菌糠基吸附劑研究現狀與展望

范盛遠 王黎明 馮康

摘要 菌糠不僅具有一般秸稈和木材的微觀結構與官能團，還存在大量微生物和菌絲，因而對污染物的吸附不僅具有物理、化學雙重特性，還對有機污染的降解有著獨特的生物效應。綜述不同狀態下的菌糠對重金屬、有機化學品以及營養元素的吸附和分解的研究進展，分析各狀態菌糠對污染物的去除特性及規律，探討菌糠吸附劑利用現狀和存在的問題，并對菌糠作為吸附劑的研究趨勢提出展望。

關鍵詞 有機污染；重金屬；菌糠；吸附劑

中圖分類號 X705 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2018）32-0017-03

Present Situation and Prospect of Adsorbent Characteristics of Mushroom slag

FAN Shengyuan1，WANG Liming1，FENG Kang2 （1.Heilongjiang Bayi Agricultural University（HLAU），Daqing，Heilongjiang 163319；2.Beijing Solid Waste Disposal Co.，Ltd.，Beijing 100125 ）

Abstract The mushroom substrate not only has the micro structure and functional groups of general straw and wood，but also has a large number of microorganisms and hyphae，and thus the adsorption behavior from pollutants has not only physical and chemical characteristics，but also a unique biological effect on the degradation of organic pollutants.The research progress on the adsorption and decomposition of heavy metals，organic chemicals and nutrient elements in different conditions were reviewed，and the characteristics and rules of fungus chaff on pollutant removal were analyzed.The utilization status and existing problems of the mushroom bran adsorbent were discussed and a research trend of mushroom bran adsorbent was put forward.

Key words Organic pollution；Heavy metal；Fungus chaff；Adsorbent

菌糠（SMS）作為一種農業廢棄物，在國內廣泛分布。我國是世界上最大的食用菌生產國，每年產量達3 000萬t左右，占世界總產量75%以上，菌糠總量達到13 080萬～16 350萬t[1]。除部分被用作動物飼料、作物培養基、二次種菇等[2]，更多的菌糠被自然廢棄或者直接焚燒，造成環境的污染和大量寶貴資源的浪費。

一些研究表明，微生物如細菌、真菌、藻類[3]等對金屬有很強的吸附能力，因此微生物菌體是重金屬生物吸附劑的首選材料，細菌及其代謝產物對溶解態的金屬離子有很強的絡合能力，這主要歸因于其表面的獨特化學組成[4]。活性生物體及非活性生物質均具有較強的生物吸附性能，而且特定情況失去生物活性的生物體對重金屬的富集能力并不比活性生物體差，表明非活性生物質用于重金屬等吸附處理具有一定潛在優勢[5]。菌糠的有效利用可以節省大量的木材，如果菌糠與秸稈相互利用，不僅可以解決大量的秸稈存積問題，起到固炭、環保的功能，還可以生產出大量優質菌糠基吸附劑。該研究將從活性菌糠和熱解后菌糠對重金屬鈍化與吸附、有機污染物降解與吸附及菌糠對土壤營養元素吸附特性等方面進行分析，以為菌糠基吸附劑的應用提供指導。

1 菌糠基本特性

菌糠是食用菌收獲后留下的培養基固體廢料，由鋸木屑、玉米芯、甘蔗渣等多種農作物秸稈及其他有機廢料混合而成[1]。食用菌菌糠不僅含有豐富的有機質，而且還含有多種礦質元素。據測定分析，其含水量為30%～55%，粗蛋白含量5.80%～15.44% ，粗纖維含量2.00%～37.11%，粗脂肪含量0.12%～4.53%，粗灰分含量1.56%～35.87%，無氮浸出物33.00%～63.50% ，鈣0.21%～4.59%，全氮、全磷、全鉀總養分含量2.72%～5.39%，C∶N一般在30∶1以下，pH在6.0～8.0，大多數菌渣的有機質含量達到45%以上[6]。

菌糠表面有巨大的比表面積和孔隙率，并存在多種菌糠酶和菌絲死體[7]，熱解后的菌糠微觀結構與木材熱解炭相似，若結合多種可發生沉淀作用的官能團[8]，可對重金屬、難降解農藥、殘余抗生素等具有一定的吸附和分解能力。

2 菌糠對重金屬離子的吸附研究

菌糠在重金屬吸附方面的能力不斷被發掘，其表面含有豐富的羥基、氨基、羧基及磷酸基等活性基團，可以絡合廢水中的金屬離子，也可以通過菌糠表面多孔結構，對污染廢水進行物理吸附[9]。菌糠與其他吸附劑混合，對污染因子中重金屬吸附的試驗研究也越來越多，其表現出來的優異性能，促使多種復合型吸附劑被研究出來。

2.1 單一菌糠對重金屬的吸附特性

大多數菌糠自身重金屬含量低于國家標準，張慶玉等[10]抽樣檢測了多地金針菇重金屬含量，均未檢出Cd2+（檢出量<0.01 mg/kg），As、Cr的含量很低，約為控制標準的1%；Pb含量為控制標準的21.8%；Hg含量為控制標準的16.2%，但霉變菌包的Pb、Zn、Cr、Hg含量略高于未霉變菌包，其他元素差異不明顯；Huang等[11]對北京多種菌類和對應的菌糠進行重金屬檢測，結果顯示，Cd、Hg、Pb、Fe、Zn等重金屬含量均符合世界糧農組織規定值。說明菌糠本身可以作為符合標準的工、農業原料，它的合理利用不會對環境帶來負影響，但霉變的菌糠對重金屬的吸附能力有所上升，其豐富的有機質隨著霉變程度會釋放出不同程度的促進物質，說明菌糠經特定處理后吸附能力會有一定增強，但菌糠的霉變會產生CO、SO2、苯、甲苯和二甲苯等有害物質，若大量處理菌糠，就需要把環境保護作為一個重要因素來考慮。

該研究對相關文獻進行閱讀、分析，總結以未改性菌糠為原料的重金屬吸附劑，探索不同吸附條件下菌糠對Cd2+、Ni2+、Zn2+、Pb2+、Cr（VI）、Cu2+等重金屬的最佳吸附特性。菌糠對各重金屬的吸附結果見表1。

由表1可知，未改性菌糠對各種重金屬均有一定的吸附能力，尤其對Pb2+吸附性能較好；在相同吸附條件下，菌糠施用量越高對Cu2+吸附率就越高，且對Cu2+的吸附性能高于Cd2+，對Ni2+的吸附量較小；菌糠對重金屬的吸附與環境pH值有很大關聯。除上述實驗室結果外，邵云等[20]把菌糠直接利用在Cr濃度為250 mg/kg的污染土壤中，并對小麥生長產生的影響進行研究，結果顯示，施用秸稈、生物炭和菌糠均能有效降低小麥籽粒中的Cr含量，但施用菌糠的效果更為明顯，說明菌糠適合作為一種生物莖下吸附劑，并對作物籽粒去重金屬化有現實性價值。但對于菌糠作為吸附劑的研究，大多數還停留在實驗室階段，要投入實際應用還需進一步開發，此外，菌糠固定重金屬的具體機制并不清楚，需要進一步研究和總結各個材料對重金屬的吸附[21]。

2.2 混合型菌糠對重金屬的吸附特性

單一吸附劑與混合型吸附劑特性差異的研究，在吸附劑開發過程中的地位不可忽視。Wang等[22]分別用石灰、煤粉和菌糠

研究對土壤中Cd2+進行吸附，結果表明游離態Cd2+含量從33.7%降低至16.8%～27.8%，但如果在石灰和煤粉中加入少量菌糠，則各吸附劑對游離態Cd2+的吸附率可增長30%～37%，且對鐵、錳氧化物有一定固持作用，能顯著提高土壤的pH，表明菌糠吸附原理與石灰、煤粉吸附原理除與自身孔隙率有關，還與吸附劑本身包含的堿性官能團有很大聯系。

2.3 改性菌糠對重金屬的吸附特性

Jing等[23]研究金福菇菌糠表面改性后，對Cr（VI）的吸附性能增加了9.4倍。張芝利[13]對菌糠進行酸改性試驗，分別用0.1、0.5 mol/L草酸、硝酸、次氯酸進行酸化處理，結果顯示幾種酸化改性均能提高菌糠對Cu2+、Ni2+的吸附效率，但0.5 mol/L草酸改性效果最為明顯，對Cu2+、Ni2+的吸附率分別達到86.37%和81.94%。說明菌糠改性可能會增大其結構孔隙度、比表面積和表面官能團的數量，激發出含有重金屬吸附的官能團，為研制出超越木材基的活性炭提供理論依據。

2.4 菌糠肥對重金屬的吸附特性

王騰等[24]研究菌糠堆肥對盆栽玉米各部位重金屬含量變化的影響，結果顯示玉米地下部分的Cu2+、Pb2+含量平均增加11.20%、17.12%，Cr2+含量平均減少24.13% ，地上部分Cu2+、Pb2+含量減少，葉片Cr2+含量增加，說明菌糠肥的施用，可以減少玉米對Cu2+、Pb2+、Cr2+的吸收，并且有效降低植株地上部分的Cu2+、Pb2+含量，可以將Cr2+保存在玉米葉中，減少玉米籽粒中Cr2+含量，降低重金屬污染籽粒對人、畜的傷害。張麗萍等[25]研究菌糠與稻殼混合作養豬場墊料對重金屬活性的影響，發現該物料對Zn2+吸附率達到81%以上，施用在農田不會對土壤產生較大危害，從減少環境Zn2+污染角度可以合理開發。

3 菌糠對有機物污染的去除特性

有機污染物如農藥殘留、醫藥殘留、石油烴等污染不僅自然降解周期長，還會隨著環境變化進一部擴大受污面積[26]，一般性化學試劑去除后還會帶來二次污染，若采用有機肥、菌糠等作為吸附劑不僅不會帶來二次污染，還會縮短消解周期，提高土壤肥力[27]。

3.1 菌糠對石油烴的吸附與降解特性

宋雪英等[28]研究菌糠對柴油污染土壤的治理特性，發現隨著菌糠與污染土壤的體積混合比增加，土壤中石油烴含量逐步降低，經過90 d的處理，石油烴的降解率可達73%，由于菌糠具有較好的透氣、透水性，本身又攜帶大量的微生物，可在較短時間內形成有利于石油烴分解的生物群落，較秸稈、木屑、煤灰等吸附劑有不可替代的優勢。

3.2 菌糠對殘留醫藥的吸附與降解特性

王佳麗等[29]研究菌糠在養殖業污染水中對殘留磺胺類抗生素的去除特性。結果表明，當4種磺胺類抗生素濃度為5 mg/L時，菌糠吸附率均高于80%，最高吸附率可達93%，吸附特性優于火山渣與骨炭，環境pH、水硬度、離子濃度對菌糠吸附特性也有很大影響，當溶液偏酸性、離子濃度較低時吸附效率較大，此時菌糠表面應該含有大量的吸附點位，因此在用菌糠吸附磺胺類抗生素時，應合理調節溶液pH和離子量，使用特定吸附劑先分離影響吸附的不利離子。茹瑞紅等[30]研究杏鮑菇菌糠對酚酸類物質的降解效果，發現地黃連根際土壤中的對羥基苯甲酸和香草醛降解達到90%以上，還可有效增加重茬地黃連的干重達3.66倍。

3.3 菌糠對殘留農藥的吸附與降解特性

Purnomo等[31]研究平菇菌糠對DDT的吸附與降解，經過28 d的培養，滅菌土壤與非滅菌中的DDT含量分別下降了40%和80%，說明平菇菌糠對DDT既有本身結構與官能團的物理吸附和化學吸附，又存在菌糠中微生物的生物吸附，菌糠的施用可以促進土壤中DDT的降解，合理調節菌糠微結構與土壤比例，以提高對DDT的吸附能力。Marín-Benito等[32]研究菌糠對葡萄園土壤中甲霜靈等殺菌劑的降解能力，結果表明，施用菌糠可有效增加土壤的生物多樣性，加入菌糠的土壤對多種殺菌劑去除效率高于未加入菌糠土壤，比未加入菌糠對照去除率最低高出1.8倍，說明菌糠對土壤殺菌劑有很好的分解吸附能力，可在水果、蔬菜殺菌劑污染方面的后續處理中深入研究。

3.4 改性菌糠吸附特性 馬友文等[8]研究菌糠在0.3 mol/L NaOH改性90 min后，對結晶紫的脫色率和吸附量分別達到94.34%、19.18 mg/L，吸附效果優于酶分解[33]，吸附過程符合二級動力學模型，且改性后菌糠提高了對溶液結晶紫的去除特性，說明菌糠中存在著可以去除結晶紫的官能團和游離態離子，去除過程不是單一的物理吸附，而是伴隨著化學沉淀過程。

4 其他吸附

4.1 菌糠基保水劑特性研究

程志強等[2]以木耳菌糠和丙烯酸為原料，通過微波輻射加熱水溶液聚合法合成菌糠基復合保水劑，常壓下蒸餾水吸附量達到759 g/g，吸水后凝膠強度較大，具有成本低、效果好等優點，可以廣泛替代傳統樹脂式保水劑，在保水性農林方面可產生巨大的經濟效益，也可試探性研究該類生物質保水劑在戈壁灘種樹、植草上的效果。

4.2 菌糠對土壤營養元素的吸附作用

菌糠所含的N、P、K等作物必需營養元素高于稻草、鮮糞等，同時其本身結構和所含豐富官能團對微量元素也有很大的吸附作用。關躍輝等[34]研究施用菌糠蔬菜地比不施用菌糠的蔬菜地有機質增加0.7%～23.2%，全氮增加 4.3%～57.1%，速效磷增加22.3%～170.8%，速效鉀提高9.0%～64.0%。Zheng等[35]研究杏鮑菇菌糠高溫堆肥與土壤混合制取水稻育秧基質，結果表明，土壤、菌糠肥體積比為2∶8時，育秧盤的容重、總孔隙度、通氣孔隙和持水孔隙有很大改善作用，可有效提高育秧基質的N、P、K含量，增加秧苗干物質積累和秧苗根系發育，現階段菌糠肥并沒有推廣，應研究各菌糠肥對作物生長各階段的生長特性與規律，合理調配菌糠混合物，壓縮體積，便于推廣。

4.3 菌糠活性炭的吸附特性

菌糠由秸稈、木屑等組成，含有豐富的有機質，其熱解后結構與秸稈、木材等有相似之處，且活化能較高[36]。劉向東等[37]研究木耳菌糠的最佳熱解條件，熱解溫度在300～400 ℃時，產炭率為47.50%～28.86%，pH在7.7～9.8，偏堿性，產炭形狀不規則，表面分布大量不規則孔隙，孔隙間質地密，孔內分布許多微孔，具有較強的吸附能力。周鋒利[38]研究木耳菌糠用水蒸氣活化法熱解后對碘吸附值高達1009.09 mg/g，說明該條件下活性炭具有較強碘吸附能力，探索不同熱解條件下生產的生物炭對各水溶性物質的萃取提供科學理論。

5 菌糠吸附劑利用存在的問題與展望

我國菌糠產量巨大，但總體有效利用率很低；研究方向多樣化，對菌糠吸附劑的研究尚處于發展階段，研究中的多數又集中在原始菌糠，對菌糠改性、熱解、混合、堆肥后的吸附規律鮮有研究。作為重金屬吸附劑研究，僅限于幾種常見原料菌糠，對菌糠類型和摻入成分等因素對吸附性能的影響需進行深入研究；菌糠生物炭研究尚存在熱解后菌糠成分、結構變化研究不統一問題，相同試驗同類原料的試驗結果往往相差很大。對于有機污染物吸附劑工作機理、試驗環境、石油類污染物去除多樣性也有待于進一步研究。

菌糠在我國分布廣、產量大、易于獲得，且由于菌糠本身就具有很強的吸附能力，經過改性、熱解或混合制成吸附效果強的吸附劑，不僅是對污染廢物的資源化利用，且可大大增加土壤墑情，還會對各種重金屬和其他無機污染物產生吸附和鈍化效能；尤其對難降解有機污染物也可快速分解。對菌糠改性及熱解生物碳開發進一步研究，將成為今后研究的熱點，也將為菌糠吸附劑規模化、專業化應用打下良好的理論基礎。

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