灰黄霉素医药残渣氧化处理技术及其在农业施肥领域的应用前景

Oxydation Treatment Process of Griseofulvin Pharmaceutical Residue and its Application Prospect in Agricultural Fertilizer Field

卢啸旸 Xiaoyang LU , 曹卫宇 Weiyu CAO , 何佩华 Peihua HE

上海化工研究院上海 200062 Shanghai Research Institute of Chemical Industry Shanghai 200062

摘要：

介绍了高级氧化技术中可用于生物医药残渣氧化的Fenton氧化、氯氧化、高锰酸钾氧化、过硫酸盐氧化等技术，并对灰黄霉素残渣的氧化进行了初步研究，总结了可能产生的氧化产物。生物医药残渣中含有大量的有机质和粮食发酵产物，通过氧化降解去除其中所含的抗生素，余下的有机质与各种单一肥料结合或与传统复合肥复配，形成的肥料新产品具有养分全面、肥效持久等特点，在农业土壤改良及修复方面具有良好的应用前景。

关键词：

灰黄霉素; 氧化; 医药残渣; 农业应用;

Abstract：

An introduction is given of the advanced oxidation processes, which can be used for oxidation of bio-pharmaceutical residues, including Fenton oxidation, chlorine oxidation, potassium permanganate oxidation, persulphate oxidation and so on, and a preliminary study is carried out of oxidation of griseofulvin residue, the possible oxidation products are summarized. Bio-pharmaceutical residues contain large amount of organic matters and grain fermentation products, by oxidative degradation, the antibiotics contained can be removed, and the rest organic matters can combine with each single fertilizer or compound with traditional compound fertilizers to form new kind fertilizers which has characteristics of overall nutrients, persistence fertilizer effect, and has good application prospects in agricultural soil improvement and soil remediation.

Keyword：

griseofulvin; oxidation; pharmaceutical residue; agriculture application;

生物医药残渣无害化处理技术包括生物处理技术、物理处理技术、化学处理技术。由于医药残渣中所含的物质为高浓度难降解有机物，成分复杂多样，一般的生物处理技术很难将其降解。物理处理技术主要对残渣进行预处理，主要方法有吸附、萃取、蒸馏等。因此，化学处理技术是当前降解生物医药残渣最有效的方法，其中的化学氧化法近年来发展迅速，是研究的热点之一。

灰黄霉素是从灰黄青霉培养液中得到的含氯代谢产物，是一种非多烯类的抗真菌抗生素，自发现以来，在临床上主要用于治疗皮肤或角质层浅部的真菌感染，如今其应用领域已从医学扩展到农业植物的真菌病害防治，具有良好的应用前景。我国目前投产的灰黄霉素产生菌的发酵单位已达世界领先水平，因此在生产的同时产生了大量的医药残渣待处理。灰黄霉素残渣所含的物质主要为灰黄霉素的代谢产物，如去氯灰黄霉素、灰黄霉素酸等，以及在发酵过程中产生的副产物，由于物质种类多、结构复杂，在氧化降解处理上具有一定的难度。

1 有机污染物化学氧化技术

化学氧化技术有多种，其中可用于对生物医药残渣中的抗生素进行氧化降解的方法主要有Fenton氧化、氯氧化、高锰酸钾氧化、过硫酸盐氧化等。

1.1 Fenton氧化

1894年，法国科学家H.J.H.Fenton发明了该方法，经典的Fenton试剂由Fe²⁺和H₂O₂组成，主要用于处理难降解的有机物。Fenton氧化技术符合自由基理论，即亚铁离子催化分解过氧化氢，产生的羟基自由基进攻有机物分子，使其氧化分解为容易处理的物质。羟基自由基具有很强的氧化能力，是仅次于氟氧化方法的一类非选择性的氧化剂^[1-4]，氧化效率高，反应速率快。

光/Fenton法和电/Fenton法是经典Fenton法的衍生，其中光/Fenton法引入了紫外光/H₂O₂系统，反应体系在紫外光照射下，三价铁与氢氧根离子的复合离子可直接产生羟基自由基和二价铁离子，而二价铁离子可与H₂O₂进一步反应生成羟基自由基，从而加快有机污染物的降解速率^[5]。电/Fenton法的实质是以电化学法产生的Fe²⁺与H₂O₂作为Fenton试剂的持续来源，即在酸性溶液中通过直流电电解方式先将O₂还原成H₂O₂，生成的H₂O₂迅速与溶液中的Fe²⁺反应生成·OH和Fe³⁺，利用·OH的无选择性氧化能力达到去除难降解有机物的目的^[6]。

1.2 氯氧化

氯氧化技术是通过加入氯氧化物降解有机污染物，使其转变为无毒的CO₂和H₂O的技术，常用的药剂有次氯酸盐、二氧化氯、液氯等。

次氯酸盐以次氯酸钙、次氯酸钠为主，常用作漂白剂，遇水产生次氯酸和ClO^-，次氯酸也可放出氯气和新生态原子氧，具有很强的氧化能力，因此常用于杀菌处理，对大多数细菌、病毒、芽孢、真菌等都有良好的杀灭作用。

二氧化氯是强氧化剂，其中的氯以正四价态存在，其活性为氯的2.5倍。被二氧化氯氧化的有机物大多降解为以含氧基团(羧酸)为主的产物，无氯代产物出现。二氧化氯的强氧化性还表现在其对稠环化合物的氧化降解上，如二氧化氯可将致癌物——苯并芘氧化成无致癌性的醌式结构。二氧化氯也可氧化降解灰黄霉素、腐殖酸，而且其降解产物不以三氯甲烷(氯仿)出现，这是传统的氯化方法所不能实现的^[7-10]。

1.3 高锰酸钾氧化

高锰酸钾氧化能力强，降解有机物的反应速率非常快，是一种很高效的氧化降解试剂。高锰酸钾氧化降解反应对环境的要求比较宽松且操作简单方便，是一种经济高效的污染物去除方法^[11]，故多年来不断得到推广与应用。

高锰酸钾是一类金属-氧族试剂^[12]，能够通过直接的氧转移有效攻击碳碳双键，其氧化降解有机物的反应途径包括电子转移、脱氢以及自由基反应等。溶液中的锰有多种存在方式，而高锰酸钾中的锰为最高价(+7价)，因此具有很强的氧化能力，能降解多种有机物，使其转化为其他小分子有机物或完全矿化为二氧化碳和水。氧化与还原总是伴随着发生的，高锰酸钾氧化有机物的同时自身会被还原为二氧化锰，该物质可通过吸附、絮凝等作用提高有机物的去除率，这对去除难降解有机物是至关重要的。以高锰酸钾的氧化机理为基础，衍生出一系列氧化剂，如高锰酸锌、高铁酸钾等^[13-14]。

1.4 过硫酸盐氧化

过硫酸盐是一类常见的氧化剂，主要有过硫酸钠、过硫酸铵和过硫酸钾，应用十分广泛。早在20世纪40年代，过硫酸盐就开始被用作漂白剂。目前，过硫酸盐在纺织、食品、化妆品、油脂等领域均有较大的应用市场。

过硫酸盐能在水中电离产生过硫酸根离子，其标准氧化还原电位与臭氧相近，大于高锰酸钾。由于过硫酸盐在常温条件下的反应速率较慢，因此对有机物的氧化效果不显著，然而在加热、光照或过渡金属离子(如Fe²⁺，Ag⁺，Co²⁺等)等条件的激发下，过硫酸盐活化分解为硫酸根自由基，具有较强的氧化能力，可降解多种有机污染物，甚至可将有机物氧化为CO₂和无机酸^[15-16]。

2 灰黄霉素的氧化产物

灰黄霉素主要的氧化反应如图 1所示。

图 1

灰黄霉素主要的氧化反应

J.F.Grove等在灰黄霉素氧化试验过程中对其各类氧化产物进行了研究^[17]，结果发现灰黄霉素在丙酮环境下与高锰酸钾进行氧化反应得到了2种一元酸(图 2)，分别是3-氯基-2-羟基-4，6-二甲氧基苯甲酸(以下简称物质1)和7-氯基-2-羟基-4，6-二甲氧基苯并呋喃-3-酮-2-β丁酸(以下简称物质2，R基团为H或OH)。物质2(R基团为H或OH)与高锰酸盐进一步氧化可得到物质1，同样也可通过灰黄霉素与高锰酸盐在低温碱性条件下氧化、与重铬酸盐在高温条件下氧化以及与次溴酸盐在低温碱性条件下氧化等得到物质1。物质2(R基团为H或OH)在高锰酸钾氧化灰黄霉素试验中的收率很低，但用高锰酸锌氧化灰黄霉素后收率有很大幅度的提升。

图 2

2种灰黄霉素氧化产物结构

灰黄霉素与过氧化氢在碱性条件下氧化得到一元酸C₁₄H₁₅O₆Cl，通过紫外吸收光谱检测，其结构与物质2(R基团为OH)十分接近，C₁₄H₁₅O₆Cl进一步与高锰酸钾在低温碱性条件下反应可得到物质2(R基团为H或OH)。图 1中二元酸C₁₃H₁₃O₆Cl是物质2(R基团为H或OH)碱性水解的产物，其收率较低，该二元酸同样可通过去甲灰黄霉素与过氧化氢在低温碱性条件下反应得到。

3 药渣产物在农业施肥中的应用

化学氧化技术能够快速、彻底地降解有机污染物，在许多领域已得到广泛应用。生物医药残渣中含有残留的抗生素，若未经处理直接进入自然环境中，抗生素在地表水和河流等水体中会形成一个高浓度的区域，在该区域内环境致病菌的耐药性不断增强并扩散，将会对人类的公共健康构成威胁。如果生物医药残渣未经处理直接作为养殖饲料，残留的抗生素会进入食物链，最终严重影响食品安全。

生物医药残渣中同样含有大量的有机质和粮食发酵产物，若能将残渣中所含抗生素氧化降解去除，余下的有机质与单一肥料或传统复合肥复配形成的肥料新产品具有如下功效。

(1) 改良土壤、培肥地力。该肥料新产品施入土壤后，有机质能有效改善土壤理化性状和生物特性，熟化土壤，增强土壤的保肥、供肥能力和缓冲能力，为作物的生长提供良好的土壤条件。

(2) 提高农作物产量和农产品品质。该肥料新产品中含有丰富的有机质和各种营养元素，可为农作物提供营养；肥料腐解后，可为土壤微生物活动提供能量和养料，促进微生物活动，加速有机质分解，产生的活性物质等能促进农作物的生长并提高农产品的品质。

(3) 提高肥料的利用率。该肥料新产品养分含量高，但各种养分相对含量低且释放缓慢，与化肥合理配合施用，可相互补充，且有机质分解产生的有机酸还能促进土壤和化肥中矿质养分的溶解。

传统化学肥料的施用会使土壤的理化条件发生变化，阻碍土壤中腐生性微生物的繁殖，引起生态系统紊乱，导致有害寄生性生物的活跃，从而造成多发病虫害、土壤板结及地力下降等问题。将有机肥与传统复合肥配合施用是我国肥料工作的长期方针，其意义在于可提高作物产量、改善农田生态环境、提高经济效益。

(1) 有机肥含有作物所需的各种营养元素和某些生物活性物质，除复合肥外，化肥所含养分较单一。有机肥与化肥所含养分、种类各不相同，配合施用能长短互补。

(2) 有机肥肥效慢而稳，当季利用率低，但后效长；化肥多为速效肥，肥效快，但不持久。有机肥与化肥配合施用，可相互弥补不足。

(3) 有机肥与传统化肥配合施用，化肥中的无机氮可提高有机氮的矿化率，而有机氮能提高无机氮的生物固定率。增施有机肥在于养地，增施化肥在于用地，两者配合有利于作物高产与稳产。

4 结语

灰黄霉素医药残渣为生产抗生素药物的废弃物，年产生量大，经特殊的无害化处理后直接排放至环境中，将造成大量的资源浪费与环境污染。将该医药残渣作为肥料生产的原料，可就地取材，且制得的肥料新产品具有养分全面、肥效持久等特点，不仅含有植物必需的大量元素和微量元素，还含有丰富的有机养分。施用该肥料新产品可提高地力及化肥利用率，相应减少了化肥用量与施肥成本，是农业节本增效的重要措施之一，在土壤肥力和植物营养的改善方面体现出了巨大价值，而且在农业土壤改良及修复方面具有良好的应用前景。

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