Sedum plumbizincicola Straw Drying with Different De-Enzyme Methods

LIU Shuhong, CHEN Jin, JIANG Huidan, HU Zhixin, HE Aiguo, DAI Yanjiao

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Chinese Agricultural Science Bulletin ›› 2023, Vol. 39 ›› Issue (18) : 61-66. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0551

Sedum plumbizincicola Straw Drying with Different De-Enzyme Methods

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Abstract

In order to screen efficient de-enzyme methods during dewatering process of Sedum plumbizincicola straw after harvesting, we investigated the dewatering of Sedum plumbizincicola straw with de-enzyme treatments of stir-fried, steam and microwave and directly dried in shadow. In this experiment, the differences of water-loss rate, water-loss ratio, moisture content and cadmium content of Sedum plumbizincicola straw with different treatments were analyzed. The results showed that the water-loss rate and water-loss ratio of the straw with de-enzyme process were higher than those of the straw directly dried in shadow, and the straw with de-enzyme process had lower moisture content at the end of treatment. At the beginning of drying in shadow after de-enzyme treatments, the water-loss rate, water-loss ratio and water-loss amount of the straw with stir-fried were significantly higher than those with steam and microwave de-enzyme treatments. During the drying process, it took the shortest time for the moisture content of the straw dropping below 70% with stir-fried de-enzyme treatment, which was only 120 h, while it took 180 h and 216 h for the moisture content of the straw dropping below 70% with steam and microwave de-enzyme respectively. At the end of drying in shadow, the straw with stir-fried and steam de-enzyme treatments had the most water-loss amount, 459.40 g and 459.80 g, respectively. And different de-enzyme treatments had no significant impact on the Cd content of straw. De-enzyme treatment can increase the drying rate of Sedum plumbizincicola straw after harvesting and will not have a significant impact on the Cd content of the straw. Stir-fried de-enzyme treatment can accelerate water dissipation and shorten the time for reducing the moisture content below 70%. The straw after stir-fried de-enzyme treatment is more in line with the requirements of transshipment, incineration or other disposal methods. This study provides a new idea and technical verification for the development of post-production disposal technology of hyperaccumulator engineering restoration application.

Key words

Sedum plumbizincicola / de-enzyme / drying in shadow / water-loss / Cd pollution

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LIU Shuhong , CHEN Jin , JIANG Huidan , HU Zhixin , HE Aiguo , DAI Yanjiao. Sedum plumbizincicola Straw Drying with Different De-Enzyme Methods. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2023, 39(18): 61-66 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0551

0 引言

现代工业发展带来的环境污染，导致中国耕地环境质量受到危害，2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》表明，镉(Cd)污染在中国土壤重金属污染中最为严重，其点位超标率高达7.0%，严重威胁着农产品质量安全和人体健康[1]。Cd是一种具有高生物毒性的重金属，在食物链中具有很强的移动能力和积累效应，可通过食物链威胁人们身体健康[2⇓-4]。因此修复Cd污染土壤，减少、杜绝Cd进入食物链，保障农产品质量势在必行。
现有重金属污染土壤修复方式主要包括物理、化学和生物修复等方法[5]。中国Cd污染农田面积较大，利用物理或化学等传统修复技术去除土壤重金属费用较高且存在破坏耕地地力的风险[6-7]。研究表明，利用超富集植物修复费用较低又不会破坏耕地结构性质，更适合中国Cd污染农田修复，已成为土壤重金属污染修复研究热点[8⇓⇓-11]。在Cd超富集植物研究方面，吴龙华等[12-13]在浙江矿区发现的Cd、Zn超富集植物——伴矿景天(Sedum plumbizincicola)，在Cd污染酸性土壤中有近百倍的超高富集系数，同时具有生长迅速等特点，被植物修复领域专家认为是Cd污染土壤植物修复的理想材料。近年来已经利用伴矿景天在Cd污染农田修复的研究和工程中进行了大量技术验证[14-15]，表现出了较高的修复效率和推广应用前景。富集Cd后的伴矿景天秸秆主要采用焚烧法、压缩填埋法、堆肥法、高温分解法、灰化法、液相提取法等[16]，其中采取焚烧的方法是现今工程应用中普遍采取的技术手段。由于新鲜伴矿景天含水率高达90%~95%，为满足运输、储藏和焚烧要求，焚烧处理前需脱水干化处理[17]。为使Cd尽量保存在残渣中，在伴矿景天秸秆处理过程中，研究人员通常先将秸秆进行切碎、压榨、干化，再对压榨后的汁液进行重金属沉淀处理之后完成排放[16,18-19]。此种秸秆处理措施需要经过榨汁、干化、汁液处理和焚烧等多个步骤，流程繁琐且应用成本较高，汁液处理不当也易造成二次污染。现有技术中降低伴矿景天秸秆含水率的方法主要有直接烘干、压榨脱水和自然晾晒等方法。自然晾晒法虽然存在占地面积大、速度慢、易腐败等缺点，但因其具有操作简单、处理量大、设备需求低的优点，仍是工程中最易用的方法。但景天科植物大多具有较强的抗旱能力[20]，且实践表明秸秆直接自然晾晒效率低下。长江中下游地区的伴矿景天一般在雨季（4—6月）收割，因其含水率高、茎叶脆嫩，在收割过程中造成机械损伤，大量堆置后容易发酵腐败形成大量汁液流出，造成二次污染。为不影响夏季主粮种植，伴矿景天秸秆收割处置需在2周内完成，因此土壤修复后期秸秆处置难度较大。
蔬菜[21]、茶叶[22]脱水加工技术中，一般采用烫漂、滚筒、气热等杀青处理工艺提升后续干燥效率和加工性能。借鉴这一方法，本研究欲探讨不同杀青方式对伴矿景天秸秆自然晾晒干化速率的影响，省去秸秆榨汁及汁液处置过程，通过优化秸秆干化工艺达到进一步简化伴矿景天产后处理流程的目的。为探索伴矿景天秸秆经济、高效产后处理技术提供理论依据和技术支撑，对提升伴矿景天秸秆快速处理能力具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 试验材料

伴矿景天新鲜秸秆取自湖南长沙市某土壤修复试验田，种植时间为2019年10月，采收时间为2020年5月。收割时茎叶表面无水珠，采集时田间鲜样平均初始含水率为93.9%。秸秆收割后置于阴凉地自然风干12 h作为本次试验材料，试验开始前先测定秸秆Cd含量。试验时间为2020年5—7月。

1.2 试验设计

试验设置翻炒、蒸汽和微波3种杀青加工工艺处理秸秆，参照王镇等[23]的茶叶翻炒、蒸汽和微波处理杀青方法进行处理，杀青处理时间均为6 min，即杀青处理阶段，0.1~1 h即为杀青冷却阶段。冷却后将伴矿景天秸秆摊开放置于黑色塑料盘中，置于仅有散射光的室内阴凉处自然阴干，每隔12 h记录质量变化和秸秆质地状态。对照组(CK)秸秆不作杀青处理，始终置于仅有散射光的室内阴凉处自然阴干。每个处理设置3个重复，每个重复初始鲜样重量为500 g。阴干结束后，采用HNO3-HClO4浸提，ICP-MS法测定秸秆Cd含量。

1.3 数据分析

本试验通过测定试验材料的初始含水率ω0、指定时间点含水率ωi、秸秆重量mi，计算失水量、不同时段ΔTi失水速率和不同时段ΔTi失水比例。同时记录分析秸秆腐败粘连、液化、堆积体积和疏松情况。根据过往试验观察，当伴矿景天秸秆含水率从93%~95%（田间鲜样含水率）下降到65%~75%时，不易腐败液化，利于处置，因此本试验秸秆干化的目标含水率设定为70%，干化耗时定义为秸秆干化至目标含水率以下的耗时。失水量、不同时段ΔTi失水速率vi和不同时段ΔTi失水比例的计算见公式(1)~(3)。
失水量=mi-m0
(1)
ΔTi失水速率=(mi-1-mi)(Ti-Ti-1)m0
(2)
ΔTi失水比例=mi-1- mim0*ω0-m终*ω终
(3)
其中m0表示初始重量，mi表示阴干i小时后的重量，mi-1表示阴干i-1小时后的重量，m终表示阴干结束时的最终重量，Ti表示阴干i小时，Ti-1表示阴干i-1小时，△Ti表示阴干的第i小时，△Ti-1表示阴干的第i-1小时，ω0表示初始含水率，ωi表示阴干i小时后的含水率，ω终表示阴干结束时的含水率。
试验数据通过SPSS 20.0进行统计和方差分析，用Excel分析和制图。

2 结果与分析

2.1 不同杀青方式对伴矿景天秸秆水分损失的影响

翻炒、蒸汽、微波杀青方式均可在数分钟内完成杀青，其中翻炒杀青阶段和冷却阶段失水量最高，失水量分别占总重的15.18%和3.21%，微波杀青阶段水分损失不大，但冷却阶段失水量占总重的8.00%，各阶段蒸汽杀青失水量均较少（表1）。究其原因，翻炒杀青温度较高、转筒为半开敞式，水分逸散强烈；微波杀青采用塑料袋封闭加热，仅有少量蒸汽从袋口逸散，减重较少；蒸汽杀青使用的加热蒸汽在秸秆表面凝结，造成了秸秆质量的短暂上升，后逐渐减少。
表1 不同杀青阶段伴矿景天秸秆水分损失情况
杀青方式 杀青阶段(0~0.1 h) 冷却阶段(0.1~1 h)
失水量/g 减重占比 失水量/g 减重占比
翻炒 75.88 Aa 15.18% aA 16.06 bB 3.21% bB
蒸汽 -9.97 dD -1.99% dA 15.96 bB 3.19% bB
微波 5.95 bB 1.19% bB 40.01 aA 8.00% aA
CK 0.00 cB 0.00% cB 0.00 dD 0.00% dD
注：同一列中不同大小写字母表示在0.01和0.05水平上差异显著。
杀青结束12 h内伴矿景天秸秆失水速率均较高，其中经翻炒杀青的秸秆，阴干初期（12 h内）失水速率最高，为21.55 g/(kg·h)，经微波杀青的秸秆12 h内失水速率仅为翻炒杀青的一半，为12.22 g/(kg·h)，蒸汽杀青12 h内失水速率是3种杀青方式中最低的，仅为6.46 g/(kg·h)，之后失水速率随时间逐渐缓慢降低；未经杀青的对照处理失水速率均较低（图1）。
图1 不同杀青方式对伴矿景天秸秆失水速率的影响

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阴干过程中单位时间内秸秆失水比例变化趋势与失水速率较为一致。经翻炒杀青的秸秆阴干初期（0~12 h内）失水比例占试验全过程失水比例的28.12%，12~24 h内失水比例占试验全过程失水比例的10.82%，随时间延长，单位时间内失水比例降低，192 h后失水比例显著低于其他处理组。微波杀青结束0~12 h内失水比例为17.19%，蒸汽杀青的仅为8.44%。对照组秸秆失水比例最高时期为12~24 h内，0~12 h内失水比例次之，分别为14.19%和10.32%，均高于蒸汽杀青任何时间段内失水比例（图2）。
图2 不同杀青方式对单位时间内伴矿景天秸秆失水比例的影响

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与不杀青处理相比，杀青可显著提高伴矿景天秸秆的失水量，经翻炒杀青的秸秆阴干192 h后秸秆迅速失水，之后失水量趋于平缓；蒸汽杀青和微波杀青的失水量随阴干时间延长而增加，趋势较为一致；阴干240 h后，蒸汽杀青的秸秆失水量与翻炒杀青的几乎相等（459.80 g和459.40 g），而微波杀青失水量较低仅为(429.40 g)，但仍显著高于对照处理(135.01 g)（图3）。
图3 不同杀青方式伴矿景天秸秆失水量变化

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阴干240 h后，各处理组秸秆含水率从高到低分别为对照组(91.23%)>微波杀青(56.49%)>蒸汽杀青(21.12%)>翻炒杀青(20.34%)，蒸汽杀青和翻炒杀青效果最好。至试验结束，不杀青处理组最终含水率仍高达91.23%，同时观察发现，此时对照组伴矿景天秸秆下部叶片枯萎脱落，但茎秆和顶芽基本存活，芽头向阳弯曲，茎叶普遍有气生根生长，表明伴矿景天离田秸秆具有极强的抗旱保水能力，试验期间秸秆仍存活，且出现了缓慢生长，加之南方夏初阴雨潮湿，自然干化效率低下，不适合作为伴矿景天秸秆处理措施。与之相反，经翻炒、蒸汽、微波杀青处理的伴矿景天秸秆在阴干48 h后均出现了不同程度的霉变和粘连，但未出现液化情况，且随着含水率的逐步降低粘连情况逐渐减少，含水率低于70.0%以后粘连情况好转，秸秆堆体疏松程度提高，进一步说明本试验中设定的秸秆干化目标含水率70%是合理的。经翻炒杀青的秸秆含水率下降最快，杀青120 h后其含水率降到68.43%；而经蒸汽杀青和微波杀青的秸秆含水率降到70%以下分别需要约180 h和216 h（图4）。
图4 不同杀青方式伴矿景天秸秆含水率变化

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2.2 不同杀青方式对伴矿景天秸秆镉含量的影响

为明确不同杀青方式是否会造成伴矿景天秸秆的Cd损失，分别检测杀青前、后秸秆Cd含量。结果发现，秸秆Cd含量受杀青方式影响差异不显著，不论用何种方式进行杀青，处理结束后秸秆Cd含量与杀青前Cd含量差异均不显著(表2)。
表2 杀青处理对伴矿景天秸秆镉含量的影响 mg/kg
杀青前 翻炒杀青 蒸汽杀青 微波杀青 CK
65.86 Aa 64.37 aA 65.17 aA 67.13 aA 66.47 aA

3 讨论

伴矿景天等多数景天科植物均具有较强的耐旱性，其细胞内溶质多、细胞水势低、细胞壁柔软、组织弹性高，属于忍耐脱水的植物。当茎叶离体时，植物体主要通过关闭气孔、积累抗氧化酶、清除过氧化物、保护细胞膜透性、增大细胞质渗透压等方式抵抗水分流失，而这一切都是基于细胞活性和完整的酶系统[8⇓-10]。对伴矿景天秸秆而言，杀青主要通过高温破坏秸秆鲜样的细胞结构和酶活性，从而使其活体保水力丧失，极大的加快了后续干化速度。试验选择的3种杀青方法相较于对照处理均有显著的效率优势，且经过杀青处理的秸秆在阴干过程中不会出现腐败液化的现象，当秸秆含水率低于70.0%，秸秆堆体疏松程度会进一步提高。
杀青过程中，翻炒杀青秸秆水分逸散更迅速、充分（表1），因此种方式下炒锅局部高温（约300℃）直接杀伤茎叶表层细胞，而深层叶肉细胞受到伤害较小，在外层细胞死亡的情况下，深层细胞代谢活动可能会加速秸秆的水分逸散，因此干化速率最高。蒸汽杀青温度维持在100℃，可有效杀死植物细胞，但需要继续升高温度才能对植物体内的酶灭活，对植物表层细胞机构造成彻底破坏，故通常植物烘干杀青的适合温度为120℃[24-25]，因此蒸汽杀青后续干化速率略低于翻炒杀青。微波杀青原理在于激发水分子共振发热，平均作用于秸秆的每个细胞，本研究中杀青时间仅6 min，受限于总功率较低，对植物表层细胞的破坏作用有限，杀青后的表层细胞仍具有较强的保水作用，因此微波杀青较其他杀青方式效能最低。
阴干时，经过翻炒杀青处理的秸秆粘连情况弱于蒸汽杀青和微波杀青处理，秸秆堆更疏松，秸秆间空隙大、空气流动性强，更利于水分逸散。尤其是杀青结束后24 h内，经过翻炒杀青的秸秆失水速率、单位时间内失水比例均显著高于蒸汽杀青、微波杀青和不杀青处理（图1、图2）。并且翻炒杀青可有效缩短秸秆含水率降至70%所耗时间，秸秆达到目标含水率（70%）比蒸汽杀青和微波杀青分别缩短60 h和96 h。因前期失水较快，阴干后期（192 h以后）经翻炒杀青处理的秸秆失水速率、失水量、失水比例均趋于平缓，且低于其他两种杀青处理。综上可见，3种杀青处理中，翻炒杀青表现出了更高的初期减重效率和易用性，可为秸秆后续转运、焚烧或其他处置方式提供条件，具有较高应用价值。
原生生物质本身存在质量密度低、含水量高、易腐蚀变质等弊端，生产上常采用高温、高压等技术对其进行高温热分解，然而当生物质中重金属含量较高时，高温技术则不适合对生物质进行干化处理。郭帅等[26]在对700~800℃下脱水污泥和玉米秸秆的掺烧反应研究中发现，飞灰中Cd含量约占总含量20%~40%，底灰中Cd含量随掺烧温度升高呈先减少后增加的趋势。GUO等[27]也发现高温会增加伴矿景天秸秆Cd的挥发程度，且随温度升高（650℃以上）飞灰中的Cd含量逐渐增加，当温度为950℃时，飞灰中的Cd含量更高达90%。伴矿景天作为高Cd含量的生物质，避免干化过程中Cd挥发带来的二次污染是伴矿景天秸秆干化的基本要求。本研究所涉及的翻炒杀青、蒸汽杀青、微波杀青中，仅翻炒杀青的温度较高，局部高温才300℃，蒸汽杀青和微波杀青的温度更是仅为100℃左右，远低于650℃，因此3种杀青方式均未造成秸秆中Cd挥发。
伴矿景天秸秆脱水干化程度对后续远距离运输和储存具有重要影响。工程实践中应设置专用的晾晒棚遮雨升温，合理利用天气条件，做好收割、杀青、阴干、暴晒等工序的规划，适时辅以集堆、翻耙等措施，将过去长达数十天的处置工作压缩到1~2周内完成，并可有效防范因秸秆腐败导致二次污染发生。

4 结论

伴矿景天秸秆杀青后再阴干比直接阴干可显著提高其干化效率；对比直接阴干，杀青后再阴干的秸秆堆体孔隙度良好，基本无霉变粘连情况。翻炒、蒸汽和微波杀青对伴矿景天秸秆Cd含量影响差异不显著，其中翻炒杀青加热过程秸秆水分逸散多、阴干初期失水速率高、干化效果好，具有更高的工程应用价值。离田伴矿景天秸秆经翻炒杀青再在自然阴干条件下经5~6 d，可实现快速干化、含水率降至70%（减重65%~75%）的目标，满足转运、焚烧或其他处置方式的要求。

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