吳　笛

(西昌學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院， 四川 西昌　615013)

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紫莖澤蘭與馬鈴薯淀粉加工廢渣混合產(chǎn)沼氣及沼渣毒性研究

吳笛

(西昌學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院， 四川 西昌615013)

文章通過使用外來入侵植物—紫莖澤蘭的莖桿和馬鈴薯深加工廢渣為原料，探究該兩種原料不同比例、沼氣底液和溫度對(duì)其厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)氣量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：在紫莖澤蘭莖桿與馬鈴薯深加工廢渣的比例為1∶2, 沼氣底液為100 mL和溫度為30℃的厭氧發(fā)酵條件下，混合發(fā)酵的產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量出現(xiàn)最高峰。并利用產(chǎn)氣后的沼渣做飼料毒性研究，以小白鼠為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)65天的觀察。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)沼渣含量在10%范圍內(nèi)時(shí)，試驗(yàn)組小白鼠的生長(zhǎng)發(fā)育情況與對(duì)照組相近。為紫莖澤蘭和馬鈴薯深加工廢渣的資源化利用提供了新的方法。

紫莖澤蘭； 馬鈴薯廢渣； 沼氣； 飼料； 小白鼠

紫莖澤蘭(EupatoriumadenophorumSpreng)英語俗名：Croftonweed，MistflowerEupatorium；別名腺澤蘭，系菊科澤蘭屬叢生狀半灌木多年生草本植物[1]。原產(chǎn)于美洲的墨西哥至哥斯達(dá)黎加一帶，大約在20世紀(jì)40年代由中緬邊境傳入我國(guó)云南南部[2]。紫莖澤蘭對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性極強(qiáng)，入侵后，會(huì)導(dǎo)致土壤動(dòng)物類群數(shù)量和部分類群個(gè)體數(shù)量減少，破壞了生物的多樣性[3-4]。但是紫莖澤蘭具有一定飼用價(jià)值含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，如氨基酸、蛋白質(zhì)、脂肪等，其中蛋白質(zhì)含量占干物質(zhì)總量的19.7%，與麥麩相當(dāng)，脫毒后可做飼料原料。研究表明：紫莖澤蘭是一種理想的飼料與沼氣發(fā)酵原料，其有毒物質(zhì)主要分布在葉片中，馬鈴薯是一種高產(chǎn)作物, 且是糧菜兼用作物, 營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高[10]。在加工馬鈴薯生產(chǎn)淀粉的莖稈中Euptox A全年平均含量為0.27%，莖稈部的干重占整個(gè)植株60%到70%，經(jīng)復(fù)合菌種處理后，能顯著降低有毒物質(zhì)含量，可作為原料配成配合飼料喂豬和豚鼠，均表明處理后的紫莖澤蘭已無毒性[5-9]。過程中會(huì)產(chǎn)生大量高濃度有機(jī)的廢水和廢渣，廢渣里含有蛋白質(zhì)、氨基酸、糖類等物質(zhì)，容易被微生物利用，如果不進(jìn)行綜合利用和末端治理[11]，直接排放,會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，且其蛋白質(zhì)含量低, 直接用作飼料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值低、效果差[12]。馬鈴薯渣中含有大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是很好的飼料來源[13-14]。研究表明[15]，通過微生物發(fā)酵的處理可大幅度提高馬鈴薯廢渣的蛋白含量，從發(fā)酵前干重的4.62%增加到57.49%。含30%的馬鈴薯渣發(fā)酵蛋白飼料與沙棘嫩枝葉配合使用，可提高兔肉蛋白質(zhì)及脂肪含量，改善兔肉品質(zhì)[16]。

單一原料發(fā)酵已得到深入細(xì)致的研究, 并形成了較成熟的技術(shù)體系而應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中[17-20]。但是諸多研究表明，不同發(fā)酵原料以一定比例混合后的發(fā)酵效果較單一原料發(fā)酵效果有顯著提高[21-23]。Weiland[24-25]提出, 混合厭氧發(fā)酵以及優(yōu)化混合原料組合將是厭氧消化技術(shù)的重要發(fā)展方向。然而，有關(guān)混合紫莖澤蘭與馬鈴薯深加工廢渣產(chǎn)沼氣及沼渣飼料毒性的研究卻罕見報(bào)道。因此，將紫莖澤蘭莖桿與馬鈴薯深加工廢渣具有積極意義，不僅原材料易得，成本低，而且能將入侵之物—紫莖澤蘭和馬鈴薯廢渣資源化利用，避免其污染環(huán)境。

研究主要分為兩個(gè)階段。第一階段：主要以紫莖澤蘭莖桿和馬鈴薯生產(chǎn)淀粉過程中所產(chǎn)生的廢渣為原料，以常溫厭氧發(fā)酵池中底部液體為接種物，在自制發(fā)酵裝置內(nèi)，研究不同原料配比、沼氣底液和溫度對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量的影響。旨在找出最佳的配比、沼氣底液和溫度。第二階段：主要以第一階段的厭氧發(fā)酵結(jié)束后的沼渣為原料，配以其他輔助原料制成簡(jiǎn)易飼料喂養(yǎng)小白鼠，研究沼渣飼料的毒性。為解決農(nóng)村能源短缺、紫莖澤蘭和馬鈴薯深加工廢渣的資源利用率，使其變廢為寶提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1　材料與方法

1.1混合紫莖澤蘭與馬鈴薯深加工廢渣產(chǎn)沼氣研究

1.1.1實(shí)驗(yàn)原料

紫莖澤蘭取自西昌學(xué)院圖書館后的小森林。采取的紫莖澤蘭去根和葉，除去雜質(zhì)并切成小段，放入干燥烘箱，在105℃烘干。將烘干的紫莖澤蘭小段取出，用粉碎機(jī)粉碎過20～40目分析篩，備用。自制馬鈴薯廢渣，即做即用。向沼氣發(fā)酵裝置中加入富含大量沼氣微生物的接種物，可以加快沼氣發(fā)酵的啟動(dòng)速度和提高沼氣產(chǎn)氣量[26]。因此，接種物取自農(nóng)戶正常產(chǎn)氣沼氣池底部的液體。

1.1.2實(shí)驗(yàn)裝置

采用常規(guī)排水法收集氣體，發(fā)酵裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置中發(fā)酵瓶、集氣瓶、集水瓶的有效容積均為250 mL，沼氣底液包含菌種。所有接口均涂抹上凡士林以增強(qiáng)氣密性。將發(fā)酵瓶置于恒溫水浴鍋以保持其溫度。

圖1　發(fā)酵裝置示意圖

1.1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究不同比例、沼氣底液及溫度3個(gè)因素對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響，試驗(yàn)中每個(gè)處理設(shè)置 2 個(gè)重復(fù)。

(1)比例對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響。設(shè)定發(fā)酵溫度為中溫30℃，沼氣底液為100 mL，設(shè)定比例分別為 3∶1，2∶1，1∶1，1∶2，1∶3 時(shí)測(cè)定其各個(gè)處理的產(chǎn)氣量。

(2)沼氣底液對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響。設(shè)定發(fā)酵溫度為中溫 30℃，比例為1∶2，設(shè)定沼氣底液分別為 50 mL，75 mL，100 mL，125 mL 時(shí)測(cè)定其各個(gè)處理的產(chǎn)氣量。

(3)溫度對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響。設(shè)定比例為1∶2，沼氣底液為100 mL，設(shè)定溫度分別為20℃，25℃，30℃，35℃，40℃，45℃，50℃時(shí)測(cè)定其各個(gè)處理的產(chǎn)氣量。

1.2沼渣飼料毒性研究

1.2.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用小白鼠50只均從市場(chǎng)購入；實(shí)驗(yàn)飼料按照小白鼠飼料配方配制(見表2)；其他常規(guī)飼料從市場(chǎng)購入。

1.2.2實(shí)驗(yàn)方法

參加實(shí)驗(yàn)的小白鼠共36只，實(shí)驗(yàn)分成7個(gè)組，試驗(yàn)組共6組，第1，2，3組由3只公鼠和2只母鼠組成，第4，6組由2只公鼠和3只母鼠組成，第5組公鼠和母鼠各3只；對(duì)照組由3只公鼠和2只母鼠構(gòu)成。每組嚴(yán)格按公母分欄飼養(yǎng),避免其繁殖影響實(shí)驗(yàn)，并按常規(guī)飼養(yǎng)管理進(jìn)行喂養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)間共65 d，前10 d按比例混合喂養(yǎng)，按1∶2，1∶1，2∶1飼養(yǎng)，讓小白鼠適應(yīng)自制飼料后開始正式試驗(yàn)。每天喂食，觀察小白鼠的采食情況，定期清理鼠舍并稱重。將死去的小白鼠進(jìn)行解剖觀察。試驗(yàn)結(jié)束后使小白鼠安樂死，并剖檢觀察同時(shí)稱取小白鼠體重及各主要臟器(肝臟、腎臟、心臟、肺部)重量，做好記錄，計(jì)算各臟器系數(shù)公式：

臟器系數(shù)(mg·g-1)= 臟器重量/小鼠體重

表2　小白鼠飼料配方　(%)

2　結(jié)果與分析

2.1不同因素對(duì)紫莖澤蘭莖桿與馬鈴薯廢渣混合發(fā)酵的影響

2.1.1紫莖澤蘭與馬鈴薯深加工廢渣比例對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響

將溫度固定在30℃，沼氣底液在100 mL的厭氧發(fā)酵條件下，研究紫莖澤蘭與馬鈴薯深加工廢渣比例對(duì)混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響。原料配比的不同會(huì)影響微生物活性，從而影響到沼氣的產(chǎn)量。從圖2可以看出，3∶1，2∶1，1∶2，1∶3的比例厭氧發(fā)酵啟動(dòng)快，均能在較短的時(shí)間內(nèi)開始正常產(chǎn)氣，1∶1比例無產(chǎn)氣情況。1∶2在正常產(chǎn)氣的第2 d出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，峰值為690 mL·d-1，產(chǎn)氣高峰過后產(chǎn)氣速率逐漸下降。3∶1和1∶3的比例在正常產(chǎn)氣的第1 d出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，峰值分別為440 mL·d-1和520 mL·d-1，產(chǎn)氣高峰過后產(chǎn)氣速率逐漸下降。2∶1的比例在正常產(chǎn)氣的第3 d出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，峰值為147 mL·d-1，產(chǎn)氣高峰過后產(chǎn)氣速率逐漸下降。各組不同原料比例的產(chǎn)氣速率變化曲線基本相似，都有高峰，而后下降至產(chǎn)氣結(jié)束。這主要是和甲烷菌與產(chǎn)酸菌的活性和密度有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)中產(chǎn)酸菌的產(chǎn)酸的速度與甲烷菌利用有機(jī)酸的速度達(dá)到平衡時(shí)，產(chǎn)氣速率就會(huì)提高，反之，則產(chǎn)氣速率就會(huì)下降[27]。通過SPSS軟件Kruskal-Wallis比較結(jié)果顯示(見表3)，3∶1與1∶3之間產(chǎn)氣速率差異顯著(p<0.05)。

圖2　不同比例的產(chǎn)氣速率

圖3　不同比例的累積產(chǎn)氣量

從圖3可以看出，5種不同混合比例產(chǎn)氣結(jié)束后，累計(jì)產(chǎn)氣量依次為1∶2>1∶3>3∶1>2∶1>1∶1，分別為1356 mL，1006 mL，486 mL，391 mL和0 mL。由此可以看出，紫莖澤蘭與馬鈴薯深加工廢渣的比例為1∶2時(shí)，厭氧發(fā)酵的累積產(chǎn)氣量最大。不同比例的累積產(chǎn)氣量曲線都是逐漸增加到一定程度后停止。發(fā)酵過程中，發(fā)酵微生物的數(shù)量是影響產(chǎn)氣量的最重要的因素，李杰[28]等人研究表明，甲烷菌對(duì)pH值較為敏感，適宜的pH 值為6.8～7.8，當(dāng)pH值低于6.7 時(shí)，甲烷菌活性受到抑制。2∶1比例的前期無產(chǎn)氣量，可能由于發(fā)酵前期的pH值過低，甲烷菌活性受到抑制，產(chǎn)氣量下降。而到發(fā)酵中后期處于酸化階段，可降解的有機(jī)物不充足，從而使累積產(chǎn)氣量產(chǎn)氣量降低[29]。Kruskal-Wallis比較結(jié)果顯示(見表3)，3∶1和1∶2，1∶3之間的累計(jì)產(chǎn)氣量差異顯著(p<0.05)。

2.1.2沼氣底液對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響

在溫度為30℃，沼氣底液為100 mL的厭氧發(fā)酵條件下，研究沼氣底液對(duì)混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響。從圖4可知，4種不同的沼氣底液均在短時(shí)間內(nèi)開始產(chǎn)氣。沼氣底液為75 mL, 100 mL和125 mL時(shí)產(chǎn)氣速率升高后降低，并在第2 d出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，峰值分別為680 mL，690 mL，815 mL。這是因?yàn)榘l(fā)酵初期厭氧菌有一個(gè)逐漸適應(yīng)的過程，當(dāng)其適應(yīng)后開始分解產(chǎn)氣。而125 mL在后期出現(xiàn)次高峰，可能是由于甲烷菌的暫時(shí)休眠后的爆發(fā)。50 mL的產(chǎn)氣速率逐步下降，可能是因?yàn)閰捬蹙挥性谶m宜的料液濃度時(shí)，才能表現(xiàn)出最佳活性，有機(jī)物去除率最高，沼氣底液較少，可以被降解的有機(jī)質(zhì)含量少，產(chǎn)生有機(jī)酸少，甲烷菌生長(zhǎng)繁殖需要的營(yíng)養(yǎng)不足，菌種

表3　不同比例的產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量Kruskal-Wallis比較結(jié)果

的活性降低，從而影響厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣速率[30]。Kruskal-Wallis比較結(jié)果顯示(見表4)，100 mL與125 mL之間產(chǎn)氣速率差異顯著(P<0.05)。

一般在實(shí)際生產(chǎn)中, 以產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量的90%以上即可認(rèn)為發(fā)酵基本完成[31]。圖5顯示，當(dāng)厭氧發(fā)酵基本完成時(shí)，4種不同沼氣底液的累積產(chǎn)氣量依次為50 mL<75 mL<100 mL<125 mL，分別為640 mL，1223 mL，1356 mL和1480 mL。由此可以看出，沼氣底液為125 mL時(shí)，厭氧發(fā)酵的累積產(chǎn)氣量最大。Kruskal-Wallis比較結(jié)果顯示(見表4)，100 mL與50 mL、75 mL之間的累積產(chǎn)氣量差異顯著(P<0.05)。

圖4　不同沼氣底液的產(chǎn)氣速率

圖5　不同沼氣底液的累積產(chǎn)氣量

2.1.3溫度對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響

溫度是影響沼氣發(fā)酵的重要因子，對(duì)微生物的宏觀活性具有影響，將溫度維持在適宜的范圍內(nèi)，有助于保證產(chǎn)氣率。一般情況下，將沼氣發(fā)酵溫度范圍分為常溫型(10℃～26℃)、中溫型(28℃～38℃)和高溫型(46℃～60℃)3個(gè)溫度類型[32]。常溫下厭氧菌最適宜的溫度是20℃，所以在20℃左右是常溫甲烷菌起主要作用，而30℃左右是中溫甲烷菌起主要作用，25℃下各類甲烷菌的活性都較低[33]。圖6表明，除25℃外，其余溫度均能在短時(shí)間內(nèi)正常產(chǎn)氣，產(chǎn)氣速率初期呈上升趨勢(shì)，均在第2 d出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，峰值分別為300 mL，673 mL，468 mL，239 mL，700 mL和435 mL。Kruskal-Wallis比較結(jié)果顯示(見表5)，30℃與40℃,45℃,50℃的產(chǎn)氣速率差異顯著(P<0.05)，40℃與45℃,50℃的產(chǎn)氣速率差異顯著(P<0.05)，45℃和50℃的產(chǎn)氣速率差異顯著(P<0.05)，30℃的厭氧發(fā)酵效果顯著優(yōu)于40℃，45℃，50℃的厭氧發(fā)酵效果。25℃無產(chǎn)氣情況，可能是由于常溫下厭氧菌在20℃的活性最高，而25℃下的厭氧菌代謝活動(dòng)降低，進(jìn)而處于生長(zhǎng)繁殖停止?fàn)顟B(tài)，并且參與發(fā)酵的原料較少，導(dǎo)致產(chǎn)氣不顯著。

圖7顯示，7種不同溫度產(chǎn)氣結(jié)束后，累計(jì)產(chǎn)氣量依次為30℃>35℃>45℃>50℃>40℃>20℃>25 ℃，分別為1663 mL,1278 mL,1220 mL,735mL,385 mL,357 mL和0 mL。由此可以得到，當(dāng)溫度為30℃時(shí)，厭氧發(fā)酵的累計(jì)產(chǎn)氣量最大，適合沼氣發(fā)酵溫度依次為中溫型>高溫型>常溫型[34]。Kruskal-Wallis比較結(jié)果顯示(表5)，20℃與30℃,40℃的累積產(chǎn)氣量差異顯著(P<0.05)，30℃與40℃的累積產(chǎn)氣量差異顯著(P<0.05)，35℃與40℃的累積產(chǎn)氣量差異顯著(P<0.05)。

圖6　不同溫度的產(chǎn)氣速率

比 例均值mL·d-1P-value累積值mLP-valueA(50mL)71P(A-B)=0.160,P(A-C)=0.185,P(A-D)=0.098640P(A-B)=0.079,P(A-C)=0.035,P(A-D)=0.222B(75mL)136P(B-C)=0.198,P(B-E)=0.1341223P(B-C)=0.019,P(B-D)=0.222C(100mL)151P(C-D)=0.0491356P(C-D)=0.222C(125mL)164—1480—

表5　不同溫度的產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量Kruskal-Wallis比較結(jié)果

圖7　不同溫度的累積產(chǎn)氣量

2.2沼渣飼料對(duì)小白鼠的影響

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，除個(gè)別外，其余均與對(duì)照組

無明顯差異，且各組小白鼠飲水、采食均正常。由表6可知，試驗(yàn)組1，4和對(duì)照組的小白鼠在試驗(yàn)期間體重均有增加，且各個(gè)試驗(yàn)組與對(duì)照組相比均無顯著性差異(P>0.05)，可見當(dāng)沼渣含量為10%和40%時(shí)，對(duì)小白鼠體重?zé)o不良影響。但是，第5、6組小白鼠體重均有所降低，可能是因?yàn)檎釉尤肓窟^多，不能供應(yīng)其生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素。試驗(yàn)進(jìn)行到第45天時(shí)，第2組的公老鼠死亡，解剖后心臟、腎臟、肝臟、肺部均正常，可能是由于小白鼠生病導(dǎo)致不能正常進(jìn)食致死。隨后幾天，第3組小老鼠神情萎靡，無精打采，死亡。解剖后心臟、腎臟、肝臟、肺部均正常，可能是被第2組傳染疾病致死，立即將其他各試驗(yàn)組分開放置，避免傳染。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將小白鼠解剖觀察，各個(gè)試驗(yàn)組(見表7)經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，與對(duì)照組相比，沼渣各個(gè)含量的試驗(yàn)組的臟器系數(shù)均無明顯差異(P>0.05)。解剖后，經(jīng)肉眼觀察均未見任何異常和可疑病變，如小白鼠有肝臟腫大，有局灶性壞死，脾臟腫大，腎臟萎縮的異?，F(xiàn)象[35]。

表6　小白鼠體重變化情況　(g)

表7　小白鼠臟器系數(shù)

3　結(jié)果與討論

混合紫莖澤蘭與馬鈴薯深加工廢渣產(chǎn)沼氣研究試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)紫莖澤蘭莖桿與馬鈴薯深加工廢渣的比例為1∶2，溫度為中溫30℃，沼氣底液為100 mL時(shí)的產(chǎn)氣效果最佳。

沼渣飼料毒性研究試驗(yàn)結(jié)果表明，各個(gè)沼渣含量的試驗(yàn)組小白鼠的增重與對(duì)照組相比均未發(fā)生顯著性變化(P>0.05)。剖檢觀察肝臟、腎臟、心臟等也為發(fā)現(xiàn)異常變化。整個(gè)試驗(yàn)期間均未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的病變，臟器系數(shù)與對(duì)照組相比無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。

本試驗(yàn)中，未發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后的沼渣對(duì)小白鼠生長(zhǎng)發(fā)育的不良影響，結(jié)果表明當(dāng)沼渣含量在10%范圍內(nèi)，小白鼠增重情況與臟器系數(shù)差異不大，可以長(zhǎng)期飼用。由于沼渣含量為20%，30%試驗(yàn)組的小白鼠死光，無法反映其對(duì)小白鼠生長(zhǎng)發(fā)育的影響，可以進(jìn)一步探究。

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Co-digestion of Eupatorium adenophonum Spreng and Potato Starch Processing Waste and the Its Residue Toxicity /

WU Di /

(School of Engineering Science, Xichang College, Xichang 615013, China)

With the stem ofEupatoriumadenophonumSprengand deep processing waste residue of potato as the raw materials, their anaerobic co-digestion, under different mixing proportion, different amount of inoculum biogas slurry and different temperature, were carried out.The result showed that, under theEupatoriumadenophonumSprengand potato processing residue mixing ratio of 1∶2, inoculum biogas slurry of 100 mL, and temperature of 30℃, the biogas production rate and accumulative gas production reached the peak. After the anaerobic co-digestion, the digested residue was used as feed additives for mouse. Observation of 65d was made. The result showed that, when the mouse food contained the residue lower than 10%, the growth of tested mouse were similar with that of control group. This result could provide a way of comprehensive utilizing ofEupatoriumadenophonumSprengand potato processing waste.

eupatorium adenophonum spreng; waste residue of Potato; biogas; fodder; mouse

2016-09-01

項(xiàng)目來源： 四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2Ol3JYO131)

吳笛(1970-)，女，副教授，研究生，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)工程，E-mail：xccollege.wd@163.com

S216.4; X705

B

1000-1166(2016)05-0050-07