我国是世界上最大的食用菌生产国，每年产量达2 260万t，约占世界总产量的75%以上^[1]. 为了保证出菇效率和成本，流水线化的生产常在食用菌成熟收获后，将不再具备生产能力的废弃菌糠舍弃^[2]. 由于我国正逐步形成规模化和产业化的食用菌生产，废弃菌糠的数量也正在急剧增加^[3]. 传统的菌糠处置方法主要为直接丢弃或是就地焚烧，可能导致腐烂恶臭或空气污染，对环境造成了不良影响. 且废弃菌糠中往往含有丰富的有机质、 氮素以及其他营养元素^[4]，直接丢弃或焚烧也是一种极大的资源浪费. 国内外关于菌糠资源利用化的研究一直在进行中. 尽管研究者提出了废弃菌糠作为栽培基质^{[5, 6, 7]}、 土壤修复剂^{[7, 8, 9]}以及生物质燃料^{[10, 11]}的潜力，堆肥仍是大批量菌糠处置最被认可的方法. 针对生产过程产生的大量废弃菌糠，某公司开发了食用菌连续栽培、 堆积发酵制备有机堆肥的综合利用流程，避免了传统的填埋、 焚烧处置，实现了废弃菌糠的循环利用. 目前，国内外关于废弃菌糠综合利用的研究尚少见. 本研究基于废弃菌糠循环利用工艺，选取了具有代表性的节点样品，重点考察了样品间成分的变化规律，并通过重金属含量测定、 土柱淋洗实验分析了各样品对环境的影响，以期为循环工艺的可行性提供理论支持.

某食用菌生产公司对食用菌菌糠的循环利用工艺如图 1所示. 在杏鲍菇出菇后，选取无杂菌污染的杏鲍菇菌糠晒干，并按照杏鲍菇菌糠 ∶杂木屑 ∶麸皮 ∶石膏=40 ∶4 ∶5 ∶1的比例配制成平菇栽培料，经过灭菌接种，收获平菇，完成菌糠二次利用过程. 平菇菌糠作为二次利用废料，经粉碎、 搅拌、 接种、 好氧发酵3个月后得到成品菌糠有机肥.

图 1

Fig. 1

图 1 循环工艺流程示意 Fig. 1 Flow diagram of cyclic utilization

针对循环工艺流程中杏鲍菇菌糠、 平菇菌糠、 菌糠有机肥等三阶段物料，依照梅花形布点法确定采样点，从物料堆中分别取5 kg样品，并用四分法缩分出100 g，去除附着在菌糠上肉眼可见的食用菌子实体，经风干、 碾碎、 过80目筛备用.

pH值测定通过Metttler Toledo 台式pH计测量样品的水浸提液(1 ∶5)确定； EC值和TDS(总溶解性固体，mg ·L^-1)值由DDBJ-350雷磁电导率仪测定样品的水浸出液(1 ∶5)确定； 多糖的测定采用苯酚-硫酸法^[12]； 蛋白质的测定采用考马斯亮蓝法测定^[13]； 灰分含量采用马弗炉煅烧获得； 纤维素、 木质素和半纤维素的测定采用Van-Soest洗涤法确定，用ADL(酸性洗涤木质素)表示木质素含量，用ADF(酸性洗涤纤维)-ADL(酸性洗涤木质素)表示纤维素含量，用NDF(中性洗涤纤维)-ADF(酸性洗涤纤维)表示半纤维素含量； 总腐殖酸的测定采用焦磷酸钠提取滴定法测定^[14]； C、 H、 N元素的测定采用ThermoFinnigan Flash EA 1112型元素分析仪； Cu、 Zn、 Cr、 Cd等金属元素由消解-电感耦合等离子体质谱仪测定.

采用土柱淋洗法来评价废弃菌糠堆积/施用造成的环境影响. 供试土壤采自农田表层土(0-15 cm)，经晒干过20目筛后备用. 土柱为PVC(聚氯乙烯)材质圆柱，土壤装填量为600 g，菌糠/菌糠有机肥施加量均按照一般施肥量的300mg ·kg^-1[15]换算(基于测定的菌糠/菌糠有机肥氮含量)，装填完毕后置于恒温培养箱中25℃下培养，并用称重法保持土壤含水率为10%. 参考某香菇栽培基地的降雨量，分别在7、 14、 21、 28、 35、 42、 49 d用体积为320 mL的去离子水进行淋溶实验，检测淋洗液中TN，TP以及COD的浓度变化.

采用Nicolet Nexus 670型红外分光光度计，制备1 ∶100 KBr盐片，按照400~4 000 cm^-1波数范围对3种样品进行FTIR分析. 采用Hitachi公司的TM-1000型扫描电子显微镜及其所带EDX能谱仪对样品表观形态及元素含量进行分析.

表 1为废弃菌糠/有机肥的理化性质、 营养成分测定结果. 其中杏鲍菇菌糠和平菇菌糠分别代表两种菌菇栽培后的产物，菌糠有机肥则是菌糠堆肥后产物.

表 1(Table 1)

表 1 废弃菌糠/菌糠有机肥的理化性质及营养成分 Table 1 Physico-chemical characteristics and nutrient contents of spent mushroom substrate/compost 成分 杏鲍菇菌糠 平菇菌糠 菌糠有机肥 文献参考值 菌糠 菌糠肥料 含水率/% 56.1 42.3 41.6 — 66.7[22] pH 5.8 6.2 7.2 5.28[6]; 7.98； 8.25[23] 6.8[20]; 6.5[22] TDS/mg ·L-1 21.8 22.5 18.2 — — 多糖/mg ·g-1 7.3 9.7 2.0 — — 蛋白质/mg ·g-1 18.6 22.4 11.2 5~11[16] — 灰分/% 11.0 14.3 12.7 27.5[17] — 木质素/% 14.8 11.6 12.1 — 25[20]; 24.43[21] 纤维素/% 34.7 29.1 29.8 — 38[20] 半纤维素/% 7.1 7.3 7.0 — 19[20] 总腐殖酸/% — 11.8 14.0 — — C/% 37.1 32.1 15.3 30.5； 43.2[18]; 29； 51[6] 31.5[22] H/% 5.2 4.4 2.1 — — N/% 2.6 1.7 1.1 2.18； 1.16[18]; 1.8； 0.6[6]; 1.1[5]; 2.2； 1.8[23] 2.1[20] C/N 14.6 18.4 13.6 13.8； 40.6[18]; 15； 86[6]; 17.6[17] 18[20]; 17.2[22]

表 1 废弃菌糠/菌糠有机肥的理化性质及营养成分 Table 1 Physico-chemical characteristics and nutrient contents of spent mushroom substrate/compost

含水率结果显示，菌糠中的水分经二次利用下降了13.8%，这是由于平菇的种植和出菇期均消耗了大量的水分. pH值与TDS的波动在二次利用过程中变化微小，均不超过7%，且数值与Zhang等^[6]在研究中的测定值类似. 平菇菌糠中的蛋白质和多糖含量相比杏鲍菇菌糠分别增加了32.9%和20.4%，这与Li等^[16]的发现类似，可以解释为平菇菌糠中残留了部分平菇子实体形成过程中合成的物质. 木质素、 纤维素以及半纤维素在平菇生长的过程中降解缓慢，分别变化了21.6%、 16.1%、 2.8%，是菌糠中难以利用的部分. 元素测定结果显示平菇子实体的碳氮比和某些研究者提到的类似^{[17, 18]}，且平菇的种植会消耗培养料中的碳元素.

对比平菇菌糠和有机肥可知堆肥过程引起的变化. 腐熟后的菌糠有机肥中蛋白质和多糖成分显著下降了50%和79%，证实了菌糠中的有机质易被微生物降解的理论^[19]. 木质素，纤维素以及半纤维素含量无明显变化，说明它们难以被微生物降解利用. 和已有研究对比^{[20, 21]}，本研究中的菌糠有机肥灰分、 木质素、 纤维素、 半纤维素含量更低，生物可降解性更好. Zhu等^[19]在研究中提到菌糠有机肥能支持微生物的生长，增加微生物活性，从而增加有机物的腐殖化程度，这与表 1显示的总腐殖酸含量增加一致.

图 2显示了3种样品的傅里叶红外光谱. 对比文献^[24]可知，3种样品的谱图中纤维素的特征峰值都非常明显. 图 2中的主要特征峰包括：3 420 cm^-1处的—OH官能团峰和—NH基团峰^[25](很可能与菌糠/菌糠有机肥中的蛋白质有关)； 2 920 cm^-1处的脂肪族C—H键伸缩峰； 1 647 cm^-1处—COOH官能团的C O双键峰； 1 323 cm^-1处的C—N单键峰^[26](可能来源于胺类，或是氨基化合物)以及1 049 cm^-1处的C—O单键峰^[27](可能来自于多糖类). 对比3种样品的图谱并没有发现信号峰的增加与减少，但菌糠有机肥样品在1 049 cm^-1和3 420 cm^-1处的信号强度显著变弱，这证实了堆肥过程中有机物的大量降解.

图 2

Fig. 2

图 2 菌糠/菌糠有机肥的红外光谱图 Fig. 2 FT-IR spectra of spent mushroom substrate/compost

菌糠/菌糠有机肥的扫描电镜图片如图 3所示. 观察可知，杏鲍菇菌糠表面的纤维结构呈现无定形态，这可能是由于样品经过了研磨. 而平菇菌糠的表面存在较多孔状结构，这与Yan等^[28]在研究中的发现一致，是由平菇降解利用菌糠中的木质纤维素形成，且这些孔的直径多在2~3 μm，属于大孔. 菌糠有机肥的表面相比前两者更粗糙，颗粒化、 腐殖化程度大. 在每个样品表面随机抽取4点做EDX能谱分析可得到样品表面各元素质量分数(%)和相应的原子数百分比(%). 通过SPSS 20.0对平行样进行显著性差异分析，得到表 2. 从中可以看出，3种样品中均存在显著性差异(P<0.05)的元素有C、 O、 Si、 K等，其中O/C原子比的差异明显，即菌糠有机肥O/C_ratio(0.80)>平菇菌糠O/C_ratio(0.48)>杏鲍菇菌糠O/C_ratio(0.40). O/C原子比和H/C原子比均为芳构化和缩聚过程的重要指标^[29]，Ko等^[30]将O/C原子比的上升解释为菌糠堆肥过程中芳香族化合物的累积. N元素含量的显著性差异分析说明平菇会吸收菌糠中的N素，而堆肥过程中N素的损失很少，保氮措施做得较好. 平菇菌糠中Ca和S元素的大量增加对应循环工艺中石膏的添加. Na、 Mg、 Al等元素含量均无显著性差异或是含量<1%.

表 2(Table 2)

表 2 菌糠/菌糠有机肥的能谱分析 1) Table 2 EDX analysis of spent mushroom substrate/compost 元素 元素的质量分数/% 原子数百分比/% 杏鲍菇菌糠 平菇菌糠 菌糠有机肥 杏鲍菇菌糠 平菇菌糠 菌糠有机肥 C 60.60±0.80 a 52.78±0.39 b 40.50±1.45 c 67.80±0.81 a 62.36±0.51 b 50.03±1.62 c N 4.31±0.08 a 3.86±0.20 b 3.76±0.15 bc 4.13±0.07 a 3.91±0.21 b 3.98±0.15 bc O 31.95±1.13 c 34.03±1.02 b 43.22±1.72 a 26.83±0.98 c 30.18±0.89 b 40.09±1.72 a Na 0.25±0.05 a 0.11±0.06 b — 0.15±0.02 a 0.07±0.04 b — Mg 0.37±0.04 a 0.38±0.06 a 0.36±0.03 a 0.20±0.02 a 0.22±0.03 a 0.22±0.02 a Al 0.16±0.02 a 0.22±0.02 a 1.86±0.24 b 0.08±0.01 a 0.11±0.01 a 1.03±0.14 b Si 0.29±0.01 c 0.60±0.07 b 5.97±0.12 a 0.14±0.01 c 0.30±0.04 b 3.15±0.06 a P 0.16±0.03 b 0.26±0.03 a 0.14±0.04 ab 0.07±0.01 b 0.12±0.01 a 0.07±0.02 ab S 0.14±0.02 b 0.40±0.03 a 0.14±0.00 bc 0.06±0.01 b 0.18±0.02 a 0.06±0.00 bc Cl 0.13±0.02 b 0.21±0.03 a 0.11±0.02 bc 0.05±0.01 b 0.08±0.01 a 0.05±0.01 bc K 0.42±0.01 c 0.47±0.03 b 1.08±0.03 a 0.15±0.01 c 0.17±0.01 b 0.41±0.01 a Ca 1.38±0.32 c 6.75±0.28 a 1.70±0.18 bc 0.46±0.11 c 2.39±0.10 a 0.63±0.07 bc Fe 0.20±0.00 c 0.31±0.02 b 1.24±0.07 a 0.05±0.00 c 0.08±0.01 b 0.33±0.02 a 1)表中数据为平均值±标准差(n=4)； a、 b、 c表示不同样品元素含量有显著性差异(P<0.05)

表 2 菌糠/菌糠有机肥的能谱分析 1) Table 2 EDX analysis of spent mushroom substrate/compost

图 3

Fig. 3

图 3 菌糠/菌糠有机肥表面扫描电镜图 Fig. 3 Scanning electron microscopy of the surface of spent mushroom substrate/compost (a)杏鲍菇菌糠； (b)平菇菌糠； (c)菌糠有机肥

有机肥中含有重金属，而重金属的超标可能造成施用土地的污染. 重金属测定分析结果如表 3所示. 对比有机肥料国标NY525-2012可知，标准仅对砷、 汞、 铅、 镉、 铬等5项指标做出了安全限值规定，而菌糠/菌糠有机肥均能符合要求，即能够安全施用，不会在施用过程中对环境造成风险. 其中，3种样品铅元素的含量虽低于国标限值，但与标准较接近. 参考欧洲各国的堆肥重金属限值标准可知，堆肥中的铅限量处在65~150 mg ·kg^-1区间内，即本研究中菌糠/有机肥的铅含量符合大多数国家(比利时、 荷兰、 德国、 加拿大等)标准^[31].

表 3(Table 3)

表 3 废弃菌糠/菌糠有机肥的重金属含量 /mg ·kg-1 Table 3 Heavy metal contents of spent mushroom substrate/compost/mg ·kg-1 元素 杏鲍菇菌糠 平菇菌糠 菌糠有机肥 NY525-2012 文献参考值 菌糠 菌糠肥料 As 2.3 2.5 3 15 — — Cd 1 2.6 2.8 3 0.5[32] 6.2[20] Cr 15.7 12.8 15.2 150 — 0.21[20] Cu 19.7 25.7 25.3 — 29[23] 54[20] Ni 6.2 10.4 7.9 — — 5.8[20] Pb 47.7 48.9 49.4 50 9[32] 10.4[20] Zn 124.9 127.7 97 — 145[23] 220[26]

表 3 废弃菌糠/菌糠有机肥的重金属含量 /mg ·kg-1 Table 3 Heavy metal contents of spent mushroom substrate/compost/mg ·kg-1

比利时、 荷兰及德国等欧洲国家对堆肥中的重金属作了更严格的限值规定^[31]. 对比可知菌糠/菌糠有机肥中的铜和锌含量符合比利时(铜：90 mg ·kg^-1； 锌：300 mg ·kg^-1)与德国标准(铜：100 mg ·kg^-1； 锌：400 mg ·kg^-1)，仅略高于荷兰最高标准(铜：25 mg ·kg^-1； 锌：75 mg ·kg^-1)； 镍则低于最低限值(镍：10 mg ·kg^-1). 许多研究者在各自的研究中也考察了菌糠/菌糠有机肥中的重金属含量，然而基于不同的食用菌种类，培养料的初始配比不尽相同，重金属的含量也呈现不同水平.

对淋出液中测定的总氮，总磷，以及COD含量进行累计，得到图 4. 对比空白土柱，发现3个指标累计量均有大幅上升，即菌糠/菌糠有机肥中的氮素，磷素以及有机物都会在淋洗条件下溶出. 就氮素而言，平菇菌糠组比杏鲍菇菌糠上升6%，并无明显差别； 而有机肥比平菇菌糠下降15%，说明堆肥过程有利于氮素在土壤中的固定. 对于磷素，累计淋失量顺序为：杏鲍菇菌糠>平菇菌糠>菌糠有机肥，说明循环利用过程使磷素转变为不易淋失的状态. COD的淋失率相差较大，扣除空白组后，平菇菌糠组仍比杏鲍菇菌糠组上升111.5%，这可能归因于平菇在生长过程中把有机物降解成为易于随水迁移的小分子导致. 而有机肥组的COD累积量却比平菇菌糠组下降62.8%，说明堆肥降解有机物的作用明显.

图 4

Fig. 4

图 4 淋出液中成分累计量 Fig. 4 Cumulative components in leachate CK：空白土柱； SMS1：杏鲍菇菌糠组； SMS2：平菇菌糠组； SMC：菌糠有机肥组

综上，菌糠/菌糠有机肥中所含重金属含量达标，对环境的影响主要在于氮磷和有机物等可能会引起水体富营养化的物质. 菌糠/菌糠有机肥在使用过程中有机物溶出的问题仍待解决，目前的办法主要为堆放自然风化^[33].

(1)平菇出菇后，菌糠中的水分下降明显，pH值与TDS的变化不大，而多糖、 蛋白质等有机物的含量增加. 经堆肥后，菌糠有机肥所含多糖、 蛋白质由于微生物的分解下降明显，而木质素、 纤维素以及半纤维素难以降解利用，变化不明显.

(2)红外光谱，扫描电镜及能谱检测证实了堆肥过程中有机物的大量减少，从表观形态上看，菌糠有机肥的表面呈现腐殖化、 颗粒化. 从元素角度分析，菌糠/菌糠有机肥的C、 O、 Si、 K等元素含量有显著差异.

(3)经样品测试，比对标准可知，菌糠/菌糠有机肥中As、 Hg、 Pb、 Cd、 Cr等5项重金属含量均达到NY525-2012有机肥料国标要求，还田施用不存在重金属污染风险.

(4)土柱淋洗实验表明菌糠/菌糠有机肥中的氮磷元素与有机物均有溶出趋势，在实际施用中存在释放污染物的可能，但菌糠有机肥的氮和有机物累计淋出量较菌糠均显著下降.