中药渣蛴螬生物转化潜力

摘要：为探究蛴螬在中药渣生物转化中的应用潜力，本研究通过室内培养蛴螬转化实验（周期20d），研究了新鲜中药渣、发酵中药渣及其与有机物料（木屑、秸秆）配伍经蛴螬生物转化前后的养分含量、腐熟度指标及生物转化率的响应。结果表明：与生物转化前相比，转化产物总养分含量（N+P2O5+K2O）由1.59%-2.94%显著提升至3.36%-4.27%，有效氮（硝态氮+氨态氮）含量显著增加，碳氮比（C/N）由20.59-57.82下降至12.13-26.10，物料腐熟度显著提升（油菜发芽指数平均增加22.50%）；与新鲜中药渣为底物的生物转化产物（T4处理）相比，发酵中药渣为底物的转化产物（T1处理）总养分含量提高24.49%，达到4.27%，总有效氮含量增加约4倍，虫体转化率和虫粪转化率分别大幅度提高至5.30%和89.49%，且发酵中药渣的转化产物C/N稳定在20以下，转化产物的农业适用性得到改善；相比于新鲜或发酵中药渣为单一底物的蛴螬生物转化产物（TI或T4处理），有机物料（木屑、秸秆）配伍处理组所得产物（T2和T3、T5和T6处理）的全钾（TK）、有机质（OM）含量和C/N大幅增加，而总养分、有效氮含量、电导率（EC）和油菜种子发芽指数呈下降趋势。研究表明，发酵中药渣的蛴螬生物转化效果优于新鲜中药渣直接生物转化，且与有机物料配伍可提高转化产物的OM和TK含量以及蛴螬的虫粪转化率。

关键词：中药渣；蛴螬；生物转化；养分含量

中图分类号：X787 文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2024）08-1907-08 doi：10.11654/jaes.2024-03 20

中医药产业是我国新时代重要的传统产业之一，近年来发展势头迅猛，但在中药材采收、炮制和中成药生产过程中产生的大量有机固体废弃物——中药渣给生态环境带来了巨大压力。据统计，我国中药企业每年在提取及深加工过程中消耗的药材总量约为7 000万t，其中约有50%的组分成为中药渣被丢弃。中药渣作为一种有机固体废物，富含粗纤维、粗蛋白、粗脂肪等营养成分，是一种宝贵的生物质资源。现阶段中药渣的处理方式以直接排放、堆积、填埋、焚烧和饲料化为主，资源化利用率较低，产业化处理模式尚未形成，中药渣的不合理处理处置不仅污染生态环境，而且造成资源极大浪费。研究表明，中药渣经生物发酵可形成富含氮、磷、钾的生物有机肥，其替代化学肥料施用具有改善土壤养分有效性、酶活性和提高作物产量的功效。传统好氧堆肥和高效菌剂堆肥存在堆制周期长、产品肥效不稳定和菌剂价格昂贵的缺点，亟需探索中药渣资源化高附加值利用的绿色途径，变废为宝，中药渣资源化不仅能有效解决中药渣潜在的生态环境风险问题，而且也有利于延长中药材产业的物质循环链，提高企业的产能和经济效益。

生物转化技术即外界物质进入生物体内后在相关酶系统催化作用下发生化学变化，生成代谢物排出体外的过程，是当前中药渣无害化、资源化、能源化处理的一种有效途径，该过程主要由微生物和环保昆虫介导，如蚯蚓、蜣螂、白星花金龟、黑水虻等。蛴螬（Potosia brevitarsis Lewis）又称白星花金龟，是昆虫纲、鞘翅目、金龟子科幼虫的统称，主要以腐烂的秸秆、杂草、尾菜烂果、餐厨垃圾等废弃物为食，其本身作为一种传统的中药材，虫体蛋白质含量高达74.9%，且富含多种维生素（如A、B、C、E）及铁、锌等多种有益微量元素，具有较高的药用价值和食用价值。此外，有研究表明蛴螬作为天然“生物转化器”，既可直接将秸秆、秧蔓、杂草、残果、尾菜、修剪枝条以及养殖业粪便、生活垃圾等混合生物质转化为高价值虫体蛋白，又可得到氮、磷、钾含量较高的生物转化产物——粪沙，这为有机固体废物资源化利用和发展循环农业提供了一种绿色可持续发展路径。研究表明，芒果、苹果等水果残余物作为蛴螬繁育饲料所得的粪砂含有机质18.72%，氮、磷、钾养分5.95%，将其作为生物有机肥施用有效促进了盆栽小白菜生长，提高了辣椒的产量和品厨。然而，基于中药渣为原料的蛴螬生物转化研究相对较少，因此本研究探讨了蛴螬幼虫对新鲜中药渣、发酵中药渣及其与有机物料（木屑、秸秆）配伍的生物转化作用，分析了转化前后物料养分含量特征和腐熟度以及蛴螬的生物转化效率，以期为充分发挥“昆虫生物转化器”的生态化转化功能作用，提高有机固体废物中药渣的高值资源化利用率和延伸中药生产企业的产业链提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试中药渣来自于山西省长治市某中药厂，发酵中药渣为新鲜中药渣经发酵而得，秸秆为玉米秸秆粉碎物，木屑是园林绿化树枝粉碎物。供试中药渣的基本理化性质见表1。供试蛴螬选自课题组前期研究的中药渣发酵堆肥中生长健壮的3龄蛴螬幼虫，幼虫投入转化培养箱前饥饿处理1d。

1.2 试验设计

本研究共设置6个处理组，按照生物转化底物组成分别为T1：发酵中药渣100%，T2：发酵中药渣75%+木屑12.5%+秸秆12.5%，T3：发酵中药渣50%+木屑25%+秸秆25%，T4：新鲜中药渣100%，T5：新鲜中药渣75%+木屑12.5%+秸秆12.5%，T6：新鲜中药渣50%+木屑25%+秸秆25%，每处理组设5个重复。将待转化物料按处理要求分别置于生物转化培养箱内（长、宽、高分别为30、20、18 cm的塑料盒），每盒20 g（干质量），并放人20条蛴螬于培养箱中，充分混匀，培养箱上盖开数个透气孔，在室温下培养20 d，培养期间物料湿度控制在60%—70%之间，通过称质量的方法定期用小型喷雾器进行补水调节。

1.3 指标测定

1.3.1 pH和电导率的测定

pH和电导率（EC）分别采用便携式酸度计和手持式电导率记录仪测定。取10 g样品（风干、过1mm筛）置于250 mL锥形瓶，加入100 mL蒸馏水，将锥形瓶密封，恒温、180 r·min-1条件下振荡20 min，放置1h后测定上清液的pH和EC值。

1.3.2 物料养分与有机质含量的测定

转化前后物料的全氮（TN）、全磷（TP）、硝态氮、铵态氮含量分别采用硫酸-过氧化氢消解-水杨酸钠法、硫酸-过氧化氢消煮-钼锑抗分光光度法、氯化钾溶液提取-分光光度法、氯化钾溶液提取-分光光度法测定，所用仪器为全自动间断化学分析仪（Clev-erChem380plus，德国）；全钾（TK）采用火焰光度计法测定；有机质（OM）含量采用马弗炉550℃灼烧6h减重法计算得到。

1.3.3 物料腐熟度指标的测定

发芽指数（GI）根据NY/T 525-2021中的方法计算。选择饱满、有活性的油菜种子开展发芽试验，在垫有8 cm滤纸片的9cm×9 cm培养皿内均匀点播15粒油菜种子，加10 mL浸提液后置于25℃恒温箱，每个处理组设3个重复，以蒸馏水为对照，连续培养72h后测定种子发芽率及发芽种子根长。种子发芽指数计算公式为：

种子发芽指数=（试验样种子发芽数×试验样种子平均根长／对照样种子发芽数×对照样种子平均根长）×100%（1）

1.3.4 蛴螬幼虫对物料的取食率、虫体转化率及虫粪转化率的计算

试验开始前将待试蛴螬饥饿处理1d称质量，并记录数据，饲养盒中放入饲料，喂养20 d后再次称量蛴螬的质量，喂养结束后，将餐盒里的剩余饲料以及虫粪在恒温烘箱中烘干后，通过筛子将其分离，分别称量剩余饲料干质量和虫粪干质量，并记录相关数据。取食率、虫体转化率及虫粪转化率的计算公式为：

取食率＝（添加饲料干质量-剩余饲料干重量／添加饲料干质量）×100%（2）

虫体转化率=（虫体质量增加量/取食量-排粪量）×100%（3）

虫粪转化率=（虫粪干质量/取食量-虫体质量增加量）×100%（4）

1.4 数据处理及分析

采用Excel 2016制图，采用SPSS 20.0进行方差分析，采用新复极差法进行多重比较，采用最小显著差异法进行显著性检验。

2 结果与讨论

2.1 生物转化前后养分含量特征

由图1可知，中药渣及其与有机物料配伍经20 d蛴螬生物转化后的产物中TN、TP和TK含量显著高于转化前的底料（除T1和T2处理的TP含量），其中TN平均增幅为94.25%，TP平均增幅为32.46%，TK平均增幅为150.95%。蛴螬生物转化可显著提高中药渣的TN、TP和TK含量，转化产物肥效得到提高，这与蚯蚓堆肥（生物转化）提高了蘑菇渣和畜禽粪便复配物料中N、P、K等营养元素含量的研究结果相一致。与新鲜中药渣的生物转化产物相比，发酵中药渣经转化后产物的TN和总养分（N+P2O5+K2O）含量分别达到31.03 g·kg-1（图1A）和4.27%（表2），增幅分别为59.27%和24.49%。当发酵中药渣与有机物料配伍作为转化底物时，TN含量随着转化底物中发酵中药渣含量的下降而下降，这可能与添加含碳氮比（C/N）较高的木屑和秸秆后，生物转化过程中物料对N元素的消耗有关。然而，新鲜中药渣生物转化产物的TK含量（4.47 g·kg-1）显著高于发酵中药渣（2.93 g·kg-1），且TK含量随着转化底物中木屑和秸秆含量的增加而增加，这与发酵中药渣作为底物与有机物料配伍的表现一致，这可能与木屑和秸秆的K元素含量有关。在本研究中，蛴螬生物转化总体上降低了产物的OM含量，这表明转化底物中大分子有机碳物质，如纤维素、半纤维素、木质素等被降解并趋于稳定。与发酵中药渣底物组（T1、T2和T3，760.17-839.70 g·kg-1）相比，新鲜中药渣底物组（T4、T5和T6）转化产物的OM含量（951.54-972.55 g·kg-1）较高，这可能与新鲜中药渣本身OM含量较高有关，但无论在新鲜还是发酵中药渣底物组，随着木屑和秸秆含量的增加，产物OM含量逐步增加，表明有机物料配伍在一定程度可提高中药渣生物转化产物的OM含量。由表2可知，中药渣经生物转化后总有效氮含量（1 201.50-5 023.41 mg·kg-1）显著高于转化前（234.88-1 307.14mg·kg-1），且以硝态氮为主，发酵中药渣处理组（T1-T3）硝态氮和铵态氮平均增加4.16、3.93倍，新鲜中药渣处理组（T4-T6）硝态氮和铵态氮平均增加9.34、3.32倍。蛴螬肠道内有许多具有固氮功能的固氮菌，如苍白杆菌属、根瘤菌属、伯克霍尔德菌属和甲基杆菌等，其有利于提高转化产物的TN和有效氮含量。在发酵中药渣底物组（T1、T2和T3）的转化产物中，总有效氮含量随着木屑和秸秆含量的增加而降低，由5 023.41 mg·kg-1降低至3 333.91 mg·kg-1，而新鲜中药渣底物组（T4、T5和T6）转化产物总有效氮含量在添加木屑和秸秆后有所增加（1201.50 mg·kg-1增加至2 849.56 mg·kg-1），这可能与蛴螬在利用性质不同的新鲜与发酵中药渣时体内的生物代谢有关。由上述结果可知，蛴螬生物转化可显著提高中药渣TN、TP、TK和总养分含量，在中药渣高值资源化利用上表现出较好的潜力，且以发酵中药渣为转化底物时TN、有效氮含量的增幅更大。

2.2 转化产物的腐熟度指标

进一步分析蛴螬生物转化产物的腐熟度可知，发酵中药渣底物组（T1、T2和T3）的转化产物pH值整体下降，为6.2-6.6，而新鲜中药渣底物组（T4、T5和T6）经转化后pH值总体升高，为5.6-6.7（图2A），各组均符合农业行业标准（NY／T 525-2021）有机肥料pH5.5-8.5的要求。发酵中药渣的pH值为7.1，而新鲜中药渣为4.4，经过蛴螬的生物转化，发酵中药渣底物组的转化产物的pH值较新鲜中药渣底物组（T4、T5和T6）更稳定（趋向于pH 6），这表明发酵中药渣更适合作为蛴螬饲养底物供其生长。蛴螬转化产物的EC值由转化前的0.33-1.26 mS·cm-1增加至0.80-4.40 mS·cm-1，增幅为120.18%-292.38%（图2B），以发酵中药渣T1处理最高，EC值为1-4 mS·cm-1的转化产物更适合作为肥料促进作物的生长。经动物消化道和肠道菌群的消化分解作用，OM分解致使排泄物中含有较高浓度的游离离子和矿物质，是蛴螬生物转化后EC值大幅度提升的原因。相比于新鲜中药渣，发酵中药渣在微生物的作用下降解，无机组分如Ca、Mg、K、Na、Si、P、S、Fe、Al、Mn等释放出来，物料内可溶性盐升高最终导致发酵中药渣底物组的EC值高于新鲜中药渣底物组，肥效特征得以改善。GI是用来表征有机肥腐熟程度的重要指标，一般认为，种子发芽指数达到50%时，堆肥已经基本腐熟，当达到80%-85%时，表明堆肥已腐熟，没有植物毒性。与生物转化前相比，各处理组产物的腐熟度显著提升，油菜种子GI值增加至71.54%-94.30%，平均增幅22.50%（图2C），表明中药渣的蛴螬生物转化产物已达到无植物毒性的腐熟有机肥发芽指数标准，这与魏盼盼在研究白星花金龟幼虫处理木耳和香菇菌渣中的结果相一致。虽然新鲜中药渣底物组（T4、T5和T6）转化产物的GI值更高，但在木屑和秸秆的添加下发酵中药渣底物组（T1、T2和T3）的转化产物GI值更稳定。有机堆肥中的C/N是标识堆制物腐熟度和稳定度的另一重要指标，一般认为，C/N小于25时，OM分解快、容易发生矿化释放出较多的N素，而C/N大于25时，OM转化较慢，释放的N素量少，容易出现肥料分解与植物争氮的现象。经蛴螬生物转化，中药渣及其与有机物料配伍的C/N由20.59-57.82下降至12.13-26.10，这与蛴螬矿化、呼吸作用排放CO2引起碳损失，以及蛴螬肠道黏液和含N排泄物增加了物料中N的含量有关。与新鲜中药渣底物组相比，发酵中药渣底物组（T1、T2和T3）转化产物的C/N值更低，这与发酵中药渣本身较低的C/N值有关，但随着木屑和秸秆含量的增加，无论在新鲜还是发酵中药渣底物组转化产物的C/N值均逐渐升高，这与木屑和秸秆的C含量高有关。上述结果表明，蛴螬的生物转化作用改变了中药渣的C/N，提高了中药渣作为有机肥料的腐熟度和稳定度及农业应用价值。

2.3 蛴螬生物转化效率

在20 d的生物转化周期内，仅涉及3龄蛴螬虫体自身的生长，没有繁殖活动，选用取食率、虫体转化率和虫粪转化率来表征蛴螬对中药渣的摄食和生物转化。由表3可知，发酵中药渣底物组（T1、T2和T3）的蛴螬取食率为7 0.92% -8 2.28%（平均75.22%），显著高于新鲜中药渣底物组（T4、T5和T6）的33.49%-6 8.42%（平均52.19%），且随着木屑和秸秆含量的增加而增加，表明发酵中药渣更适合作为蛴螬的饲料。含C有机物料的增加会促进蛴螬的取食，这与李潘潘和郭勇的研究结果一致，即蛴螬嗜食发酵物料强于新鲜和干有机物料。因此，发酵中药渣底物组的蛴螬虫体转化率（平均4.78%）显著高于新鲜中药渣底物组。中药渣及有机物料经蛴螬的摄食和消化道的消化作用，由松散的小块状变为致密均匀的颗粒状虫粪，T1、T2和T3处理组的虫粪转化率高达86.78%-91.48%，远高于新鲜中药渣底物组的6.65% - 59.29%，且在新鲜中药渣底物组中虫粪转化率随着木屑和秸秆含量的增加而增加，表明饲料或待转化底物的性质直接影响蛴螬的生物转化效率。上述结果表明，发酵中药渣的蛴螬取食率、虫体转化率和虫粪转化率均明显优于新鲜中药渣，且有机物料木屑和秸秆可提高新鲜中药渣的生物转化效率。

3 结论

（1）中药渣经蛴螬生物转化后产物的养分含量显著增加，且转化产物腐熟度达到无植物毒性的腐熟有机肥标准。不同处理转化产物TN、TP和TK含量平均增幅为94.25%、32.46%和150.95%，总养分含量显著提升至3.43 %-4.27%，油菜种子发芽指数平均增幅22.50%，C/N值由20.59-57.82下降至12.13-26.10。

（2）与新鲜中药渣相比，蛴螬对发酵中药渣的生物转化率更高，转化产物养分含量更高。发酵中药渣作为底物得到的转化产物较新鲜中药渣为底物得到的转化产物总养分含量增加24.49%，总有效氮含量增加约4倍，产品肥效更高，C/N值更小，pH值更稳定，农业适用性更高，且发酵中药渣处理组的蛴螬取食率、虫体转化率和虫粪转化率显著提高。

（3）与中药渣作为单一转化底物相比，有机物料木屑和秸秆配伍可一定程度提高中药渣经蛴螬转化产物的养分含量（如有机质和TK），且可促进高比例新鲜中药渣作为底物时的蛴螬取食率、虫体转化率和虫粪转化率。

（责任编辑：李丹）

基金项目：山西省高等学校创新项目（2021L523）；山西省研究生教育创新计划项目（2022YJJG288）