关体坤，刘子璐，李小玉，王建立，侯霜影，刘栩杉，徐诗毅，陈青君，张国庆
（1北京农学院植物科学技术学院，农业应用新技术北京市重点实验室，北京 102206；
2北京农学院生物与资源环境学院，北京 102206）
随着人们对健康饮食的追求，食用菌已成为一种受欢迎的食物选择，由于其高蛋白低脂肪的特性，经常被纳入日常饮食中。中国是世界第一大食用菌生产国，根据中国食用菌协会统计数据，2020年中国食用菌总产量达4061万t，总产值突破3400亿元。食用菌菌渣(Spent mushroom substrate,SMS)是食用菌收获后剩下的培养基废料，按照每生产1 kg新鲜食用菌产生约5 kg菌渣副产品计算[1]，2020年，中国食用菌菌渣产量将超2亿t。研究发现食用菌菌渣主要包括食用菌菌丝体、各种木质纤维素生物质（木屑、玉米芯、棉籽壳、稻草等）残体、改良剂（石膏、泥炭和石灰）、营养物质以及高水平的有机质和酶[2]。食用菌菌渣在循环农业和环保领域具有巨大的应用潜力，包括作为食用菌二次栽培基质、生物肥料、土壤改良剂、动物饲料、可再生能源生产和污染生物修复等[3]。另一方面，菌渣年产量巨大、缺乏相应利用技术和设备，往往没有得到有效利用，而被当作农业废物露天堆放、填埋等，导致土壤污染、空气和水污染等环境问题[4]。
生物炭又名生物质炭，是由木质纤维素生物质、藻类生物质、动物废物、城市固体废物或其他有机碳材料在相对较低温度(＜900℃)，有氧或少氧的条件下通过热化学方式转化形成的一种富含碳素的高度芳香化物质[5]。当前生物炭的制备方法主要有三种：高温裂解法、微波裂解法和水热炭化法，其中高温裂解法又包括快速高温裂解法和慢速高温裂解法，前者温度一般大于700℃适用于制备生物燃料，后者一般指温度小于700℃适用于常规生物炭的制备[6]。生物炭含碳量高，具有优良的物理和化学特性，在土壤改良、环境修复和增加碳汇等方面应用广泛。表面积和孔隙度是生物炭重要的物理性质，在废水处理和土壤修复等生物炭应用中起着至关重要的作用。高多孔结构、大比表面积的工程生物炭的生产受到了广泛的关注，其中生物质和热解参数对生物炭表面积和孔隙率是主要影响因素。木质纤维素生物质是一个很好的候选材料，尤其是木材和木质生物质，此外中等温度(400～700℃)适合孔隙结构的形成[7]。2015年欧洲生物炭认证基金(European Biochar Certificate，EBC)和国际生物炭协会(International Biochar Initiative，IBI)共同制定了生物炭产品认证规范，规定里详细介绍了生物炭特性指标和测试方法。2020年，中国公布了农林业剩余物为原料制备生物炭的行业标准《生物炭检测方法通则》(NY/T 3672-2020)，其中对亚甲基蓝、碘、苯酚、四氯化碳、焦糖的吸附率或脱色率是评价生物炭质量的重要指标。对生物炭的评价通常包括热化学特性、表面化学特性等多项指标，往往需要用到扫描电镜、X衍射等技术，耗时长、成本高[8]。
采用高温裂解制备食用菌菌渣生物炭，不仅产量高，而且具有良好的孔隙结构和大量的营养元素[9]。目前，食用菌菌渣生物炭应用范围非常广泛，在农业生产过程中施加菌渣生物炭可以提升水稻[10]、油菜[11]、番茄[12]等农作物产量，作为添加剂可以改善堆肥理化性质[13]，作为吸附剂可以效吸附水中染料[14]和Pb2+、Cd2+等重金属[15]。另一方面，食用菌种类繁多，栽培配方与工艺不同，导致菌渣理化性质差异较大。随着中国农业现代化程度的稳步提高，工厂化栽培是我们食用菌产业发展的必然趋势。工厂化食用菌菌渣产量大、品质稳定，是作为生物炭研究与利用的理想材料。杏鲍菇是中国主要工厂化食用菌品种之一，根据中国食用菌协会统计数据，2020年全国产量达到213.47万t，占全国总产量5.26%，是第二大宗工厂化食用菌类型，其菌渣具有规模大、质量稳定、能够周年化供应，具有良好的商业化利用价值。
针对中国食用菌菌渣资源丰富但未被合理利用，且菌渣生物炭裂解条件不一，炭化质量评价繁琐、成本高等问题，本研究以不同原料配方的工厂化杏鲍菇菌渣为材料，建立菌渣生物炭制备工艺，并利用生物炭吸附能力，建立基于对孔雀石绿脱色的简易快速质量评价方法，为工厂化食用菌菌渣高效生态利用和质量评价提供理论和实践依据。
1.1 菌渣来源及其配方
12种工厂化杏鲍菇菌渣(X0～X11)由中国农业科学院农业资源与农业区划研究所胡清秀研究员惠赠，原料配方如表1所示。
表1 12种杏鲍菇栽培原料配方
1.2 菌渣理化性质测定
1.2.1 菌渣预处理 采收后的新鲜杏鲍菇菌棒脱袋后，菌渣以高速粉碎机粉碎（DFY-500，大德，中国），过40目筛，新鲜或60℃烘箱中烘干至恒重备用[16]。
1.2.2 含水量测定 取洁净锡纸盒，置于60℃烘箱中烘干至恒重，记为m0备用，称取待测新鲜菌渣样品100 g，放入锡纸盒中称量记为m1，置于60℃烘箱中烘干至恒重，冷却后称恒重记为m2。实验设置3次重复。
式中m0：锡纸盒质量g；
ml：锡纸盒和新鲜菌渣的质量g；
m2：锡纸盒和干燥后菌渣的质量g。
1.2.3 pH及EC测定 称取待测新鲜菌渣样品5 g于100 mL锥形瓶中，加入50 mL去离子水，置于恒温摇床中25℃、150 r/min震荡30 min后静置1 h，用雷磁pH计与电导率仪分别测定样品pH值与EC值。实验设置3次重复。
1.2.4 总氮含量测定 采用凯氏定氮法测定菌渣总氮含量，称取烘干菌渣样品0.5 g于消化管内，并加入1.5 g催化剂（CuSO45 H2O与K2SO4按质量比1:9混合）和10 mL浓H2SO4，将消化管放于电炉上，在120℃下低温消化1 h，转至250℃下低温消化1 h，后调温至350℃消化1 h，最后升温到420℃消解4 h至消化液澄清透明，用空白对照将全自动定氮仪调至稳定，将样品分别放置于定氮仪上依次测定，实验设置3次重复[4]。
1.2.5 总有机质及灰分测定 总有机质和灰分测定采用灼烧法[10]。首先将坩埚放入烘箱中105℃烘干至恒重记为m0，称取2 g烘干菌渣样品于坩埚中记为m1，将装有样品的坩埚置于电炉上灼烧至无烟，然后再将其放入马弗炉中560℃灼烧5 h，让样品受热灰化后移至干燥器中冷却至室温，称重记为m2。实验设置3次重复。
式中m0：坩埚质量，g；
ml：坩埚和风干菌渣的质量，g；
m2：坩埚和灼烧后菌渣的质量，g。
1.3 生物炭制备
1.3.1 生物炭制备条件确定 以X0组工厂化杏鲍菇菌渣为实验材料，称取烘干菌渣样品100 g记为m1，装入刚玉坩埚中盖好盖子，放入马弗炉内，300℃、400℃、500℃、600℃分别热解2、2.5、3 h共12组处理T1～T12（表2），自然冷却至室温后取出记为m2，测定炭得率。实验设置3次重复[17]。
表2 不同生物炭制备条件
1.3.2 不同配方菌渣生物炭的制备 根据X0组菌渣不同制备条件下获得生物炭的炭得率及吸附能力，以400℃、2.5 h条件制备X1～X11组工厂化杏鲍菇菌渣生物炭并计算炭得率。实验设置3次重复。
1.4 生物炭对孔雀石绿的吸附能力
1.4.1 不同制备条件生物炭对孔雀石绿的吸附能力 准确称取不同制备条件获得、过100目筛的X0组生物炭0.1 g，置于15 mL离心管中，加入10 mL不同浓度孔雀石绿溶液（50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L和400 mg/L），以锡箔纸包裹，25℃、150 r/min避光振荡培养1 h、2 h和4 h分别取样，12000 r/min离心5 min，收集上清，测定A614，计算生物炭对孔雀石绿的吸附率，对照组为不加生物炭，实验设置3次重复。
1.4.2 不同菌渣生物炭对高浓度孔雀石绿的吸附率 准确称取X1～X11组过100目筛的生物炭0.1 g，置于15 mL离心管中，加入10 mL孔雀石绿溶液(400 mg/L)，25℃、150 r/min分别孵育1 h和2 h后测定A614，参照1.4.1计算生物炭对孔雀石绿的吸附率，实验设置3次重复。
1.5 统计分析
利用Excel 2019软件进行基础数据整理与分析，利用Origin 2021和Excel 2019软件作图，结果用平均值±标准差(Mean±SD)表示，P＜0.05代表数据存在显著性差异。
2.1 菌渣理化性质
12种不同原料配方的工厂化杏鲍菇菌渣理化性质如图1所示。各组菌渣含水量范围为45.66%～63.33%，X5组含量最低(45.66±1.61)%，而添加纳米腐殖质的X7～X11组均高于其他组(59.27%～63.33%)（图1A）。通常食用菌菌棒含水量为60%～65%，在出菇结束时菌棒含水率有所下降。食用菌菌丝生长过程中会分泌有机酸而使培养料pH下降，各组菌渣pH范围为4.90～5.79，其中X2组最高(5.79±0.02)、X9组最低(4.90±0.04)（图1B）。各组菌渣EC值范围为0.96～1.57 mS/cm，除X2组外，其他组EC值均大于1.00 mS/cm，且X3～X11组之间无显著性差异图（图1C）。各组菌渣总氮含量范围为1.30%～1.68%，其中X0组最高(1.68±0.02)%、X6组最低(1.30±0.02)%（图1D）。各组菌渣总有机质含量范围为87.02%～92.36%，其中X7组含量最高(92.36±0.28)%、X3组最低(87.02±015)%（图1E）。各组菌渣灰分含量范围为7.64%～12.98%，其中X3组最高(12.98±0.1)%、X7组最低(7.64±0.28)%（图1F）。原料配方、菌种质量、栽培管理工艺等多方面因素均会影响食用菌产量和菌渣质量，因而各组菌渣理化性质表现出一定差异，为标准化生产菌渣生物炭带来了一定困难。
图1 不同配方菌渣理化性质
2.2 生物炭制备工艺
为了探究工厂化杏鲍菇菌渣生物炭的最佳制备条件，以X0组菌渣为实验材料，设置4个温度梯度（300℃、400℃、500℃和600℃）、3个热解时间（2 h、2.5 h和3 h）共12种工艺，进行菌渣生物炭制备，测得各组处理炭得率范围为26.00%～47.17%，其中T3组(300℃、3 h)炭得率最高，达到47.17%±4.20%（图2）。随着温度的升高，炭得率呈下降趋势，300℃热解2 h、2.5 h和3 h炭得率46.36%～47.17%，400℃热解的3个处理组炭得率38.30%～40.17%，500℃和600℃热解的6个处理组炭得率无显著差异(26.00%～29.27%)，均显著低于300℃和400℃处理组。
图2 菌渣生物炭炭得率
2.3 不同制备条件生物炭对孔雀石绿的吸附能力
为了评估不同制备条件获得生物炭的质量，对12种X0组菌渣生物炭进行了孔雀石绿吸附能力测定，1～4 h对50～400 mg/L吸附能力如图3所示。各组生物炭对低浓度孔雀石绿(50 mg/L)均具有良好的吸附作用，1 h吸附率均达到96%以上，4 h吸附率均达到99%～100%（图3A）。随着孔雀石绿浓度提高，生物炭在1 h时吸附率逐渐下降。孔雀石绿浓度100 mg/L时，1 h吸附率均达到85%～95%，各处理组之间无显著性差异，4 h吸附率均达到99%～100%（图3B）。孔雀石绿浓度200 mg/L时，300℃处理的T1～T3组1 h吸附率为83%～89%，低于高温组平均水平，4 h时T1～T3组吸附率为95%～99%，显著低于其他组吸附率99%～100%（图3C）。当孔雀石绿浓度达到400 mg/L时，各组生物炭在1 h吸附率38%～80%，400～500℃处理组整体表现出较高的吸附能力，4 h时除T1和T2组外吸附率均达到96%以上（图3D）。综合炭得率、孔雀石绿吸附率和能耗，选择温度和时间适中的T5组条件(400℃、2.5 h)制备不同配方菌渣生物炭。
图3 不同制备条件生物炭对孔雀石绿的吸附能力
2.4 不同配方菌渣生物炭质量评价
以400℃、2.5 h条件烧制11种菌渣配方(X1～X11)生物炭，计算其炭得率并测定其对400 mg/L孔雀石绿的吸附能力，结果如图4所示。11种菌渣生物炭的炭得率为41.26%～47.61%，各组间无显著差异，略高于同条件下X0炭得率(40.17%)（图4A）。将11种生物炭与400 mg/L孔雀石绿孵育1 h后，除X3组(57%)外各组对孔雀石绿的吸附效率达到68%以上，其中X11组达到95%以上，显著高于其他处理组；
另外，添加纳米腐殖质的X7～X11组，随着纳米腐殖质添加量的增加对孔雀石绿的吸附率逐渐升高；
共孵育2 h后，除X3组略低(96%)外，各组对孔雀石绿的吸附效率达到98%以上（图4B）。结果表明，不同杏鲍菇菌渣原料以400℃、2.5 h条件，均能制备较高产量和质量的生物炭。
图4 不同配方菌渣生物炭炭得率(A)及其对孔雀石绿的吸附效率(B)
生物炭可以利用枝杈、秸秆、污泥等废弃物资源制备，具有孔隙发达、比表面积大、富含碳素、表面功能团丰富等特点，可以广泛用于土壤改良、污染治理等领域[18-19]。食用菌菌渣富含木质纤维素，是优质的生物炭制备材料，但相关研究报道相对较少。JIN等[20]以木耳、金针菇、香菇和平菇菌渣为材料制备了16种生物炭材料，并评价了其对Cu2+的吸附能力。DENG等[21]报道了木耳生物炭能够调节毛竹林土壤微生物群落组成，进而影响土壤CO2排放和氮转化。何梓林等报道香菇和平菇菌渣生物炭能够降低土壤可交换态镉，减轻镉对小白菜的毒害[22]。中国食用菌栽培种类众多、栽培模式多样，导致菌渣类型繁多、质量良莠不齐，是影响其生物炭化利用的主要原因。工厂化食用菌产业是中国农业现代化的重要体现，也是未来食用菌产业发展的必然趋势。工厂化食用菌菌渣质量相对稳定，可以周年化供应，具有更高的商业价值和应用前景，用于食用菌二次栽培、生物肥料、生物燃料等[3,23]。开展工厂化食用菌菌渣生物炭制备和评价工艺的研究与应用，可以拓展食用菌菌渣利用范围，缓解食用菌产业高速发展带来的环境问题。
尽管杏鲍菇工厂化栽培工艺基本类似，但不同工厂原料配方往往不同，导致菌渣质量差异。截至目前，工厂化杏鲍菇菌渣的生物炭利用研究缺乏相应报道。因此，本文以12种不同原料配方的工厂化杏鲍菇菌渣开展生物炭研究。从菌渣理化性质来看，12种原料在含水量、pH、EC、总氮、总有机质和灰分方面均表现出一定差异。X0组是杏鲍菇工厂化栽培的常用配方，其菌渣理化指标除总氮显著高于其他组外，其余各项指标均处于平均范围，因此选择X0组作为菌渣生物炭制备工艺的研究材料，300～600℃热解2～3 h，炭得率为26.00%～47.17%，300℃和400℃热解炭得率显著高于500℃和600℃。热解温度和时间影响生物炭的得率和质量。张海波等[24]利用香菇菌渣为材料，350℃和750℃热解3 h，炭得率分别为47.88%和29.00%，与本研究结果接近，表明不同食用菌菌渣类型可以用相近的工艺制备生物炭，以获得较高的生物炭产率，且本试验设置了4个热解温度、3个热解时间，更加精细的探究了菌渣生物炭的最适制备条件。
研究表明，随着热解温度的升高，炭得率下降、孔隙度提高、生物炭表面积增大、pH和灰分升高、稳定性提高[25]。通常，可以利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)等技术手段研究生物炭表征，但成本高、耗时长。本研究利用生物炭对孔雀石绿的吸附作用，直接测定不同时间对孔雀石绿吸附率，对生物炭质量进行简单、快速评价。在生物炭对孔雀石绿吸附体系下，T5组(400℃、2.5 h)生物炭对200 mg/L孔雀石绿的吸附率1 h达到96%以上，与500～600℃下制备的生物炭对孔雀石绿的吸附率无显著性差异；
当孔雀石绿浓度提升至400 mg/L时，T5组生物炭对孔雀石绿的1 h吸附率达到73%以上，仅次于500℃下的3个处理组(78%～80%)；
2 h和4 h吸附率分别为95%和96%。因此选用温度相对较低、时间长度适中的T5组处理方式，可以大大节约了制炭成本和能源消耗。
以最佳生物炭制备条件(400℃、2.5 h)对剩下11种工厂化杏鲍菇菌渣进行生物炭制备试验发现，不同配方工厂化杏鲍菇菌渣在最佳制备条件下炭得率无显著性差异，保持在41.23%～47.61%，说明不同配方的工厂化杏鲍菇菌渣采用最佳生物炭制备条件并不会对其炭得率产生显著的影响。不同炭化温度和炭化时间对食用菌菌渣生物炭的炭化质量影响显著，根据实际需求确定一个合适的炭化条件尤为重要，前人研究主要利用FTIR红外光谱对生物炭结构性质进行分析[27]，操作复杂且能耗高，因此本文采用了孔雀石绿吸附法，对菌渣生物炭吸附能力进行快速检测。11种菌渣生物炭对400 mg/L孔雀石绿的2 h吸附率98%以上，表明制备的生物炭具有良好的孔隙度，能够具有良好的吸附效果。前人报道，350℃和750℃制备的香菇菌渣生物炭对孔雀石绿的最大吸附率分别为6.99×103mg/g和1.31×104mg/g，吸附率和温度呈正相关[26]，与本试验结果相差较大，对于中低浓度孔雀石绿(50、100和200 mg/L)，不同温度制备的生物炭对孔雀石绿的吸附率呈现平缓趋势，而对于高浓度孔雀石绿(400 mg/L)，吸附1～2 h吸附率均为先上升后下降趋势，说明本试验所设置的4个温度梯度对于生物炭炭化质量更具指导意义。另外，大量研究表明，生物炭对土壤中镉[28]、铅[29]、铜[21]等重金属元素具有良好的吸附作用。利用工厂化菌渣制备生物炭用于土壤改良和重金属修复等，具有良好的应用前景。
综上，工厂化杏鲍菇菌渣是制备生物炭的优质原料。本研究对不同配方工艺的12种工厂化杏鲍菇菌渣进行了原料理化分析、高温裂解法制备菌渣生物炭工艺、不同配方菌渣生物炭炭得率和孔雀石绿吸附能力研究。结果表明，以热解温度400℃、热解时间2.5 h的条件，能够获得炭得率高、吸附率强的杏鲍菇菌渣生物炭。尽管不同菌渣原料理化存在差异，但在该制备条件下炭得率无显著差异，且对400 mg/L孔雀石绿2 h吸附率均达到95%以上。研究结果为食用菌菌渣生物炭化利用提供了理论和实践依据。
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