復方膚清洗劑中藥渣堆肥發酵條件研究

周燦 劉忍陽 梁曉霞 狄士文 石金敏 張澤志

摘要：為研究復方膚清洗劑中藥渣堆肥發酵條件，采用有氧人工發酵、有氧自然發酵、無氧人工發酵以及無氧自然發酵4種堆肥方式處理，監測堆肥過程中溫度、電導率、pH、種子發芽指數、全磷含量以及碳氮比（C/N）的變化。結果表明，有氧人工發酵堆肥溫度高，腐熟進度快，是復方膚清洗劑中藥渣堆肥的有效制備方法；其堆肥發酵條件為含水量60%，pH 6～8，Rw促腐劑含量0.1 g/kg，每天翻堆1～2次。

關鍵詞：復方膚清洗劑；中藥渣；堆肥；發酵條件

中圖分類號：S141.4；R124.3 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2023）11-0041-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.11.008 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on composting fermentation conditions of Chinese medicine residue of Compound Fuqing Lotion

ZHOU Can1， LIU Ren-yang2， LIANG Xiao-xia1， DI Shi-wen1， SHI Jin-min1， ZHANG Ze-zhi3

（1.Department of Pharmacy， Renmin Hospital Affiliated to Hubei University of Medicine， Shiyan ?442000， Hubei， China； 2.School of Pharmaceutical Sciences， Hubei University of Medicine， Shiyan ?442000， Hubei， China；3.Shiyan Academy of Agricultural Sciences， Shiyan ?442000， Hubei， China）

Abstract： To explore the composting fermentation condition of Chinese medicine residue of Compound Fuqing Lotion， four composting methods such as aerobic artificial fermentation， aerobic natural fermentation， anaerobic artificial fermentation and anaerobic natural fermentation were used， and the changes of temperature， electrical conductivity， pH， seed germination index， total phosphorus content and the ratio of carbon and nitrogen （C/N） were monitored in the composting process. The results showed that the aerobic artificial fermentation composting was the best preparation method of Chinese Medicine residue of Compound Fuqing Lotion， which had high compost temperature and a fast maturity schedule. The composting fermentation condition of Chinese Medicine residue of Compound Fuqing Lotion was as follows： Moisture content was 60%， pH was 6～8， Rw composting agent proportion was 0.1 g/kg， and the number of compost turnovers per day was once or twice.

Key words： Compound Fuqing Lotion； Chinese medicine residue； compost； fermentation conditions

隨著中醫藥事業的發展以及人們健康意識的增強，中草藥和中成藥的應用日益廣泛，中藥藥渣富集明顯。2017年中國中藥渣年產量超3 000萬t［1］，2020年藥渣排放量達7 000萬t［2］，2022年中國1 500家中藥企業年產中藥渣1 200萬t［3］。如何處理中藥渣成為中藥事業發展面臨的新問題［4］。

中藥渣有藥物成分殘留，含水量高，易腐爛變質，如處理不當，容易帶來極大的環境污染問題［5］。近年來，中藥渣已被廣泛加工成肥料、食用菌袋料等［5-7］。這主要源于植物類中藥富含多種營養元素、有機和無機物質［1，8，9］，透氣性好、成本低，適合做有機肥和輕基質原料。然而，在制作原料過程中，由于不同種類中藥渣理化性質差異較大，堆肥存在明顯差異，影響中藥渣作為堆肥產品的標準［2，3，10］。

復方膚清洗劑由金銀花、野菊花、大青葉、赤芍、當歸、地膚子、苦參、滑石、甘草等中藥組成，具清熱利濕、涼血解毒、祛風止癢之功效，臨床用于各種過敏性、瘙癢性、紅斑鱗屑性及細菌性皮膚病的治療。該方由湖北醫藥學院附屬人民醫院皮膚科醫生多年臨床治療經驗總結以及知名中西醫專家論證確定，經過5年多臨床使用后固定處方組成和制備方法。由于其臨床療效顯著，生產量大，生產后的藥渣處理比較棘手，因此在開展該制劑制備工藝和質量標準研究的同時，啟動了其藥渣有機基質的制備研究，現介紹如下。

1 材料與方法

1.1 材料

所用中藥渣為湖北醫藥學院附屬人民醫院制劑中心生產復方膚清洗劑之廢渣，曬干后經粉碎使其粒徑小于3 cm。所用試劑有Rw促腐劑（河南省鶴壁市人元生物技術發展有限公司）、其他試劑（均為分析純）。

所用儀器有CP2104型奧豪斯電子分析天平［奧豪斯儀器（上海）有限公司］、TU1901型紫外分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）、STARTER2100型奧豪斯酸度計［奧豪斯儀器（上海）有限公司］、DDS-11A型數顯電導率儀（上海宇龍儀器有限公司）和SF-200型高速粉碎機（武昌區隆昌制藥機械廠）。

1.2 方法

1.2.1 有機基質的制備 采用有氧人工發酵、無氧人工發酵、有氧自然發酵和無氧自然發酵4種堆肥方式。①有氧人工發酵。稱取中藥渣約5 kg，置儲物箱內；精密稱取Rw促腐劑0.5 g，倒入相當于中藥渣質量60%的水中，攪拌均勻后倒入儲物箱中，調節pH至6～8。②無氧人工發酵。按照有氧人工發酵方法操作后，加蓋密閉。③有氧自然發酵。稱取中藥渣約5 kg，置儲物箱內，加入相當于中藥渣質量60%的水，拌勻。④無氧自然發酵。按照有氧自然發酵方法操作后，加蓋密閉。

翻堆方法：有氧人工發酵和有氧自然發酵每天翻堆1次，溫度超過70 ℃時每天翻堆2次；無氧自然發酵和無氧人工發酵不翻堆。

1.2.2 采樣方法及指標測定

1）采樣及樣品制備方法。分別于堆肥0、15、30、45、60、75、90 d采樣，按照五點采樣法［11］采樣后混合均勻，風干，粉碎并過1 mm篩，置干燥器內備用。

2）溫度監測［12］。于每天上午10：00對各發酵制備組隨機取3個點測定溫度，計算其平均值。

3）pH和電導率（EC）監測［11，13］。稱取上述所制各樣品3份，每份各約5 g，置100 mL燒杯中，加入50 mL去離子水，攪動15 min，靜置30 min，過濾，取續濾液測定pH和EC，重復操作3次取平均值。

4）種子發芽指數（GI）監測［14］。在種子發芽盒（11.5 cm×11.5 cm×4.5 cm）中測定，指示種子為大白菜（Brassica rapa L. ssp. pekinensis）。滴入5 mL堆肥水浸提備用液或去離子水（對照）于發芽盒中發芽紙上，均勻播種30粒種子，在25 ℃暗培養48 h后測定，每處理重復3次。發芽指數=（處理的平均種子發芽率×處理的平均種子胚根總長）/（對照的平均種子發芽率×對照的平均種子胚根總長）×100%。

5）全磷含量監測。采用國家農業行業標準商品有機肥料標準NY 525—2012中規定的釩鉬黃法測定［13］。

6）C/N監測。采用國家農業行業標準商品有機肥料標準NY 525—2012中規定的重鉻酸鉀法測定有機質含量，全碳含量由有機質含量/1.724（經驗常數）計算確定；全氮含量采用凱式定氮法測定［13］。

7）微生物變化監測。每日觀察并記錄各組微生物生長變化情況。

2 結果與分析

2.1 溫度監測結果

由圖1可知，復方膚清洗劑中藥渣通過4種堆肥方式后，均從1 d后開始堆體溫度升高，38 d后溫度均趨向同一水平。其中，藥渣經過有氧人工發酵 ? ?4 d進入高溫階段（溫度＞50 ℃）并保持高溫17 d，發酵15 d出現最高溫度（63.3 ℃），20 d開始進入后熟保肥階段；藥渣經過有氧自然發酵11 d進入高溫階段并保持高溫11 d，18 d出現最高溫度（63.0 ℃），20 d進入后熟保肥階段；有氧條件下，藥渣自然發酵較人工發酵高溫出現時間延遲、保持時間短。無氧條件下，藥渣人工發酵或自然發酵最高溫度均未超過35 ℃，無明顯差異。

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][溫度//℃][0 ?15 30 45 60 75 90

時間//d][有氧人工發酵

有氧自然發酵

無氧人工發酵

無氧自然發酵

]

圖1 不同發酵方式對中藥渣堆肥過程中溫度的影響

2.2 pH和EC監測結果

在堆肥過程中，pH的變化主要是由氨化作用和硝化作用引起的［15］。結果（圖2）顯示，復方膚清洗劑藥渣隨著發酵時間的不斷延長，各組pH雖有所變化，但仍處于微生物生長繁殖的最適pH范圍內（6～8），對微生物活性有利。其中，在有氧條件下，中藥渣人工發酵和自然發酵的pH不斷升高，且人工發酵較自然發酵總體偏高；而在無氧條件下，中藥渣人工發酵或自然發酵的pH不斷下降。

電導率的變化反映了腐熟進程中的鹽分水平［16］。結果（圖3）顯示，堆肥過程中藥渣EC均隨著發酵時間的延長而升高，說明復方膚清洗劑中藥渣含鹽量較高，需要結合不同土壤情況使用堆肥。有氧堆肥的中藥渣pH和EC高，應在酸性土壤中追施；無氧堆肥的中藥渣pH低、EC高，應在堿性土壤中追施。

2.3 種子發芽指數監測結果

種子發芽指數能在一定程度上指示堆肥質量和毒性，發芽指數大于50%時，堆肥沒有毒性；發芽指數大于80%時，沒有植物毒性［15］。由圖4可知，復方膚清洗劑中藥渣發酵時，種子發芽指數均隨著堆肥發酵時間的延長而升高，有氧發酵升高較明顯，且有氧人工發酵在中藥渣發酵30 d時種子發芽指數大于50%，最高值出現在發酵90 d，達82%，有氧自然發酵在中藥渣發酵60 d時種子發芽指數大于50%，最高值出現在發酵90 d，達77%；無氧條件下，人工發酵或自然發酵下中藥渣堆肥發酵種子發芽指數升高均較緩慢，均于發酵60 d時大于50%，最高值也均出現在發酵90 d，發芽指數分別為59%和60%。這說明復方膚清洗劑中藥渣堆肥最適宜采用有氧人工發酵。

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][發芽指數//%][0 ?15 30 45 60 75 90

時間//d][有氧人工發酵

有氧自然發酵

無氧人工發酵

無氧自然發酵

]

圖4 不同發酵方式對中藥渣堆肥過程中發芽指數的影響

2.4 全磷含量監測結果

由圖5可知，復方膚清洗劑中藥渣發酵堆肥過程全磷含量隨發酵時間延長呈不斷升高趨勢，最終趨于穩定。發酵結束后，有氧人工發酵中藥渣堆肥全磷含量增加了0.94%，有氧自然發酵、無氧人工發酵和無氧自然發酵3種方式分別增加了0.89%、0.79%和0.77%，以有氧人工發酵和有氧自然發酵增幅較大。

2.5 C/N監測結果

C/N在一定程度上反映了堆肥腐熟度及土壤氮的轉化與吸收［2，15］。由圖6可知，復方膚清洗劑中藥渣發酵堆肥時，C/N均呈下降趨勢，中藥渣在有氧條件下，人工發酵或自然發酵降幅較大，分別于90 d從初始值的29和28降至17和18，下降了41%和36%；在無氧條件下，藥渣人工發酵或自然發酵均未降至20以下。這表明在有氧條件下復方膚清洗劑中藥渣發酵堆肥時氮素處于轉化和釋放狀態，而無氧條件下藥渣堆肥的可利用氮素較少。

2.6 微生物變化監測結果

微生物變化可間接反映堆肥發酵過程中的腐熟度。復方膚清洗劑中藥渣在有氧人工發酵條件下，發酵9 d時堆肥溫度達60 ℃，同時產生白色放線菌絲，發酵14 d菌絲最多，之后逐漸減少，發酵20 d基本消失；有氧自然發酵條件下，發酵13 d開始產生少量白色放線菌絲，發酵17 d菌絲最多，發酵22 d基本消失；無氧人工發酵條件下，發酵5 d開始產生霉菌，并一直維持至44 d后開始消失；無氧自然發酵條件下，從發酵7 d開始產生霉菌，至發酵11 d霉菌生長量達到最大，一直維持至發酵49 d后逐漸減少并消失。

3 小結與討論

3.1 小結

各監測數據顯示，有氧人工發酵組以及有氧自然發酵組的各項指標均優于無氧人工發酵和無氧自然發酵，其中以有氧人工發酵為最優。有氧人工發酵加入了菌劑，且未密閉發酵，同時翻堆操作又能接觸空氣，因此，在相同初始條件（pH 6～8，C/N 28～29）下，有氧人工發酵能最先進入高溫階段并維持較長時間；pH、EC和全磷含量等均于高溫階段結束時趨于穩定；發芽指數和C/N同期比較也是最優水平，說明通氣狀況、翻堆與否以及是否添加菌劑是影響發酵的主要因素。同時，有氧人工發酵堆肥方式是復方膚清洗劑中藥渣有機基質的最佳制備方法，且在初始含水量60%、堆肥pH 6～8、Rw促腐劑含量 ? 0.1 g/kg、每天翻堆1～2次的條件下發酵90 d后，EC為0.89 μS/cm，種子發芽指數為82%，全磷含量為1.79%以及C/N為17。

3.2 討論

3.2.1 發酵原理 在一定溫度、濕度和pH條件下，利用微生物使有機物發生生物化學降解，形成一種類似腐殖質土壤的物質，用作肥料和改良土壤的方法稱為生物處理法，又稱發酵［17］。發酵分為高溫發酵和厭氧發酵。高溫發酵又稱為好氧發酵，是好氧微生物在有氧的條件下發生作用的過程，即微生物通過分泌胞外酶分解附著在其體外的固體和膠體有機物，使其變成可溶解性物質，然后和其他可溶解性有機物一起滲入或透過細胞壁和細胞膜進入微生物細胞而被其所吸收；微生物通過自身的氧化、還原、合成等過程將一部分有機物轉化成簡單的無機物并釋放能量供生物生長活動所需，將另一部分有機物轉化為生物體所必需的營養物質，合成新的細胞物質，從而使微生物逐漸生長繁殖，產生更多的生物體。厭氧發酵是厭氧微生物在無氧條件下發生作用的過程，微生物分解初期的產物為有機酸、醇等，此時積累大量的有機酸，pH逐漸下降，為酸性發酵階段；同時，甲烷細菌開始將有機酸和醇分解為甲烷和二氧化碳并使自身大量繁殖，此時有機酸被分解，pH迅速上升，為堿性發酵階段。

3.2.2 發酵影響因素 主要包括：①有機質含量。有機質是微生物賴以生存和繁殖的重要因素。有機物含量過低不但影響發酵溫度而達不到無害化效果，同時也不利于微生物的分解和繁殖而影響肥效；有機質含量過高則對通風和供氧造成困難［17］。②溫度。發酵過程中微生物分解有機物而釋放熱量，從而影響發酵溫度。在發酵初期，即中溫發酵階段，中溫菌起主要作用，溫度一般為15～45 ℃；隨著微生物活動的不斷活躍，釋放的熱量越來越多，逐步進入高溫發酵階段，此時高溫菌占主導作用，溫度一般為50～60 ℃，維持該溫度一周左右即可殺死其中的寄生蟲、卵、病原菌等，達到無害化標準［18］。溫度過低，達不到分解效果及無害化標準；溫度過高，則容易造成水分過度喪失而使發酵停止。③水分。水分是微生物賴以生存的重要物質基礎，水分含量直接影響發酵進度，水分含量過高有礙于通氣，造成缺氧，不利于微生物的生長和繁殖，使溫度難以上升，分解速度明顯減慢；水分含量過低則微生物代謝作用減慢或停止，有機物難以分解。④通氣條件。通氣主要是給好氧微生物提供氧氣，以利于其生長和繁殖并分解有機物。通氣量過小微生物得不到充足的“養分”而分解緩慢；通氣量過大則容易造成水分的大量喪失和溫度的快速降低。⑤碳氮比。碳氮比是發酵原料和添料的總碳含量與總氮含量的比值。適宜的碳氮比對發酵有重要作用，若碳氮比高，碳素多，氮素少，會減慢微生物的生長繁殖即影響有機物分解，延緩堆肥時間；若碳氮比低，碳素少，氮素多，則氮素容易變成氨氣而揮發損失，同時造成了空氣污染［19］。⑥菌劑。菌劑是采用現代化學、生物技術，經過特殊的生產工藝生產的微生物菌種，其中包括分解纖維素、半纖維素和木質素的嗜熱、耐熱的細菌、真菌和放線菌等。菌劑的加入一方面能補充原料中微生物的缺失，另一方面能平衡原料中微生物的種類和數量，使發酵過程按照既定的程序進行，以達到最佳發酵狀態［20，21］。此外，翻堆頻率［16］、初始pH、覆蓋材料［15］等對發酵也存在一定的影響。

3.2.3 試驗注意事項 本研究發酵所用原料為5 kg，量較少，若采用敞開式堆肥處理，則會由于堆高 ? ?（≥0.5 m）不達標而造成堆體溫度快速喪失，致使發酵無法進入高溫階段。因此，本研究采用了適當容積的儲物箱進行儲存，同時將儲物箱各面包裹泡沫以達到保溫效果；試驗過程中，有大量放線菌、霉菌等的產生與繁殖，同時有的試驗組具有惡臭等，因此在進行翻堆、取樣處理時注意個人防護，操作后及時洗手，以免造成感染。

3.2.4 發展前景 2017年7月1日，《中華人民共和國中醫藥法》頒布實施，這對繼承和弘揚中醫藥、保障和促進中醫藥事業發展和保護人民健康具有重要意義，但隨之而來的中藥廢渣處理問題也將越來越嚴峻。因此，既促進中醫藥的發展，又解決好中藥渣對環境的污染問題或者中藥渣的再利用問題，才是真正地實現中醫藥事業的可持續發展。根據文獻記載，中藥渣具有非常高的利用價值，或有效成分富集再利用［22］，或制備堆肥育苗［23］，或栽培食用菌［24］，或制備蛋白飼料［25］，或制備絮凝劑用于廢水處理［26］，或催化裂解制取生物油［27］等。然而遺憾的是，國內外對中藥渣資源化利用的研究仍多處于實驗室階段，僅有中藥渣有機基質及肥料的研究已經進入中試及肥效試驗階段［7］，同時取得了可喜的成效。由此可見，將中藥渣開發成有機基質及肥料是最容易實現的中藥渣綜合再利用途徑。中藥渣有機基質及肥料既能保證肥效，又能改良土壤；既能產出綠色有機農產品，又能推動農業的健康持續發展，因此具有廣闊的市場開發前景。

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