玉米秸稈沼渣替代木屑培養(yǎng)香菇研究

吳艷君, 師曉爽, 陳 穎, 馮 權*, 郭榮波

(1.山東省沼氣生產與利用工業(yè)工程實驗室,中國科學院青島生物能源與過程研究所, 山東 青島 266101； 2.山東能源研究院, 山東 青島 266101； 3.青島新能源山東實驗室, 山東 青島 266101)

生物質能是清潔的可再生能源，全球生物質總量約1400～1800億t·a-1(干重)，相當于目前世界年總能耗的10倍[1]。我國是農業(yè)大國，可收集的農作物秸稈資源量為6.87億t·a-1[2]。2015年，我國開始通過建設補貼的方式，推廣大型秸稈沼氣項目，大量的沼氣工程陸續(xù)建成和投產運行，我國沼氣工程進入快速發(fā)展期。但是，目前沼氣工程運營中仍存在很多問題，其中沼渣和沼液的資源化利用是限制沼氣工程發(fā)展的主要問題之一。因此，如何建立具有良好經濟效益、可復制和推廣的沼氣生產模式是當前沼氣工程發(fā)展面臨的重要課題[3-5]。對沼渣、沼液高附加值利用，不僅能夠提高沼氣工程的經濟效益，實現(xiàn)沼氣工程的可持續(xù)發(fā)展，同時也解決了副產物的出路問題[6]。

玉米秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質素組成。玉米秸稈經過厭氧發(fā)酵30～50 d后，總固體去除率為30～40%[7-9]，其中纖維素和半纖維素被微生物大部分利用，而木質素在厭氧環(huán)境下難以降解，導致沼渣中木質素的相對含量增加。如果直接將秸稈沼渣進行好氧堆肥，其中大量未分解的木質素會影響有機肥的品質。因此，需要尋找新的資源化利用途徑。

沼渣的資源化利用，首先要分解利用其中的木質素。白腐菌是降解木質素最有效的真菌，其中的食用菌香菇(Lentinusedobes)生長過程中能分泌降解木質素的主要酶：過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶[8]。香菇栽培最常用的是木屑米糠培養(yǎng)料(其組成為闊葉樹木屑、米糠、磷酸二氫鉀、石膏)，其中闊葉樹木屑的用量占菌棒培養(yǎng)料的40%～79%[10-12]，對森林資源消耗量大。闊葉木屑中木質素的含量在20%～40%之間，米糠中含氮2%左右，而經過厭氧處理后的秸稈沼渣中木質素含量為30%左右[9]，含氮量為2%左右。因此，采用玉米秸稈沼渣(Corn Straw Biogas Residue， CSBR)代替木屑作為香菇培養(yǎng)料具有一定的可行性。

本研究采用CSBR替代大部分木屑和全部米糠用于培養(yǎng)香菇，研究秸稈沼渣栽培香菇的可行性及沼渣中木質素的降解效果，既可以提供資源化利用秸稈沼渣的新途徑，又能降低香菇種植成本和保護森林資源。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

CSBR取自青島平度某大型沼氣工程，溫度35℃，水力停留時間30 d，基本理化參數(shù)如表1所示；闊葉木木屑(10～20目，含水率10.35%)和香菇菌株(廣香2044)購買于網絡。

表1 CSBR中各組分質量百分比 (%)

1.2 培養(yǎng)料配方

本實驗以CSBR代替大部分木屑和全部的米糠作為香菇培養(yǎng)料的主料，復配闊葉木屑、石膏、葡萄糖和磷酸二氫鉀為輔料進行香菇的栽培實驗，以秸稈沼渣為主要材料的培養(yǎng)料組成如表2所示。為提高菌絲在初始生長階段對碳源的需求，在CSBR含量為94%的情況下，將葡萄糖的含量提高至2%，pH值調整為6。

表2 以純秸稈沼渣為主的培養(yǎng)料組成 (%)

1.3 菌棒的制備與培養(yǎng)

1.3.1 香菇菌棒的制備

按照表2所示比例將原料混合，裝入φ17.2 cm×35.5 cm的封底聚丙烯袋中，每袋裝料1000 g，共計12袋(培養(yǎng)料1、培養(yǎng)料2各6袋)，壓實待用。把裝好培養(yǎng)料的菌袋、菌環(huán)放入滅菌鍋，0.1 MPa、121℃，滅菌30分鐘，取出放入超凈臺降至室溫。在超凈臺內，把香菇栽培菌掰成約1 cm×2 cm小塊兒，菌塊2/3插入菌袋培養(yǎng)料中，菌塊鋪滿培養(yǎng)料上表面，用滅菌的菌環(huán)封口，即制成香菇菌棒。將上述12袋香菇菌棒放入恒溫培養(yǎng)箱，設置溫度為25℃，保持箱內相對濕度在65%～70%[10-11]。

1.3.2 香菇菌棒的培養(yǎng)

前3天為菌絲修復階段，注意避光以免光線對菌絲修復造成影響。第1階段為菌絲生長階段，保持溫度和濕度分別為25℃和65%～70%，每天通風30分鐘，10天內不翻動菌棒。每天觀察菌絲生長速度，菌絲長滿后用滅菌大號針頭對菌袋進行穿刺增氧。每袋刺孔10排每排10孔，刺孔增氧促進菌絲體成熟進入生殖階段。第2階段為菌絲體的生殖階段，把菌棒轉移至自制塑料透光培養(yǎng)箱中，室溫保持25℃以上，用加濕器調節(jié)箱內濕度在65%～70%，觀察菌絲體開始成熟轉色，菌棒轉色完成。第3階段為出菇階段，濕度保持在80%～85%，每日17點轉移塑料培養(yǎng)箱至低溫15℃，次日8點轉移至25℃室內，保持溫差促使菌絲萌出子實體順利出菇。培養(yǎng)第154天香菇采收完畢，采收后對種植香菇后的菌棒各項指標進行對比測試[12]。

1.4 分析方法

CSBR及其處理后菌棒中的纖維素、木質素和半纖維素等組分含量按照文獻[13]所述方法測定,總碳和總氮按照(灼燒法和凱氏氮的測定方法)所述方法測定，重金屬鉛、鎘、汞和砷分別按照GB5009.12、GB5009.15、GB5009.17和GB5009.11規(guī)定的方法測定。

2 結果與分析

2.1 不同CSBR含量對培養(yǎng)料組成的影響

對比CSBR含量為77.5%、94.0%培養(yǎng)料與常規(guī)木屑米糠培養(yǎng)料(木屑含量78%、米糠含量20%、石膏含量1%、磷酸二氫鉀含量1%)中纖維素、半纖維素、木質素、總氮、總碳和C/N的差異，結果如表3所示。和常規(guī)的木屑米糠培養(yǎng)料相比，含有CSBR的培養(yǎng)料中碳元素基本相同，木質素含量和氮元素含量相差較大。CSBR中木質素的含量在35%左右，隨著沼渣含量的增加，木質素的含量明顯增加，當CSBR含量為77.5%時，木質素含量是木屑米糠的1.6倍；當CSBR含量為94%時，木質素含量是木屑米糠的1.8倍。在厭氧發(fā)酵過程中，CSBR吸收部分沼液中的氮元素，CSBR含量為77.5%和94%培養(yǎng)料中總氮含量分別是木屑米糠培養(yǎng)料的2.7和3.5倍。因此，隨著CSBR在培養(yǎng)料中的含量增加，C/N逐漸降低。

表3 CSBR含量不同情況下培養(yǎng)料中各組分的百分比含量及C/N (%)

圖1 秸稈沼渣菌棒生長過程中菌絲的變化及出菇狀態(tài)

沼渣木質素含量高，質地松散，與木屑等常用食用菌培養(yǎng)配料有相似的理化性質，近年來有一些研究利用沼渣代替部分木屑、棉籽殼等栽種食用真菌。馬銀鵬[17]等人對沼渣代替一定比例木屑配制培養(yǎng)料栽種黑木耳進行試驗研究。研究結果表明，沼渣栽培黑木耳的最佳替代比例為10%～20%。魏啟舜[18]等人在研究中發(fā)現(xiàn)秸稈沼渣在食用菌生產中具有較高的應用價值，秸稈沼渣替代棉籽殼栽種銀耳替代比例為20%～40%。因香菇本身對木質素分解、利用能力更高，本實驗秸稈沼渣替代木屑量可達77.5%，米糠替代量達到100%。

2.2 不同CSBR含量對香菇子實體生長的影響

試驗中發(fā)現(xiàn)菌棒中CSBR含量為90%以上時，香菇菌絲均生長緩慢，后期停止生長，而CSBR含量為77.5%情況下，香菇菌絲生長正常。不同階段的香菇菌絲、子實體生長照片如圖1所示。培養(yǎng)料中CSBR比例過大會導致培養(yǎng)料中木質素含量過高，在菌絲體生長階段難以提供充足的碳源供菌絲體生長，導致菌絲不能達到大量分解木質素的產酶階段就已經停止生長。有研究表明，適當增加氮源可降低培養(yǎng)料的C/N，具有提高香菇產量的作用[14]，沼渣中攜帶的氮源對香菇的生長有一定的促進作用。一般認為香菇培養(yǎng)料C/N應該在30以上，本實驗中CSBR比例為77.5%的培養(yǎng)料C/N為31.7已接近最低要求[15]，因此，在本研究中77.5%的CSBR添加量接近上限。培養(yǎng)154天后，香菇產量為144 g(干重)/6 kg菌棒，產量和木屑米糠培養(yǎng)料相近[16]。

2.3 培養(yǎng)過程中對沼渣組分的分解效果

CSBR含量為77.5%的培養(yǎng)料經過培養(yǎng)香菇后，主要組成變化如圖2所示。整個菌棒的干重平均減少48.6%，培養(yǎng)后的沼渣pH值從6.0降低到3.4，沼渣的顏色從深棕色轉化為淡黃色。經過培養(yǎng)后纖維素、半纖維素和木質素的降解率分別是64.4%、72.5%和70.01%，與文獻[16]中香菇培養(yǎng)160天后纖維素、半纖維素、木質素降解率(分別為73.3%、73.5%和70.5%)相近。在厭氧發(fā)酵過程中殘留的纖維素、半纖維素和木質素在培養(yǎng)香菇過程中又被充分利用，尤其是難降解的木質素也被大量分解。

圖2 CSBR培養(yǎng)料(含量77.5%)培養(yǎng)過程中纖維素、半纖維素、木質素總碳和總氮的變化

CSBR培養(yǎng)料在栽培香菇后，碳氮比由31.6升高至36.1，這與木屑米糠培養(yǎng)料栽種香菇后碳氮比降低[16]不同， CSBR培養(yǎng)料中的氮素尤其是銨態(tài)氮含量豐富，幾乎是木屑米糠培養(yǎng)料氮含量的3倍，實驗中碳源利用率與潘迎捷[16]的研究結果相近，而氮源利用率更高，這是導致香菇渣碳氮比升高的原因。CSBR經過培養(yǎng)香菇處理后，木質素含量大幅降低，后續(xù)可以將香菇渣進一步用于堆肥處理。

2.4 培養(yǎng)前后培養(yǎng)料內重金屬含量的變化

為了研究CSBR中重金屬是否會在香菇中發(fā)生積累，分析了含量為77.5%的CSBR菌棒栽培香菇前后及香菇中重金屬的含量，主要檢測了鉛、鎘、汞和砷四種元素。如圖3所示，在CSBR菌棒中，鉛元素的含量達到1.75 mg·kg-1(干重)，鎘、汞和砷3種元素含量均在0.5 mg·kg-1(干重)以下。香菇采摘完畢后，菌棒中的鉛由于總碳的消耗，濃度增加到2.1 mg·kg-1，但香菇中4種重金屬含量都低于0.5 mg·kg-1。符合《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB 2762—2017)指標要求。 馬銀鵬[17]等人對沼渣代替一定比例木屑配制培養(yǎng)料栽種黑木耳進行試驗研究時對食用菌子實體各重金屬含量進行分析，結果與本實驗相同，食用菌子實體各重金屬含量均未超標。

圖3 CSBR、木屑、香菇菌渣和香菇中重金屬含量( 77.5%CSBR菌棒)

2.5 CSBR培養(yǎng)料效益分析

通過采用CSBR代替部分闊葉木屑和全部米糠、麩皮的方法，降低了菌棒的物料成本。表4為兩種培養(yǎng)料(干料)成本的對比情況。通過采用CSBR作為香菇培養(yǎng)料的主要原料，香菇培養(yǎng)料成本降低到351～422元·t-1，可以降低64%以上的原料成本。同時，還可以節(jié)約大量的闊葉林木資源。

表4 木屑米糠培養(yǎng)料和玉米秸稈沼渣培養(yǎng)料成本對比(配制1t干培養(yǎng)料) (元·t-1)

3 結論

通過采用CSBR替代部分木屑和全部的米糠、麩皮，CSBR含量為77.5%的培養(yǎng)料可以實現(xiàn)香菇菌絲的正常生長。經過香菇栽培后的培養(yǎng)料失重約48.6%(干重)，實現(xiàn)了沼渣的減量化處理。CSBR中纖維素、半纖維素和木質素的降解率分別是64.4%、72.5%和70.0% 。CSBR為主要組分的香菇菌棒原料成本可以降低53%，木屑用量減少了59%，節(jié)省了大量的闊葉林木資源。木質素含量的下降、香菇菌渣內有機菌絲的存在，為進一步用于好氧堆肥以及CSBR全部還田提供了條件，實現(xiàn)了沼渣的資源化處理，同時增加了沼氣工程的經濟效益。