中药药渣生物有机肥的研究与意义

对中药药渣进行合理应用不仅能够减少资源浪费, 提高中药药渣利用率, 改善生活环境, 同时对中药产业的良性循环发展也具有重要意义

中药渣是中药材加工与炮制、中成药生产以及其他中药相关产品生产加工过程中产生的废弃物, 其中中成药生产过程中产生的中药渣较多, 占总量的70%。早期药渣处理主要采用填埋、焚烧、堆放等方式, 这些方法不仅会占用大量土地, 而且造成环境的严重污染和资源的巨大浪费。因此, 对中药药渣进行合理应用不仅能够减少资源浪费, 提高中药药渣利用率, 改善生活环境, 同时对中药产业的良性循环发展也具有重要意义。以中药药渣为原料制备生物有机肥对实现资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。

1.生物有机肥研发的现实意义

1.1 生物有机肥的功效

生物有机肥是指具有特定功能的微生物与主要以动植物残体 (畜禽粪便、农作物秸秆、中药药渣等) 为来源并经无害化处理、腐熟的有机物料复合而成的一类兼具微生物肥料和有机肥效应的肥料。生物有机肥是在堆肥的基础上, 向腐熟物料中添加功能性微生物菌剂进行二次发酵而制成, 含有大量功能性微生物。与其他肥料相比, 生物有机肥不仅营养元素更为齐全, 含有功能性微生物菌剂, 可协助释放土壤中潜在养分的功效, 促进作物根际有益微生物增殖, 同时具有生物利用率高、作用周期长、成本低、对土壤及环境不会造成危害等优点。长期使用生物有机肥可有效改良土壤、提高土壤肥力、调控土壤及根际微生态平衡, 提高作物抗病虫能力和作物产品质量。具体表现在: (1) 生物有机肥含有的功能性微生物在土壤中大量定殖形成优势种群, 占据根区生态位, 拮抗或抑制病原微生物侵染作物根系, 提高作物抗病性。刘艳霞等实验结果表明, 在烟草青枯病发病较为严重的烟田施用生物有机肥可以显著提高拮抗菌数量, 抑制根际土壤病原菌数量, 提高土壤微生物群落功能多样性, 使土壤保持健康的微生物生态平衡, 显著降低青枯病发病率。 (2) 生物有机肥含有的功能菌群能够提高土壤肥力, 如施用含固氮微生物的肥料, 可以增加土壤氮素来源;施用含解磷、解钾微生物的肥料可以分解土壤中难溶性磷和钾盐, 供作物吸收利用。 (3) 生物有机肥富含维生素、氨基酸、核苷酸、吲哚乙酸、赤霉素、有机酸、酶类、抗生素等多种生理活性物质, 具有刺激作物根系生长、分解转化各种复杂有机物、快速活化土壤养分、提高养分有效性和作物抗病能力等作用。李志友研究发现, 生物有机肥能够提高蓝莓根区土壤有机碳、全氮、全钾、有效磷和有效钾的量, 有效促进蓝莓根区土壤养分吸收和营养代谢均衡, 确保蓝莓高产优质。 (4) 生物有机肥中既含氨基酸、蛋白质、糖、脂肪等有机成分, 还有氮、磷、钾以及对作物生长有益的中量元素 (钙、镁、硫等) 和微量元素 (铁、锰、铜、锌、钼等) , 这些养分不仅能供作物直接吸收利用, 还能有效改善土壤保肥性、保水性、缓冲性和通气状况等, 为作物提供良好的生长环境。 (5) 生物有机肥能够改变作物根系分泌物的组成和含量, 进而改善根区微生态环境, 提高作物抗病性。

1.2 生物有机肥是绿色中药和循环经济发展的必然选择

基于目前化肥使用和农业废弃物现状, 积极寻求高效环保的化肥替代品, 探索农业 (包括中药) 废弃物资源化利用方式, 已成为国内外农业研究的热点。首先, 施用生物有机肥是提高土壤基础地力、改善农产品品质的重要途径。施用生物有机肥不仅能够改善土壤理化性质、培肥地力、提高土壤微生物活性, 提高和优化植物产量和质量, 还能减少无机肥料施用量, 从根本上改善农产品品质, 符合中国农业可持续发展和绿色环保理念。其次, 生产生物有机肥是农业废弃物资源化利用的重要手段。农业废弃物中含有丰富的作物生长必需的营养元素和有机养分, 将其资源化利用制成生物有机肥, 通过微生物的作用使有机物矿质化、腐殖化和无害化, 以供作物吸收利用, 不仅可以缓解农业废弃物对环境的压力, 而且可以变废为宝, 获得可观的经济效益。

2.中药药渣资源开发利用价值和主要利用方式

由于传统提取方法单一, 多数中药制药过程中的有效成分提取率仅为30%~70%, 而经提取后的药渣和非入药部位则被归为废料一类。有报道显示, 中药药渣包含植物纤维、脂类、蛋白质、多糖、黄酮、生物碱、萜类以及氮、磷、钾、硅、锰、铝、锌、铬、镁、铁等多种无机元素及少量维生素。因此, 中药药渣不仅极具开发利用价值, 而且通过加工处理, 可以使中药药渣变废为宝、循环利用, 达到节能减排、低碳环保、绿色可持续发展的目的。早期, 中药药渣循环利用主要集中在家禽、家畜饲养领域, 如中药药渣作为饲料或饲料添加剂, 或堆肥后用于种植蔬菜、食用菌等。近年来, 中药药渣再利用在有效成分再提取、食用菌栽培基质、饲料或饲料添加剂、有机肥料、生物质能源、发酵生产等方面取得了长足的发展。

中药药渣资源利用主要涉及种植业、养殖业、环境及能源等领域, 目前中药渣利用方式主要包括: (1) 有效成分富集提取利用。通过技术革新和技术集成, 提升中药渣资源性物质的利用效率, 或通过化学转化、发酵转化技术等, 使中药渣有效成分得到富集再提取。 (2) 生态经济化利用。把中药药渣用以开发生产有机肥料, 菌菇、作物、中药材种植基质等, 让中药渣最终回归大自然的生态循环, 促进绿色农业发展。 (3) 高附加值化利用。加大药渣资源开发力度和深度, 生产具有高附加值产品, 如发酵生产乙醇、热解裂化生产生物柴油等。

3.中药药渣与生物有机肥

中药药渣含有大量纤维素, 微生物在一定温度和pH条件下, 将其进行生物化学降解, 使其形成一种稳定的腐殖质, 该过程称为堆肥。根据堆肥化过程中是否需要氧气, 可将堆肥化过程分为厌氧堆肥和好氧堆肥两类。厌氧堆肥是在环境中氧气不足或无氧情况下利用自然界中的厌氧菌和废弃物中的有机物质, 将废弃物中有机物质转化为沼气和沼肥的过程。好氧堆肥是在有氧条件下, 利用自然界中广泛存在的细菌、放线菌、真菌等微生物, 将处于不稳定状态的有机物质转化为稳定腐殖质的过程。堆肥能够制造生物有机肥, 利用中药药渣制备生物有机肥, 可广泛用于蔬菜、水果、农作物、中药材等作物种植。中药药渣大多是植物的根、茎、叶, 含有丰富的有机质、糖类、粗蛋白、生物碱以及多种无机元素和少量维生素, 而且不含致病菌, 重金属量远低于作为肥料或基质的允许量, 即使重金属富集程度高的药渣, 研究表明形成重金属污染主要是重金属阳离子, 即带有正电荷, 而微生物细胞壁多数带有负电荷, 由于正负电荷的相互吸引, 微生物细胞可以增加对阳离子的吸附性。此外, 由于微生物细胞壁自身分子结构具有的活性, 也可将重金属离子整合集中于细胞表面, 从而达到对重金属污染进行净化处理的目的。同时, 中药药渣通气性好, 质轻, 可改善土壤通透性, 是一种极为安全、无公害的优质有机肥原材料。用生物发酵技术对其进行生物活化处理, 就能生产出含丰富氮、磷、钾及有机质的生物有机肥。唐懋华等利用生产脉络宁的药渣并配合施用适量无机肥和生物菌肥, 可快速提高生土供养能力与生土活性, 促进生土团粒结构形成, 使生土快速熟化, 实现当年熟化当年丰产。周达彪总结了中药渣生产肥料的模式, 经高温灭菌, 适宜条件好氧性发酵处理后, 可加工出无害、无味的肥料原材料, 针对花卉、苗木、蔬菜、果树等需肥特性及生长要求, 再配以有机无机肥料, 制做成高肥效低成本的优质复合肥料。贾伍员等将板蓝根药渣粉碎后进行堆肥沤制, 再用于种植菠菜, 发现20%板蓝根药渣和80%牛粪制成的有机肥效果最好。王引权等研究发现, 中药渣堆肥能促进当归生长后期根系伸长及增粗, 增加产量, 提高阿魏酸和藁本内酯含量。李静娟等将蚯蚓加入到中药废渣中生产药渣蚓粪, 发现药渣蚓粪可显著促进作物的生长, 提高土壤容重、p H、有机质及全氮、速效钾含量。王茂等以板蓝根、连翘、芦根等抗病毒药渣为主料, 以杏鲍菇菌渣和鸡粪为辅料, 按照一定比例混合发酵用于生菜种植, 结果显示, 用中药废渣发酵的肥料可促进叶片生长, 提高生菜产量及品质。万燕等研究表明, 用妇科千金片药渣发酵制备的有机肥对半夏地下球茎质量、根质量、地下部位总质量及单株质量增加效果显著。李秀颖等在黄姜去皂苷后的药渣中加入有益微生物, 发酵20d后制得的生物有机肥, 经检测合格, 可应用于农业生产。刘金鹏等以中药药渣、玉米芯和黏土为原料, 木屑为发酵菌液载体, 经一系列加工处理后制得的有机肥料中有机质含量较高, 具有改良土壤性质, 提高土壤肥力, 促进植物生长的作用。方练等将中药药渣经干湿化处理后, 适当添加粗纤维降解菌等进行混合发酵后得到中药渣有机肥半成品, 根据有机肥料中所需的氮、磷、钾含量, 定量加入硫酸铵、硫酸钾或氯化钾等, 制成的肥料产品中既含有有机质, 且无机成分氮、磷、钾养分丰富, 是一款营养全面、高效、无公害的有机肥料。李瑞霞等研究发现, 减施25%化肥同时配施贵州木霉Trichoderma guizhouense制成的生物有机肥可以通过调控土壤养分有效性、土壤酶活性和土壤微生物区系来改善盐土的可耕种性, 从而提高番茄产量和品质。Yuan等研究表明, 利用哈茨木霉Trichoderma harzianum发酵研制的生物有机肥结合丛枝菌根 (Arbuscular mycorrhiza, AM) 真菌摩西球囊霉Glomus mosseae能够提高烟草株高和茎、根干质量。因此, 中药药渣制备生物有机肥具有广阔的应用前景。

4.中药药渣发酵微生物菌群

利用微生物菌群联合降解中药渣, 可以将纤维素、木脂素等成分转化为小分子物质, 释放药渣中残留的活性物质, 有利于实现中药渣中大分子物质的降解。目前虽已获得一批具有微生物降解能力的菌种, 但是单一菌种的分解能力有限, 用单一菌种实现中药渣中大分子物质的彻底降解难度较大, 而微生物复合菌群中各个菌种之间相互影响、相互制约, 是实现中药渣中纤维素及木质素类成分完全降解的有效途径。纤维素降解常见真菌有木霉Trichoderma、曲霉Aspergillus、地霉Geotrichum等, 其中绿色木霉Trichoderma viride因具有菌体生长量大且迅速、酶系齐全、产酶量大、酶活性高、营养要求简单、发酵过程中既有固态发酵方式也有液体深层培养方式等优点, 而备受关注。绿色木霉产生的纤维素酶可将植物纤维素分解为葡萄糖, 能破坏植物细胞壁, 使其释放蛋白体、淀粉等营养成分, 能消除中药药渣中淀粉多糖的抗营养作用, 提高药渣利用率。van Wyk等研究发现, 绿色木霉产生的纤维素酶可将废报纸中的纤维素转化为可发酵的糖, 不仅减少了环境污染, 还对废报纸进行了回收利用。Korenga等报道了绿色木霉产生的纤维素酶对纤维素糖化作用的研究。谢小林等研究结果表明, 潮湿纤维单胞菌Cellomonasuda和绿色木霉混合接种能显著提高不同食用菌菌渣羧甲基纤维素酶活性。孟顺利等研究发现, 在稻草秸秆发酵中, 绿色木霉、红芝接种比例为1∶4、接种量为35%、共同发酵时间8 d;二次发酵时, 酵母接种量7%、发酵时间为24 h时培养基中纤维素、半纤维素、木质素降解率最好, 真蛋白含量最高。

5.外源添加功能微生物菌群

生物有机肥的本质特征是含有一种或多种具有特定功能的、表现出一定肥料效应的微生物, 这些功能微生物的生命活动是生物有机肥优于其它肥料的关键因素, 加入这些外源功能微生物既可以通过产生纤维素酶、淀粉酶或乳糖酶实现对中药药渣或秸秆类废弃物的营养成分转化和再利用, 又可以通过改善植株生长的土壤等环境因素以及与植株根系建立共生关系, 从而提高植株对营养元素 (肥料和土壤中) 的吸收以及抗病防虫的能力。而生物有机肥质量的优劣主要取决于所含益生菌的作用强度和活菌数量, 目前在以发酵后中药药渣为主要成分的生物有机肥生产过程中, 加入的功能菌包括芽孢杆菌、假单胞菌、链霉菌、固氮菌、溶磷菌、光合细菌、菌根真菌、深色有隔内生真菌等。

5.1 功能细菌和放线菌群

芽孢杆菌Bacillus是一类应用广泛、安全性高、抗逆性强、环境友好的细菌, 其中许多菌株对多种植物病原菌和害虫有强烈的抑制和杀灭作用, 可提高作物成活率和农产品产量, 一些菌株能分泌纤维素酶降解秸秆类、中药药渣废弃物, 有利于自然界碳素循环, 具有固氮特性的芽孢杆菌可提高土壤氮素含量, 促进作物生长。枯草芽孢杆菌还能分泌植酸酶分解植酸, 增加土壤中游离磷含量, 促进植物对磷的吸收。燕红等研究表明, 地衣芽孢杆菌Bacillus licheniformis可产生半纤维素酶、纤维素酶和木质素酶降解农业废弃物秸秆, 发酵5 d后, 纤维素降解率可达14.91%。顾欣等通过研究不同有机肥和菌肥配施对拱棚西瓜土壤质量的影响, 结果表明, 生物有机肥配施解淀粉芽孢杆菌为改良培肥瓜田土壤的最优配施方案。假单胞菌Pseudomonas是植物根围促生细菌, 既能抑制多种植物病原菌生长, 还能分泌一些小分子物质诱导植株产生抗病性, 间接提高作物产量;同时, 假单胞菌对农药污染的土壤有较好的修复作用, 有利于土壤微生物群落正常功能的恢复和维持[61-62]。链霉菌Streptomycete隶属放线菌, 可产生抗生素等多种生物活性物质。阎淑珍等将分离到的一株链霉菌R-2配制成微生物肥料, 田间实验表明, 该肥料对棉花黄萎病和油菜菌核病的抑制率分别为72%和97.2%。张忠良等研究表明, 生防娄彻氏链霉菌Streptomyces rochei生物有机肥对魔芋有显著的促生长作用, 其通过影响植株的光合生理、生化及诱导抗性提高魔芋产量, 改善球茎品质。周勇等通过研究4种不同菌种混合对复合中药渣进行固体发酵, 结果表明, 当枯草芽孢杆菌-乳酸芽孢杆菌-嗜酸乳杆菌-产朊假丝酵母菌比例为2∶1∶2∶1时, 发酵6 d后, 多糖的质量分数为6.08%;菌体量为1.5×10cfu/g, 发酵效果较好。柳艳艳等研究表明, 中等浓度 (菌剂0.1 g/kg) 巨大芽孢杆菌对增加油菜产量和根系生长有显著作用。李秀颖等通过向黄姜药渣中加入少量巨大芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌、圆褐固氮菌和EM菌 (由光合细菌、乳酸菌、芽孢杆菌、消化细菌等多种有益菌组成的1种复合菌群) , 在30~42℃环境下发酵20d, 获得发酵成品, 经检测符合生物有机肥料标准。
固氮菌是一类重要的植物促生细菌和放线菌, 占据着植物组织内有利于营养供应和微环境适宜的生态位, 能更好地发挥固氮、解磷、产植物生长素、产1-氨基环丙烷-1-羧酸 (ACC) 脱氨酶、产铁载体及拮抗病害等功能。溶磷菌具有将植物难利用的磷转化为可利用形态磷的能力, 固氮菌和溶磷菌联合对红海榄Rhizophora stylosa Griff.施用后使其苗高、地下生物量、总生物量、根全氮量和根全磷量分别提高了43.3%、44.8%、29.9%、29.3%和27%。光合细菌是一类利用太阳能生长繁殖的微生物, 以H2S或有机物为供氢体还原CO2, 并具有固氮功能, 在生物有机肥中加入光合细菌, 能促进稻田土壤中固氮菌和放线菌增殖, 提高土壤中微生物总量, 为作物创造良好的生长环境。

5.2 功能真菌群

在生物有机肥生产中, 引入促生抗逆真菌资源, 不仅能够提升生物有机肥质量和功效, 这些真菌随有机肥施入土壤后, 能够与中药材根系形成共生关系, 促进中药材健康生长, 而且为新型生物有机肥生产提供了新的功能微生物资源。AM真菌是自然生态系统中根际微生物群落的重要组成部分, 能与陆地生态系统中大部分植物形成菌根联合体。菌根联合体能增加限制性营养吸收, 抵御病原微生物, 增强抗旱能力, 加速植株生长。马丽等利用盆栽接种实验探讨了在不同施磷量条件下AM真菌摩西球囊霉对生长、养分吸收和微量元素含量的影响, 结果表明, 接种AM真菌和施磷之间有显著交互作用, 适宜施磷水平下接种AM真菌能够显著提高黄芩产量和质量, 提高磷肥利用率, 减少磷肥施用量。张国漪等研究表明, 配合施用AM真菌与死谷芽孢杆菌Bacillus vallismortis生物有机肥显著降低了棉花黄萎病的发病指数, 与对照相比其病情指数下降了72.80%, 根际可培养微生物数量和种类发生显著变化。祝英等利用3种自制植物根际促生菌 (plant growth promoting bacteria, PGPR) 、AM真菌、复合真菌菌剂和市场购买的“多利维生”寡雄腐霉卵孢子等4种植物益生菌菌剂进行当归拌种育苗试验, 结果表明, 添加外源微生物菌剂通过影响根际微生物类群数量和功能改善了根际土养分含量和植物吸收利用能力, 进而提高了当归苗的品质。

深色有隔内生真菌 (dark septate endophyte, DSE) 是指定居在植物根组织细胞内或细胞间隙的一群子囊菌和无性繁殖真菌, 这类真菌典型特征是细胞壁有黑色素沉淀, 能够形成深色有隔菌丝和微菌核等形态结构, DSE具有与菌根真菌类似的生物学功能, 不仅能增强宿主对矿质元素和有机养分, 特别是氮和磷的吸收, 还能提高植物适应性, 增强植物抗逆性及抗病性。谢玲等研究表明, DSE能与铁皮石斛苗共生, 明显提高铁皮石斛的生长能力, 具有较好的开发利用潜力。张晓蓉等研究表明, 接种DSE真菌甘瓶霉Phialophora mustea能够增强番茄植株抗氧化酶活性, 缓解由尖孢镰刀菌导致的脂膜过氧化胁迫, 提高植物对真菌病害的抗性, 促进宿主植物生长。根据AM和DSE真菌等功能性真菌在植物根系的广泛定殖和促生抗逆功能, 必将在以中药药渣为原料的生物有机肥研发和应用过程中发挥重要作用。

6.结语

中药是中华文化的瑰宝, 中医药事业是我国传统优势产业。中药渣资源的科学利用是一项复杂而艰巨的任务, 正视中药渣的产生及其资源化利用问题, 以中药药渣为原料生产生物有机肥, 可提高中药材资源的利用价值。而生物有机肥的推广使用, 将在改善我国的生态环境, 提高农作物产量和品质, 保障国民身体健康, 促进农业可持续发展和循环经济方面发挥重要作用。由于中药药渣来源途径广, 使得中药渣的处理工作变得更为复杂。所以, 在中药渣资源利用中, 要根据不同种类药渣对其采用不同的方法进行处理, 比如有些中药渣可用于栽培食用菌, 有些可用作禽畜饲料或者添加剂, 还有些可用于制取生物质能源等, 这些需要依据中药渣的具体化学、物理性质才能合理地进行综合资源化利用。在中药药渣生产生物有机肥的过程中, 针对中药药渣来源多样性和安全性、中药药渣有效成分分析、微生物降解菌群和功能菌群筛选、生物发酵工艺的科学性和稳定性等问题进行系统深入研究, 才能生产出具有高附加值的生物有机肥。