复方肤清洗剂中药渣堆肥发酵条件研究

周灿 刘忍阳 梁晓霞 狄士文 石金敏 张泽志

摘要：为研究复方肤清洗剂中药渣堆肥发酵条件，采用有氧人工发酵、有氧自然发酵、无氧人工发酵以及无氧自然发酵4种堆肥方式处理，监测堆肥过程中温度、电导率、pH、种子发芽指数、全磷含量以及碳氮比（C/N）的变化。结果表明，有氧人工发酵堆肥温度高，腐熟进度快，是复方肤清洗剂中药渣堆肥的有效制备方法；其堆肥发酵条件为含水量60%，pH 6～8，Rw促腐剂含量0.1 g/kg，每天翻堆1～2次。

关键词：复方肤清洗剂；中药渣；堆肥；发酵条件

中图分类号：S141.4；R124.3         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2023）11-0041-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.11.008 开放科学（资源服务）标识码（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

隨着中医药事业的发展以及人们健康意识的增强，中草药和中成药的应用日益广泛，中药药渣富集明显。2017年中国中药渣年产量超3 000万t［1］，2020年药渣排放量达7 000万t［2］，2022年中国1 500家中药企业年产中药渣1 200万t［3］。如何处理中药渣成为中药事业发展面临的新问题［4］。

中药渣有药物成分残留，含水量高，易腐烂变质，如处理不当，容易带来极大的环境污染问题［5］。近年来，中药渣已被广泛加工成肥料、食用菌袋料等［5-7］。这主要源于植物类中药富含多种营养元素、有机和无机物质［1，8，9］，透气性好、成本低，适合做有机肥和轻基质原料。然而，在制作原料过程中，由于不同种类中药渣理化性质差异较大，堆肥存在明显差异，影响中药渣作为堆肥产品的标准［2，3，10］。

复方肤清洗剂由金银花、野菊花、大青叶、赤芍、当归、地肤子、苦参、滑石、甘草等中药组成，具清热利湿、凉血解毒、祛风止痒之功效，临床用于各种过敏性、瘙痒性、红斑鳞屑性及细菌性皮肤病的治疗。该方由湖北医药学院附属人民医院皮肤科医生多年临床治疗经验总结以及知名中西医专家论证确定，经过5年多临床使用后固定处方组成和制备方法。由于其临床疗效显著，生产量大，生产后的药渣处理比较棘手，因此在开展该制剂制备工艺和质量标准研究的同时，启动了其药渣有机基质的制备研究，现介绍如下。

1 材料与方法

1.1 材料

所用中药渣为湖北医药学院附属人民医院制剂中心生产复方肤清洗剂之废渣，晒干后经粉碎使其粒径小于3 cm。所用试剂有Rw促腐剂（河南省鹤壁市人元生物技术发展有限公司）、其他试剂（均为分析纯）。

所用仪器有CP2104型奥豪斯电子分析天平［奥豪斯仪器（上海）有限公司］、TU1901型紫外分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）、STARTER2100型奥豪斯酸度计［奥豪斯仪器（上海）有限公司］、DDS-11A型数显电导率仪（上海宇龙仪器有限公司）和SF-200型高速粉碎机（武昌区隆昌制药机械厂）。

1.2 方法

1.2.1 有机基质的制备 采用有氧人工发酵、无氧人工发酵、有氧自然发酵和无氧自然发酵4种堆肥方式。①有氧人工发酵。称取中药渣约5 kg，置储物箱内；精密称取Rw促腐剂0.5 g，倒入相当于中药渣质量60%的水中，搅拌均匀后倒入储物箱中，调节pH至6～8。②无氧人工发酵。按照有氧人工发酵方法操作后，加盖密闭。③有氧自然发酵。称取中药渣约5 kg，置储物箱内，加入相当于中药渣质量60%的水，拌匀。④无氧自然发酵。按照有氧自然发酵方法操作后，加盖密闭。

翻堆方法：有氧人工发酵和有氧自然发酵每天翻堆1次，温度超过70 ℃时每天翻堆2次；无氧自然发酵和无氧人工发酵不翻堆。

1.2.2 采样方法及指标测定

1）采样及样品制备方法。分别于堆肥0、15、30、45、60、75、90 d采样，按照五点采样法［11］采样后混合均匀，风干，粉碎并过1 mm筛，置干燥器内备用。

2）温度监测［12］。于每天上午10：00对各发酵制备组随机取3个点测定温度，计算其平均值。

3）pH和电导率（EC）监测［11，13］。称取上述所制各样品3份，每份各约5 g，置100 mL烧杯中，加入50 mL去离子水，搅动15 min，静置30 min，过滤，取续滤液测定pH和EC，重复操作3次取平均值。

4）种子发芽指数（GI）监测［14］。在种子发芽盒（11.5 cm×11.5 cm×4.5 cm）中测定，指示种子为大白菜（Brassica rapa L. ssp. pekinensis）。滴入5 mL堆肥水浸提备用液或去离子水（对照）于发芽盒中发芽纸上，均匀播种30粒种子，在25 ℃暗培养48 h后测定，每处理重复3次。发芽指数=（处理的平均种子发芽率×处理的平均种子胚根总长）/（对照的平均种子发芽率×对照的平均种子胚根总长）×100%。

5）全磷含量监测。采用国家农业行业标准商品有机肥料标准NY 525—2012中规定的钒钼黄法测定［13］。

6）C/N监测。采用国家农业行业标准商品有机肥料标准NY 525—2012中规定的重铬酸钾法测定有机质含量，全碳含量由有机质含量/1.724（经验常数）计算确定；全氮含量采用凯式定氮法测定［13］。

7）微生物变化监测。每日观察并记录各组微生物生长变化情况。

2 結果与分析

2.1 温度监测结果

由图1可知，复方肤清洗剂中药渣通过4种堆肥方式后，均从1 d后开始堆体温度升高，38 d后温度均趋向同一水平。其中，药渣经过有氧人工发酵    4 d进入高温阶段（温度＞50 ℃）并保持高温17 d，发酵15 d出现最高温度（63.3 ℃），20 d开始进入后熟保肥阶段；药渣经过有氧自然发酵11 d进入高温阶段并保持高温11 d，18 d出现最高温度（63.0 ℃），20 d进入后熟保肥阶段；有氧条件下，药渣自然发酵较人工发酵高温出现时间延迟、保持时间短。无氧条件下，药渣人工发酵或自然发酵最高温度均未超过35 ℃，无明显差异。

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10

][温度//℃][0  15 30 45 60 75 90

时间//d][有氧人工发酵

有氧自然发酵

无氧人工发酵

无氧自然发酵

]

图1 不同发酵方式对中药渣堆肥过程中温度的影响

2.2 pH和EC监测结果

在堆肥过程中，pH的变化主要是由氨化作用和硝化作用引起的［15］。结果（图2）显示，复方肤清洗剂药渣随着发酵时间的不断延长，各组pH虽有所变化，但仍处于微生物生长繁殖的最适pH范围内（6～8），对微生物活性有利。其中，在有氧条件下，中药渣人工发酵和自然发酵的pH不断升高，且人工发酵较自然发酵总体偏高；而在无氧条件下，中药渣人工发酵或自然发酵的pH不断下降。

电导率的变化反映了腐熟进程中的盐分水平［16］。结果（图3）显示，堆肥过程中药渣EC均随着发酵时间的延长而升高，说明复方肤清洗剂中药渣含盐量较高，需要结合不同土壤情况使用堆肥。有氧堆肥的中药渣pH和EC高，应在酸性土壤中追施；无氧堆肥的中药渣pH低、EC高，应在碱性土壤中追施。

2.3 种子发芽指数监测结果

种子发芽指数能在一定程度上指示堆肥质量和毒性，发芽指数大于50%时，堆肥没有毒性；发芽指数大于80%时，没有植物毒性［15］。由图4可知，复方肤清洗剂中药渣发酵时，种子发芽指数均随着堆肥发酵时间的延长而升高，有氧发酵升高较明显，且有氧人工发酵在中药渣发酵30 d时种子发芽指数大于50%，最高值出现在发酵90 d，达82%，有氧自然发酵在中药渣发酵60 d时种子发芽指数大于50%，最高值出现在发酵90 d，达77%；无氧条件下，人工发酵或自然发酵下中药渣堆肥发酵种子发芽指数升高均较缓慢，均于发酵60 d时大于50%，最高值也均出现在发酵90 d，发芽指数分别为59%和60%。这说明复方肤清洗剂中药渣堆肥最适宜采用有氧人工发酵。

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][发芽指数//%][0  15 30 45 60 75 90

时间//d][有氧人工发酵

有氧自然发酵

无氧人工发酵

无氧自然发酵

]

图4 不同发酵方式对中药渣堆肥过程中发芽指数的影响

2.4 全磷含量监测结果

由图5可知，复方肤清洗剂中药渣发酵堆肥过程全磷含量随发酵时间延长呈不断升高趋势，最终趋于稳定。发酵结束后，有氧人工发酵中药渣堆肥全磷含量增加了0.94%，有氧自然发酵、无氧人工发酵和无氧自然发酵3种方式分别增加了0.89%、0.79%和0.77%，以有氧人工发酵和有氧自然发酵增幅较大。

2.5 C/N监测结果

C/N在一定程度上反映了堆肥腐熟度及土壤氮的转化与吸收［2，15］。由图6可知，复方肤清洗剂中药渣发酵堆肥时，C/N均呈下降趋势，中药渣在有氧条件下，人工发酵或自然发酵降幅较大，分别于90 d从初始值的29和28降至17和18，下降了41%和36%；在无氧条件下，药渣人工发酵或自然发酵均未降至20以下。这表明在有氧条件下复方肤清洗剂中药渣发酵堆肥时氮素处于转化和释放状态，而无氧条件下药渣堆肥的可利用氮素较少。

2.6 微生物变化监测结果

微生物变化可间接反映堆肥发酵过程中的腐熟度。复方肤清洗剂中药渣在有氧人工发酵条件下，发酵9 d时堆肥温度达60 ℃，同时产生白色放线菌丝，发酵14 d菌丝最多，之后逐渐减少，发酵20 d基本消失；有氧自然发酵条件下，发酵13 d开始产生少量白色放线菌丝，发酵17 d菌丝最多，发酵22 d基本消失；无氧人工发酵条件下，发酵5 d开始产生霉菌，并一直维持至44 d后开始消失；无氧自然发酵条件下，从发酵7 d开始产生霉菌，至发酵11 d霉菌生长量达到最大，一直维持至发酵49 d后逐渐减少并消失。

3 小结与讨论

3.1 小结

各监测数据显示，有氧人工发酵组以及有氧自然发酵组的各项指标均优于无氧人工发酵和无氧自然发酵，其中以有氧人工发酵为最优。有氧人工发酵加入了菌剂，且未密闭发酵，同时翻堆操作又能接触空气，因此，在相同初始条件（pH 6～8，C/N 28～29）下，有氧人工发酵能最先进入高温阶段并维持较长时间；pH、EC和全磷含量等均于高温阶段结束时趋于稳定；发芽指数和C/N同期比较也是最优水平，说明通气状况、翻堆与否以及是否添加菌剂是影响发酵的主要因素。同时，有氧人工发酵堆肥方式是复方肤清洗剂中药渣有机基质的最佳制备方法，且在初始含水量60%、堆肥pH 6～8、Rw促腐剂含量   0.1 g/kg、每天翻堆1～2次的条件下发酵90 d后，EC为0.89 μS/cm，种子发芽指数为82%，全磷含量为1.79%以及C/N为17。

3.2 讨论

3.2.1 发酵原理 在一定温度、湿度和pH条件下，利用微生物使有机物发生生物化学降解，形成一种类似腐殖质土壤的物质，用作肥料和改良土壤的方法称为生物处理法，又称发酵［17］。发酵分为高温发酵和厌氧发酵。高温发酵又称为好氧发酵，是好氧微生物在有氧的条件下发生作用的过程，即微生物通过分泌胞外酶分解附着在其体外的固体和胶体有机物，使其变成可溶解性物质，然后和其他可溶解性有机物一起渗入或透过细胞壁和细胞膜进入微生物细胞而被其所吸收；微生物通过自身的氧化、还原、合成等过程将一部分有机物转化成简单的无机物并释放能量供生物生长活动所需，将另一部分有机物转化为生物体所必需的营养物质，合成新的细胞物质，从而使微生物逐渐生长繁殖，产生更多的生物体。厌氧发酵是厌氧微生物在无氧条件下发生作用的过程，微生物分解初期的产物为有机酸、醇等，此时积累大量的有機酸，pH逐渐下降，为酸性发酵阶段；同时，甲烷细菌开始将有机酸和醇分解为甲烷和二氧化碳并使自身大量繁殖，此时有机酸被分解，pH迅速上升，为碱性发酵阶段。

3.2.2 发酵影响因素 主要包括：①有机质含量。有机质是微生物赖以生存和繁殖的重要因素。有机物含量过低不但影响发酵温度而达不到无害化效果，同时也不利于微生物的分解和繁殖而影响肥效；有机质含量过高则对通风和供氧造成困难［17］。②温度。发酵过程中微生物分解有机物而释放热量，从而影响发酵温度。在发酵初期，即中温发酵阶段，中温菌起主要作用，温度一般为15～45 ℃；随着微生物活动的不断活跃，释放的热量越来越多，逐步进入高温发酵阶段，此时高温菌占主导作用，温度一般为50～60 ℃，维持该温度一周左右即可杀死其中的寄生虫、卵、病原菌等，达到无害化标准［18］。温度过低，达不到分解效果及无害化标准；温度过高，则容易造成水分过度丧失而使发酵停止。③水分。水分是微生物赖以生存的重要物质基础，水分含量直接影响发酵进度，水分含量过高有碍于通气，造成缺氧，不利于微生物的生长和繁殖，使温度难以上升，分解速度明显减慢；水分含量过低则微生物代谢作用减慢或停止，有机物难以分解。④通气条件。通气主要是给好氧微生物提供氧气，以利于其生长和繁殖并分解有机物。通气量过小微生物得不到充足的“养分”而分解缓慢；通气量过大则容易造成水分的大量丧失和温度的快速降低。⑤碳氮比。碳氮比是发酵原料和添料的总碳含量与总氮含量的比值。适宜的碳氮比对发酵有重要作用，若碳氮比高，碳素多，氮素少，会减慢微生物的生长繁殖即影响有机物分解，延缓堆肥时间；若碳氮比低，碳素少，氮素多，则氮素容易变成氨气而挥发损失，同时造成了空气污染［19］。⑥菌剂。菌剂是采用现代化学、生物技术，经过特殊的生产工艺生产的微生物菌种，其中包括分解纤维素、半纤维素和木质素的嗜热、耐热的细菌、真菌和放线菌等。菌剂的加入一方面能补充原料中微生物的缺失，另一方面能平衡原料中微生物的种类和数量，使发酵过程按照既定的程序进行，以达到最佳发酵状态［20，21］。此外，翻堆频率［16］、初始pH、覆盖材料［15］等对发酵也存在一定的影响。

3.2.3 试验注意事项 本研究发酵所用原料为5 kg，量较少，若采用敞开式堆肥处理，则会由于堆高    （≥0.5 m）不达标而造成堆体温度快速丧失，致使发酵无法进入高温阶段。因此，本研究采用了适当容积的储物箱进行储存，同时将储物箱各面包裹泡沫以达到保温效果；试验过程中，有大量放线菌、霉菌等的产生与繁殖，同时有的试验组具有恶臭等，因此在进行翻堆、取样处理时注意个人防护，操作后及时洗手，以免造成感染。

3.2.4 发展前景 2017年7月1日，《中华人民共和国中医药法》颁布实施，这对继承和弘扬中医药、保障和促进中医药事业发展和保护人民健康具有重要意义，但随之而来的中药废渣处理问题也将越来越严峻。因此，既促进中医药的发展，又解决好中药渣对环境的污染问题或者中药渣的再利用问题，才是真正地实现中医药事业的可持续发展。根据文献记载，中药渣具有非常高的利用价值，或有效成分富集再利用［22］，或制备堆肥育苗［23］，或栽培食用菌［24］，或制备蛋白饲料［25］，或制备絮凝剂用于废水处理［26］，或催化裂解制取生物油［27］等。然而遗憾的是，国内外对中药渣资源化利用的研究仍多处于实验室阶段，仅有中药渣有机基质及肥料的研究已经进入中试及肥效试验阶段［7］，同时取得了可喜的成效。由此可见，将中药渣开发成有机基质及肥料是最容易实现的中药渣综合再利用途径。中药渣有机基质及肥料既能保证肥效，又能改良土壤；既能产出绿色有机农产品，又能推动农业的健康持续发展，因此具有广阔的市场开发前景。

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