關(guān)體坤，劉子璐，李小玉，王建立，侯霜影，劉栩杉，徐詩毅，陳青君，張國慶

（1北京農(nóng)學(xué)院植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，農(nóng)業(yè)應(yīng)用新技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2北京農(nóng)學(xué)院生物與資源環(huán)境學(xué)院，北京 102206）

0 引言

隨著人們對健康飲食的追求，食用菌已成為一種受歡迎的食物選擇，由于其高蛋白低脂肪的特性，經(jīng)常被納入日常飲食中。中國是世界第一大食用菌生產(chǎn)國，根據(jù)中國食用菌協(xié)會統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年中國食用菌總產(chǎn)量達(dá)4061萬t，總產(chǎn)值突破3400億元。食用菌菌渣(Spent mushroom substrate,SMS)是食用菌收獲后剩下的培養(yǎng)基廢料，按照每生產(chǎn)1 kg新鮮食用菌產(chǎn)生約5 kg菌渣副產(chǎn)品計(jì)算[1]，2020年，中國食用菌菌渣產(chǎn)量將超2億t。研究發(fā)現(xiàn)食用菌菌渣主要包括食用菌菌絲體、各種木質(zhì)纖維素生物質(zhì)（木屑、玉米芯、棉籽殼、稻草等）殘體、改良劑（石膏、泥炭和石灰）、營養(yǎng)物質(zhì)以及高水平的有機(jī)質(zhì)和酶[2]。食用菌菌渣在循環(huán)農(nóng)業(yè)和環(huán)保領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，包括作為食用菌二次栽培基質(zhì)、生物肥料、土壤改良劑、動物飼料、可再生能源生產(chǎn)和污染生物修復(fù)等[3]。另一方面，菌渣年產(chǎn)量巨大、缺乏相應(yīng)利用技術(shù)和設(shè)備，往往沒有得到有效利用，而被當(dāng)作農(nóng)業(yè)廢物露天堆放、填埋等，導(dǎo)致土壤污染、空氣和水污染等環(huán)境問題[4]。

生物炭又名生物質(zhì)炭，是由木質(zhì)纖維素生物質(zhì)、藻類生物質(zhì)、動物廢物、城市固體廢物或其他有機(jī)碳材料在相對較低溫度(＜900℃)，有氧或少氧的條件下通過熱化學(xué)方式轉(zhuǎn)化形成的一種富含碳素的高度芳香化物質(zhì)[5]。當(dāng)前生物炭的制備方法主要有三種：高溫裂解法、微波裂解法和水熱炭化法，其中高溫裂解法又包括快速高溫裂解法和慢速高溫裂解法，前者溫度一般大于700℃適用于制備生物燃料，后者一般指溫度小于700℃適用于常規(guī)生物炭的制備[6]。生物炭含碳量高，具有優(yōu)良的物理和化學(xué)特性，在土壤改良、環(huán)境修復(fù)和增加碳匯等方面應(yīng)用廣泛。表面積和孔隙度是生物炭重要的物理性質(zhì)，在廢水處理和土壤修復(fù)等生物炭應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。高多孔結(jié)構(gòu)、大比表面積的工程生物炭的生產(chǎn)受到了廣泛的關(guān)注，其中生物質(zhì)和熱解參數(shù)對生物炭表面積和孔隙率是主要影響因素。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是一個很好的候選材料，尤其是木材和木質(zhì)生物質(zhì)，此外中等溫度(400～700℃)適合孔隙結(jié)構(gòu)的形成[7]。2015年歐洲生物炭認(rèn)證基金(European Biochar Certificate，EBC)和國際生物炭協(xié)會(International Biochar Initiative，IBI)共同制定了生物炭產(chǎn)品認(rèn)證規(guī)范，規(guī)定里詳細(xì)介紹了生物炭特性指標(biāo)和測試方法。2020年，中國公布了農(nóng)林業(yè)剩余物為原料制備生物炭的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《生物炭檢測方法通則》(NY/T 3672-2020)，其中對亞甲基藍(lán)、碘、苯酚、四氯化碳、焦糖的吸附率或脫色率是評價生物炭質(zhì)量的重要指標(biāo)。對生物炭的評價通常包括熱化學(xué)特性、表面化學(xué)特性等多項(xiàng)指標(biāo)，往往需要用到掃描電鏡、X衍射等技術(shù)，耗時長、成本高[8]。

采用高溫裂解制備食用菌菌渣生物炭，不僅產(chǎn)量高，而且具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)和大量的營養(yǎng)元素[9]。目前，食用菌菌渣生物炭應(yīng)用范圍非常廣泛，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中施加菌渣生物炭可以提升水稻[10]、油菜[11]、番茄[12]等農(nóng)作物產(chǎn)量，作為添加劑可以改善堆肥理化性質(zhì)[13]，作為吸附劑可以效吸附水中染料[14]和Pb2+、Cd2+等重金屬[15]。另一方面，食用菌種類繁多，栽培配方與工藝不同，導(dǎo)致菌渣理化性質(zhì)差異較大。隨著中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的穩(wěn)步提高，工廠化栽培是我們食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。工廠化食用菌菌渣產(chǎn)量大、品質(zhì)穩(wěn)定，是作為生物炭研究與利用的理想材料。杏鮑菇是中國主要工廠化食用菌品種之一，根據(jù)中國食用菌協(xié)會統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年全國產(chǎn)量達(dá)到213.47萬t，占全國總產(chǎn)量5.26%，是第二大宗工廠化食用菌類型，其菌渣具有規(guī)模大、質(zhì)量穩(wěn)定、能夠周年化供應(yīng)，具有良好的商業(yè)化利用價值。

針對中國食用菌菌渣資源豐富但未被合理利用，且菌渣生物炭裂解條件不一，炭化質(zhì)量評價繁瑣、成本高等問題，本研究以不同原料配方的工廠化杏鮑菇菌渣為材料，建立菌渣生物炭制備工藝，并利用生物炭吸附能力，建立基于對孔雀石綠脫色的簡易快速質(zhì)量評價方法，為工廠化食用菌菌渣高效生態(tài)利用和質(zhì)量評價提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 菌渣來源及其配方

12種工廠化杏鮑菇菌渣(X0～X11)由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所胡清秀研究員惠贈，原料配方如表1所示。

表1 12種杏鮑菇栽培原料配方

1.2 菌渣理化性質(zhì)測定

1.2.1 菌渣預(yù)處理 采收后的新鮮杏鮑菇菌棒脫袋后，菌渣以高速粉碎機(jī)粉碎（DFY-500，大德，中國），過40目篩，新鮮或60℃烘箱中烘干至恒重備用[16]。

1.2.2 含水量測定 取潔凈錫紙盒，置于60℃烘箱中烘干至恒重，記為m0備用，稱取待測新鮮菌渣樣品100 g，放入錫紙盒中稱量記為m1，置于60℃烘箱中烘干至恒重，冷卻后稱恒重記為m2。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。

式中m0：錫紙盒質(zhì)量g；ml：錫紙盒和新鮮菌渣的質(zhì)量g；m2：錫紙盒和干燥后菌渣的質(zhì)量g。

1.2.3 pH及EC測定 稱取待測新鮮菌渣樣品5 g于100 mL錐形瓶中，加入50 mL去離子水，置于恒溫?fù)u床中25℃、150 r/min震蕩30 min后靜置1 h，用雷磁pH計(jì)與電導(dǎo)率儀分別測定樣品pH值與EC值。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。

1.2.4 總氮含量測定 采用凱氏定氮法測定菌渣總氮含量，稱取烘干菌渣樣品0.5 g于消化管內(nèi)，并加入1.5 g催化劑（CuSO45 H2O與K2SO4按質(zhì)量比1:9混合）和10 mL濃H2SO4，將消化管放于電爐上，在120℃下低溫消化1 h，轉(zhuǎn)至250℃下低溫消化1 h，后調(diào)溫至350℃消化1 h，最后升溫到420℃消解4 h至消化液澄清透明，用空白對照將全自動定氮儀調(diào)至穩(wěn)定，將樣品分別放置于定氮儀上依次測定，實(shí)驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)[4]。

1.2.5 總有機(jī)質(zhì)及灰分測定 總有機(jī)質(zhì)和灰分測定采用灼燒法[10]。首先將坩堝放入烘箱中105℃烘干至恒重記為m0，稱取2 g烘干菌渣樣品于坩堝中記為m1，將裝有樣品的坩堝置于電爐上灼燒至無煙，然后再將其放入馬弗爐中560℃灼燒5 h，讓樣品受熱灰化后移至干燥器中冷卻至室溫，稱重記為m2。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。

式中m0：坩堝質(zhì)量，g；ml：坩堝和風(fēng)干菌渣的質(zhì)量，g；m2：坩堝和灼燒后菌渣的質(zhì)量，g。

1.3 生物炭制備

1.3.1 生物炭制備條件確定 以X0組工廠化杏鮑菇菌渣為實(shí)驗(yàn)材料，稱取烘干菌渣樣品100 g記為m1，裝入剛玉坩堝中蓋好蓋子，放入馬弗爐內(nèi)，300℃、400℃、500℃、600℃分別熱解2、2.5、3 h共12組處理T1～T12（表2），自然冷卻至室溫后取出記為m2，測定炭得率。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)[17]。

表2 不同生物炭制備條件

1.3.2 不同配方菌渣生物炭的制備 根據(jù)X0組菌渣不同制備條件下獲得生物炭的炭得率及吸附能力，以400℃、2.5 h條件制備X1～X11組工廠化杏鮑菇菌渣生物炭并計(jì)算炭得率。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。

1.4 生物炭對孔雀石綠的吸附能力

1.4.1 不同制備條件生物炭對孔雀石綠的吸附能力 準(zhǔn)確稱取不同制備條件獲得、過100目篩的X0組生物炭0.1 g，置于15 mL離心管中，加入10 mL不同濃度孔雀石綠溶液（50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L和400 mg/L），以錫箔紙包裹，25℃、150 r/min避光振蕩培養(yǎng)1 h、2 h和4 h分別取樣，12000 r/min離心5 min，收集上清，測定A614，計(jì)算生物炭對孔雀石綠的吸附率，對照組為不加生物炭，實(shí)驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。

1.4.2 不同菌渣生物炭對高濃度孔雀石綠的吸附率 準(zhǔn)確稱取X1～X11組過100目篩的生物炭0.1 g，置于15 mL離心管中，加入10 mL孔雀石綠溶液(400 mg/L)，25℃、150 r/min分別孵育1 h和2 h后測定A614，參照1.4.1計(jì)算生物炭對孔雀石綠的吸附率，實(shí)驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2019軟件進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理與分析，利用Origin 2021和Excel 2019軟件作圖，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)表示，P＜0.05代表數(shù)據(jù)存在顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌渣理化性質(zhì)

12種不同原料配方的工廠化杏鮑菇菌渣理化性質(zhì)如圖1所示。各組菌渣含水量范圍為45.66%～63.33%，X5組含量最低(45.66±1.61)%，而添加納米腐殖質(zhì)的X7～X11組均高于其他組(59.27%～63.33%)（圖1A）。通常食用菌菌棒含水量為60%～65%，在出菇結(jié)束時菌棒含水率有所下降。食用菌菌絲生長過程中會分泌有機(jī)酸而使培養(yǎng)料pH下降，各組菌渣pH范圍為4.90～5.79，其中X2組最高(5.79±0.02)、X9組最低(4.90±0.04)（圖1B）。各組菌渣EC值范圍為0.96～1.57 mS/cm，除X2組外，其他組EC值均大于1.00 mS/cm，且X3～X11組之間無顯著性差異圖（圖1C）。各組菌渣總氮含量范圍為1.30%～1.68%，其中X0組最高(1.68±0.02)%、X6組最低(1.30±0.02)%（圖1D）。各組菌渣總有機(jī)質(zhì)含量范圍為87.02%～92.36%，其中X7組含量最高(92.36±0.28)%、X3組最低(87.02±015)%（圖1E）。各組菌渣灰分含量范圍為7.64%～12.98%，其中X3組最高(12.98±0.1)%、X7組最低(7.64±0.28)%（圖1F）。原料配方、菌種質(zhì)量、栽培管理工藝等多方面因素均會影響食用菌產(chǎn)量和菌渣質(zhì)量，因而各組菌渣理化性質(zhì)表現(xiàn)出一定差異，為標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)菌渣生物炭帶來了一定困難。

圖1 不同配方菌渣理化性質(zhì)

2.2 生物炭制備工藝

為了探究工廠化杏鮑菇菌渣生物炭的最佳制備條件，以X0組菌渣為實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)置4個溫度梯度（300℃、400℃、500℃和600℃）、3個熱解時間（2 h、2.5 h和3 h）共12種工藝，進(jìn)行菌渣生物炭制備，測得各組處理炭得率范圍為26.00%～47.17%，其中T3組(300℃、3 h)炭得率最高，達(dá)到47.17%±4.20%（圖2）。隨著溫度的升高，炭得率呈下降趨勢，300℃熱解2 h、2.5 h和3 h炭得率46.36%～47.17%，400℃熱解的3個處理組炭得率38.30%～40.17%，500℃和600℃熱解的6個處理組炭得率無顯著差異(26.00%～29.27%)，均顯著低于300℃和400℃處理組。

圖2 菌渣生物炭炭得率

2.3 不同制備條件生物炭對孔雀石綠的吸附能力

為了評估不同制備條件獲得生物炭的質(zhì)量，對12種X0組菌渣生物炭進(jìn)行了孔雀石綠吸附能力測定，1～4 h對50～400 mg/L吸附能力如圖3所示。各組生物炭對低濃度孔雀石綠(50 mg/L)均具有良好的吸附作用，1 h吸附率均達(dá)到96%以上，4 h吸附率均達(dá)到99%～100%（圖3A）。隨著孔雀石綠濃度提高，生物炭在1 h時吸附率逐漸下降?？兹甘G濃度100 mg/L時，1 h吸附率均達(dá)到85%～95%，各處理組之間無顯著性差異，4 h吸附率均達(dá)到99%～100%（圖3B）?？兹甘G濃度200 mg/L時，300℃處理的T1～T3組1 h吸附率為83%～89%，低于高溫組平均水平，4 h時T1～T3組吸附率為95%～99%，顯著低于其他組吸附率99%～100%（圖3C）。當(dāng)孔雀石綠濃度達(dá)到400 mg/L時，各組生物炭在1 h吸附率38%～80%，400～500℃處理組整體表現(xiàn)出較高的吸附能力，4 h時除T1和T2組外吸附率均達(dá)到96%以上（圖3D）。綜合炭得率、孔雀石綠吸附率和能耗，選擇溫度和時間適中的T5組條件(400℃、2.5 h)制備不同配方菌渣生物炭。

圖3 不同制備條件生物炭對孔雀石綠的吸附能力

2.4 不同配方菌渣生物炭質(zhì)量評價

以400℃、2.5 h條件燒制11種菌渣配方(X1～X11)生物炭，計(jì)算其炭得率并測定其對400 mg/L孔雀石綠的吸附能力，結(jié)果如圖4所示。11種菌渣生物炭的炭得率為41.26%～47.61%，各組間無顯著差異，略高于同條件下X0炭得率(40.17%)（圖4A）。將11種生物炭與400 mg/L孔雀石綠孵育1 h后，除X3組(57%)外各組對孔雀石綠的吸附效率達(dá)到68%以上，其中X11組達(dá)到95%以上，顯著高于其他處理組；另外，添加納米腐殖質(zhì)的X7～X11組，隨著納米腐殖質(zhì)添加量的增加對孔雀石綠的吸附率逐漸升高；共孵育2 h后，除X3組略低(96%)外，各組對孔雀石綠的吸附效率達(dá)到98%以上（圖4B）。結(jié)果表明，不同杏鮑菇菌渣原料以400℃、2.5 h條件，均能制備較高產(chǎn)量和質(zhì)量的生物炭。

圖4 不同配方菌渣生物炭炭得率(A)及其對孔雀石綠的吸附效率(B)

3 討論與結(jié)論

生物炭可以利用枝杈、秸稈、污泥等廢棄物資源制備，具有孔隙發(fā)達(dá)、比表面積大、富含碳素、表面功能團(tuán)豐富等特點(diǎn)，可以廣泛用于土壤改良、污染治理等領(lǐng)域[18-19]。食用菌菌渣富含木質(zhì)纖維素，是優(yōu)質(zhì)的生物炭制備材料，但相關(guān)研究報道相對較少。JIN等[20]以木耳、金針菇、香菇和平菇菌渣為材料制備了16種生物炭材料，并評價了其對Cu2+的吸附能力。DENG等[21]報道了木耳生物炭能夠調(diào)節(jié)毛竹林土壤微生物群落組成，進(jìn)而影響土壤CO2排放和氮轉(zhuǎn)化。何梓林等報道香菇和平菇菌渣生物炭能夠降低土壤可交換態(tài)鎘，減輕鎘對小白菜的毒害[22]。中國食用菌栽培種類眾多、栽培模式多樣，導(dǎo)致菌渣類型繁多、質(zhì)量良莠不齊，是影響其生物炭化利用的主要原因。工廠化食用菌產(chǎn)業(yè)是中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要體現(xiàn)，也是未來食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。工廠化食用菌菌渣質(zhì)量相對穩(wěn)定，可以周年化供應(yīng)，具有更高的商業(yè)價值和應(yīng)用前景，用于食用菌二次栽培、生物肥料、生物燃料等[3,23]。開展工廠化食用菌菌渣生物炭制備和評價工藝的研究與應(yīng)用，可以拓展食用菌菌渣利用范圍，緩解食用菌產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展帶來的環(huán)境問題。

盡管杏鮑菇工廠化栽培工藝基本類似，但不同工廠原料配方往往不同，導(dǎo)致菌渣質(zhì)量差異。截至目前，工廠化杏鮑菇菌渣的生物炭利用研究缺乏相應(yīng)報道。因此，本文以12種不同原料配方的工廠化杏鮑菇菌渣開展生物炭研究。從菌渣理化性質(zhì)來看，12種原料在含水量、pH、EC、總氮、總有機(jī)質(zhì)和灰分方面均表現(xiàn)出一定差異。X0組是杏鮑菇工廠化栽培的常用配方，其菌渣理化指標(biāo)除總氮顯著高于其他組外，其余各項(xiàng)指標(biāo)均處于平均范圍，因此選擇X0組作為菌渣生物炭制備工藝的研究材料，300～600℃熱解2～3 h，炭得率為26.00%～47.17%，300℃和400℃熱解炭得率顯著高于500℃和600℃。熱解溫度和時間影響生物炭的得率和質(zhì)量。張海波等[24]利用香菇菌渣為材料，350℃和750℃熱解3 h，炭得率分別為47.88%和29.00%，與本研究結(jié)果接近，表明不同食用菌菌渣類型可以用相近的工藝制備生物炭，以獲得較高的生物炭產(chǎn)率，且本試驗(yàn)設(shè)置了4個熱解溫度、3個熱解時間，更加精細(xì)的探究了菌渣生物炭的最適制備條件。

研究表明，隨著熱解溫度的升高，炭得率下降、孔隙度提高、生物炭表面積增大、pH和灰分升高、穩(wěn)定性提高[25]。通常，可以利用掃描電子顯微鏡(SEM)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、X射線衍射儀(XRD)等技術(shù)手段研究生物炭表征，但成本高、耗時長。本研究利用生物炭對孔雀石綠的吸附作用，直接測定不同時間對孔雀石綠吸附率，對生物炭質(zhì)量進(jìn)行簡單、快速評價。在生物炭對孔雀石綠吸附體系下，T5組(400℃、2.5 h)生物炭對200 mg/L孔雀石綠的吸附率1 h達(dá)到96%以上，與500～600℃下制備的生物炭對孔雀石綠的吸附率無顯著性差異；當(dāng)孔雀石綠濃度提升至400 mg/L時，T5組生物炭對孔雀石綠的1 h吸附率達(dá)到73%以上，僅次于500℃下的3個處理組(78%～80%)；2 h和4 h吸附率分別為95%和96%。因此選用溫度相對較低、時間長度適中的T5組處理方式，可以大大節(jié)約了制炭成本和能源消耗。

以最佳生物炭制備條件(400℃、2.5 h)對剩下11種工廠化杏鮑菇菌渣進(jìn)行生物炭制備試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同配方工廠化杏鮑菇菌渣在最佳制備條件下炭得率無顯著性差異，保持在41.23%～47.61%，說明不同配方的工廠化杏鮑菇菌渣采用最佳生物炭制備條件并不會對其炭得率產(chǎn)生顯著的影響。不同炭化溫度和炭化時間對食用菌菌渣生物炭的炭化質(zhì)量影響顯著，根據(jù)實(shí)際需求確定一個合適的炭化條件尤為重要，前人研究主要利用FTIR紅外光譜對生物炭結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行分析[27]，操作復(fù)雜且能耗高，因此本文采用了孔雀石綠吸附法，對菌渣生物炭吸附能力進(jìn)行快速檢測。11種菌渣生物炭對400 mg/L孔雀石綠的2 h吸附率98%以上，表明制備的生物炭具有良好的孔隙度，能夠具有良好的吸附效果。前人報道，350℃和750℃制備的香菇菌渣生物炭對孔雀石綠的最大吸附率分別為6.99×103mg/g和1.31×104mg/g，吸附率和溫度呈正相關(guān)[26]，與本試驗(yàn)結(jié)果相差較大，對于中低濃度孔雀石綠(50、100和200 mg/L)，不同溫度制備的生物炭對孔雀石綠的吸附率呈現(xiàn)平緩趨勢，而對于高濃度孔雀石綠(400 mg/L)，吸附1～2 h吸附率均為先上升后下降趨勢，說明本試驗(yàn)所設(shè)置的4個溫度梯度對于生物炭炭化質(zhì)量更具指導(dǎo)意義。另外，大量研究表明，生物炭對土壤中鎘[28]、鉛[29]、銅[21]等重金屬元素具有良好的吸附作用。利用工廠化菌渣制備生物炭用于土壤改良和重金屬修復(fù)等，具有良好的應(yīng)用前景。

綜上，工廠化杏鮑菇菌渣是制備生物炭的優(yōu)質(zhì)原料。本研究對不同配方工藝的12種工廠化杏鮑菇菌渣進(jìn)行了原料理化分析、高溫裂解法制備菌渣生物炭工藝、不同配方菌渣生物炭炭得率和孔雀石綠吸附能力研究。結(jié)果表明，以熱解溫度400℃、熱解時間2.5 h的條件，能夠獲得炭得率高、吸附率強(qiáng)的杏鮑菇菌渣生物炭。盡管不同菌渣原料理化存在差異，但在該制備條件下炭得率無顯著差異，且對400 mg/L孔雀石綠2 h吸附率均達(dá)到95%以上。研究結(jié)果為食用菌菌渣生物炭化利用提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。