可分為單一菌株降解、復(fù)合菌系降解；根據(jù)微生物處理技術(shù)手段可分為厭氧生物處理法、好氧生物處理法、厭氧-好氧生物組合法、固定化微生物處理法等；根據(jù)處理方法可分為活性污泥法、膜生物反應(yīng)器法、超聲生物法和堆肥法。由于以往傳統(tǒng)的單一處理方法已經(jīng)很難解決日益復(fù)雜的環(huán)境問題，因此目前越來越多的生物組合處理技術(shù)應(yīng)運而生[56]。

2.2.2微生物在抗生素菌渣處理中的應(yīng)用 抗生素是抗生素菌渣中存在的主要環(huán)境風險因素，科學家在利用微生物降解菌渣中的抗生素方面進行了大量的探索。為達到這個目的，首先通過有針對性的取樣篩選抗生素高效降解菌，然后將這些菌株用于菌渣中抗生素的降解。而堆肥處理抗生素菌渣能夠?qū)崿F(xiàn)減量化、無害化、資源化的目的，符合國家關(guān)于危險固廢的處置原則，也符合國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標。

許曉玲等[57]從長期受四環(huán)素類抗生素污染的土壤中經(jīng)馴化富集后篩選得到TD2和TD3兩株四環(huán)素高效降解菌。在最適條件下這些菌株對四環(huán)素的降解率均高于90%。王立群等[58]從β-內(nèi)酰胺環(huán)類抗生素生產(chǎn)廢水中分離、篩選到4株對β-內(nèi)酰胺環(huán)類抗生素有耐受能力的細菌，鑒定為埃希氏菌屬(Escherichia)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、芽孢桿菌屬(Bacillus)和不動桿菌屬(Acinetobacter)。它們在35 ℃、轉(zhuǎn)速150 r/min、初始pH 7.0的最佳條件下對β-內(nèi)酰胺環(huán)類抗生素具有顯著的降解效果。張珈瑜等[59]從城市污水處理廠活性污泥中分離得到一株能以磺胺二甲基嘧啶(SM2)為唯一碳源的蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)J2。該菌株具有極高的SM2耐受性(100 mg/L)、較廣的溫度(20～30 ℃)和pH適用范圍(6～8)。在溫度30 ℃、pH 8.0、初始OD6000.1、SM2起始質(zhì)量濃度50 mg/L的條件下，J2菌株在36 h內(nèi)對SM2的降解率可達100%，降解效率遠超目前已報道的其他SM2降解菌株。張欣陽等[60]采用選擇性培養(yǎng)基，從某制藥廠排污口的水樣中分離篩選到1株具有較高降解四環(huán)素能力的Advenellasp菌株4002。在有氧條件下，于pH 7.0、30 ℃、150 r/min處理6天，該菌株對四環(huán)素初始質(zhì)量濃度為50 μg/mL的樣品抗生素降解率達57.8%。吳學玲等[61]從利用四環(huán)素作為飼料添加劑的養(yǎng)豬場底泥中篩選獲得一株能夠高效降解四環(huán)素的細菌Raoultellasp.XY-1。該菌株在25 ℃、初始pH 7.0的最適條件下處理8天，四環(huán)素降解率最高達到70.68%。孟應(yīng)宏等[62]篩選出的假單胞菌(Pseudomonassp)T4菌株對土霉素有較好的降解能力，其降解土霉素的最佳條件為接種量1%、pH 7.0、30 ℃、轉(zhuǎn)速150 r/min。在堆肥中接種T4菌后，土霉素去除率達到93.21%。付泊明等[63]從藥廠廢水池污泥中分離得到一株以哌嗪為一級基質(zhì)共代謝降解諾氟沙星的山羊葡萄球菌(Staphylococcuscaprae)NOR-36菌株。在30 ℃、pH 7.0、諾氟沙星起始質(zhì)量濃度為5 mg/L，哌嗪與諾氟沙星濃度比為5∶1的條件下培養(yǎng)10天，該菌株對諾氟沙星的降解率可達92.6%。王艷等[64]篩選馴化分離到的1株B.vietnamiensis菌能高度耐受并快速降解泰樂菌素，用該菌株處理初始質(zhì)量濃度為50、100、200、300、400、500 mg/L的泰樂菌素培養(yǎng)基7天，泰樂菌素的降解率均超過99%。這些抗生素高效降解菌株的獲得為抗生素菌渣中殘留抗生素的生物降解提供了物質(zhì)保障。

秦莉等[65]采用野外堆肥裝置，在以雞糞和秸稈為原料的高溫堆肥中加入具有降解纖維素和金霉素雙重功能的復(fù)合菌系，堆肥結(jié)束時纖維素含量從開始的22.00%減少到8.25%，金霉素降解率達82.23%，顯著高于未接菌的自然堆肥對照處理。傳統(tǒng)活性污泥法對抗生素的去除效果不理想，通過添加對特定抗生素有去除效果的菌種和腐殖質(zhì)建立了加強型活性污泥法，提高了抗生素的去除能力[66]。

林可霉素是一種常用的抗生素，主要用于治療慢性呼吸道疾病以及耐青霉素G鏈球菌和金色葡萄球菌引起的感染。林可霉素化學結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是較難降解的抗生素。關(guān)于用微生物法對林可霉素及其發(fā)酵菌渣進行無害化處理方面的文獻不多。Wang等[67]分離到一株梭菌(Clostridiumsp)，經(jīng)過10天處理后林可霉素質(zhì)量濃度由初始的100 mg/L降低至39.97 mg/L，降解率為62.03%，但當初始質(zhì)量濃度升高至500 mg/L時處理10天后降解率只有15.61%，說明該菌株不適合降解高濃度林可霉素。Zhang等[68]利用分離到的1株白地霉素(G.geotrichum)處理5.012 μg/kg林可霉素，15天后降解率為37.35%。我們課題組從抗生素廢水處理廠污水中篩選到3株能高效降解林可霉素的菌株：枯草芽孢桿菌(LMB-A)、膠紅酵母(LMB-D)和草酸青霉(LMB-E)。LMB-A和LMB-D在144 h內(nèi)對林可霉素(初始質(zhì)量濃度1 117.55 mg/L)的降解率分別達到92.69%和74.05%，降解效率遠高于文獻報道的菌株，且可以適用于高濃度林可霉菌的處理。經(jīng)LMB-A脫抗處理過的LMB可以用作氮源培養(yǎng)耐鹽菌和其他有用的微生物。LMB-A和LMB-D可被應(yīng)用于處理被林可霉素及其類似物污染的水體和土壤。LMB-E可直接消耗林可霉素菌渣，144 h內(nèi)消耗率達到88.20%。課題組建立的LMB綠色處置工藝對處理其他抗生素發(fā)酵生物固廢具有借鑒作用[69]。

然而，用微生物處理抗生素菌渣也有不足之處。Ren等[70]將林可霉素菌渣和爐渣一起堆肥后，99%的林可霉素被降解，但抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes，ARGs)豐度提高了180倍，ARGs相對豐度增加5倍，水平基因轉(zhuǎn)移因子也有所增加。Yang等[71]的研究解決了這個問題，他們建立了堆肥前“高溫+氧化預(yù)處理”和堆肥后熱處理的綜合處理方法以處理泰樂菌素發(fā)酵菌渣，最終產(chǎn)物中泰樂菌素濃度低于檢測限(<1 mg/kg)，ARGs也被完全破壞。

抗生素菌渣也可用于制備生物氣體的原料。Yang等[49]評價了抗生素發(fā)酵菌渣(antibiotic fermentation residue，AFR)用于制備生物氫的可能性，并評價了5種方法(堿、γ射線、熱沖激、曝氣和酸)預(yù)處理AFR后產(chǎn)氫效率及微生物群落動力學，發(fā)現(xiàn)堿處理產(chǎn)氫效率最高，經(jīng)不同方法預(yù)處理后發(fā)酵途徑和微生物群落結(jié)構(gòu)存在較大的差別，該研究結(jié)果表明AFR是通過暗發(fā)酵制氫的潛在原料。Cai等[72]在抗生素菌渣厭氧消化產(chǎn)生CH4體系中加入Fe3O4促進了厭氧繩菌的代謝，使氫的產(chǎn)率降低，但產(chǎn)生速率增加。Hu等[73]使用超聲處理和堿處理對AFR進行預(yù)處理，使生物氫的產(chǎn)率比對照組提高78.9%，同時提高了底物利用率，縮短了產(chǎn)氫時間，微生物群落分析結(jié)果表明經(jīng)聯(lián)合方法預(yù)處理后，與產(chǎn)氫有關(guān)的微生物增加，抑制產(chǎn)氫的微生物減少。

雖然涉重危廢中抗生素抗性基因?qū)Νh(huán)境具有嚴重的危害，但是將超聲處理或化學法(用Fe[Ⅲ]/CaO調(diào)理污泥)與生物瀝浸法相結(jié)合，可以有效提高污泥重金屬去除效率，同時使抗生素抗性基因失活[74-75]。

3 未來研究挑戰(zhàn)與方向

根據(jù)微生物技術(shù)在涉重污泥和抗生素菌渣處理中的研究現(xiàn)狀可知：要提出一種環(huán)保﹑高效、成本低、穩(wěn)定性高、適用于涉重污泥和抗生素菌渣復(fù)雜環(huán)境、工程應(yīng)用性強的微生物技術(shù)，國內(nèi)外學者需要進行更深入的研究。在實際應(yīng)用中，微生物系統(tǒng)在處理涉重污泥和抗生素菌渣中會受到外界復(fù)雜因素的影響，導(dǎo)致其處理效率波動較大、穩(wěn)定性低、工業(yè)推廣應(yīng)用受限?？偟膩碚f，目前微生物技術(shù)在“危廢”處理實際運用中仍面臨著以下幾個問題：① 傳統(tǒng)微生物馴化無精細調(diào)控方案，且馴化周期長、反應(yīng)速度慢；② 涉重污泥生物處理系統(tǒng)運行過程中穩(wěn)定性較差，限制了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用；③ 抗生素降解菌株中的ARGs及基因轉(zhuǎn)移因子int I1是潛在的環(huán)境危害因素，亟須尋找妥善的解決方法。

基于上述問題，我們對微生物技術(shù)在“危廢”處理領(lǐng)域中的研究方向主要從4個方面進行展望。

1) 培育出更高效、專一性能更好、更能適應(yīng)多變環(huán)境的優(yōu)質(zhì)微生物菌種。針對抗生素菌渣，篩選出不產(chǎn)生ARGs或產(chǎn)生的抗性基因會自動消失、抗生素降解產(chǎn)物無毒或低毒的抗生素降解菌株。微生物來源廣泛，隨著更多菌種的發(fā)掘、培育與馴化，微生物技術(shù)在“危廢”處理方面必然會發(fā)揮巨大的作用。

2) 探究優(yōu)勢菌株的抗性基因和水平傳播因子及其對環(huán)境的安全性評價。殘留的抗生素可能會引起環(huán)境中抗性細菌的產(chǎn)生和ARGs的傳播，因此在抗生素菌渣回收利用前必須對其中的抗生素進行降解或去除。研究抗生素降解菌株降解抗生素的代謝途徑，以確定其降解產(chǎn)物對環(huán)境是否安全。

3) 深入探究微生物在“危廢”處理中的作用機制，優(yōu)化微生物處理工藝。通過對生物瀝浸機理的深入研究，特別是對生物瀝浸過程中微生物組的變化及其對生物瀝浸效果的影響進行系統(tǒng)研究，掌握微生物組變化與生物瀝浸效果之間的關(guān)聯(lián)性，尋求通過調(diào)節(jié)微生物組來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法；研究抗生素降解菌株對抗生素耐受的機理，以尋求避免其對環(huán)境造成二次污染的對策，是未來研究的重要方向。隨著人們對微生物降解污染物機理的不斷深入研究，未來亦將會呈現(xiàn)出越來越多的微生物除廢新工藝和新技術(shù)。

4) 開發(fā)微生物技術(shù)配套設(shè)備，以實現(xiàn)工藝的高效穩(wěn)定運行，推進該技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用。

4 總結(jié)

本文研究了微生物技術(shù)在涉重污泥和抗生素菌渣處理方面的新技術(shù)、新發(fā)現(xiàn)，首先介紹了生物瀝浸在涉重污泥處理中的研究歷程，包括生物瀝浸所用菌種、生物瀝浸作用機理、生物瀝浸操作條件優(yōu)化等；然后介紹了抗生素去除的物理和化學方法，著重介紹了微生物在抗生素菌渣處理中的應(yīng)用研究，包括抗生素降解菌株的篩選及抗生素降解條件的研究；最后，分析了微生物技術(shù)處理涉重污泥和抗生素菌渣當前面臨的主要問題與未來的可能發(fā)展趨勢。微生物在處理涉重污泥和抗生素菌渣中的深入研究和探討，不僅為推進微生物技術(shù)在兩種“危廢”中的廣泛應(yīng)用提供理論支撐，還對實現(xiàn)“危廢”的減量化、無害化、資源化具有重要的指導(dǎo)作用。