《Toxics》：Evaluation of Three Treatments for the Resource Utilization of Cephalosporin C Fermentation Residue
Shengtao Ren,
Wei Pu,
Ruiting Fan,
Yongqiang Shi,
Ganggang Yang and
Tianbao Ren
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本文评估了蒸汽爆破（SE）、热处理和好氧堆肥对头孢菌素C发酵残渣（CFR）的处理效果。研究结果显示，SE处理在多个核心指标上表现最佳：能彻底降解头孢菌素C（CEPC）（降至0 mg/kg），并将抗生素抗性基因（ARGs）总丰度降低62.2%，同时氮素损失（N loss）仅为1.9%，远超于热处理和堆肥。SE通过其独特的高温高压瞬间泄压机制，可高效破坏CEPC的关键药效基团（β-内酰胺环和二氢噻嗪环），从而大幅降低其抗菌活性。本研究为CFR等抗生素发酵残渣（AFR）的安全处置与资源化利用提供了更具潜力的技术选择。
抗生素发酵残渣（Antibiotic Fermentation Residue, AFR）因其含有高浓度残留抗生素，在我国被列为危险废物。如何安全、有效地处置并实现其资源化利用，是制药行业面临的关键挑战。本研究聚焦于头孢菌素C发酵残渣（Cephalosporin C Fermentation Residue, CFR），系统比较了蒸汽爆破（Steam Explosion, SE）、热处理和好氧堆肥三种处理工艺的效能。
在材料与方法方面，实验所用CFR取自国内一家生物制品公司。SE处理在1.5 MPa压力下维持10分钟后瞬间泄压；热处理在90 °C水浴中进行4小时；堆肥处理则混合糠醛渣调节碳氮比（C/N），持续50天。通过高效液相色谱（HPLC）、实时定量聚合酶链式反应（qPCR）、扫描电镜（SEM）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）及抗菌活性测定等方法，对处理前后样品的抗生素残留、抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）丰度、氮素形态与损失、抗菌活性及抗生素降解产物进行了全面分析。
研究结果首先揭示了不同处理对CFR形态的显著影响。扫描电镜观察显示，原始CFR在板框过滤后呈现光滑的片状结构。SE处理后，样品表面出现大量孔洞、碎片和凸起，表明其高压瞬间释压过程对细胞结构造成了严重破坏。热处理仅导致细胞膨大和表面粗糙，而堆肥后的样品表面则附着大量球菌和杆菌微生物。
在关键污染物去除方面，SE处理展现出压倒性优势。经SE处理后，CFR中已检测不到头孢菌素C（0 mg/kg），而堆肥和热处理后仍分别残留50.2 mg/kg和150.5 mg/kg的抗生素。在降低抗生素抗性基因（ARGs）风险上，SE和热处理分别使ARGs总丰度降低了62.2%和47.2%。然而，堆肥处理却使ARGs总丰度增加了1.4倍，其中与β-内酰胺类抗生素耐药相关的基因如ampC、bla
CMY、bla
SHV以及可移动遗传元件（MGEs）intI1和ISCR1均大幅增加，这表明堆肥虽然能降解抗生素，却可能加剧ARGs的环境传播风险。
氮素保留是评估资源化价值的重要指标。CFR中的氮主要以有机氮形式存在，占总氮（TN）的84.6%。SE处理后的氮损失率仅为1.9%，显著低于热处理的3.2%和堆肥处理的31.4%。堆肥过程中大量的氨气挥发是导致氮素严重损失的主要原因。因此，SE处理在高效去除污染物的同时，能最大程度地保留CFR作为潜在肥料或土壤改良剂的营养价值。
对抗菌活性的评估进一步印证了SE的有效性。以金黄色葡萄球菌（S. aureus）为指示菌，SE处理使抑菌圈直径减少了80.3%，效果优于堆肥（71.2%）和热处理（40.8%）。尽管三种处理均去除了90%以上的抗生素，但抗菌活性的降低效率低于抗生素本身的去除率，暗示残留的微量抗生素或其降解中间产物可能仍具有生物活性。
为探究深层机制，研究通过LC-MS分析了头孢菌素C的降解产物。头孢菌素C的关键药效基团是β-内酰胺环和二氢噻嗪环。分析发现，SE处理后主要生成质荷比（m/z）为207和133的产物（P2, P3），表明其β-内酰胺环和二氢噻嗪环均被彻底破坏。而热处理后的主要产物是m/z 333的β-内酰胺环开环产物（P1），其二氢噻嗪环未被降解。堆肥处理则产生了保留二氢噻嗪环的中间产物。这解释了为何SE处理在消除抗菌活性上最为彻底，因为其破坏了完整的药物活性结构。
基于以上结果，研究提出了可能的降解路径。SE和热处理等物理过程主要通过β-内酰胺环破坏、二氢噻嗪环裂解和酰胺键断裂进行转化，高温（SE处理中饱和蒸汽温度超过200 °C）是破坏这些化学键的关键。而在堆肥的生物降解过程中，微生物产生的β-内酰胺酶主要攻击β-内酰胺环，导致其降解路径与物理处理不同。
综上所述，本研究表明，在蒸汽爆破、热处理和好氧堆肥三种CFR处理工艺中，蒸汽爆破（SE）技术展现出显著的综合优势。它不仅能够近乎完全去除残留的头孢菌素C，大幅降低抗生素抗性基因（ARGs）的丰度和抗菌活性，还能通过其短时、高效的特性最大限度地保留氮素等营养成分。其核心机理在于高温高压蒸汽瞬间释压的物理过程，能有效破坏抗生素分子的关键活性结构（β-内酰胺环和二氢噻嗪环）。相比之下，热处理对抗生素和ARGs的去除效果有限，而堆肥处理虽能降解抗生素，却存在加剧ARGs扩散和氮素损失严重的问题。因此，蒸汽爆破技术为头孢菌素C发酵残渣乃至更广泛的抗生素发酵残渣（AFR）实现无害化处置与资源化利用，提供了一条极具潜力的新途径。当然，该技术的长期环境安全性，如降解产物对土壤微生物的潜在影响、处理后残渣农用的环境风险等，仍有待进一步的实地研究验证。
