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摘要 以中药渣为试验材料，研究不同微生物接种剂对发酵温度、水分、pH值、碳氮比、白菜发芽率的影响，结果表明：接种微生物菌种可以显著加快发酵进程，提高发酵效果，而以接种酵素菌总体发酵效果最佳。因此，酵素菌是一种发酵中药渣生产有机肥料的优良微生物菌种。
关键词 酵素菌；中药渣；发酵；有机肥料
中图分类号 S144 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）18-0144-03
Abstract Using Chinese medicine residue as test material，the effects of different microbial inoculums on fermentation temperature，moisture，pH value，C/N，and Chinese cabbage germination rate were studied.The results showed that inoculating microorganisms could significantly speed up fermentation processes and improve ferment effects，in which，inoculating enzyme microorganisms had the best effect.Therefore，enzyme microorganisms are one of the excellent microbial cultures on fermenting Chinese medicine residue to produce organic fertilizers.
Key words enzyme microorganisms；Chinese medicine residue；fermentation；organic fertilizer
中药业是我国的传统产业之一，每年生产出大量中成药的同时也产生出相当数量的中药渣。据不完全统计，仅吉林省通化地区每年可产生中药渣逾20万t[1]。中药渣来源于中成药生产、原料药生产、中药材加工与炮制以及含中药的轻化工产品生产等，以中成药生产带来的药渣量最大，约占中药渣总量的70%。中药渣一般为湿物料，含水量高达60%～80%，极易腐败，发出恶臭，夏季尤为突出。中药渣如果随意堆放，会对环境造成污染，尤其是雨季，药渣被雨水冲淋，对地下水、地表水的严重污染[2]。
一方面中药渣作为废物被抛弃，另一方面中药渣通常含有丰富的蛋白质、糖、纤维素、矿物质等初生物质。由于目前的中药提取方法和工艺相对比较单一，中药中的部分药用成分仍留存在药渣中，这些残留的初生及次生物质使得药渣仍然具有很高的再利用价值。
中药渣的研究包括3个方面的问题：一是中药渣的污染问题；二是中药药渣的综合利用问题；三是中药渣的处理问题。3个方面相互关联，研究中药渣的污染，有助于探寻药渣的利用方向和处理方法；反过来，研究中药药渣的应用和处理方法，应注意既要充分利用药渣资源，又要防止发生二次污染[3-4]。
近年来，中药渣再利用涉及到以下几个方面：再提取其他有效成分用于栽培食用菌[5-13]、制作饲料或饲料添加剂[14-20]、制成有机肥料[21-23]、处理废水[24]、用作生物质能源[25]、用作造纸原料[26]、用于发酵生产食醋[27]等。本文对中药渣进行高温固态堆积发酵，研究不同微生物发酵菌种的作用效果，以期对中药渣再利用生产有机肥料提供技术支持。
1 材料与方法
1.1 供试材料
1.1.1 中药药渣。由吉林万通集团有限公司生产，吉林万通集团盛泰生物工程股份有限公司提供。
1.1.2 酵素菌种。由潍坊岛本微生物技术研究所提供，含有细菌、酵母菌和丝状真菌三大类24种微生物组成[28]。酵素菌种以米糠为载体，呈黄褐色，粉状，有浓烈酵母香味（试验代号：BYM）。
1.1.3 有机物料腐熟剂（发酵菌种）。由北京、山东、河南三地微生物肥料生产企业生产，均由细菌、酵母菌、真菌组成复合微生物群，有效活菌总数5亿～20亿个/g，菌剂产品均获得农业部微生物肥料登记证（试验代号分别是BM、SM和HM）。
1.2 试验方法
1.2.1 中药渣发酵试验。试验在吉林万通集团盛泰生物工程股份有限公司生物有机肥厂进行。试验地点远离正常发酵区域，相对隔离，设专人负责，全程记录试验数据。
中药渣发酵试验采用条垛式堆肥发酵方式进行。将原料混合物堆成长条形的堆或条垛，在自然好氧条件下进行，是一种最常见的有机肥发酵系统。垛纵切面呈三角形，每个发酵堆底部宽2 m、高1 m、长3 m，发酵料堆体积约3 m3。
发酵基础配方：中药渣60%，发酵菌种2%，其他38%；含水量65%，pH值为自然值。
试验设5个处理，分别将中药渣接种酵素菌种和有机物料腐熟剂标记为BYM、BM、SM、HM，以不接菌种，而接种等基质物料作对照（CK）。不同处理间相互隔离，3次重复。人工配料，同时试验，工具不混用。不同料堆之间间隔距离5 m，并用塑料薄膜覆盖隔离。观测料堆温度、水分、碳氮比、pH值，并采用白菜种子发芽率试验测定发酵程度和质量。
1.2.2 白菜发芽试验。选取饱满、无病虫害、整齐一致的白菜种子，用50 ℃热水冲烫5 min后，转入清水中冲洗，浸种4 h，播种。每盆装发酵堆肥1 kg，均匀播种50粒白菜种子，覆盖细沙，保湿。观察统计发芽，及幼苗生长情况。
每隔24 h，调查各处理种子的发芽情况（以出苗为度），从第1粒种子出苗开始，连续观察，直至不再出苗为止。按如下公式计算种子发芽率： 发芽率（%）=总发芽数/供试种子数×100
1.3 图像绘制
本试验数据采用Oringin8 ProSR4进行处理和图像绘制。
2 结果与分析
2.1 不同处理堆肥温度变化情况
由表1和图1可知，接种不同菌种处理中药渣堆肥温度变化趋势基本一致，均呈现先上升后下降的趋势，类似“抛物线”状。但是，接种微生物菌种处理堆肥温度上升速度明显加快。在发酵第3天，堆肥温度由高到低的顺序是BYM>HM>BM>SM>CK。发酵高温时段出现在堆肥9～18 d，其中BYM处理的堆肥温度最高，达71.5 ℃，且保持65 ℃以上高温。BM、SM和HM处理的堆肥最高温度均超过60 ℃，但维持时间不长。空白对照（CK）最高发酵温度未超过55 ℃，但在50 ℃以上范围内维持较长时间。所有处理，堆肥温度下降时间均出现在堆肥18 d左右，但CK组有后延的现象。由此说明，接种微生物菌种有利于堆肥发酵温度快速提升，加快发酵进程，而BYM处理的堆肥温度高，有利于有机物质的分解，也利于高温杀灭病原菌和杂草种子。
2.2 不同处理堆肥水分含量变化情况
由表2和图2可知，堆肥过程中水分含量均呈下降趋势，以接种微生物菌种水分散失快，而以BYM处理水分散失最快。到第18天，接种微生物菌种的堆肥含水量从最初的65%将降至45.5%～52.5%，下降了12.5～19.5个百分点，而未接种的CK只下降了7个百分点。由于通风条件一致，因此水分散失主要是由于温度上升导致水分蒸发引起的。说明添加外源微生物菌种处理温度上升较快，从而引起水分蒸发较快。此外，BYM处理的物料含水量降低最快，空气得以补充，避免了发生厌氧发酵的可能性，有利于提高堆肥质量。
2.3 不同处理堆肥pH值变化情况
由表3和图3可知，堆肥初始pH值均在6.7～6.8之间，处理间无明显差异。在堆肥后期，各处理间表现出差异。接种微生物菌种的堆肥pH值呈上升趋势，而以BYM处理，堆肥pH值上升最大，pH值升高1.3，呈微碱性。根据堆肥腐熟pH值[29]应在8.0～9.0之间的标准，说明添加BYM处理的pH值达到堆肥腐熟标准所需时间最短，发酵最快。同时，在这种微碱性环境下，更有利于环境中放线菌的生长繁殖，对于酸化土壤生态改良十分有利。
2.4 不同处理堆肥碳氮比变化情况
由表4和图4可知，随着发酵时间的推移，堆肥中碳氮比均呈现下降的趋势。据统计，不同处理的全碳和全氮含量均呈现下降趋势，但全碳含量下降幅度较全氮要大，这是由于微生物活动消耗了堆肥中有机碳并转化成CO2损失掉了。添加微生物菌种的堆肥在第20天，碳氮比（C/N）为（20.2～21.5）∶1.0，第24天，BYM处理的堆肥C/N降为19.5∶1.0，根据杨毓峰等[30]的研究，当固项C/N低于20：1时可以判定堆肥已经完全腐熟。本试验添加了风化煤，含碳量高，发酵过程中C/N偏高，可以预测，当C/N接近20∶1时即可判定堆腐已经腐熟。因此，利用BYM处理的堆肥在第18天即可达到完全腐熟的程度，堆肥时间提前。
2.5 不同堆肥对白菜种子发芽率的影响
由表5和图5可知，随着堆肥时间的延长，白菜种子的发芽率均呈上升趋势。接种微生物菌种的中药渣高温堆肥白菜种子的发芽率明显高于CK，而以BYM处理的种子发芽率最高。第15天，白菜的发芽率达到60%，堆肥基本腐熟；第18天，发芽率达到80%；第21天，发芽率达90%，此时堆肥已经腐熟；而第21天，空白对照的堆肥白菜发芽率仅为28%，说明堆肥对植物仍然有毒性，还需要继续堆腐。由此可见，添加微生物菌种能明显加速堆肥内部有害物质的分解，而以BYM表现最佳。
3 结论与讨论
酵素菌是由细菌（bacteria）、酵母菌（yeast）和丝状真菌组成的有益微生物群，是发酵有机质材料的好气性菌种[31]。利用酵素菌对中药渣进行好气性高温固态堆积发酵处理，可显著提高发酵温度，促进水分散失，调节pH值，降低碳氮比，缩短发酵时间，提高中药渣的腐殖化程度。因此，酵素菌可作为一种发酵中药渣生产有机肥料的优良的腐熟剂。
由于中药渣成分复杂，仅靠一种或少量几种发酵微生物难以保证发酵质量和效果。试验中发现，即使采用含有3大类24种微生物的酵素菌在发酵特定中药渣时，也存在发酵不到位的现象，因此要将中药渣的问题研究得比较清楚，需要从研究中药渣的成分入手，针对特定的中药成分，在酵素菌基础上，适当添加相应的菌种，利用Plackett-Burman设计和相应面分析法（response surface methodology），研究培养基和发酵工艺条件优化，通过调整培养基的成分含量和发酵条件及流加策略等，实现中药渣发酵过程的全程控制，在线监测发酵过程中的温度、pH值、溶氧、环氧糖、尾气等指标，建立总糖、总氮、有机酸、酶活力等快速检测技术，根据发酵过程菌株生长特性，改良菌种组成、培养基、发酵条件和发酵工艺[32]。创新酵素菌菌群的复合技术，通过深入研究不同微生物的代谢途径和代谢产物，发现并利用功能协同作用与其生态适应性互补关系，使得组合后的酵素菌群性能稳定，发酵中药渣效果更好，更加稳定可靠。
4 参考文献
[1] 马逊风，马宏军，唐占辉，等.中药药渣剩余成分分析及利用途径研究[J].东北师大学报（自然科学版），2004，36（2）：108-111.
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关键词 酵素菌；中药渣；发酵；有机肥料
中图分类号 S144 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）18-0144-03
Abstract Using Chinese medicine residue as test material，the effects of different microbial inoculums on fermentation temperature，moisture，pH value，C/N，and Chinese cabbage germination rate were studied.The results showed that inoculating microorganisms could significantly speed up fermentation processes and improve ferment effects，in which，inoculating enzyme microorganisms had the best effect.Therefore，enzyme microorganisms are one of the excellent microbial cultures on fermenting Chinese medicine residue to produce organic fertilizers.
Key words enzyme microorganisms；Chinese medicine residue；fermentation；organic fertilizer
中药业是我国的传统产业之一，每年生产出大量中成药的同时也产生出相当数量的中药渣。据不完全统计，仅吉林省通化地区每年可产生中药渣逾20万t[1]。中药渣来源于中成药生产、原料药生产、中药材加工与炮制以及含中药的轻化工产品生产等，以中成药生产带来的药渣量最大，约占中药渣总量的70%。中药渣一般为湿物料，含水量高达60%～80%，极易腐败，发出恶臭，夏季尤为突出。中药渣如果随意堆放，会对环境造成污染，尤其是雨季，药渣被雨水冲淋，对地下水、地表水的严重污染[2]。
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1 材料与方法
1.1 供试材料
1.1.1 中药药渣。由吉林万通集团有限公司生产，吉林万通集团盛泰生物工程股份有限公司提供。
1.1.2 酵素菌种。由潍坊岛本微生物技术研究所提供，含有细菌、酵母菌和丝状真菌三大类24种微生物组成[28]。酵素菌种以米糠为载体，呈黄褐色，粉状，有浓烈酵母香味（试验代号：BYM）。
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1.2 试验方法
1.2.1 中药渣发酵试验。试验在吉林万通集团盛泰生物工程股份有限公司生物有机肥厂进行。试验地点远离正常发酵区域，相对隔离，设专人负责，全程记录试验数据。
中药渣发酵试验采用条垛式堆肥发酵方式进行。将原料混合物堆成长条形的堆或条垛，在自然好氧条件下进行，是一种最常见的有机肥发酵系统。垛纵切面呈三角形，每个发酵堆底部宽2 m、高1 m、长3 m，发酵料堆体积约3 m3。
发酵基础配方：中药渣60%，发酵菌种2%，其他38%；含水量65%，pH值为自然值。
试验设5个处理，分别将中药渣接种酵素菌种和有机物料腐熟剂标记为BYM、BM、SM、HM，以不接菌种，而接种等基质物料作对照（CK）。不同处理间相互隔离，3次重复。人工配料，同时试验，工具不混用。不同料堆之间间隔距离5 m，并用塑料薄膜覆盖隔离。观测料堆温度、水分、碳氮比、pH值，并采用白菜种子发芽率试验测定发酵程度和质量。
1.2.2 白菜发芽试验。选取饱满、无病虫害、整齐一致的白菜种子，用50 ℃热水冲烫5 min后，转入清水中冲洗，浸种4 h，播种。每盆装发酵堆肥1 kg，均匀播种50粒白菜种子，覆盖细沙，保湿。观察统计发芽，及幼苗生长情况。
每隔24 h，调查各处理种子的发芽情况（以出苗为度），从第1粒种子出苗开始，连续观察，直至不再出苗为止。按如下公式计算种子发芽率： 发芽率（%）=总发芽数/供试种子数×100
1.3 图像绘制
本试验数据采用Oringin8 ProSR4进行处理和图像绘制。
2 结果与分析
2.1 不同处理堆肥温度变化情况
由表1和图1可知，接种不同菌种处理中药渣堆肥温度变化趋势基本一致，均呈现先上升后下降的趋势，类似“抛物线”状。但是，接种微生物菌种处理堆肥温度上升速度明显加快。在发酵第3天，堆肥温度由高到低的顺序是BYM>HM>BM>SM>CK。发酵高温时段出现在堆肥9～18 d，其中BYM处理的堆肥温度最高，达71.5 ℃，且保持65 ℃以上高温。BM、SM和HM处理的堆肥最高温度均超过60 ℃，但维持时间不长。空白对照（CK）最高发酵温度未超过55 ℃，但在50 ℃以上范围内维持较长时间。所有处理，堆肥温度下降时间均出现在堆肥18 d左右，但CK组有后延的现象。由此说明，接种微生物菌种有利于堆肥发酵温度快速提升，加快发酵进程，而BYM处理的堆肥温度高，有利于有机物质的分解，也利于高温杀灭病原菌和杂草种子。
2.2 不同处理堆肥水分含量变化情况
由表2和图2可知，堆肥过程中水分含量均呈下降趋势，以接种微生物菌种水分散失快，而以BYM处理水分散失最快。到第18天，接种微生物菌种的堆肥含水量从最初的65%将降至45.5%～52.5%，下降了12.5～19.5个百分点，而未接种的CK只下降了7个百分点。由于通风条件一致，因此水分散失主要是由于温度上升导致水分蒸发引起的。说明添加外源微生物菌种处理温度上升较快，从而引起水分蒸发较快。此外，BYM处理的物料含水量降低最快，空气得以补充，避免了发生厌氧发酵的可能性，有利于提高堆肥质量。
2.3 不同处理堆肥pH值变化情况
由表3和图3可知，堆肥初始pH值均在6.7～6.8之间，处理间无明显差异。在堆肥后期，各处理间表现出差异。接种微生物菌种的堆肥pH值呈上升趋势，而以BYM处理，堆肥pH值上升最大，pH值升高1.3，呈微碱性。根据堆肥腐熟pH值[29]应在8.0～9.0之间的标准，说明添加BYM处理的pH值达到堆肥腐熟标准所需时间最短，发酵最快。同时，在这种微碱性环境下，更有利于环境中放线菌的生长繁殖，对于酸化土壤生态改良十分有利。
2.4 不同处理堆肥碳氮比变化情况
由表4和图4可知，随着发酵时间的推移，堆肥中碳氮比均呈现下降的趋势。据统计，不同处理的全碳和全氮含量均呈现下降趋势，但全碳含量下降幅度较全氮要大，这是由于微生物活动消耗了堆肥中有机碳并转化成CO2损失掉了。添加微生物菌种的堆肥在第20天，碳氮比（C/N）为（20.2～21.5）∶1.0，第24天，BYM处理的堆肥C/N降为19.5∶1.0，根据杨毓峰等[30]的研究，当固项C/N低于20：1时可以判定堆肥已经完全腐熟。本试验添加了风化煤，含碳量高，发酵过程中C/N偏高，可以预测，当C/N接近20∶1时即可判定堆腐已经腐熟。因此，利用BYM处理的堆肥在第18天即可达到完全腐熟的程度，堆肥时间提前。
2.5 不同堆肥对白菜种子发芽率的影响
由表5和图5可知，随着堆肥时间的延长，白菜种子的发芽率均呈上升趋势。接种微生物菌种的中药渣高温堆肥白菜种子的发芽率明显高于CK，而以BYM处理的种子发芽率最高。第15天，白菜的发芽率达到60%，堆肥基本腐熟；第18天，发芽率达到80%；第21天，发芽率达90%，此时堆肥已经腐熟；而第21天，空白对照的堆肥白菜发芽率仅为28%，说明堆肥对植物仍然有毒性，还需要继续堆腐。由此可见，添加微生物菌种能明显加速堆肥内部有害物质的分解，而以BYM表现最佳。
3 结论与讨论
酵素菌是由细菌（bacteria）、酵母菌（yeast）和丝状真菌组成的有益微生物群，是发酵有机质材料的好气性菌种[31]。利用酵素菌对中药渣进行好气性高温固态堆积发酵处理，可显著提高发酵温度，促进水分散失，调节pH值，降低碳氮比，缩短发酵时间，提高中药渣的腐殖化程度。因此，酵素菌可作为一种发酵中药渣生产有机肥料的优良的腐熟剂。
由于中药渣成分复杂，仅靠一种或少量几种发酵微生物难以保证发酵质量和效果。试验中发现，即使采用含有3大类24种微生物的酵素菌在发酵特定中药渣时，也存在发酵不到位的现象，因此要将中药渣的问题研究得比较清楚，需要从研究中药渣的成分入手，针对特定的中药成分，在酵素菌基础上，适当添加相应的菌种，利用Plackett-Burman设计和相应面分析法（response surface methodology），研究培养基和发酵工艺条件优化，通过调整培养基的成分含量和发酵条件及流加策略等，实现中药渣发酵过程的全程控制，在线监测发酵过程中的温度、pH值、溶氧、环氧糖、尾气等指标，建立总糖、总氮、有机酸、酶活力等快速检测技术，根据发酵过程菌株生长特性，改良菌种组成、培养基、发酵条件和发酵工艺[32]。创新酵素菌菌群的复合技术，通过深入研究不同微生物的代谢途径和代谢产物，发现并利用功能协同作用与其生态适应性互补关系，使得组合后的酵素菌群性能稳定，发酵中药渣效果更好，更加稳定可靠。
4 参考文献
[1] 马逊风，马宏军，唐占辉，等.中药药渣剩余成分分析及利用途径研究[J].东北师大学报（自然科学版），2004，36（2）：108-111.
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