劉 瑩，王明歡，王姍淇，張 英

(廣州中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院，廣東 廣州 510006)

近幾年我國中醫(yī)藥行業(yè)迅速發(fā)展，在中藥材加工炮制、中成藥的生產(chǎn)等過程中不免產(chǎn)生大量廢棄的中藥藥渣，每年中藥藥渣產(chǎn)量可達(dá)1 000萬噸[1]。目前，中藥藥渣的處理方式有焚燒、填埋、堆放等，不僅造成環(huán)境污染，而且由于藥渣中富含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)，大量植物生長所必需的微量元素及生物活性物質(zhì)[2]，以上處置方式還造成了資源的浪費(fèi)。

厭氧堆肥，也稱厭氧消化，能夠降解有機(jī)物實(shí)現(xiàn)有機(jī)固體廢棄物的減量化，消化后的殘?jiān)歉哔|(zhì)量的有機(jī)肥料和土壤改良劑[3-4]。目前更多運(yùn)用于污水污泥以及生活垃圾等的減量化和清潔能源甲烷的生產(chǎn)[5-6]，在中藥藥渣的處理方面應(yīng)用很少。本實(shí)驗(yàn)以中藥藥渣為原料，通過研究厭氧堆肥過程中理化性質(zhì)和酶活性的演變，探討環(huán)境因子對最終堆肥質(zhì)量的影響，為中藥藥渣回收利用和厭氧堆肥處理有機(jī)固體廢物提供參考。

1 材料

1.1 堆肥材料 供試中藥藥渣取自廣州市某中成藥廠，羊糞取自某飼養(yǎng)場，秸稈生物炭購自河南立澤環(huán)?？萍加邢薰尽６逊什牧闲再|(zhì)見表1。

表1 堆肥材料的基本性質(zhì)

1.2 儀器 FA2104型電子分析天平(上海明橋儀器設(shè)備有限公司)；DDB-12 L型筆式電導(dǎo)率儀(杭州齊威儀器有限公司)；YX-280型手提式壓力蒸汽滅菌器(合肥華泰醫(yī)療設(shè)備有限公司)；BPC-70F型生化培養(yǎng)箱、THZ-103B型恒溫培養(yǎng)搖床(上海一恒學(xué)儀器有限公司)；WFZ UV-2100型紫外可見分光光度計(jì)[尤尼柯(上海)儀器有限公司]；AA7000型原子吸收分光光度計(jì)(日本島津公司)；1260型高效液相色譜儀(美國安捷倫公司)；TGL-16A型離心機(jī)(湖南平凡科技有限公司)；DFD-700型水浴鍋(北京中興偉業(yè)儀器有限公司)；SX2-2.5-10型馬弗爐(紹興蘇珀儀器有限公司)；HH-S1型油浴鍋(常州澳華儀器有限公司)。

2 方法

2.1 堆肥樣品制備 將新鮮中藥藥渣切成長度約為1 cm的小塊，新鮮羊糞過10目篩。以1.32∶1(干重)的比例將藥渣和羊糞混合，調(diào)節(jié)碳氮比(C/N)比至25，加入質(zhì)量占藥渣和羊糞總干重5%的生物炭，總體C/N比不超過30，用純水調(diào)整含水量至65%，混合均勻，堆肥材料初始總質(zhì)量約為20 kg。

將堆肥材料置于密封的加厚透明塑料袋中，從中引出一根導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管末端通入裝有水的燒杯，整個(gè)發(fā)酵用塑料袋置于90 cm×60 cm×40 cm封閉泡沫箱，控制環(huán)境溫度(19±1)℃，于堆肥第0、3、7、14、21、28、35、42天取樣，每次取樣350 g，于-20 ℃保存(必要時(shí)于保存于-80 ℃)。每次取樣前將堆體混勻，取樣后放入4個(gè)厭氧袋，以排除進(jìn)入裝置的氧氣。

2.2 分析方法

將新鮮堆肥樣品在105 ℃的條件下烘干8 h以上，用于測定TOC、TOM、總養(yǎng)分、TN、WSN、TP、OP、TK和AK。TOC采用重鉻酸鉀容量法測定[7]，其中TOM含量用TOC含量乘以Van Benmmelen因數(shù)(1.724)表示；采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)測定TN和WSN；TP采用土壤全磷測定法(GB 9837-88)測定；OP采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法(HJ 704-2014)測定；TK采用土壤全鉀測定法(GB 9836-88)；AK采用土壤速效鉀測定法(DB13/T 844-2007)測定；總養(yǎng)分以TN、TP(P2O5)、TK(K2O)的含量之和計(jì)算，以數(shù)量百分?jǐn)?shù)計(jì)(NY/T 2596-2014)。

風(fēng)干堆肥樣品用于測定酶活性。蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法[9]測定，以1 d后1 g風(fēng)干堆肥樣品水解生成葡萄糖的毫克數(shù)表示(mg·g-1·d-1)；脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法[10]測定，以12 h后1 g風(fēng)干堆肥樣品中NH3-N的毫克數(shù)表示(mg·g-1·12 h-1)；磷酸酶活性的測定參考《Methods of Soil Enzymology》[11]中的方法，以1 h后生成對硝基苯酚的毫克數(shù)表示(mg·g-1·h-1)；過氧化氫酶活性的測定參考文獻(xiàn)[12]，以20 min內(nèi)1 g風(fēng)干堆肥樣品消耗的H2O2的毫克數(shù)表示(mg·g-1·20 min-1)。

2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用Origin 2018軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖，采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。P<0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 結(jié)果

3.1 理化指標(biāo)的變化

3.1.1 pH值、VFAs和EC pH值是堆肥過程中的重要影響因素，pH值的變化直接影響堆肥過程及產(chǎn)物。過高的pH會使氨氣揮發(fā)，有機(jī)氮損失，pH值過低，會抑制微生物的活動，散發(fā)酸性氣味[13-14]，故通過在堆肥初始物料中添加5%的秸稈生物炭，使得初始pH值達(dá)到6.31。pH值變化見圖1，堆肥整體pH值呈下降趨勢，中間穩(wěn)定在4.5，后期達(dá)4.6并呈略微上升趨勢。

圖1 pH值變化情況

揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)是厭氧堆肥過程中的中間產(chǎn)物。其中乙酸作為主要的有機(jī)酸之一，其濃度堆肥初期呈上升趨勢，中期平穩(wěn)，后期略呈下降趨勢，有機(jī)酸的變化與pH值相對應(yīng)，見圖2。厭氧環(huán)境中，厭氧微生物分解藥渣中水溶性多糖，產(chǎn)生大量有機(jī)酸，導(dǎo)致pH降低，另一方面，相比于高溫或中溫厭氧堆肥，常溫厭氧堆肥中微生物活躍程度明顯較低[5]。由于本實(shí)驗(yàn)在冬季進(jìn)行，要保持高溫或中溫環(huán)境，能耗較高，所以厭氧堆肥對季節(jié)有一定的要求。

圖2 VFAs濃度變化情況

EC表示堆肥過程中可溶性鹽的變化，在一定濃度范圍內(nèi)，與堆肥產(chǎn)品的鹽濃度呈正相關(guān)[15]。EC在堆肥過程中總體呈上升趨勢，后期穩(wěn)定在2 800 μS/cm，見圖3。EC逐漸升高可能是微生物降解有機(jī)物產(chǎn)生鹽類物質(zhì)的結(jié)果，當(dāng)EC<4 000 μS/cm時(shí)，表示堆肥產(chǎn)品無毒[16]，整個(gè)厭氧堆肥過程中EC值都保持在4 000 μS/cm以下。

圖3 EC變化情況

3.1.2 E4/E6堆肥是有機(jī)質(zhì)逐漸腐殖化的過程，腐殖酸類物質(zhì)在465 nm和665 nm下存在特異吸收，兩者吸光度的比值可用來表示腐殖化程度。在堆肥過程中有機(jī)物不斷降解，不穩(wěn)定的小分子物質(zhì)向大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化，小分子腐殖酸不斷轉(zhuǎn)化成大分子腐殖酸，E4/E6通常與腐殖酸的分子量和芳香環(huán)縮合度成反比[17]。在好氧堆肥過程中，通常隨著堆肥物料的腐熟程度升高而降低[18]，厭氧堆肥E4/E6的變化卻很少有人報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)E4/E6的變化見圖4，呈先下降后上升的趨勢，這與秦莉等[19]研究結(jié)果相似，其堆肥水提液的E4/E6值隨堆肥的進(jìn)行總體呈上升趨勢。

圖4 E4/E6變化情況

3.1.3 TOC 堆肥物料中碳素物質(zhì)是供微生物活動的碳源和能源[20]，中藥藥渣厭氧堆肥中TOC的變化，前期下降幅度較大，后期趨于穩(wěn)定，這可能是由于在堆肥過程中微生物先利用易降解的物質(zhì)如可溶性糖等進(jìn)行新陳代謝，產(chǎn)生低分子有機(jī)酸等，然后開始分解一些難降解的物質(zhì)，降解速率變緩并趨于平穩(wěn)，見圖5。

圖5 TOC變化情況

3.1.4 C/N 碳和氮是微生物生長繁殖最重要的兩種營養(yǎng)物質(zhì)，堆肥微生物在利用可降解的碳源的同時(shí)，還會利用部分氮素來構(gòu)建自身細(xì)胞體，氮還是構(gòu)成細(xì)胞中蛋白質(zhì)、核酸、氨基酸、酶、輔酶的重要成分。C/N比是評估堆肥腐熟度最常用參數(shù)之一[21]。堆肥初期，C/N急劇下降，后趨于平穩(wěn)，結(jié)束時(shí)降至18.93，低于堆肥成熟度的指標(biāo)20，見圖6。

圖6 C/N變化情況

圖7 TN變化情況

水溶性氮(WSN)是可供植物直接吸收利用的速效氮[23]，本實(shí)驗(yàn)中WSN含量于前2周呈下降趨勢，隨后上升，堆肥開始和結(jié)束時(shí)含量基本保持在3.5 mg/g，見圖8。

圖8 WSN變化情況

圖變化情況

3.1.6 TP、OP、TK和AK 總磷(TP)和有效磷(OP)含量在厭氧堆肥保持相似變化趨勢，小范圍上下波動，見圖10。結(jié)束時(shí)兩者含量為2.859、1.173 mg/g，略高于初始含量2.827、1.135 mg/g。

圖10 TP、OP變化情況

總鉀(TK)和有效鉀(AK)含量在此實(shí)驗(yàn)過程中呈小范圍波動，堆肥前后含量基本不變，見圖11。

圖11 TK、AK變化情況

3.2 酶活性變化 堆肥過程中，有機(jī)質(zhì)被微生物水解轉(zhuǎn)換成大量低分子有機(jī)酸，并在腐熟過程中形成穩(wěn)定的腐殖酸類物質(zhì)[26]，故參與反應(yīng)的酶主要分為水解酶和氧化還原酶，本實(shí)驗(yàn)主要考察蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶的活性變化，其中前三者屬于水解酶，直接影響堆肥礦質(zhì)化過程的進(jìn)程和強(qiáng)度，堆肥有機(jī)物中某些特定的底物需要用與該種底物相應(yīng)的水解酶來催化降解[27]，過氧化氫酶屬氧化還原酶，對合成新的穩(wěn)定的化合物起到催化作用，其變化在一定程度上反映堆肥腐殖化的進(jìn)程和強(qiáng)度[28]。

厭氧堆肥過程中蔗糖酶活性逐漸上升，穩(wěn)定在較高水平，脲酶和磷酸酶活性隨堆肥時(shí)間逐漸下降，最后趨于穩(wěn)定，反映了藥渣堆肥中纖維素、多糖等有機(jī)質(zhì)的降解轉(zhuǎn)化逐漸變緩。由于堆肥原料中藥藥渣中有機(jī)物含量高，堆肥前期有機(jī)物礦化，導(dǎo)致低分子有機(jī)酸積累，影響腐熟過程中腐殖酸的形成[29]，過氧化氫酶作為腐熟過程中的合成新的穩(wěn)定化合物的催化酶，其活性于前4周隨低分子有機(jī)酸的積累逐漸下降，第5～6周隨堆體pH值的小幅度升高而略上升，見圖12。

3.3 理化、生化指標(biāo)相關(guān)性分析 厭氧堆肥腐熟度受多方面因素的影響，單個(gè)指標(biāo)的演變只能片面反應(yīng)厭氧堆肥的過程，因此，對所測定的理化指標(biāo)與生物特性進(jìn)行簡單相關(guān)性分析，以探討環(huán)境因子對堆肥過程的影響。

相關(guān)性分析見表2，pH與C/N比呈極顯著正相關(guān)(R=0.883)，與VFAs呈極顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.800)，與TOC呈顯著正相關(guān)(R=0.767)，與蔗糖酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.767)，與酸性磷酸酶活性呈顯著正相關(guān)(R=0.783)，與過氧化氫酶呈極顯著正相關(guān)(R=0.967)。在該研究條件下，pH與VFAs、有機(jī)質(zhì)的降解和酶活性存在顯著相關(guān)性。隨著堆肥的進(jìn)行，即使NH4+-N呈逐漸上升趨勢，但水解過程中出現(xiàn)低分子有機(jī)酸的積累現(xiàn)象，VFAs濃度相對較高，pH降低，區(qū)別于其他研究中報(bào)道的pH與C/N比呈負(fù)相關(guān)[30]。

4 結(jié)論

中藥藥渣經(jīng)長達(dá)42 d的常溫固態(tài)厭氧堆肥，總有機(jī)碳降解了47.015 mg/g，最終有機(jī)質(zhì)含量>30%，符合《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NY/T 2596-2014)》中有機(jī)質(zhì)含量標(biāo)準(zhǔn)(30%)；堆肥最終總養(yǎng)分為41.382 mg/g，其比重為4.138%(以干基計(jì))，略低于《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NY/T 2596-2014)》中規(guī)定的沼肥總養(yǎng)分含量(5%)。在堆肥初期，N素含量逐漸升高，后又下降，如何降低N素?fù)p失以提高總養(yǎng)分是今后的研究重點(diǎn)。

中藥藥渣固態(tài)厭氧堆肥過程中，pH受多個(gè)理化指標(biāo)的影響，表現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)的降解、酶活性等方面；蔗糖酶對于藥渣中有機(jī)質(zhì)的降解起到重要作用，堆肥過程中存在有機(jī)酸積累現(xiàn)象，導(dǎo)致過氧化氫酶活性受到抑制，進(jìn)而影響腐殖化進(jìn)程。因此，在整個(gè)堆肥過程中pH的調(diào)控對于提高藥渣厭氧堆肥效果至關(guān)重要，本實(shí)驗(yàn)通過于堆肥初始材料中添加秸稈生物炭調(diào)整初始pH，但添加生物炭的種類和比例對改善中藥藥渣厭氧堆肥效果有待進(jìn)一步研究。

圖12 酶活性變化情況

表2 堆肥生物特性與理化因子之間的簡單相關(guān)性分析