中藥渣是中藥材加工與炮制、中成藥生產以及其他中藥相關產品生產加工過程中產生的廢棄物, 其中中成藥生產過程中產生的中藥渣較多, 占總量的70%。早期藥渣處理主要采用填埋、焚燒、堆放等方式, 這些方法不僅會占用大量*地, 而且造成環境的嚴重污染和資源的巨大浪費。因此, 對中藥藥渣進行合理應用不僅能夠減少資源浪費, 提高中藥藥渣利用率, 改善生活環境, 同時對中藥產業的良性循環發展也具有重要意義。以中藥藥渣為原料制備生物有機肥對實現資源節約型、環境友好型社會具有重要意義。

1.生物有機肥研發的現實意義

1.1 生物有機肥的功效

生物有機肥是指具有特定功能的微生物與主要以動植物殘體 (畜禽糞便、農作物秸稈、中藥藥渣等) 為來源并經無害化處理、腐熟的有機物料復合而成的一類兼具微生物肥料和有機肥效應的肥料。生物有機肥是在堆肥的基礎上, 向腐熟物料中添加功能性微生物菌劑進行二次發酵而制成, 含有大量功能性微生物。與其他肥料相比, 生物有機肥不僅營養元素更為齊全, 含有功能性微生物菌劑, 可協助釋放*壤中潛在養分的功效, 促進作物根際有益微生物增殖, 同時具有生物利用率高、作用周期長、成本低、對*壤及環境不會造成危害等優點。長期使用生物有機肥可有效改良*壤、提高*壤肥力、調控*壤及根際微生態平衡, 提高作物抗病蟲能力和作物產品質量。具體表現在: (1) 生物有機肥含有的功能性微生物在*壤中大量定殖形成優勢種群, 占據根區生態位, 拮抗或抑制病原微生物侵染作物根系, 提高作物抗病性。劉艷霞等實驗結果表明, 在煙草青枯病發病較為嚴重的煙田施用生物有機肥可以顯著提高拮抗菌數量, 抑制根際*壤病原菌數量, 提高*壤微生物群落功能多樣性, 使*壤保持健康的微生物生態平衡, 顯著降低青枯病發病率。 (2) 生物有機肥含有的功能菌群能夠提高*壤肥力, 如施用含固氮微生物的肥料, 可以增加*壤氮素來源;施用含解磷、解鉀微生物的肥料可以分解*壤中難溶性磷和鉀鹽, 供作物吸收利用。 (3) 生物有機肥富含維生素、氨基酸、核苷酸、吲哚乙酸、赤霉素、有機酸、酶類、抗生素等多種生理活性物質, 具有刺激作物根系生長、分解轉化各種復雜有機物、快速活化*壤養分、提高養分有效性和作物抗病能力等作用。李志友研究發現, 生物有機肥能夠提高藍莓根區*壤有機碳、全氮、全鉀、有效磷和有效鉀的量, 有效促進藍莓根區*壤養分吸收和營養代謝均衡, 確保藍莓高產優質。 (4) 生物有機肥中既含氨基酸、蛋白質、糖、脂肪等有機成分, 還有氮、磷、鉀以及對作物生長有益的中量元素 (鈣、鎂、硫等) 和微量元素 (鐵、錳、銅、鋅、鉬等) , 這些養分不僅能供作物直接吸收利用, 還能有效改善*壤保肥性、保水性、緩沖性和通氣狀況等, 為作物提供良好的生長環境。 (5) 生物有機肥能夠改變作物根系分泌物的組成和含量, 進而改善根區微生態環境, 提高作物抗病性。

1.2 生物有機肥是綠色中藥和循環經濟發展的必然選擇

基于目前化肥使用和農業廢棄物現狀, 積極尋求高效環保的化肥替代品, 探索農業 (包括中藥) 廢棄物資源化利用方式, 已成為國內外農業研究的熱點。首先, 施用生物有機肥是提高*壤基礎地力、改善農產品品質的重要途徑。施用生物有機肥不僅能夠改善*壤理化性質、培肥地力、提高*壤微生物活性, 提高和優化植物產量和質量, 還能減少無機肥料施用量, 從根本上改善農產品品質, 符合中國農業可持續發展和綠色環保理念。其次, 生產生物有機肥是農業廢棄物資源化利用的重要手段。農業廢棄物中含有豐富的作物生長必需的營養元素和有機養分, 將其資源化利用制成生物有機肥, 通過微生物的作用使有機物礦質化、腐殖化和無害化, 以供作物吸收利用, 不僅可以緩解農業廢棄物對環境的壓力, 而且可以變廢為寶, 獲得可觀的經濟效益。

2.中藥藥渣資源開發利用價值和主要利用方式

由于傳統提取方法單一, 多數中藥制藥過程中的有效成分提取率僅為30%~70%, 而經提取后的藥渣和非入藥部位則被歸為廢料一類。有報道顯示, 中藥藥渣包含植物纖維、脂類、蛋白質、多糖、黃酮、生物堿、萜類以及氮、磷、鉀、硅、錳、鋁、鋅、鉻、鎂、鐵等多種無機元素及少量維生素。因此, 中藥藥渣不僅極具開發利用價值, 而且通過加工處理, 可以使中藥藥渣變廢為寶、循環利用, 達到節能減排、低碳環保、綠色可持續發展的目的。早期, 中藥藥渣循環利用主要集中在家禽、家畜飼養領域, 如中藥藥渣作為飼料或飼料添加劑, 或堆肥后用于種植蔬菜、食用菌等。近年來, 中藥藥渣再利用在有效成分再提取、食用菌栽培基質、飼料或飼料添加劑、有機肥料、生物質能源、發酵生產等方面取得了長足的發展。

中藥藥渣資源利用主要涉及種植業、養殖業、環境及能源等領域, 目前中藥渣利用方式主要包括: (1) 有效成分富集提取利用。通過技術革新和技術集成, 提升中藥渣資源性物質的利用效率, 或通過化學轉化、發酵轉化技術等, 使中藥渣有效成分得到富集再提取。 (2) 生態經濟化利用。把中藥藥渣用以開發生產有機肥料, 菌菇、作物、中藥材種植基質等, 讓中藥渣最終回歸大自然的生態循環, 促進綠色農業發展。 (3) 高附加值化利用。加大藥渣資源開發力度和深度, 生產具有高附加值產品, 如發酵生產乙醇、熱解裂化生產生物柴油等。

3.中藥藥渣與生物有機肥

中藥藥渣含有大量纖維素, 微生物在一定溫度和pH條件下, 將其進行生物化學降解, 使其形成一種穩定的腐殖質, 該過程稱為堆肥。根據堆肥化過程中是否需要氧氣, 可將堆肥化過程分為厭氧堆肥和好氧堆肥兩類。厭氧堆肥是在環境中氧氣不足或無氧情況下利用自然界中的厭氧菌和廢棄物中的有機物質, 將廢棄物中有機物質轉化為沼氣和沼肥的過程。好氧堆肥是在有氧條件下, 利用自然界中廣泛存在的細菌、放線菌、真菌等微生物, 將處于不穩定狀態的有機物質轉化為穩定腐殖質的過程。堆肥能夠制造生物有機肥, 利用中藥藥渣制備生物有機肥, 可廣泛用于蔬菜、水果、農作物、中藥材等作物種植。中藥藥渣大多是植物的根、莖、葉, 含有豐富的有機質、糖類、粗蛋白、生物堿以及多種無機元素和少量維生素, 而且不含致病菌, 重金屬量遠低于作為肥料或基質的允許量, 即使重金屬富集程度高的藥渣, 研究表明形成重金屬污染主要是重金屬陽離子, 即帶有正電荷, 而微生物細胞壁多數帶有負電荷, 由于正負電荷的相互吸引, 微生物細胞可以增加對陽離子的吸附性。此外, 由于微生物細胞壁自身分子結構具有的活性, 也可將重金屬離子整合集中于細胞表面, 從而達到對重金屬污染進行凈化處理的目的。同時, 中藥藥渣通氣性好, 質輕, 可改善*壤通透性, 是一種極為安全、無公害的優質有機肥原材料。用生物發酵技術對其進行生物活化處理, 就能生產出含豐富氮、磷、鉀及有機質的生物有機肥。唐懋華等利用生產脈絡寧的藥渣并配合施用適量無機肥和生物菌肥, 可快速提高生*供養能力與生*活性, 促進生*團粒結構形成, 使生*快速熟化, 實現當年熟化當年豐產。周達彪總結了中藥渣生產肥料的模式, 經高溫滅菌, 適宜條件好氧性發酵處理后, 可加工出無害、無味的肥料原材料, 針對花卉、苗木、蔬菜、果樹等需肥特性及生長要求, 再配以有機無機肥料, 制做成高肥效低成本的優質復合肥料。賈伍員等將板藍根藥渣粉碎后進行堆肥漚制, 再用于種植菠菜, 發現20%板藍根藥渣和80%牛糞制成的有機肥效果最好。王引權等研究發現, 中藥渣堆肥能促進當歸生長后期根系伸長及增粗, 增加產量, 提高阿魏酸和藁本內酯含量。李靜娟等將蚯蚓加入到中藥廢渣中生產藥渣蚓糞, 發現藥渣蚓糞可顯著促進作物的生長, 提高*壤容重、p H、有機質及全氮、速效鉀含量。王茂等以板藍根、連翹、蘆根等抗病毒藥渣為主料, 以杏鮑菇菌渣和雞糞為輔料, 按照一定比例混合發酵用于生菜種植, 結果顯示, 用中藥廢渣發酵的肥料可促進葉片生長, 提高生菜產量及品質。萬燕等研究表明, 用婦科千金片藥渣發酵制備的有機肥對半夏地下球莖質量、根質量、地下部位總質量及單株質量增加效果顯著。李秀穎等在黃姜去皂苷后的藥渣中加入有益微生物, 發酵20d后制得的生物有機肥, 經檢測合格, 可應用于農業生產。劉金鵬等以中藥藥渣、玉米芯和黏*為原料, 木屑為發酵菌液載體, 經一系列加工處理后制得的有機肥料中有機質含量較高, 具有改良*壤性質, 提高*壤肥力, 促進植物生長的作用。方練等將中藥藥渣經干濕化處理后, 適當添加粗纖維降解菌等進行混合發酵后得到中藥渣有機肥半成品, 根據有機肥料中所需的氮、磷、鉀含量, 定量加入硫酸銨、硫酸鉀或氯化鉀等, 制成的肥料產品中既含有有機質, 且無機成分氮、磷、鉀養分豐富, 是一款營養全面、高效、無公害的有機肥料。李瑞霞等研究發現, 減施25%化肥同時配施貴州木霉Trichoderma guizhouense制成的生物有機肥可以通過調控*壤養分有效性、*壤酶活性和*壤微生物區系來改善鹽*的可耕種性, 從而提高番茄產量和品質。Yuan等研究表明, 利用哈茨木霉Trichoderma harzianum發酵研制的生物有機肥結合叢枝菌根 (Arbuscular mycorrhiza, AM) 真菌摩西球囊霉Glomus mosseae能夠提高煙草株高和莖、根干質量。因此, 中藥藥渣制備生物有機肥具有廣闊的應用前景。

4.中藥藥渣發酵微生物菌群

利用微生物菌群聯合降解中藥渣, 可以將纖維素、木脂素等成分轉化為小分子物質, 釋放藥渣中殘留的活性物質, 有利于實現中藥渣中大分子物質的降解。目前雖已獲得一批具有微生物降解能力的菌種, 但是單一菌種的分解能力有限, 用單一菌種實現中藥渣中大分子物質的徹底降解難度較大, 而微生物復合菌群中各個菌種之間相互影響、相互制約, 是實現中藥渣中纖維素及木質素類成分完全降解的有效途徑。纖維素降解常見真菌有木霉Trichoderma、曲霉Aspergillus、地霉Geotrichum等, 其中綠色木霉Trichoderma viride因具有菌體生長量大且迅速、酶系齊全、產酶量大、酶活性高、營養要求簡單、發酵過程中既有固態發酵方式也有液體深層培養方式等優點, 而備受關注。綠色木霉產生的纖維素酶可將植物纖維素分解為葡萄糖, 能破壞植物細胞壁, 使其釋放蛋白體、淀粉等營養成分, 能消除中藥藥渣中淀粉多糖的抗營養作用, 提高藥渣利用率。van Wyk等研究發現, 綠色木霉產生的纖維素酶可將廢報紙中的纖維素轉化為可發酵的糖, 不僅減少了環境污染, 還對廢報紙進行了回收利用。Korenga等報道了綠色木霉產生的纖維素酶對纖維素糖化作用的研究。謝小林等研究結果表明, 潮濕纖維單胞菌Cellomonasuda和綠色木霉混合接種能顯著提高不同食用菌菌渣羧甲基纖維素酶活性。孟順利等研究發現, 在稻草秸稈發酵中, 綠色木霉、紅芝接種比例為1∶4、接種量為35%、共同發酵時間8 d;二次發酵時, 酵母接種量7%、發酵時間為24 h時培養基中纖維素、半纖維素、木質素降解率最好, 真蛋白含量最高。

5.外源添加功能微生物菌群

生物有機肥的本質特征是含有一種或多種具有特定功能的、表現出一定肥料效應的微生物, 這些功能微生物的生命活動是生物有機肥優于其它肥料的關鍵因素, 加入這些外源功能微生物既可以通過產生纖維素酶、淀粉酶或乳糖酶實現對中藥藥渣或秸稈類廢棄物的營養成分轉化和再利用, 又可以通過改善植株生長的*壤等環境因素以及與植株根系建立共生關系, 從而提高植株對營養元素 (肥料和*壤中) 的吸收以及抗病防蟲的能力。而生物有機肥質量的優劣主要取決于所含益生菌的作用強度和活菌數量, 目前在以發酵后中藥藥渣為主要成分的生物有機肥生產過程中, 加入的功能菌包括芽孢桿菌、假單胞菌、鏈霉菌、固氮菌、溶磷菌、光合細菌、菌根真菌、深色有隔內生真菌等。

5.1 功能細菌和放線菌群

芽孢桿菌Bacillus是一類應用廣泛、安全性高、抗逆性強、環境友好的細菌, 其中許多菌株對多種植物病原菌和害蟲有強烈的抑制和殺滅作用, 可提高作物成活率和農產品產量, 一些菌株能分泌纖維素酶降解秸稈類、中藥藥渣廢棄物, 有利于自然界碳素循環, 具有固氮特性的芽孢桿菌可提高*壤氮素含量, 促進作物生長。枯草芽孢桿菌還能分泌植酸酶分解植酸, 增加*壤中游離磷含量, 促進植物對磷的吸收。燕紅等研究表明, 地衣芽孢桿菌Bacillus licheniformis可產生半纖維素酶、纖維素酶和木質素酶降解農業廢棄物秸稈, 發酵5 d后, 纖維素降解率可達14.91%。顧欣等通過研究不同有機肥和菌肥配施對拱棚西瓜*壤質量的影響, 結果表明, 生物有機肥配施解淀粉芽孢桿菌為改良培肥瓜田*壤的最優配施方案。假單胞菌Pseudomonas是植物根圍促生細菌, 既能抑制多種植物病原菌生長, 還能分泌一些小分子物質誘導植株產生抗病性, 間接提高作物產量;同時, 假單胞菌對農藥污染的*壤有較好的修復作用, 有利于*壤微生物群落正常功能的恢復和維持[61-62]。鏈霉菌Streptomycete隸屬放線菌, 可產生抗生素等多種生物活性物質。閻淑珍等將分離到的一株鏈霉菌R-2配制成微生物肥料, 田間實驗表明, 該肥料對棉花黃萎病和油菜菌核病的抑制率分別為72%和97.2%。張忠良等研究表明, 生防婁徹氏鏈霉菌Streptomyces rochei生物有機肥對魔芋有顯著的促生長作用, 其通過影響植株的光合生理、生化及誘導抗性提高魔芋產量, 改善球莖品質。周勇等通過研究4種不同菌種混合對復合中藥渣進行固體發酵, 結果表明, 當枯草芽孢桿菌-乳酸芽孢桿菌-嗜酸乳桿菌-產朊假絲酵母菌比例為2∶1∶2∶1時, 發酵6 d后, 多糖的質量分數為6.08%;菌體量為1.5×10cfu/g, 發酵效果較好。柳艷艷等研究表明, 中等濃度 (菌劑0.1 g/kg) 巨大芽孢桿菌對增加油菜產量和根系生長有顯著作用。李秀穎等通過向黃姜藥渣中加入少量巨大芽孢桿菌、膠質芽孢桿菌、圓褐固氮菌和EM菌 (由光合細菌、乳酸菌、芽孢桿菌、消化細菌等多種有益菌組成的1種復合菌群) , 在30~42℃環境下發酵20d, 獲得發酵成品, 經檢測符合生物有機肥料標準。
固氮菌是一類重要的植物促生細菌和放線菌, 占據著植物組織內有利于營養供應和微環境適宜的生態位, 能更好地發揮固氮、解磷、產植物生長素、產1-氨基環丙烷-1-羧酸 (ACC) 脫氨酶、產鐵載體及拮抗病害等功能。溶磷菌具有將植物難利用的磷轉化為可利用形態磷的能力, 固氮菌和溶磷菌聯合對紅海欖Rhizophora stylosa Griff.施用后使其苗高、地下生物量、總生物量、根全氮量和根全磷量分別提高了43.3%、44.8%、29.9%、29.3%和27%。光合細菌是一類利用太陽能生長繁殖的微生物, 以H2S或有機物為供氫體還原CO2, 并具有固氮功能, 在生物有機肥中加入光合細菌, 能促進稻田*壤中固氮菌和放線菌增殖, 提高*壤中微生物總量, 為作物創造良好的生長環境。

5.2 功能真菌群

在生物有機肥生產中, 引入促生抗逆真菌資源, 不僅能夠提升生物有機肥質量和功效, 這些真菌隨有機肥施入*壤后, 能夠與中藥材根系形成共生關系, 促進中藥材健康生長, 而且為新型生物有機肥生產提供了新的功能微生物資源。AM真菌是自然生態系統中根際微生物群落的重要組成部分, 能與陸地生態系統中大部分植物形成菌根聯合體。菌根聯合體能增加限制性營養吸收, 抵御病原微生物, 增強抗旱能力, 加速植株生長。馬麗等利用盆栽接種實驗探討了在不同施磷量條件下AM真菌摩西球囊霉對生長、養分吸收和微量元素含量的影響, 結果表明, 接種AM真菌和施磷之間有顯著交互作用, 適宜施磷水平下接種AM真菌能夠顯著提高黃芩產量和質量, 提高磷肥利用率, 減少磷肥施用量。張國漪等研究表明, 配合施用AM真菌與死谷芽孢桿菌Bacillus vallismortis生物有機肥顯著降低了棉花黃萎病的發病指數, 與對照相比其病情指數下降了72.80%, 根際可培養微生物數量和種類發生顯著變化。祝英等利用3種自制植物根際促生菌 (plant growth promoting bacteria, PGPR) 、AM真菌、復合真菌菌劑和市場購買的“多利維生”寡雄腐霉卵孢子等4種植物益生菌菌劑進行當歸拌種育苗試驗, 結果表明, 添加外源微生物菌劑通過影響根際微生物類群數量和功能改善了根際*養分含量和植物吸收利用能力, 進而提高了當歸苗的品質。

深色有隔內生真菌 (dark septate endophyte, DSE) 是指定居在植物根組織細胞內或細胞間隙的一群子囊菌和無性繁殖真菌, 這類真菌典型特征是細胞壁有黑色素沉淀, 能夠形成深色有隔菌絲和微菌核等形態結構, DSE具有與菌根真菌類似的生物學功能, 不僅能增強宿主對礦質元素和有機養分, 特別是氮和磷的吸收, 還能提高植物適應性, 增強植物抗逆性及抗病性。謝玲等研究表明, DSE能與鐵皮石斛苗共生, 明顯提高鐵皮石斛的生長能力, 具有較好的開發利用潛力。張曉蓉等研究表明, 接種DSE真菌甘瓶霉Phialophora mustea能夠增強番茄植株抗氧化酶活性, 緩解由尖孢鐮刀菌導致的脂膜過氧化脅迫, 提高植物對真菌病害的抗性, 促進宿主植物生長。根據AM和DSE真菌等功能性真菌在植物根系的廣泛定殖和促生抗逆功能, 必將在以中藥藥渣為原料的生物有機肥研發和應用過程中發揮重要作用。

6.結語

中藥是中華文化的瑰寶, 中醫藥事業是我國傳統優勢產業。中藥渣資源的科學利用是一項復雜而艱巨的任務, 正視中藥渣的產生及其資源化利用問題, 以中藥藥渣為原料生產生物有機肥, 可提高中藥材資源的利用價值。而生物有機肥的推廣使用, 將在改善我國的生態環境, 提高農作物產量和品質, 保障國民身體健康, 促進農業可持續發展和循環經濟方面發揮重要作用。由于中藥藥渣來源途徑廣, 使得中藥渣的處理工作變得更為復雜。所以, 在中藥渣資源利用中, 要根據不同種類藥渣對其采用不同的方法進行處理, 比如有些中藥渣可用于栽培食用菌, 有些可用作禽畜飼料或者添加劑, 還有些可用于制取生物質能源等, 這些需要依據中藥渣的具體化學、物理性質才能合理地進行綜合資源化利用。在中藥藥渣生產生物有機肥的過程中, 針對中藥藥渣來源多樣性和安全性、中藥藥渣有效成分分析、微生物降解菌群和功能菌群篩選、生物發酵工藝的科學性和穩定性等問題進行系統深入研究, 才能生產出具有高附加值的生物有機肥。