紫莖澤蘭與馬鈴薯淀粉加工廢渣混合產沼氣及沼渣毒性研究

吳　笛

(西昌學院工程技術學院， 四川 西昌　615013)

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紫莖澤蘭與馬鈴薯淀粉加工廢渣混合產沼氣及沼渣毒性研究

吳笛

(西昌學院工程技術學院， 四川 西昌615013)

文章通過使用外來入侵植物—紫莖澤蘭的莖桿和馬鈴薯深加工廢渣為原料，探究該兩種原料不同比例、沼氣底液和溫度對其厭氧發酵沼氣產氣量的影響。試驗結果表明：在紫莖澤蘭莖桿與馬鈴薯深加工廢渣的比例為1∶2, 沼氣底液為100 mL和溫度為30℃的厭氧發酵條件下，混合發酵的產氣速率和累積產氣量出現最高峰。并利用產氣后的沼渣做飼料毒性研究，以小白鼠為試驗對象，進行長達65天的觀察。試驗結果表明：當沼渣含量在10%范圍內時，試驗組小白鼠的生長發育情況與對照組相近。為紫莖澤蘭和馬鈴薯深加工廢渣的資源化利用提供了新的方法。

紫莖澤蘭； 馬鈴薯廢渣； 沼氣； 飼料； 小白鼠

紫莖澤蘭(EupatoriumadenophorumSpreng)英語俗名：Croftonweed，MistflowerEupatorium；別名腺澤蘭，系菊科澤蘭屬叢生狀半灌木多年生草本植物[1]。原產于美洲的墨西哥至哥斯達黎加一帶，大約在20世紀40年代由中緬邊境傳入我國云南南部[2]。紫莖澤蘭對環境的適應性極強，入侵后，會導致土壤動物類群數量和部分類群個體數量減少，破壞了生物的多樣性[3-4]。但是紫莖澤蘭具有一定飼用價值含有豐富的營養成分，如氨基酸、蛋白質、脂肪等，其中蛋白質含量占干物質總量的19.7%，與麥麩相當，脫毒后可做飼料原料。研究表明：紫莖澤蘭是一種理想的飼料與沼氣發酵原料，其有毒物質主要分布在葉片中，馬鈴薯是一種高產作物, 且是糧菜兼用作物, 營養價值高[10]。在加工馬鈴薯生產淀粉的莖稈中Euptox A全年平均含量為0.27%，莖稈部的干重占整個植株60%到70%，經復合菌種處理后，能顯著降低有毒物質含量，可作為原料配成配合飼料喂豬和豚鼠，均表明處理后的紫莖澤蘭已無毒性[5-9]。過程中會產生大量高濃度有機的廢水和廢渣，廢渣里含有蛋白質、氨基酸、糖類等物質，容易被微生物利用，如果不進行綜合利用和末端治理[11]，直接排放,會對環境造成嚴重的污染，且其蛋白質含量低, 直接用作飼料營養價值低、效果差[12]。馬鈴薯渣中含有大量營養物質，是很好的飼料來源[13-14]。研究表明[15]，通過微生物發酵的處理可大幅度提高馬鈴薯廢渣的蛋白含量，從發酵前干重的4.62%增加到57.49%。含30%的馬鈴薯渣發酵蛋白飼料與沙棘嫩枝葉配合使用，可提高兔肉蛋白質及脂肪含量，改善兔肉品質[16]。

單一原料發酵已得到深入細致的研究, 并形成了較成熟的技術體系而應用于實際生產生活中[17-20]。但是諸多研究表明，不同發酵原料以一定比例混合后的發酵效果較單一原料發酵效果有顯著提高[21-23]。Weiland[24-25]提出, 混合厭氧發酵以及優化混合原料組合將是厭氧消化技術的重要發展方向。然而，有關混合紫莖澤蘭與馬鈴薯深加工廢渣產沼氣及沼渣飼料毒性的研究卻罕見報道。因此，將紫莖澤蘭莖桿與馬鈴薯深加工廢渣具有積極意義，不僅原材料易得，成本低，而且能將入侵之物—紫莖澤蘭和馬鈴薯廢渣資源化利用，避免其污染環境。

研究主要分為兩個階段。第一階段：主要以紫莖澤蘭莖桿和馬鈴薯生產淀粉過程中所產生的廢渣為原料，以常溫厭氧發酵池中底部液體為接種物，在自制發酵裝置內，研究不同原料配比、沼氣底液和溫度對厭氧發酵產氣速率和累積產氣量的影響。旨在找出最佳的配比、沼氣底液和溫度。第二階段：主要以第一階段的厭氧發酵結束后的沼渣為原料，配以其他輔助原料制成簡易飼料喂養小白鼠，研究沼渣飼料的毒性。為解決農村能源短缺、紫莖澤蘭和馬鈴薯深加工廢渣的資源利用率，使其變廢為寶提供理論依據和技術支撐。

1　材料與方法

1.1混合紫莖澤蘭與馬鈴薯深加工廢渣產沼氣研究

1.1.1實驗原料

紫莖澤蘭取自西昌學院圖書館后的小森林。采取的紫莖澤蘭去根和葉，除去雜質并切成小段，放入干燥烘箱，在105℃烘干。將烘干的紫莖澤蘭小段取出，用粉碎機粉碎過20～40目分析篩，備用。自制馬鈴薯廢渣，即做即用。向沼氣發酵裝置中加入富含大量沼氣微生物的接種物，可以加快沼氣發酵的啟動速度和提高沼氣產氣量[26]。因此，接種物取自農戶正常產氣沼氣池底部的液體。

1.1.2實驗裝置

采用常規排水法收集氣體，發酵裝置如圖1所示。實驗裝置中發酵瓶、集氣瓶、集水瓶的有效容積均為250 mL，沼氣底液包含菌種。所有接口均涂抹上凡士林以增強氣密性。將發酵瓶置于恒溫水浴鍋以保持其溫度。

圖1　發酵裝置示意圖

1.1.3實驗設計

研究不同比例、沼氣底液及溫度3個因素對厭氧發酵產氣量的影響，試驗中每個處理設置 2 個重復。

(1)比例對厭氧發酵產氣量的影響。設定發酵溫度為中溫30℃，沼氣底液為100 mL，設定比例分別為 3∶1，2∶1，1∶1，1∶2，1∶3 時測定其各個處理的產氣量。

(2)沼氣底液對厭氧發酵產氣量的影響。設定發酵溫度為中溫 30℃，比例為1∶2，設定沼氣底液分別為 50 mL，75 mL，100 mL，125 mL 時測定其各個處理的產氣量。

(3)溫度對厭氧發酵產氣量的影響。設定比例為1∶2，沼氣底液為100 mL，設定溫度分別為20℃，25℃，30℃，35℃，40℃，45℃，50℃時測定其各個處理的產氣量。

1.2沼渣飼料毒性研究

1.2.1實驗材料

實驗所用小白鼠50只均從市場購入；實驗飼料按照小白鼠飼料配方配制(見表2)；其他常規飼料從市場購入。

1.2.2實驗方法

參加實驗的小白鼠共36只，實驗分成7個組，試驗組共6組，第1，2，3組由3只公鼠和2只母鼠組成，第4，6組由2只公鼠和3只母鼠組成，第5組公鼠和母鼠各3只；對照組由3只公鼠和2只母鼠構成。每組嚴格按公母分欄飼養,避免其繁殖影響實驗，并按常規飼養管理進行喂養。實驗時間共65 d，前10 d按比例混合喂養，按1∶2，1∶1，2∶1飼養，讓小白鼠適應自制飼料后開始正式試驗。每天喂食，觀察小白鼠的采食情況，定期清理鼠舍并稱重。將死去的小白鼠進行解剖觀察。試驗結束后使小白鼠安樂死，并剖檢觀察同時稱取小白鼠體重及各主要臟器(肝臟、腎臟、心臟、肺部)重量，做好記錄，計算各臟器系數公式：

臟器系數(mg·g-1)= 臟器重量/小鼠體重

表2　小白鼠飼料配方　(%)

2　結果與分析

2.1不同因素對紫莖澤蘭莖桿與馬鈴薯廢渣混合發酵的影響

2.1.1紫莖澤蘭與馬鈴薯深加工廢渣比例對厭氧發酵產氣量的影響

將溫度固定在30℃，沼氣底液在100 mL的厭氧發酵條件下，研究紫莖澤蘭與馬鈴薯深加工廢渣比例對混合厭氧發酵產氣量的影響。原料配比的不同會影響微生物活性，從而影響到沼氣的產量。從圖2可以看出，3∶1，2∶1，1∶2，1∶3的比例厭氧發酵啟動快，均能在較短的時間內開始正常產氣，1∶1比例無產氣情況。1∶2在正常產氣的第2 d出現產氣高峰，峰值為690 mL·d-1，產氣高峰過后產氣速率逐漸下降。3∶1和1∶3的比例在正常產氣的第1 d出現產氣高峰，峰值分別為440 mL·d-1和520 mL·d-1，產氣高峰過后產氣速率逐漸下降。2∶1的比例在正常產氣的第3 d出現產氣高峰，峰值為147 mL·d-1，產氣高峰過后產氣速率逐漸下降。各組不同原料比例的產氣速率變化曲線基本相似，都有高峰，而后下降至產氣結束。這主要是和甲烷菌與產酸菌的活性和密度有關。當系統中產酸菌的產酸的速度與甲烷菌利用有機酸的速度達到平衡時，產氣速率就會提高，反之，則產氣速率就會下降[27]。通過SPSS軟件Kruskal-Wallis比較結果顯示(見表3)，3∶1與1∶3之間產氣速率差異顯著(p<0.05)。

圖2　不同比例的產氣速率

圖3　不同比例的累積產氣量

從圖3可以看出，5種不同混合比例產氣結束后，累計產氣量依次為1∶2>1∶3>3∶1>2∶1>1∶1，分別為1356 mL，1006 mL，486 mL，391 mL和0 mL。由此可以看出，紫莖澤蘭與馬鈴薯深加工廢渣的比例為1∶2時，厭氧發酵的累積產氣量最大。不同比例的累積產氣量曲線都是逐漸增加到一定程度后停止。發酵過程中，發酵微生物的數量是影響產氣量的最重要的因素，李杰[28]等人研究表明，甲烷菌對pH值較為敏感，適宜的pH 值為6.8～7.8，當pH值低于6.7 時，甲烷菌活性受到抑制。2∶1比例的前期無產氣量，可能由于發酵前期的pH值過低，甲烷菌活性受到抑制，產氣量下降。而到發酵中后期處于酸化階段，可降解的有機物不充足，從而使累積產氣量產氣量降低[29]。Kruskal-Wallis比較結果顯示(見表3)，3∶1和1∶2，1∶3之間的累計產氣量差異顯著(p<0.05)。

2.1.2沼氣底液對厭氧發酵產氣量的影響

在溫度為30℃，沼氣底液為100 mL的厭氧發酵條件下，研究沼氣底液對混合厭氧發酵產氣量的影響。從圖4可知，4種不同的沼氣底液均在短時間內開始產氣。沼氣底液為75 mL, 100 mL和125 mL時產氣速率升高后降低，并在第2 d出現產氣高峰，峰值分別為680 mL，690 mL，815 mL。這是因為發酵初期厭氧菌有一個逐漸適應的過程，當其適應后開始分解產氣。而125 mL在后期出現次高峰，可能是由于甲烷菌的暫時休眠后的爆發。50 mL的產氣速率逐步下降，可能是因為厭氧菌只有在適宜的料液濃度時，才能表現出最佳活性，有機物去除率最高，沼氣底液較少，可以被降解的有機質含量少，產生有機酸少，甲烷菌生長繁殖需要的營養不足，菌種

表3　不同比例的產氣速率和累積產氣量Kruskal-Wallis比較結果

的活性降低，從而影響厭氧發酵的產氣速率[30]。Kruskal-Wallis比較結果顯示(見表4)，100 mL與125 mL之間產氣速率差異顯著(P<0.05)。

一般在實際生產中, 以產氣量達到總產氣量的90%以上即可認為發酵基本完成[31]。圖5顯示，當厭氧發酵基本完成時，4種不同沼氣底液的累積產氣量依次為50 mL<75 mL<100 mL<125 mL，分別為640 mL，1223 mL，1356 mL和1480 mL。由此可以看出，沼氣底液為125 mL時，厭氧發酵的累積產氣量最大。Kruskal-Wallis比較結果顯示(見表4)，100 mL與50 mL、75 mL之間的累積產氣量差異顯著(P<0.05)。

圖4　不同沼氣底液的產氣速率

圖5　不同沼氣底液的累積產氣量

2.1.3溫度對厭氧發酵產氣量的影響

溫度是影響沼氣發酵的重要因子，對微生物的宏觀活性具有影響，將溫度維持在適宜的范圍內，有助于保證產氣率。一般情況下，將沼氣發酵溫度范圍分為常溫型(10℃～26℃)、中溫型(28℃～38℃)和高溫型(46℃～60℃)3個溫度類型[32]。常溫下厭氧菌最適宜的溫度是20℃，所以在20℃左右是常溫甲烷菌起主要作用，而30℃左右是中溫甲烷菌起主要作用，25℃下各類甲烷菌的活性都較低[33]。圖6表明，除25℃外，其余溫度均能在短時間內正常產氣，產氣速率初期呈上升趨勢，均在第2 d出現產氣高峰，峰值分別為300 mL，673 mL，468 mL，239 mL，700 mL和435 mL。Kruskal-Wallis比較結果顯示(見表5)，30℃與40℃,45℃,50℃的產氣速率差異顯著(P<0.05)，40℃與45℃,50℃的產氣速率差異顯著(P<0.05)，45℃和50℃的產氣速率差異顯著(P<0.05)，30℃的厭氧發酵效果顯著優于40℃，45℃，50℃的厭氧發酵效果。25℃無產氣情況，可能是由于常溫下厭氧菌在20℃的活性最高，而25℃下的厭氧菌代謝活動降低，進而處于生長繁殖停止狀態，并且參與發酵的原料較少，導致產氣不顯著。

圖7顯示，7種不同溫度產氣結束后，累計產氣量依次為30℃>35℃>45℃>50℃>40℃>20℃>25 ℃，分別為1663 mL,1278 mL,1220 mL,735mL,385 mL,357 mL和0 mL。由此可以得到，當溫度為30℃時，厭氧發酵的累計產氣量最大，適合沼氣發酵溫度依次為中溫型>高溫型>常溫型[34]。Kruskal-Wallis比較結果顯示(表5)，20℃與30℃,40℃的累積產氣量差異顯著(P<0.05)，30℃與40℃的累積產氣量差異顯著(P<0.05)，35℃與40℃的累積產氣量差異顯著(P<0.05)。

圖6　不同溫度的產氣速率

比 例均值mL·d-1P-value累積值mLP-valueA(50mL)71P(A-B)=0.160,P(A-C)=0.185,P(A-D)=0.098640P(A-B)=0.079,P(A-C)=0.035,P(A-D)=0.222B(75mL)136P(B-C)=0.198,P(B-E)=0.1341223P(B-C)=0.019,P(B-D)=0.222C(100mL)151P(C-D)=0.0491356P(C-D)=0.222C(125mL)164—1480—

表5　不同溫度的產氣速率和累積產氣量Kruskal-Wallis比較結果

圖7　不同溫度的累積產氣量

2.2沼渣飼料對小白鼠的影響

在整個試驗過程中，除個別外，其余均與對照組

無明顯差異，且各組小白鼠飲水、采食均正常。由表6可知，試驗組1，4和對照組的小白鼠在試驗期間體重均有增加，且各個試驗組與對照組相比均無顯著性差異(P>0.05)，可見當沼渣含量為10%和40%時，對小白鼠體重無不良影響。但是，第5、6組小白鼠體重均有所降低，可能是因為沼渣加入量過多，不能供應其生長所需的營養元素。試驗進行到第45天時，第2組的公老鼠死亡，解剖后心臟、腎臟、肝臟、肺部均正常，可能是由于小白鼠生病導致不能正常進食致死。隨后幾天，第3組小老鼠神情萎靡，無精打采，死亡。解剖后心臟、腎臟、肝臟、肺部均正常，可能是被第2組傳染疾病致死，立即將其他各試驗組分開放置，避免傳染。實驗結束后將小白鼠解剖觀察，各個試驗組(見表7)經統計學分析，與對照組相比，沼渣各個含量的試驗組的臟器系數均無明顯差異(P>0.05)。解剖后，經肉眼觀察均未見任何異常和可疑病變，如小白鼠有肝臟腫大，有局灶性壞死，脾臟腫大，腎臟萎縮的異常現象[35]。

表6　小白鼠體重變化情況　(g)

表7　小白鼠臟器系數

3　結果與討論

混合紫莖澤蘭與馬鈴薯深加工廢渣產沼氣研究試驗結果表明，當紫莖澤蘭莖桿與馬鈴薯深加工廢渣的比例為1∶2，溫度為中溫30℃，沼氣底液為100 mL時的產氣效果最佳。

沼渣飼料毒性研究試驗結果表明，各個沼渣含量的試驗組小白鼠的增重與對照組相比均未發生顯著性變化(P>0.05)。剖檢觀察肝臟、腎臟、心臟等也為發現異常變化。整個試驗期間均未發現肉眼可見的病變，臟器系數與對照組相比無統計學差異(P>0.05)。

本試驗中，未發現發酵后的沼渣對小白鼠生長發育的不良影響，結果表明當沼渣含量在10%范圍內，小白鼠增重情況與臟器系數差異不大，可以長期飼用。由于沼渣含量為20%，30%試驗組的小白鼠死光，無法反映其對小白鼠生長發育的影響，可以進一步探究。

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Co-digestion of Eupatorium adenophonum Spreng and Potato Starch Processing Waste and the Its Residue Toxicity /

WU Di /

(School of Engineering Science, Xichang College, Xichang 615013, China)

With the stem ofEupatoriumadenophonumSprengand deep processing waste residue of potato as the raw materials, their anaerobic co-digestion, under different mixing proportion, different amount of inoculum biogas slurry and different temperature, were carried out.The result showed that, under theEupatoriumadenophonumSprengand potato processing residue mixing ratio of 1∶2, inoculum biogas slurry of 100 mL, and temperature of 30℃, the biogas production rate and accumulative gas production reached the peak. After the anaerobic co-digestion, the digested residue was used as feed additives for mouse. Observation of 65d was made. The result showed that, when the mouse food contained the residue lower than 10%, the growth of tested mouse were similar with that of control group. This result could provide a way of comprehensive utilizing ofEupatoriumadenophonumSprengand potato processing waste.

eupatorium adenophonum spreng; waste residue of Potato; biogas; fodder; mouse

2016-09-01

項目來源： 四川省科技廳應用基礎研究項目(2Ol3JYO131)

吳笛(1970-)，女，副教授，研究生，主要研究方向為農業工程，E-mail：xccollege.wd@163.com

S216.4; X705

B

1000-1166(2016)05-0050-07