青霉素菌渣风险评价体系与抗生素菌渣管理体系的构建大学本科毕业论文.doc

硕士学位论文

青霉素菌渣风险评价体系与抗生素菌渣管理体系的构建

CONSTRUCTION OF PENICILLIN RESIDUE ENVIRONMENTAL RISK ASSESSMENT SYSTEM AND BACTERIAL ANTIBIOTIC RESIDUE MANAGEMENT SYSTEM

苗杨

哈尔滨工业大学
2014年6月
国内图书分类号： 学校代码：10213
国际图书分类号： 密级：公开

工程硕士学位论文

青霉素菌渣风险评价体系与抗生素菌渣管理体系的构建

硕士研究生
：
苗杨
导师
：
孟宪林副教授
申请学位
：
工程硕士
学科
：
环境工程
所在单位
：
市政环境工程学院
答辩日期
：
2014年6月
授予学位单位
：
哈尔滨工业大学
Classified Index:
U.D.C:

Dissertation for the Master Degree in Engineering

CONSTRUCTION OF PENICILLIN RESIDUE ENVIRONMENTAL RISK ASSESSMENT SYSTEM AND BACTERIAL ANTIBIOTIC RESIDUE MANAGEMENT SYSTEM

Candidate：
Miao Yang
Supervisor：
Associate Prof. Meng Xianlin
Academic Degree Applied for：
Master of Engineering
Speciality：
Environmental Engineering
Affiliation：
School of Municipal and Environmental Engineering
Date of Defence：
June, 2014
Degree-Conferring-Institution：
Harbin Institute of Technology

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
摘　要
抗生素菌渣由于含有部分抗生素残留而被视为危险废物，但究其对人体健康和生态环境的确切风险却缺乏相关研究。此外，抗生素菌渣的管理也存在诸多漏洞，各地方环保部门对抗生素菌渣的管理模式不甚规范，导致部分抗生素菌渣流失，严重威胁环境安全。目前抗生素菌渣的处理处置方式主要采用焚烧和填埋，这样不仅造成了菌渣中大量营养物质的浪费，同时也大大增加了抗生素生产厂家的经济成本。因此，抗生素菌渣的风险评价模型和管理体系的建立对于抗生素菌渣的资源化处置和规范化管理显得尤为重要。
以青霉素菌渣添加量为1%~10%，菌渣处置前和处置80%后的人体健康风险为切入点，通过辨识出青霉素菌渣饲料化存在的健康风险因素，结合青霉素毒理性实验成果计算出剂量与反应的关系，然后对经口摄入、皮肤接触（土壤）、吸入土壤颗粒物等暴露途径中涉及的人体健康风险进行研究，并运用MatLab软件编程构建出人体健康风险评价模型。评价结果表明菌渣添加量为1%~10%，菌渣处置前和处置80%后的青霉素菌渣饲料化的人体健康风险均可忽略；青霉素菌渣饲料化导致人体过敏的可能性极小。
通过对青霉素菌渣能源化和肥料化过程风险因子的识别，结合青霉素在环境中的迁移转化规律，对青霉素菌渣能源化制沼气过程和肥料化过程进行生态风险评价，并构建出相应的水生生态风险评价模型。评价结果表明青霉素菌渣在能源化和肥料化过程中对陆生生态和水生生态的风险均很小，可忽略。所构建的水生生态风险评价模型可通过菌渣中青霉素残留量、青霉素在水中的停留时间和废水中青霉素的处置率计算出青霉素菌渣能源化和肥料化过程的水生生态风险表征值。
基于抗生素菌渣基本信息、菌渣处理处置工艺、典型抗生素菌渣风险评价模型以及抗生素菌渣转移管理四大板块，结合计算机软件开发技术（Linux+Tomcat+Oracle+Java），构建抗生素菌渣风险管理体系。管理者通过该体系可对抗生素菌渣的产生情况、危害特性、贮存情况、处理处置方式、对环境和人体健康的风险等进行查询、统计、分析以及评价，从而使抗生素菌渣的管理早日进入系统化、规范化、科学化的轨道。

关键词：青霉素菌渣；风险评价；青霉素菌渣饲料化；青霉素菌渣肥料化；青霉素菌渣能源化制沼气；抗生素菌渣风险管理
Abstract
Antibiotic bacterial residues have been listed as hazardous waste because it contains antibiotic residues, but the exact risk of antibiotic bacterial residues to human health and the environment have few relevant research. In addition, there are also many loopholes about the management of antibiotic bacteria residues. For example, the management mode that some environmental protection departments adopted are not standard, which resulting in the loss of antibiotic bacteria residues and the potential dangers to the environmental safety. Currently, the disposal ways of antibiotic bacterial residues are incineration and landfill, which not only waste resources, but also increase the treatment costs. Therefore, it is important to establish the bacterial antibiotic residue risk assessment models and management system to realize the resources disposal and standardized management of antibiotic bacterial residues.
Taking penicillin bacteria residues adding amount of 1%~10% and bacteria residue treatment of 0% and 80% for example, this thesis identified health risk factors and used penicillin toxicity datas to calculate the relationship between dose and effect to studied the human health risk in swallowing, skin contacting and breathing. In addition, MatLab software was also used to construct the risk assessment models. The results showed that health risk can be ignored and allergy risk was few in the pocess of feeding.
The ecological risk of penicillin bacteria residues in the pocess of fertilizing and energying was assessed by identifying risk factor as well as transformation and transportation law of penicillin. Besides, the corresponding aquatic ecological risk evaluation model was also established. The results indicated that in the process of fertilizing and energying the risk to terrestrial ecosystems and aquatic ecosystems was so small that it can be ignored. Ecological risk characterization of penicillin bacterial residues in the pocess of fertilizing and energying can be calculated by aquatic ecological risk assessment model when penicillin residues, penicillin residence time in water, and the disposal rate of penicillin in waste water were known.
Based on basic information of antibiotic residue bacteria, treatment process, risk assessment model of typical bacterial antibiotic, and the management of transfer, and conbined the software development technology (Linux + Tomcat + Oracle + Java), bacterial antibiotic residue risk management system was established. Through the system, administrator can query, count, analysis and evaluate the production of antibiotic bacterial residues, harmful characteristics, storage conditions, treatment and disposal methods and the ecological or human health risks of antibiotic bacterial residues. Thus the bacteria antibiotic residue management can early access an systematic, standardized and scientific track.

Keywords: penicillin bacteria residues, risk assessment, feeding of penicillin bacteria residues, fertilizing of penicillin bacteria residues, energying of penicillin bacteria residues, risk management of bacterial antibiotic residue
- 23 -
目　录
摘　要 I
Abstract II
第1章 绪　论 1
1.1 课题来源及研究的目的和意义 1
1.1.1 课题来源 1
1.1.2 课题的研究目的和意义 1
1.2 课题背景 1
1.3 青霉素菌渣的产生及性质 2
1.3.1 青霉素菌渣的产生 2
1.3.2 青霉素菌渣的性质 2
1.3.3 青霉素的性质 3
1.4 抗生素菌渣国内外处理处置现状 4
1.4.1 抗生素菌渣利用和处置技术 4
1.4.2 抗生素菌渣处理处置难点 6
1.5 本文的主要研究内容 6
1.6 本文的技术路线 8
第2章 青霉素菌渣饲料化的人体健康风险研究 9
2.1 青霉素菌渣饲料化的可行性分析 9
2.1.1 卫生安全性评价 9
2.1.2 常规营养成分及氨基酸评价 9
2.1.3 代谢利用评价 11
2.2 青霉素菌渣饲料化的人体健康风险评价 11
2.2.1 危害识别 11
2.2.2 剂量-反应评估 13
2.2.3 暴露评价 13
2.2.4 风险表征 26
2.3 青霉素菌渣饲料化的人体健康风险评价模型的构建 29
2.4 青霉素菌渣饲料化的人体致敏量模型的构建 31
2.5 本章小结 33
第3章 青霉素菌渣能源化和肥料化的生态风险研究 34
3.1 青霉素菌渣能源化和肥料化的可行性评价 34
3.1.1 青霉素菌渣能源化的可行性分析 34
3.1.2 青霉素菌渣肥料化的可行性分析 34
3.2 青霉素菌渣能源化和肥料化生态风险研究 35
3.2.1 青霉素菌渣对陆生生态的风险 35
3.2.2 青霉素菌渣对水生生态的风险 36
3.3 青霉素菌渣能源化和肥料化水生生态风险评价模型的构建 38
3.4 本章小结 39
第4章 抗生素菌渣风险管理体系的构建 40
4.1 我国抗生素菌渣管理现状 40
4.2 我国危险废物管理信息系统研究进展 41
4.3 抗生素菌渣风险管理体系的构建 41
4.3.1 抗生素菌渣基本信息数据库 43
4.3.2 抗生素菌渣处理处置工艺数据库 43
4.3.3 风险评价数据库 46
4.3.4 抗生素菌渣转移管理数据库 47
4.4 本章小结 49
结　论 50
参考文献 51
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 59
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 60
致　谢 61

第1章 绪　论
1.1 课题来源及研究的目的和意义
1.1.1 课题来源
本课题来源于环境保护部“微生物制药菌渣处置和利用环境风险控制技术”环保公益性科研项目中的子课题“菌渣综合利用和处理处置环境安全性评价”（项目编号：201209024）。
1.1.2 课题的研究目的和意义
第二次世界大战以来，抗生素在人类医学史上发挥了不可替代的作用，它的出现曾带给与人类无限的希望与光明，而如今抗生素的生产使用却面临着一个巨大的问题——抗生素菌渣的处理处置。抗生素菌渣含水量大，产量多，且含有大量的营养物质，脱水后具有很高的热值，可资源化性强。但由于菌渣中残留的抗生素缺乏相应的环境风险研究，以及抗生素菌渣管理体系不完善等原因限制了抗生素菌渣的资源化之路。2002年，抗生素被列入国家药品监督管理局等单位制定的《禁止在饲料和动物饮用水中使用的药物品种目录》；2008年，抗生素菌渣被列入《国家危险废物名录》，并按照危险废物标准进行焚烧处理或限制填埋，该类处置方法不仅增加了企业的经济投入，同时也浪费了资源。因此有必要对抗生素菌渣各利用和处置工艺进行风险评价，并创建一个能有效缓解抗生素菌渣环境污染，规范抗生素菌渣监管行为的网络平台，实现抗生素菌渣的全过程管理。
1.2 课题背景
我国抗生素的年产量和年出口量早已远超其他国家，并随着国家政策的扶持以及行业竞争的进一步加剧，我国抗生素的市场占有率还将继续增加。据化学制药工业协会统计，我国青霉素工业盐产量10年间增长了475%；阿莫西林产量10年间增长了614%。抗生素产量的不断增长同时意味着抗生素菌渣产量也在逐年上升，大约每生产1吨β-内酰胺类抗生素会产生22吨左右的湿菌渣，每生产1吨四环类或氨基糖苷类抗生素会产生11吨左右的湿 菌渣。而目前这些抗生素菌渣的合法性出路只有焚烧处理及限制填埋，极大的浪费了资源。由此可见，如何使抗生素菌渣的处理途径合理化，风险识别系统化，风险评估完整化，风险管理科学化已迫在眉睫。本文以青霉素菌渣为研究对象，着眼 于探索青霉素菌渣在各种处置利用过程中的风险因子对人体健康和生态环境的影响，并构建抗生素菌渣管理信息系统。
1.3 青霉素菌渣的产生及性质
1.3.1 青霉素菌渣的产生
青霉素产生于菌种发酵工艺后期，发酵液过滤后，青霉素由后续工艺结晶提纯，而过滤所得的滤渣即为青霉素菌渣，具体的产生流程见图1-1。

图1-1 青霉素菌渣生产工艺流程图
1.3.2 青霉素菌渣的性质
青霉素菌渣是青霉素发酵的副产物，含水率高、成分复 杂，由少量青霉素、重金属、发酵菌菌 体、多环芳烃等有机物组成。青霉素菌渣的化学特性分析见表1-1~表1-4[1]。
表1-1 青霉素菌渣的工业分析
物质
含量（%）
备注
w(Md)
12.65
d表示干燥基
w(Ad)
6.42
w(Vd)
71.17
w(FCd)
9.76
表1-2 青霉素菌渣中重金属含量分析
重金属
含量（mg/kg）
w(Pb)
0.22
w(Cr)
1.483
w(Cd)
0.135
w(Ni)
2.584
w(Zn)
176.4
w(As)
0.495
w(Hg)
未检出
表1-3 青霉素菌渣中多环芳烃含量分析
多环芳烃
含量（μg/kg）
备注
萘
52.8
表中带★为致癌PAHs；带☆为致突变PAHs
屈
40.9
苊
114.0
芴
87.2
菲
23.8
蒽
85.2
荧蒽
148.0
芘
135.0
苯并［a］蒽★
44.1
苯并［b］荧蒽★
31.7
苯并［k］荧蒽★
12.3
苯并［a］芘☆
20.6
二苯并［a,h］蒽★
23.0
苯并［ghi］芘
5.64
茚并［1,2,3-c d］芘
20.4
∑PAHs
844.64
表1-4 青霉素菌渣的组成成分分析
菌渣成分
含量（%）
含水率
76
干基粗蛋白
56.87
青霉素含量
0.2
干基TC
47.1
干基TN
10.4
干基TS
1
干基TH
7
1.3.3 青霉素的性质
抗生素根据其结构不同主要分为六大类：β-内酰胺类、四环类、大环内酯类、氨基糖苷类、多肽类、其它类。β-内酰胺类抗生素具有β-内酰胺环结构，主要包括青霉素及其衍生物、碳青霉烯类、单酰胺环类、头孢菌素和青霉烯类酶抑制剂等。β-内酰胺类药物主要是在细菌的繁殖期作用于细菌的细胞壁从而起杀菌作用，而人类细胞无细胞壁，故青霉素类抗生素在一般用量下对人类的毒性可忽略。青霉素的结构见图1-2。

图1-2 青霉素结构图
青霉素类药物很多，根据其特点可分为以下几种：
①青霉素G类：如长效西林青霉素G、青霉素钠、盘尼西林、苄青霉素钾、苄青霉素钠、配尼西林、青霉素钾等。
②青霉素V类：如青霉素V钾等。
③耐酶青霉素类：如氯唑青霉素、新青Ⅱ号等。
④氨苄西林类：如氨苄西林、阿莫西林等。
⑤抗假单胞菌青霉素：如哌拉西林、羧苄西林、替卡西林等。
⑥美西林及其酯匹西林：如美西林等。
⑦甲氧西林类：如坦莫西林等。
其中青霉素G是是一种弱有机酸，可合成和半合成青霉素类和头孢类抗生素，由于其水溶性较差，临床上常用其钠盐或钾盐。青霉素含有高活性的β-内酰胺环，极易分解失活。青霉素钠在pH为6~7时稳定性最好，脱离此pH范围均会使β-内酰胺环断裂，最终导致青霉素钠分解[3]。
青霉素钾或钠极易溶于水，水解率随温度的升高而加速，最终水解产物为无抗菌活性的青霉烯酸和青霉素噻唑酸，两者可使溶液的pH值降低，促进青霉素的进一步水解。研究表明，效价为20万u/mL的青霉素钠水溶液，在19℃恒温放置4小时后溶液中青霉烯酸的浓度增加2倍[4],[5]。青霉素噻唑酸和青霉烯酸无抗菌活性，但二者是导致青霉素过敏反应的主要原因。
1.4 抗生素菌渣国内外处理处置现状
1.4.1 抗生素菌渣利用和处置技术
目前，国内外抗生素菌渣的处理处置技术主要包括填埋、焚烧、农业及畜牧业利用、能源化以及其他利用和处理处置技术。
（1）填埋
填埋方法相对其他处理处置技术来说应用较为广泛，成本较低，填埋技术较为成熟，操作简单。但 直接进行安全填埋，会 造成资源浪费，且存在选址困难，运输费用增加以及渗出液可能污染地下水、菌渣发酵产生的沼气存在火灾和爆炸隐患等问题。
（2）焚烧
菌渣经焚烧处理后，残留的抗生素等有害物质被分解，产生无害化产物。焚烧过程减容效果好，短时间内可减容95%以上，产生的热能可回收利用。但由于菌渣含水率高，焚烧过程中需要外加燃料，运行维护投资大，操作条件复杂。若焚烧条件控制不当，不仅难以去除菌渣内残留的抗生素而且会导致二恶英等有毒物质的产生，从而引发二次污染。同时，焚烧方法无法彻底去除菌渣中的重金属。
（3）农业及畜牧业利用
国内外研究发现，青霉素菌渣不仅是一种营养丰富的有机肥而且还是良好的诱导剂，将青霉素菌渣按一定比例添加在棉花肥料中，可以有效的防治棉花枯萎病和棉花黄萎病[6],[7]。Gotlieb等[8]将干化后的青霉素菌渣作为肥料施入土壤，结果表明青霉素菌渣在增强黄瓜和番茄植株生长的同时还保护其免受线虫的危害。由于青霉素菌渣中残留少量青霉素以及有机溶剂等污染物，农用时应采用有效的预处理手段避免该类污染物对水体、土壤和植物等产生二次污染。刘超等[9]通过实验表明以红霉素药渣占日粮的1.5%投饲蛋鸡产蛋期，可提高产蛋性能，改善蛋壳质量和色泽，减少死淘率。吴萍等[10]以废菌渣为主要原料，利用酿酒酵母和黑曲霉两菌株进行混合固态发酵，最终制得含量为23.28%的粗蛋白质。抗生素无害化处理后按适当比例作为动物饲料添加剂可增加禽畜抗病能力，提高禽畜产品产量。
（4）能源化
将抗生素菌渣在中温或高温条件下厌氧消化，可使菌渣中大量有机物转化为沼气，产生的沼液沼渣性质稳定、有机物和氮磷含量较高，可用作农用肥料。但是菌渣中残留的抗生素可能抑制厌氧消化细菌的活动，降低沼气产率，因此需要对抗生素菌渣进行预处理，以保证能源化效果。孙效新等[11]对链霉素、洁霉素、土霉素、青霉素和麦迪霉素菌渣分别进行了厌氧消化实验，结果表明这几类抗生素均具有厌氧发酵可行性。此外，抗生素菌渣还可在无氧或缺氧的高温条件下热解气化为氢气、甲烷和一氧化碳等物质。
（5）其他处理处置技术
抗生素菌渣含有大量蛋白质、糖类、生长因子、粗纤维、维生素等营养物质，处理后可回收制备抗生素菌体发酵培养基循环利用[12]-[14]。李秀环[15]将青霉素菌渣作为原料制备酵母膏、酵母粉代用品，将产品运用到土霉素发酵工艺中，可将土霉素化学效价提高7%以上。刘小鹏[16]等将阿维菌渣处理后，作为营养成分添加到阿维菌素发酵培养基中，从而达到菌渣循环利用的目的。胡波[17]等将菌渣改性作为吸附剂，结果发现改性后的抗生素菌渣增强了对重金属的吸附效果。苏海佳等人[18]从青霉素菌丝体中提取甲壳素，将其作为水处理剂用于吸附水中Ni2+，取得了良好效果。河北科技大学刘波文[19]利用青霉素菌渣为原料制备活性炭，活性炭的产率为15%~25%之间。李士坤[20]等从青霉素菌渣中提取核糖核酸，经工艺优化，核糖核酸的纯度为72.1%，核糖核酸得率为0.42%。程俊山等[21]优化了青霉素菌丝体提取麦角固醇工艺的控制条件，使麦角固醇收率可以达到0.71%。Tadeusz等[22]研究了青霉素菌渣处理后作为吸附剂对水中重金属Pb、Cu、Cd、Zn的吸附效果，并得出吸附效果最佳时的pH值。Komar等[23]将青霉素等菌渣作为混凝土添加剂资源化利用，可使混凝土的强度得以增强。上述技术对抗生素菌渣中的可利用资源进行了提取和循环利用，但由于受工艺条件、提取率较低、二次污染等原因的限制，使得这些技术目前还难以实现工业化。
1.4.2 抗生素菌渣处理处置难点
通过对抗生素菌渣各种处置技术的综合比较可知，所有处置技术的难点都与菌渣中抗生素残留有关。其主要原因归咎于菌渣中残留的抗生素在环境中会对生态系统产生一系列影响。例如，抗生素菌渣肥料化时菌渣中残留的抗生素会进入土壤、水体，杀死或抑制自然界原有的微生物群体[24]-[26]；抗生素菌渣饲料化时，一部分残留的抗生素积累在动物体内，随着肉，奶，蛋等产品进入食物链，最终进入人体；填埋处理，最终产物均有可能污染水体及土壤。目前，国家规定抗生素菌渣要以焚烧方式进行最终处置，可焚烧技术投资大，资金回收慢，为防止产生二恶英需严格控制焚烧条件，还需配备专业技术人员，这些原因致使一些小型抗生素生产企业难以负担抗生素菌渣的处理费用。同时，抗生素菌渣若不加以利用直接焚烧不仅浪费了资源，而且不利于制药行业循环经济的发展。因此有必要建立一套科学的风险评价以及风险管理体系，将各种处理处置工艺对人体和环境的风险影响明确化、定量化，通过全过程管理，降低抗生素残留的环境风险，使抗生素菌渣能够被有效的资源化利用，减轻企业的负担，积极响应国家十二五规划中“绿色发展，建设资源节约型、环境友好型社会”的倡导。
1.5 本文的主要研究内容
本文通过文献调研与实际调研相结合，并借鉴抗生素菌渣利用和处置过程环境因子识别体系[27]明确各利用和处置过程中环境风险因子，以青霉素菌渣为典型抗生素菌渣，研究其在利用和处置过程中对人体和生态环境的影响，建立其利用和处置过程中的人体健康风险评价和生态风险评价体系。最后，综合目前环保部门对菌渣的管理现状及国家相关管理政策，构建出一套科学的管理体系，为国内抗生素制药企业和国家环保部门实施抗生素菌渣的处理处置与风险管理提供平台。
（1）建立青霉素菌渣制取饲料工艺的人体健康风险评价体系
根据人体健康评价四步法，首先辨识出青霉素菌渣饲料化存在的健康风险因子，通过青霉素毒理性实验成果计算出剂量与反应的关系，然后对经口摄入、皮肤接触（土壤）、吸入土壤颗粒物等暴露途径构成的人体健康风险进行评价，并构建相应的人体健康风险评价模型和致敏量表征模型。
（2）建立青霉素菌渣堆肥处理工艺和青霉素菌渣能源化制沼气工艺的生态风险评价体系
根据生态风险评价三步法，首先对青霉素菌渣堆肥处理工艺和能源化制沼气工艺可能存在的潜在生态风险进行识别，主要是对陆生生态与水生生态风险因素进行识别；结合青霉素在生态环境中的稳定性，依据青霉素残留量随时间的变化关系和青霉素的毒性数据计算出其环境无效应浓度，进而对青霉素菌渣肥料化过程及能源化过程进行生态风险评价，并构建相应的生态风险评价模型。
（3）构建抗生素菌渣环境风险管理体系
结合国家相关政策及抗生素菌渣的危害特性，利用软件开发技术（Linux+Tomcat+Oracle+Java），构建出适于我国抗生素菌渣环境污染与健康管理的环境风险管理信息系统框架，为抗生素制药菌渣的全过程管理和安全处置提供网络信息平台。
1.6 本文的技术路线

第2章 青霉素菌渣饲料化的人体健康风险研究
青霉素菌渣中含有大量的营养物质，如果能将青霉素菌渣作为动物饲料，则不仅是对其进行资源化利用，而且会极大的避免因处置青霉素菌渣而必需的投资成本，但究其饲料化的可行性以及青霉素菌渣饲料化是否会通过吸入、皮肤接触、吸收等暴露途径构成对人体健康的潜在风险尚需要进行深入探讨。
2.1 青霉素菌渣饲料化的可行性分析
青霉素性质不稳定，极易光解和高温分解，随菌渣添加到饲料中时，其活性会被胃酸破坏，使其浓度低于有效血浓度。李月海[28]通过青霉素菌渣饲养团头鲂实验发现鱼群不仅发病少，而且每亩池塘增产1812kg。李凤学[29]等人在鸡饲料中添加3％～5％的青霉素渣替代等量的大豆饼，结果发现鸡的生理指标和生化指标与饲喂大豆饼相类似。
2.1.1 卫生安全性分析
青霉素菌渣中不含有恶唑烷硫酮、氰化物、异硫氰酸酯、游离棉酚等其他有害物质，可能含有的有害物质只有重金属，因此，在对其进行卫生安全性分析时，主要侧重于重金属含量是否在安全范围内。将青霉素菌渣中重金属含量与GB13078-2001中规定的重金属最大允许量对比，具体见表2-1。
表2-1 青霉素菌渣中有害物质与国标对照一览表
有害物质（重金属）
产品名称
指标
（mg/kg）
菌渣中含量
（mg/kg）
砷（以总砷计）
家禽、猪配合饲料
≤2.0
0.495
铅（以Pb计）
鸡配合饲料、猪配合饲料
≤5
0.22
铬（以Cr计）
鸡配合饲料，猪配合饲料
≤10
1.483
汞（以Hg计）
鸡配合饲料，猪配合饲料
≤0.1
未检出
镉（以Cd计）
鸡配合饲料，猪配合饲料
≤0.5
0.135
由上表可知，青霉素菌渣中所含的重金属均小于GB13078-2001中规定最大允许量，因此青霉素菌渣能够符合禽畜饲料的卫生安全要求。
2.1.2 常规营养成分及氨基酸含量分析
根据中国饲料成分及营养价表（2012年第23版）中对饲料营养成分的规定可知，饲料中常规营养成分包括干物质（DM），粗纤维（CF），无氮浸出物（NFE），粗蛋白质（CP），粗灰分（Ash），粗脂肪（EE），钙（Ca），总磷（P）。氨基酸包括亮氨酸（Leu），精氨酸（Arg），赖氨酸（Lys），蛋氨酸（Met），异亮氨酸（He），胱氨酸（Cys），组氨酸（His），苯丙氨酸（Phe），酪氨酸（Tyr），苏氨酸（Thr），缬氨酸（Val），色氨酸（Trp）。本文通过将青霉素菌渣中常规营养成分、氨基酸含量与大豆饼对比，对其进行营养成分分析。
表2-2 青霉素菌渣与大豆饼常规营养成分及氨基酸含量对比[28],[30]
营养成分
大豆饼
青霉素菌渣
青霉素菌渣/大豆饼
干物质DM（%）
89.0
91.56
1.03
粗蛋白质CP（%）
41.8
56.87
1.36
粗脂肪EE（%）
5.8
2.82
0.49
粗纤维CF（%）
4.8
3.42
0.71
无氮浸出物NFE（%）
30.7
32.52
1.06
粗灰分Ash（%）
5.9
11.37
1.93
钙Ca（%）
0.31
1.14
3.68
总磷P（%）
0.50
1.11
2.22
精氨酸Arg（%）
2.53
2
0.79
组氨酸His（%）
1.10
0.84
0.76
异亮氨酸He（%）
1.57
3.31
2.11
亮氨酸Leu（%）
2.75
3.11
1.13
赖氨酸Lys（%）
2.43
1.84
0.76
蛋氨酸Met（%）
0.60
0.56
0.93
胱氨酸Cys（%）
0.62
0.62
1
苯丙氨酸Phe（%）
1.79
1.64
0.92
酪氨酸Tyr（%）
1.53
1.29
0.84
苏氨酸Thr（%）
1.44
1.78
1.24
色氨酸Trp（%）
0.64
0.5
0.78
缬氨酸Val（%）
1.70
2.39
1.41
总能量（MJ/kg）
19.89
17.26
0.87
（1）通过大豆饼和青霉素菌渣常规营养成分的对比可知青霉素菌渣的DM，CP，NFE，Ash，Ca，P含量分别是大豆饼的1.03倍，1.36倍，1.06倍，1.93倍，3.68倍，2.22倍；青霉素菌渣的EE和CF分别占大豆饼的49%和71%，但均满足GB/T5915-2008仔猪、生长肥育猪配合饲料和GB/T5916-2008肉用仔鸡配合饲料的标准。因此青霉素菌渣常规营养成分满足饲料的营养要求。
（2）通过大豆饼和青霉素菌渣氨基酸含量的对比可知，青霉素菌渣的He，Leu，Thr，Val分别为大豆饼的2.11倍，1.13倍，1.24倍，1.41倍；青霉素菌渣中Cys含量与大豆饼相同；而青霉素菌渣中Arg，His，Lys，Met，Phe，Tyr，Trp的含量分别占大豆饼中相应氨基酸含量的79%，76%，76%，93%，92%，84%，78%。因此，青霉素菌渣的氨基酸含量接近大豆饼，满足饲料的氨基酸要求。
（3）青霉素菌渣总能量占大豆饼的87%
综上可知，青霉素菌渣可满足饲料营养成分需求。
2.1.3 代谢利用分析
饲料在动物体内的代谢利用能力也是考察饲料可行性的重要指标。通过将青霉素菌渣和大豆饼中可真利用氨基酸含量的比较对青霉素菌体蛋白的营养价值进行分析，具体见表2-3。
表2-3 青霉素菌渣和大豆饼真可利用氨基酸的对比
种类
大豆饼真可利用氨基酸（%）
青霉素真可利用氨基酸（%）
Thr
1.24
1.45
Val
1.50
1.90
Met
0.49
0.51
Lys
1.88
1.64
His
0.91
0.77
Arg
2.57
1.87
由上表可知青霉素菌渣中Thr、Val、Met含量高于大豆饼，而Lys、His、Arg含量也与大豆饼相近。实验表明鸡和猪对青霉素菌渣的代谢能分别为2.56Mcal/kg和3.11Mcal/kg[31]，对大豆饼的代谢能分别为2.52Mcal/kg和3.01Mcal/kg，由此可知就代谢利用能力而言，青霉素菌渣优于大豆饼。
综上，通过青霉素菌渣与大豆饼常规营养元素、氨基酸、总能量以及代谢能力的对比可知，青霉素菌渣从卫生安全，营养含量以及代谢能力角度均满足饲料标准，若青霉素菌渣及其降解产物对人体健康的风险在可接受范围内，其经过处理后将成为一种优质的动物饲料或饲料添加剂。
2.2 青霉素菌渣饲料化的人体健康风险评价
本文在对青霉素菌渣饲料化进行人体健康风险评价时主要通过对青霉素菌渣饲料化过程进行危害识别，结合青霉素毒理性实验成果进行剂量-反应评估，然后对经口摄入、皮肤接触（土壤）、吸入土壤颗粒物等暴露途径中涉及的人体暴露量进行计算，最后利用风险表征公式定量表征出青霉素菌渣饲料化的人体健康风险。
2.2.1 危害识别
危害识别主要是确定对人群产生有害效应的环境因素并估计其强度。本文通过对青霉素菌渣饲料化过程中青霉素的含量、降解产物的特性、相关的毒理学数据的分析并结合抗生素菌渣风险识别体系[27]对青霉素菌渣饲料化过程进行危害识别，结果表明青霉素菌渣饲料化的风险因子是青霉素及其降解产物。
2.2.1.1 青霉素的毒性
对于青霉素毒理学实验，目前已有应用大鼠、小鼠、红剑鱼、孔雀鱼、食蚊鱼等作为实验对象的青霉素急性毒性研究，实验结果如表2-4所示。
表2-4 青霉素的毒性数据[32]-[43]
毒性试验类型
对象
试验方法
毒性表征
青霉素毒性试验
大鼠
口服
LD50：1040 mg/kg
灌胃
NOAEL：2400 mg/kg
腹腔内注射
LD50：1750 mg/kg
腹腔内注射
LD50：1520 mg/kg
小鼠
腹腔内注射
LD50：1000 mg/kg
腹腔内注射
LD50：1351 mg/kg
藻类
喂食法
EC50：84.6 mg/L
蓝绿藻细菌
喂食法
EC50<100 mg/L
红剑鱼
药浴
LC50：283.06 mg/L
孔雀鱼
药浴