中藥渣蠐螬生物轉化潛力

摘要：為探究蠐螬在中藥渣生物轉化中的應用潛力，本研究通過室內培養蠐螬轉化實驗（周期20d），研究了新鮮中藥渣、發酵中藥渣及其與有機物料（木屑、秸稈）配伍經蠐螬生物轉化前后的養分含量、腐熟度指標及生物轉化率的響應。結果表明：與生物轉化前相比，轉化產物總養分含量（N+P2O5+K2O）由1.59%-2.94%顯著提升至3.36%-4.27%，有效氮（硝態氮+氨態氮）含量顯著增加，碳氮比（C/N）由20.59-57.82下降至12.13-26.10，物料腐熟度顯著提升（油菜發芽指數平均增加22.50%）；與新鮮中藥渣為底物的生物轉化產物（T4處理）相比，發酵中藥渣為底物的轉化產物（T1處理）總養分含量提高24.49%，達到4.27%，總有效氮含量增加約4倍，蟲體轉化率和蟲糞轉化率分別大幅度提高至5.30%和89.49%，且發酵中藥渣的轉化產物C/N穩定在20以下，轉化產物的農業適用性得到改善；相比于新鮮或發酵中藥渣為單一底物的蠐螬生物轉化產物（TI或T4處理），有機物料（木屑、秸稈）配伍處理組所得產物（T2和T3、T5和T6處理）的全鉀（TK）、有機質（OM）含量和C/N大幅增加，而總養分、有效氮含量、電導率（EC）和油菜種子發芽指數呈下降趨勢。研究表明，發酵中藥渣的蠐螬生物轉化效果優于新鮮中藥渣直接生物轉化，且與有機物料配伍可提高轉化產物的OM和TK含量以及蠐螬的蟲糞轉化率。

關鍵詞：中藥渣；蠐螬；生物轉化；養分含量

中圖分類號：X787 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）08-1907-08 doi：10.11654/jaes.2024-03 20

中醫藥產業是我國新時代重要的傳統產業之一，近年來發展勢頭迅猛，但在中藥材采收、炮制和中成藥生產過程中產生的大量有機固體廢棄物——中藥渣給生態環境帶來了巨大壓力。據統計，我國中藥企業每年在提取及深加工過程中消耗的藥材總量約為7 000萬t，其中約有50%的組分成為中藥渣被丟棄。中藥渣作為一種有機固體廢物，富含粗纖維、粗蛋白、粗脂肪等營養成分，是一種寶貴的生物質資源。現階段中藥渣的處理方式以直接排放、堆積、填埋、焚燒和飼料化為主，資源化利用率較低，產業化處理模式尚未形成，中藥渣的不合理處理處置不僅污染生態環境，而且造成資源極大浪費。研究表明，中藥渣經生物發酵可形成富含氮、磷、鉀的生物有機肥，其替代化學肥料施用具有改善土壤養分有效性、酶活性和提高作物產量的功效。傳統好氧堆肥和高效菌劑堆肥存在堆制周期長、產品肥效不穩定和菌劑價格昂貴的缺點，亟需探索中藥渣資源化高附加值利用的綠色途徑，變廢為寶，中藥渣資源化不僅能有效解決中藥渣潛在的生態環境風險問題，而且也有利于延長中藥材產業的物質循環鏈，提高企業的產能和經濟效益。

生物轉化技術即外界物質進入生物體內后在相關酶系統催化作用下發生化學變化，生成代謝物排出體外的過程，是當前中藥渣無害化、資源化、能源化處理的一種有效途徑，該過程主要由微生物和環保昆蟲介導，如蚯蚓、蜣螂、白星花金龜、黑水虻等。蠐螬（Potosia brevitarsis Lewis）又稱白星花金龜，是昆蟲綱、鞘翅目、金龜子科幼蟲的統稱，主要以腐爛的秸稈、雜草、尾菜爛果、餐廚垃圾等廢棄物為食，其本身作為一種傳統的中藥材，蟲體蛋白質含量高達74.9%，且富含多種維生素（如A、B、C、E）及鐵、鋅等多種有益微量元素，具有較高的藥用價值和食用價值。此外，有研究表明蠐螬作為天然“生物轉化器”，既可直接將秸稈、秧蔓、雜草、殘果、尾菜、修剪枝條以及養殖業糞便、生活垃圾等混合生物質轉化為高價值蟲體蛋白，又可得到氮、磷、鉀含量較高的生物轉化產物——糞沙，這為有機固體廢物資源化利用和發展循環農業提供了一種綠色可持續發展路徑。研究表明，芒果、蘋果等水果殘余物作為蠐螬繁育飼料所得的糞砂含有機質18.72%，氮、磷、鉀養分5.95%，將其作為生物有機肥施用有效促進了盆栽小白菜生長，提高了辣椒的產量和品廚。然而，基于中藥渣為原料的蠐螬生物轉化研究相對較少，因此本研究探討了蠐螬幼蟲對新鮮中藥渣、發酵中藥渣及其與有機物料（木屑、秸稈）配伍的生物轉化作用，分析了轉化前后物料養分含量特征和腐熟度以及蠐螬的生物轉化效率，以期為充分發揮“昆蟲生物轉化器”的生態化轉化功能作用，提高有機固體廢物中藥渣的高值資源化利用率和延伸中藥生產企業的產業鏈提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試中藥渣來自于山西省長治市某中藥廠，發酵中藥渣為新鮮中藥渣經發酵而得，秸稈為玉米秸稈粉碎物，木屑是園林綠化樹枝粉碎物。供試中藥渣的基本理化性質見表1。供試蠐螬選自課題組前期研究的中藥渣發酵堆肥中生長健壯的3齡蠐螬幼蟲，幼蟲投入轉化培養箱前饑餓處理1d。

1.2 試驗設計

本研究共設置6個處理組，按照生物轉化底物組成分別為T1：發酵中藥渣100%，T2：發酵中藥渣75%+木屑12.5%+秸稈12.5%，T3：發酵中藥渣50%+木屑25%+秸稈25%，T4：新鮮中藥渣100%，T5：新鮮中藥渣75%+木屑12.5%+秸稈12.5%，T6：新鮮中藥渣50%+木屑25%+秸稈25%，每處理組設5個重復。將待轉化物料按處理要求分別置于生物轉化培養箱內（長、寬、高分別為30、20、18 cm的塑料盒），每盒20 g（干質量），并放人20條蠐螬于培養箱中，充分混勻，培養箱上蓋開數個透氣孔，在室溫下培養20 d，培養期間物料濕度控制在60%—70%之間，通過稱質量的方法定期用小型噴霧器進行補水調節。

1.3 指標測定

1.3.1 pH和電導率的測定

pH和電導率（EC）分別采用便攜式酸度計和手持式電導率記錄儀測定。取10 g樣品（風干、過1mm篩）置于250 mL錐形瓶，加入100 mL蒸餾水，將錐形瓶密封，恒溫、180 r·min-1條件下振蕩20 min，放置1h后測定上清液的pH和EC值。

1.3.2 物料養分與有機質含量的測定

轉化前后物料的全氮（TN）、全磷（TP）、硝態氮、銨態氮含量分別采用硫酸-過氧化氫消解-水楊酸鈉法、硫酸-過氧化氫消煮-鉬銻抗分光光度法、氯化鉀溶液提取-分光光度法、氯化鉀溶液提取-分光光度法測定，所用儀器為全自動間斷化學分析儀（Clev-erChem380plus，德國）；全鉀（TK）采用火焰光度計法測定；有機質（OM）含量采用馬弗爐550℃灼燒6h減重法計算得到。

1.3.3 物料腐熟度指標的測定

發芽指數（GI）根據NY/T 525-2021中的方法計算。選擇飽滿、有活性的油菜種子開展發芽試驗，在墊有8 cm濾紙片的9cm×9 cm培養皿內均勻點播15粒油菜種子，加10 mL浸提液后置于25℃恒溫箱，每個處理組設3個重復，以蒸餾水為對照，連續培養72h后測定種子發芽率及發芽種子根長。種子發芽指數計算公式為：

種子發芽指數=（試驗樣種子發芽數×試驗樣種子平均根長／對照樣種子發芽數×對照樣種子平均根長）×100%（1）

1.3.4 蠐螬幼蟲對物料的取食率、蟲體轉化率及蟲糞轉化率的計算

試驗開始前將待試蠐螬饑餓處理1d稱質量，并記錄數據，飼養盒中放入飼料，喂養20 d后再次稱量蠐螬的質量，喂養結束后，將餐盒里的剩余飼料以及蟲糞在恒溫烘箱中烘干后，通過篩子將其分離，分別稱量剩余飼料干質量和蟲糞干質量，并記錄相關數據。取食率、蟲體轉化率及蟲糞轉化率的計算公式為：

取食率＝（添加飼料干質量-剩余飼料干重量／添加飼料干質量）×100%（2）

蟲體轉化率=（蟲體質量增加量/取食量-排糞量）×100%（3）

蟲糞轉化率=（蟲糞干質量/取食量-蟲體質量增加量）×100%（4）

1.4 數據處理及分析

采用Excel 2016制圖，采用SPSS 20.0進行方差分析，采用新復極差法進行多重比較，采用最小顯著差異法進行顯著性檢驗。

2 結果與討論

2.1 生物轉化前后養分含量特征

由圖1可知，中藥渣及其與有機物料配伍經20 d蠐螬生物轉化后的產物中TN、TP和TK含量顯著高于轉化前的底料（除T1和T2處理的TP含量），其中TN平均增幅為94.25%，TP平均增幅為32.46%，TK平均增幅為150.95%。蠐螬生物轉化可顯著提高中藥渣的TN、TP和TK含量，轉化產物肥效得到提高，這與蚯蚓堆肥（生物轉化）提高了蘑菇渣和畜禽糞便復配物料中N、P、K等營養元素含量的研究結果相一致。與新鮮中藥渣的生物轉化產物相比，發酵中藥渣經轉化后產物的TN和總養分（N+P2O5+K2O）含量分別達到31.03 g·kg-1（圖1A）和4.27%（表2），增幅分別為59.27%和24.49%。當發酵中藥渣與有機物料配伍作為轉化底物時，TN含量隨著轉化底物中發酵中藥渣含量的下降而下降，這可能與添加含碳氮比（C/N）較高的木屑和秸稈后，生物轉化過程中物料對N元素的消耗有關。然而，新鮮中藥渣生物轉化產物的TK含量（4.47 g·kg-1）顯著高于發酵中藥渣（2.93 g·kg-1），且TK含量隨著轉化底物中木屑和秸稈含量的增加而增加，這與發酵中藥渣作為底物與有機物料配伍的表現一致，這可能與木屑和秸稈的K元素含量有關。在本研究中，蠐螬生物轉化總體上降低了產物的OM含量，這表明轉化底物中大分子有機碳物質，如纖維素、半纖維素、木質素等被降解并趨于穩定。與發酵中藥渣底物組（T1、T2和T3，760.17-839.70 g·kg-1）相比，新鮮中藥渣底物組（T4、T5和T6）轉化產物的OM含量（951.54-972.55 g·kg-1）較高，這可能與新鮮中藥渣本身OM含量較高有關，但無論在新鮮還是發酵中藥渣底物組，隨著木屑和秸稈含量的增加，產物OM含量逐步增加，表明有機物料配伍在一定程度可提高中藥渣生物轉化產物的OM含量。由表2可知，中藥渣經生物轉化后總有效氮含量（1 201.50-5 023.41 mg·kg-1）顯著高于轉化前（234.88-1 307.14mg·kg-1），且以硝態氮為主，發酵中藥渣處理組（T1-T3）硝態氮和銨態氮平均增加4.16、3.93倍，新鮮中藥渣處理組（T4-T6）硝態氮和銨態氮平均增加9.34、3.32倍。蠐螬腸道內有許多具有固氮功能的固氮菌，如蒼白桿菌屬、根瘤菌屬、伯克霍爾德菌屬和甲基桿菌等，其有利于提高轉化產物的TN和有效氮含量。在發酵中藥渣底物組（T1、T2和T3）的轉化產物中，總有效氮含量隨著木屑和秸稈含量的增加而降低，由5 023.41 mg·kg-1降低至3 333.91 mg·kg-1，而新鮮中藥渣底物組（T4、T5和T6）轉化產物總有效氮含量在添加木屑和秸稈后有所增加（1201.50 mg·kg-1增加至2 849.56 mg·kg-1），這可能與蠐螬在利用性質不同的新鮮與發酵中藥渣時體內的生物代謝有關。由上述結果可知，蠐螬生物轉化可顯著提高中藥渣TN、TP、TK和總養分含量，在中藥渣高值資源化利用上表現出較好的潛力，且以發酵中藥渣為轉化底物時TN、有效氮含量的增幅更大。

2.2 轉化產物的腐熟度指標

進一步分析蠐螬生物轉化產物的腐熟度可知，發酵中藥渣底物組（T1、T2和T3）的轉化產物pH值整體下降，為6.2-6.6，而新鮮中藥渣底物組（T4、T5和T6）經轉化后pH值總體升高，為5.6-6.7（圖2A），各組均符合農業行業標準（NY／T 525-2021）有機肥料pH5.5-8.5的要求。發酵中藥渣的pH值為7.1，而新鮮中藥渣為4.4，經過蠐螬的生物轉化，發酵中藥渣底物組的轉化產物的pH值較新鮮中藥渣底物組（T4、T5和T6）更穩定（趨向于pH 6），這表明發酵中藥渣更適合作為蠐螬飼養底物供其生長。蠐螬轉化產物的EC值由轉化前的0.33-1.26 mS·cm-1增加至0.80-4.40 mS·cm-1，增幅為120.18%-292.38%（圖2B），以發酵中藥渣T1處理最高，EC值為1-4 mS·cm-1的轉化產物更適合作為肥料促進作物的生長。經動物消化道和腸道菌群的消化分解作用，OM分解致使排泄物中含有較高濃度的游離離子和礦物質，是蠐螬生物轉化后EC值大幅度提升的原因。相比于新鮮中藥渣，發酵中藥渣在微生物的作用下降解，無機組分如Ca、Mg、K、Na、Si、P、S、Fe、Al、Mn等釋放出來，物料內可溶性鹽升高最終導致發酵中藥渣底物組的EC值高于新鮮中藥渣底物組，肥效特征得以改善。GI是用來表征有機肥腐熟程度的重要指標，一般認為，種子發芽指數達到50%時，堆肥已經基本腐熟，當達到80%-85%時，表明堆肥已腐熟，沒有植物毒性。與生物轉化前相比，各處理組產物的腐熟度顯著提升，油菜種子GI值增加至71.54%-94.30%，平均增幅22.50%（圖2C），表明中藥渣的蠐螬生物轉化產物已達到無植物毒性的腐熟有機肥發芽指數標準，這與魏盼盼在研究白星花金龜幼蟲處理木耳和香菇菌渣中的結果相一致。雖然新鮮中藥渣底物組（T4、T5和T6）轉化產物的GI值更高，但在木屑和秸稈的添加下發酵中藥渣底物組（T1、T2和T3）的轉化產物GI值更穩定。有機堆肥中的C/N是標識堆制物腐熟度和穩定度的另一重要指標，一般認為，C/N小于25時，OM分解快、容易發生礦化釋放出較多的N素，而C/N大于25時，OM轉化較慢，釋放的N素量少，容易出現肥料分解與植物爭氮的現象。經蠐螬生物轉化，中藥渣及其與有機物料配伍的C/N由20.59-57.82下降至12.13-26.10，這與蠐螬礦化、呼吸作用排放CO2引起碳損失，以及蠐螬腸道黏液和含N排泄物增加了物料中N的含量有關。與新鮮中藥渣底物組相比，發酵中藥渣底物組（T1、T2和T3）轉化產物的C/N值更低，這與發酵中藥渣本身較低的C/N值有關，但隨著木屑和秸稈含量的增加，無論在新鮮還是發酵中藥渣底物組轉化產物的C/N值均逐漸升高，這與木屑和秸稈的C含量高有關。上述結果表明，蠐螬的生物轉化作用改變了中藥渣的C/N，提高了中藥渣作為有機肥料的腐熟度和穩定度及農業應用價值。

2.3 蠐螬生物轉化效率

在20 d的生物轉化周期內，僅涉及3齡蠐螬蟲體自身的生長，沒有繁殖活動，選用取食率、蟲體轉化率和蟲糞轉化率來表征蠐螬對中藥渣的攝食和生物轉化。由表3可知，發酵中藥渣底物組（T1、T2和T3）的蠐螬取食率為7 0.92% -8 2.28%（平均75.22%），顯著高于新鮮中藥渣底物組（T4、T5和T6）的33.49%-6 8.42%（平均52.19%），且隨著木屑和秸稈含量的增加而增加，表明發酵中藥渣更適合作為蠐螬的飼料。含C有機物料的增加會促進蠐螬的取食，這與李潘潘和郭勇的研究結果一致，即蠐螬嗜食發酵物料強于新鮮和干有機物料。因此，發酵中藥渣底物組的蠐螬蟲體轉化率（平均4.78%）顯著高于新鮮中藥渣底物組。中藥渣及有機物料經蠐螬的攝食和消化道的消化作用，由松散的小塊狀變為致密均勻的顆粒狀蟲糞，T1、T2和T3處理組的蟲糞轉化率高達86.78%-91.48%，遠高于新鮮中藥渣底物組的6.65% - 59.29%，且在新鮮中藥渣底物組中蟲糞轉化率隨著木屑和秸稈含量的增加而增加，表明飼料或待轉化底物的性質直接影響蠐螬的生物轉化效率。上述結果表明，發酵中藥渣的蠐螬取食率、蟲體轉化率和蟲糞轉化率均明顯優于新鮮中藥渣，且有機物料木屑和秸稈可提高新鮮中藥渣的生物轉化效率。

3 結論

（1）中藥渣經蠐螬生物轉化后產物的養分含量顯著增加，且轉化產物腐熟度達到無植物毒性的腐熟有機肥標準。不同處理轉化產物TN、TP和TK含量平均增幅為94.25%、32.46%和150.95%，總養分含量顯著提升至3.43 %-4.27%，油菜種子發芽指數平均增幅22.50%，C/N值由20.59-57.82下降至12.13-26.10。

（2）與新鮮中藥渣相比，蠐螬對發酵中藥渣的生物轉化率更高，轉化產物養分含量更高。發酵中藥渣作為底物得到的轉化產物較新鮮中藥渣為底物得到的轉化產物總養分含量增加24.49%，總有效氮含量增加約4倍，產品肥效更高，C/N值更小，pH值更穩定，農業適用性更高，且發酵中藥渣處理組的蠐螬取食率、蟲體轉化率和蟲糞轉化率顯著提高。

（3）與中藥渣作為單一轉化底物相比，有機物料木屑和秸稈配伍可一定程度提高中藥渣經蠐螬轉化產物的養分含量（如有機質和TK），且可促進高比例新鮮中藥渣作為底物時的蠐螬取食率、蟲體轉化率和蟲糞轉化率。

（責任編輯：李丹）

基金項目：山西省高等學校創新項目（2021L523）；山西省研究生教育創新計劃項目（2022YJJG288）