閆美超，孫 宇，閆非凡，于海茹，崔宗均，李佳佳，趙洪顏*

(1.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林 延吉 133002；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/生物質(zhì)工程中心，北京 100193；3.延邊州農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，吉林 延吉 133002；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津300001 )

近年來，隨著國家對中醫(yī)藥行業(yè)的支持，中藥行業(yè)得到了發(fā)展，但在中藥行業(yè)不斷發(fā)展的同時，也產(chǎn)生大量中藥殘渣，已成為制藥公司面臨的嚴重問題[1]。據(jù)報道，中藥渣的年產(chǎn)量約為3 000萬t[2]，而目前中藥渣通常采用較為傳統(tǒng)的方式進行處理，例如焚化、深坑填埋或是在固定區(qū)域堆放，造成嚴重的環(huán)境污染，因此，迫切地需要將中藥渣作為潛在的資源進行研究利用[3]。

堆肥技術(shù)作為一種用于有機固體廢物資源利用的新技術(shù)，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。堆肥的處理能力大，無害化程度高，運行成本低，而且符合經(jīng)濟與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的理念，非常適合用于對中藥渣的處理[4]。中藥渣中主要含有大量的生物質(zhì)，如纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、生物堿和其他生物活性物質(zhì)，腐熟的中藥渣堆肥可以用作土壤改良劑或有機肥料[5]。目前，評價堆肥是否腐熟的指標有很多，其中，堆肥的溫度、pH值、發(fā)芽指數(shù)(GI)等指標都可用來判定堆肥的腐熟程度[6]。國內(nèi)外對中藥渣堆肥化進行了大量研究，更多針對白芷、桃仁、黃芪、女貞子等多種類型及不同部位的中藥渣，堆肥化過程差異較大[7]。但是對人參藥渣的研究較少，尤其是對中藥渣堆肥化過程中皂苷含量的變化研究尚未見到報道。

因此，該研究以人參和葛根混合中藥渣進行堆肥化處理，通過堆肥化過程中溫度、木質(zhì)纖維素含量、C/N、發(fā)芽指數(shù)、理化性狀、皂苷含量等指標，評價堆肥化進程中皂苷含量的變化及腐熟程度，為將來中藥渣高值化利用及功能性農(nóng)產(chǎn)品的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 堆制材料及堆制方法

試驗地點為延邊大學(xué)實踐教學(xué)基地，試驗材料葛根和人參殘渣由基地提供。堆體長10 m，寬1.8 m，高1.2 m。將中藥渣與豬糞混勻并調(diào)整碳氮比為25∶1，調(diào)節(jié)水分含量為60%左右。堆體溫度上升到50 ℃開始翻堆，每隔1 d翻堆1次，溫度下降到35 ℃以后每5 d翻堆1次。試驗堆制30 d，將堆制的當天作為第0天，從堆肥開始，每3 d取1次樣，取樣分別在距堆體頂部30、80和100 cm深處，各層采用對角線5點取樣法取樣后混合均勻，測定樣品中木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、總皂苷含量，其余樣品風干磨碎過70目篩，作為待測樣品測定理化指標。

表1 堆肥原料的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of raw material

1.2 發(fā)酵參數(shù)的測定

1.2.1 溫度

將溫度計插入到堆體內(nèi)部，測定堆體前、中、后3個點的溫度，取平均值并記錄。

1.2.2 總皂苷含量的測定

總皂苷的測定采用焦曉林[8]土壤中人參皂苷提取與含量測定方法。中藥渣樣品用粉碎機粉碎后過50目篩，精確稱量20 g，加入300 mL 80%甲醇水溶液，175 r/min搖床震蕩24 h后抽濾，將濾液在40 ℃蒸發(fā)皿中揮干甲醇。剩余的液體依次用氯仿、水飽和正丁醇分別萃取3次，收集正丁醇層濃縮至干，剩余殘渣用80%甲醇定容至5 mL，用濾膜過濾得到提取液。以人參皂苷Re作為標準品配置標準曲線，用分光光度計測量總皂苷的含量。

1.2.3 pH值及電導(dǎo)率測定

pH值使用SX-620 pH計進行測定讀取數(shù)值，電導(dǎo)率使用DDSJ-308A電導(dǎo)率儀進行測定讀取數(shù)值。

1.2.4 中藥渣理化指標的測定

中藥渣理化指標全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀、有機質(zhì)采用鮑士旦的測定方法，參見參考文獻[9]。

1.2.5 半纖維素、纖維素、木質(zhì)素成分測定

將風干的樣品過1 mm的篩子，通過ANKOM200纖維素分析儀進行中和洗滌和酸洗，測量樣品中半纖維素的含量，然后用72%濃硫酸洗滌，并在馬弗爐中灰化，測定樣品中的纖維素和木質(zhì)素含量。

1.2.6 種子發(fā)芽指數(shù)(GI)的測定

稱量10 g樣品，加入50 mL蒸餾水，搖床震蕩30 min，離心10 min獲得清液。將濾紙放入無菌的9 cm培養(yǎng)皿中，20粒蘿卜種子均勻地放入培養(yǎng)皿中加入5 mL提取液，以蒸餾水為對照，在25 ℃恒溫培養(yǎng)室培養(yǎng)48 h，測定發(fā)芽率和根長，并計算發(fā)芽指數(shù)GI/%=處理平均發(fā)芽率×處理平均根長(對照平均發(fā)芽率×對照平均根長)×100。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥化進程中溫度的變化

堆肥產(chǎn)品是否可以達到無害化標準可以直接反映堆肥過程是否正常進行，堆肥過程中的溫度變化是評價堆肥腐熟度的重要指標之一[10]。

由圖1可知，堆肥過程中的堆體內(nèi)部溫度具體變化，溫度變化可以清楚地分為3個時期：升溫時期、高溫時期和降溫時期。堆制開始后，溫度迅速上升，第3天即達到50 ℃以上，第6天達到最高值67 ℃，然后開始下降。但堆體內(nèi)50 ℃以上的高溫時間持續(xù)到堆肥的第15天。此后溫度繼續(xù)下降，并且在發(fā)酵結(jié)束時，溫度為35 ℃，堆體溫度趨于穩(wěn)定。我國糞便無害化衛(wèi)生標準要求，堆肥最高堆溫達50～55 ℃以上持續(xù)5～7 d，或者在55 ℃以上維持3 d，堆肥可達到無害化[11]，可以初步確定該試驗堆肥已經(jīng)腐熟并且符合國家標準。

2.2 不同堆肥發(fā)酵階段pH值和EC含量變化

微生物發(fā)酵是中藥渣堆肥發(fā)酵過程的本質(zhì)，中藥渣堆肥發(fā)酵過程中有許多因素會影響微生物的繁殖和存活，pH值是重要因素之一[12]。研究發(fā)現(xiàn)，pH值呈弱堿性、弱酸性或中性最適合微生物的繁殖和生存。堆體的pH值變化見表2。堆肥的升溫期pH值為5.62，高溫期為6.11，降溫期為5.83。隨著發(fā)酵時間的增加，pH值先升高0.49再降低0.28，呈先升高后降低的趨勢。這主要歸因于堆肥中微生物的氨化，這些微生物使有機氮礦化并分解釋放大量氨氮，從而導(dǎo)致pH值升高。隨著堆肥技術(shù)的發(fā)展，堆肥材料中微生物的硝化作用逐漸占主導(dǎo)地位，這促進了氨氮向硝酸鹽氮的連續(xù)轉(zhuǎn)化，并使堆肥材料的pH值開始下降[13]，最終pH值變成弱酸性，表明堆肥已達到穩(wěn)定和腐熟的水平。

EC值越低對植物產(chǎn)生的毒害越小，一般而言堆肥產(chǎn)品的EC應(yīng)小于4 000 μs/cm，以便土地的安全應(yīng)用[14]。表2中EC在堆肥的升溫期為1 325 μs/cm，在高溫期為1 200 μs/cm，在降溫時期為1 050 μs/cm。EC值隨著發(fā)酵的時間變化在減小，在發(fā)酵的高溫期降低了125 μs/cm，在降溫期減小275 μs/cm。該試驗在堆肥的降溫時期，EC值小于4 000 μs/cm，因此，對植物生長沒有不利影響。

表2 不同堆肥發(fā)酵階段堆體內(nèi)pH值及EC的變化Table 2 Changes of pH and EC in the different fermentation phases

2.3 堆肥化過程中總皂苷含量的變化

由圖2可知，在堆肥發(fā)酵的過程中總皂苷含量隨著發(fā)酵天數(shù)的變化雖呈下降趨勢，但在發(fā)酵結(jié)束時總皂苷仍有殘留。在堆肥的升溫時期總皂苷含量為0.59%，在堆肥的高溫時期含量為0.42%，皂苷殘留含量為29%。在堆肥的降溫時期總皂苷含量為0.07%，殘留12%?？傇碥针m被堆肥中的微生物分解但最后分解并不完全，堆肥發(fā)酵結(jié)束堆肥中總皂苷仍有剩余。

2.4 不同發(fā)酵階段木質(zhì)纖維素含量的變化

半纖維素是由不同糖組成的側(cè)鏈較短的分支，主要由D-木糖、D-甘露糖、D-半乳糖、D-半乳糖醛酸和D-葡萄糖醛酸組成，通過β-1，4-糖苷鍵連接在一起[15]。堆肥的升溫時期半纖維素的含量為6.42%，高溫時期為3.01%，降溫時期為1.86%。在堆肥過程中，半纖維素降解了4.56%，降解率為71.02%。由于半纖維素易水解，在升溫時期微生物即可分泌一些酶將其降解，為微生物提供營養(yǎng)，所以在升溫期的時候降解率高，而且整個堆肥化過程半纖維素的降解率最高(圖3)。

纖維素的分解在一定程度上影響整個中藥渣的堆肥過程[16]。在該試驗中，堆肥發(fā)酵的升溫時期纖維素含量為32.92%，高溫時期為25.65%，降溫時期為18.16%。纖維素含量在堆肥的升溫和高溫階段降解迅速，而在堆肥的降溫階段則變得緩慢并且穩(wěn)定，降解率為44.83%(圖3)。

木質(zhì)素是由苯丙烷前體合成的芳香族聚合物，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分子量大、不溶性使其難于生物降解[16]。在堆肥升溫階段，木質(zhì)素的含量為43.70%，堆肥的高溫階段木質(zhì)素為37.30%，降溫階段為31.96%。當堆肥腐熟完成時，木質(zhì)素降解11.74%，降解率為26.86%(圖3)。

2.5 不同發(fā)酵階段理化指標的變化

不同發(fā)酵階段堆肥理化指標含量的變化見表3。堆肥過程中全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均為下降趨勢，堆肥的過程中微生物通過代謝作用消耗堆肥中的氮素，氨氣在此期間也會隨之流失，導(dǎo)致全氮和銨態(tài)氮的含量下降。堆肥所產(chǎn)生的高溫抑制了硝化細菌的生長，導(dǎo)致硝態(tài)氮含量下降。全鉀含量隨著堆肥的發(fā)酵含量降低，速效鉀含量隨著堆肥的發(fā)酵先下降并趨于穩(wěn)定。隨著堆肥的發(fā)酵全磷的含量增加，發(fā)酵降溫時期全磷的含量增加0.35 g/kg，由于有機物的生物降解導(dǎo)致堆肥質(zhì)量的損失，因此堆肥結(jié)束全磷的含量升高。速效磷含量在堆肥的高溫時期、降溫時期分別降低17和25 mg/kg。堆肥中有機質(zhì)含量呈下降趨勢，在堆肥高溫時期與降溫時期有機質(zhì)含量下降22.33和41.53 g/kg。

表3 不同發(fā)酵階段理化指標的變化Table 3 Changes of maturity index in different fermentation phases

2.6 堆肥化過程中C/N的變化

在堆肥發(fā)酵過程中消耗大量的C和N有機物才能被微生物分解。適當?shù)奶嫉扔欣诙逊什牧系陌l(fā)酵，所以常常用C/N 來評估堆肥的腐熟程度。由圖4可知，C/N 在發(fā)酵過程中呈下降趨勢，C/N 從堆肥升溫時期的25.26下降到降溫時期的18.38，下降27.23%。研究表明，分解后的堆肥產(chǎn)品的C/N在15～20，可以認為堆肥達到腐熟狀態(tài)且穩(wěn)定化[17]，并且堆肥產(chǎn)品的C/N如果太高施用到土壤中后，容易使土壤氮素缺乏，從而影響農(nóng)作物的生長發(fā)育。C/N太低不能滿足作物生長所需的碳元素，從該試驗的結(jié)果來看，堆肥處理30 d后，堆肥可以達到較高的腐熟程度。

2.7 堆肥提取液發(fā)芽指數(shù)的變化

發(fā)芽指數(shù)是通過堆肥是否抑制植物發(fā)芽來評估堆肥的無害性和穩(wěn)定程度的指數(shù)。它不僅可以檢測堆肥的植物毒性水平，而且堆肥對植物的毒性大小也可以用其判斷。種子發(fā)芽和生長效果可以全面的用GI進行判斷，GI被認為是堆肥發(fā)酵過程中可靠的評價指標[18]。當GI大于50%，認為堆肥產(chǎn)品對種子無毒，GI大于80%，可以認為完全無毒，堆肥達到腐熟狀態(tài)[19]。由圖5可知，升溫時期蘿卜的發(fā)芽指數(shù)較低，為43.32%，隨著發(fā)酵天數(shù)的增加發(fā)芽指數(shù)逐漸升高，在堆肥的高溫時期發(fā)芽指數(shù)為74.14%，在堆肥的降溫時期發(fā)芽指數(shù)達到86.64%。因此，從結(jié)果來看在堆肥的降溫時期達到腐熟狀態(tài)[19]。

2.8 堆肥化過程總皂苷含量和發(fā)芽指數(shù)的相關(guān)性

由表4可知，堆肥的升溫階段(0～3 d)總皂苷含量和發(fā)芽指數(shù)呈負相關(guān)，總皂苷抑制堆肥發(fā)芽指數(shù)增長。堆肥的高溫階段(6～12 d)總皂苷含量和發(fā)芽指數(shù)開始呈正相關(guān)，總皂苷含量與發(fā)芽指數(shù)有相關(guān)性，總皂苷促進堆肥發(fā)芽指數(shù)增長。堆肥的降溫階段(15～18 d)總皂苷含量和發(fā)芽指數(shù)呈負相關(guān)，總皂苷抑制堆肥的發(fā)芽指數(shù)增長。堆肥第24天，總皂苷含量和發(fā)芽指數(shù)呈顯著正相關(guān)，第24天堆肥的發(fā)芽指數(shù)趨于穩(wěn)定，并接近85%。說明在堆肥的發(fā)酵過程中在第24天時，總皂苷促進堆肥腐熟進程、提高種子發(fā)芽指數(shù)的作用最大，效果最為顯著，在中藥渣堆肥工業(yè)化生產(chǎn)中推薦堆肥發(fā)酵到第24天進行生產(chǎn)。

表4 堆肥過程中總皂苷含量和發(fā)芽指數(shù)的相關(guān)性Table 4 Correlation between total saponin content and germination index during composting

3 討論

中藥渣堆肥的溫度變化可以反映微生物的生長和繁殖情況，適當?shù)臏囟瓤梢杂行Т龠M微生物的快速生長和繁殖。堆肥的高溫階段為45～70 ℃，當堆體溫度處于45～60 ℃時，適宜于堆肥發(fā)酵[20-21]。該試驗堆肥高溫期維持了12 d，說明堆肥達到腐熟狀態(tài)，這與呂育財?shù)萚22]人的研究結(jié)果一致。GI值可說明中藥渣堆肥作為植物基質(zhì)的可行性，GI大于80%時，堆肥腐熟并且無毒，該試驗在堆肥的降溫時期發(fā)芽指數(shù)達到86.64%，可以說明堆肥在降溫時期達到腐熟狀態(tài)，與吳小琴等[23]人的研究結(jié)果一致。pH值在堆肥結(jié)束時為弱酸性，EC值穩(wěn)定在1 050～1 350 μs/cm，pH值、EC值經(jīng)過堆制后也達到了植物正常生長要求，因此，堆肥對植物生長沒有不利影響。木質(zhì)素、纖維素等是植物中重要的骨架成分，降解中藥渣中的木質(zhì)素，才能更高效的利用中藥渣。在為期30 d的堆肥發(fā)酵結(jié)束后纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解率分別為44.83%、71.02%和26.18%，基本趨于穩(wěn)定，證明中藥渣加工廢棄物經(jīng)過30 d堆肥化處理可達到腐熟狀態(tài)。

前人做了很多中藥渣加工廢棄物的研究，但沒有對人參殘渣的堆肥化進行相關(guān)報道或系統(tǒng)性的研究。在該研究中除了中藥渣堆肥的各個階段指標可以確保堆肥過程的正常進行外，還研究了中藥渣堆肥過程中總皂苷含量的變化。堆肥發(fā)酵的過程中總皂苷含量隨著發(fā)酵天數(shù)的變化雖呈下降趨勢，但總皂苷最后并未被完全分解，說明總皂苷在堆肥中仍有殘留?？傇碥胀ㄟ^微生物代謝作用分解，皂苷自身發(fā)生轉(zhuǎn)化，所以總皂苷含量降低。對于在中藥渣堆肥過程中皂苷如何進行轉(zhuǎn)化可以進行更深層次的研究。中藥渣堆肥發(fā)酵結(jié)束后堆肥中仍然含有皂苷，將含有總皂苷的中藥渣作為有機肥料施用于農(nóng)田后會對作物的生長產(chǎn)生什么樣的影響值得更深層次的研究，這樣不僅可以廢料資源化利用，還能達到減輕環(huán)境壓力的目的。

4 結(jié)論

1) 人參和葛根中藥渣作為堆肥化材料，30 d可以完全腐熟，其中，C/N為18.38，有機質(zhì)含量為46.62 g/kg，發(fā)芽指數(shù)為86.64%。

2) 堆肥化處理中藥渣可以有效降低纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量，降解率分別為44.83%、71.02%和26.18%。

3) 腐熟的中藥渣有機肥中含有皂苷，且殘留率為12.2%。