玉米秸秆沼渣替代木屑培养香菇研究

吴艳君, 师晓爽, 陈 颖, 冯 权*, 郭荣波

(1.山东省沼气生产与利用工业工程实验室,中国科学院青岛生物能源与过程研究所, 山东 青岛 266101； 2.山东能源研究院, 山东 青岛 266101； 3.青岛新能源山东实验室, 山东 青岛 266101)

生物质能是清洁的可再生能源，全球生物质总量约1400～1800亿t·a-1(干重)，相当于目前世界年总能耗的10倍[1]。我国是农业大国，可收集的农作物秸秆资源量为6.87亿t·a-1[2]。2015年，我国开始通过建设补贴的方式，推广大型秸秆沼气项目，大量的沼气工程陆续建成和投产运行，我国沼气工程进入快速发展期。但是，目前沼气工程运营中仍存在很多问题，其中沼渣和沼液的资源化利用是限制沼气工程发展的主要问题之一。因此，如何建立具有良好经济效益、可复制和推广的沼气生产模式是当前沼气工程发展面临的重要课题[3-5]。对沼渣、沼液高附加值利用，不仅能够提高沼气工程的经济效益，实现沼气工程的可持续发展，同时也解决了副产物的出路问题[6]。

玉米秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。玉米秸秆经过厌氧发酵30～50 d后，总固体去除率为30～40%[7-9]，其中纤维素和半纤维素被微生物大部分利用，而木质素在厌氧环境下难以降解，导致沼渣中木质素的相对含量增加。如果直接将秸秆沼渣进行好氧堆肥，其中大量未分解的木质素会影响有机肥的品质。因此，需要寻找新的资源化利用途径。

沼渣的资源化利用，首先要分解利用其中的木质素。白腐菌是降解木质素最有效的真菌，其中的食用菌香菇(Lentinusedobes)生长过程中能分泌降解木质素的主要酶：过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶[8]。香菇栽培最常用的是木屑米糠培养料(其组成为阔叶树木屑、米糠、磷酸二氢钾、石膏)，其中阔叶树木屑的用量占菌棒培养料的40%～79%[10-12]，对森林资源消耗量大。阔叶木屑中木质素的含量在20%～40%之间，米糠中含氮2%左右，而经过厌氧处理后的秸秆沼渣中木质素含量为30%左右[9]，含氮量为2%左右。因此，采用玉米秸秆沼渣(Corn Straw Biogas Residue， CSBR)代替木屑作为香菇培养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养香菇，研究秸秆沼渣栽培香菇的可行性及沼渣中木质素的降解效果，既可以提供资源化利用秸秆沼渣的新途径，又能降低香菇种植成本和保护森林资源。

1 材料与方法

1.1 试验材料

CSBR取自青岛平度某大型沼气工程，温度35℃，水力停留时间30 d，基本理化参数如表1所示；阔叶木木屑(10～20目，含水率10.35%)和香菇菌株(广香2044)购买于网络。

表1 CSBR中各组分质量百分比 (%)

1.2 培养料配方

本实验以CSBR代替大部分木屑和全部的米糠作为香菇培养料的主料，复配阔叶木屑、石膏、葡萄糖和磷酸二氢钾为辅料进行香菇的栽培实验，以秸秆沼渣为主要材料的培养料组成如表2所示。为提高菌丝在初始生长阶段对碳源的需求，在CSBR含量为94%的情况下，将葡萄糖的含量提高至2%，pH值调整为6。

表2 以纯秸秆沼渣为主的培养料组成 (%)

1.3 菌棒的制备与培养

1.3.1 香菇菌棒的制备

按照表2所示比例将原料混合，装入φ17.2 cm×35.5 cm的封底聚丙烯袋中，每袋装料1000 g，共计12袋(培养料1、培养料2各6袋)，压实待用。把装好培养料的菌袋、菌环放入灭菌锅，0.1 MPa、121℃，灭菌30分钟，取出放入超净台降至室温。在超净台内，把香菇栽培菌掰成约1 cm×2 cm小块儿，菌块2/3插入菌袋培养料中，菌块铺满培养料上表面，用灭菌的菌环封口，即制成香菇菌棒。将上述12袋香菇菌棒放入恒温培养箱，设置温度为25℃，保持箱内相对湿度在65%～70%[10-11]。

1.3.2 香菇菌棒的培养

前3天为菌丝修复阶段，注意避光以免光线对菌丝修复造成影响。第1阶段为菌丝生长阶段，保持温度和湿度分别为25℃和65%～70%，每天通风30分钟，10天内不翻动菌棒。每天观察菌丝生长速度，菌丝长满后用灭菌大号针头对菌袋进行穿刺增氧。每袋刺孔10排每排10孔，刺孔增氧促进菌丝体成熟进入生殖阶段。第2阶段为菌丝体的生殖阶段，把菌棒转移至自制塑料透光培养箱中，室温保持25℃以上，用加湿器调节箱内湿度在65%～70%，观察菌丝体开始成熟转色，菌棒转色完成。第3阶段为出菇阶段，湿度保持在80%～85%，每日17点转移塑料培养箱至低温15℃，次日8点转移至25℃室内，保持温差促使菌丝萌出子实体顺利出菇。培养第154天香菇采收完毕，采收后对种植香菇后的菌棒各项指标进行对比测试[12]。

1.4 分析方法

CSBR及其处理后菌棒中的纤维素、木质素和半纤维素等组分含量按照文献[13]所述方法测定,总碳和总氮按照(灼烧法和凯氏氮的测定方法)所述方法测定，重金属铅、镉、汞和砷分别按照GB5009.12、GB5009.15、GB5009.17和GB5009.11规定的方法测定。

2 结果与分析

2.1 不同CSBR含量对培养料组成的影响

对比CSBR含量为77.5%、94.0%培养料与常规木屑米糠培养料(木屑含量78%、米糠含量20%、石膏含量1%、磷酸二氢钾含量1%)中纤维素、半纤维素、木质素、总氮、总碳和C/N的差异，结果如表3所示。和常规的木屑米糠培养料相比，含有CSBR的培养料中碳元素基本相同，木质素含量和氮元素含量相差较大。CSBR中木质素的含量在35%左右，随着沼渣含量的增加，木质素的含量明显增加，当CSBR含量为77.5%时，木质素含量是木屑米糠的1.6倍；当CSBR含量为94%时，木质素含量是木屑米糠的1.8倍。在厌氧发酵过程中，CSBR吸收部分沼液中的氮元素，CSBR含量为77.5%和94%培养料中总氮含量分别是木屑米糠培养料的2.7和3.5倍。因此，随着CSBR在培养料中的含量增加，C/N逐渐降低。

表3 CSBR含量不同情况下培养料中各组分的百分比含量及C/N (%)

图1 秸秆沼渣菌棒生长过程中菌丝的变化及出菇状态

沼渣木质素含量高，质地松散，与木屑等常用食用菌培养配料有相似的理化性质，近年来有一些研究利用沼渣代替部分木屑、棉籽壳等栽种食用真菌。马银鹏[17]等人对沼渣代替一定比例木屑配制培养料栽种黑木耳进行试验研究。研究结果表明，沼渣栽培黑木耳的最佳替代比例为10%～20%。魏启舜[18]等人在研究中发现秸秆沼渣在食用菌生产中具有较高的应用价值，秸秆沼渣替代棉籽壳栽种银耳替代比例为20%～40%。因香菇本身对木质素分解、利用能力更高，本实验秸秆沼渣替代木屑量可达77.5%，米糠替代量达到100%。

2.2 不同CSBR含量对香菇子实体生长的影响

试验中发现菌棒中CSBR含量为90%以上时，香菇菌丝均生长缓慢，后期停止生长，而CSBR含量为77.5%情况下，香菇菌丝生长正常。不同阶段的香菇菌丝、子实体生长照片如图1所示。培养料中CSBR比例过大会导致培养料中木质素含量过高，在菌丝体生长阶段难以提供充足的碳源供菌丝体生长，导致菌丝不能达到大量分解木质素的产酶阶段就已经停止生长。有研究表明，适当增加氮源可降低培养料的C/N，具有提高香菇产量的作用[14]，沼渣中携带的氮源对香菇的生长有一定的促进作用。一般认为香菇培养料C/N应该在30以上，本实验中CSBR比例为77.5%的培养料C/N为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。培养154天后，香菇产量为144 g(干重)/6 kg菌棒，产量和木屑米糠培养料相近[16]。

2.3 培养过程中对沼渣组分的分解效果

CSBR含量为77.5%的培养料经过培养香菇后，主要组成变化如图2所示。整个菌棒的干重平均减少48.6%，培养后的沼渣pH值从6.0降低到3.4，沼渣的颜色从深棕色转化为淡黄色。经过培养后纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别是64.4%、72.5%和70.01%，与文献[16]中香菇培养160天后纤维素、半纤维素、木质素降解率(分别为73.3%、73.5%和70.5%)相近。在厌氧发酵过程中残留的纤维素、半纤维素和木质素在培养香菇过程中又被充分利用，尤其是难降解的木质素也被大量分解。

图2 CSBR培养料(含量77.5%)培养过程中纤维素、半纤维素、木质素总碳和总氮的变化

CSBR培养料在栽培香菇后，碳氮比由31.6升高至36.1，这与木屑米糠培养料栽种香菇后碳氮比降低[16]不同， CSBR培养料中的氮素尤其是铵态氮含量丰富，几乎是木屑米糠培养料氮含量的3倍，实验中碳源利用率与潘迎捷[16]的研究结果相近，而氮源利用率更高，这是导致香菇渣碳氮比升高的原因。CSBR经过培养香菇处理后，木质素含量大幅降低，后续可以将香菇渣进一步用于堆肥处理。

2.4 培养前后培养料内重金属含量的变化

为了研究CSBR中重金属是否会在香菇中发生积累，分析了含量为77.5%的CSBR菌棒栽培香菇前后及香菇中重金属的含量，主要检测了铅、镉、汞和砷四种元素。如图3所示，在CSBR菌棒中，铅元素的含量达到1.75 mg·kg-1(干重)，镉、汞和砷3种元素含量均在0.5 mg·kg-1(干重)以下。香菇采摘完毕后，菌棒中的铅由于总碳的消耗，浓度增加到2.1 mg·kg-1，但香菇中4种重金属含量都低于0.5 mg·kg-1。符合《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2017)指标要求。 马银鹏[17]等人对沼渣代替一定比例木屑配制培养料栽种黑木耳进行试验研究时对食用菌子实体各重金属含量进行分析，结果与本实验相同，食用菌子实体各重金属含量均未超标。

图3 CSBR、木屑、香菇菌渣和香菇中重金属含量( 77.5%CSBR菌棒)

2.5 CSBR培养料效益分析

通过采用CSBR代替部分阔叶木屑和全部米糠、麸皮的方法，降低了菌棒的物料成本。表4为两种培养料(干料)成本的对比情况。通过采用CSBR作为香菇培养料的主要原料，香菇培养料成本降低到351～422元·t-1，可以降低64%以上的原料成本。同时，还可以节约大量的阔叶林木资源。

表4 木屑米糠培养料和玉米秸秆沼渣培养料成本对比(配制1t干培养料) (元·t-1)

3 结论

通过采用CSBR替代部分木屑和全部的米糠、麸皮，CSBR含量为77.5%的培养料可以实现香菇菌丝的正常生长。经过香菇栽培后的培养料失重约48.6%(干重)，实现了沼渣的减量化处理。CSBR中纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别是64.4%、72.5%和70.0% 。CSBR为主要组分的香菇菌棒原料成本可以降低53%，木屑用量减少了59%，节省了大量的阔叶林木资源。木质素含量的下降、香菇菌渣内有机菌丝的存在，为进一步用于好氧堆肥以及CSBR全部还田提供了条件，实现了沼渣的资源化处理，同时增加了沼气工程的经济效益。