利用高产牧草柳枝稷生产清洁生物质能源的研究进展

介绍了柳枝稷Panicum virgatum生物学特性和近年来国内外利用其生产清洁生物质能源--燃料乙醇的研究现状,阐述了柳枝稷原料预处理和进行发酵生产燃料乙醇的工艺过程.研究表明,由于低地型柳枝稷生产力高,作为转化燃料乙醇的专门能源植物极有潜力;球磨预处理、酶解和稀酸结合预处理柳枝稷对于发酵转化燃料乙醇效果显著.转化柳枝稷木质纤维素效率高的工程菌主要有重组肠杆菌Escherichia coli、运动发酵单孢菌Zymomonas mobilis、酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae.重组肠杆菌的基因重组菌株KO11,能将葡萄糖和木糖发酵为乙醇,乙醇产率为理论值的103%～106%.酿酒酵母的重组工程菌种E2在木糖培养液中厌氧转化木糖效率达1.1 g/(g·h).对柳枝稷燃料乙醇生命周期分析发现,柳枝稷燃料乙醇短期内能够减少57%温室气体排放.在我国利用柳枝稷生产燃料乙醇是一种可行的清洁能源产业,能够同时起到改善生态环境,优化农业和草业产业结构的作用.     

生物能源植物柳枝稷简介

概述了柳枝稷Panicum virgatum作为生物能源的研究现状,柳枝稷是分布于中美洲和北美洲的一种多年生草本植物,20世纪90年代后国际上将其作为一种新型能源模式作物进行了深入研究,用于火力发电,或以木质纤维素生产乙醇.其种植成本低,生长迅速,植株可高达2m,最高产量可达74t/hm2,高产期可持续15年,对环境适应性强.柳枝稷木质纤维素含量极高,其乙醇转化率可达到57%.火力发电废气排放量少,燃烧充分.种植柳枝稷可给种植户带来巨大的经济效益.在我国推广柳枝稷,既可作为饲草,也可作为水土保持和风障植物,同时也是很好的生物燃料和生产替代能源的原材料.     

能源植物柳枝稷基因工程研究进展

柳枝稷(Panicum virgatum)是C4暖季草本植物。具有许多优良的农艺性状,如广泛的地理适应性,耐贫瘠,生产成本低,水利用率高,生物质产量高,易于收获,因此被认为是重要的生物能源作物。通过生物技术对柳枝稷进行遗传改良,对于充分开发柳枝稷的生物质潜能,利用柳枝稷生产生物燃料具有重要意义。本文从柳枝稷遗传转化技术及改良性状的角度综述了柳枝稷的基因工程进展,为培育优良柳枝稷新品种提供参考。     

利用能源牧草柳枝稷生产燃料乙醇的研究进展

能源作物柳枝稷(Panicum virgatum)因其种植成本低、管理简便、生长用期短、收益高并对环境有积极的影响作用而成为能源研究的热点.本研究从柳枝稷的能源开发特性、栽培与管理方式、生物技术改良方法以及生物燃料的转换工艺等方面综述了能源作物柳枝稷的研究进展.并以生物技术为出发点,针对柳枝稷的生物学特性讨论了如何引种...     

柳枝稷的研究现状及其在云南的研究前景分析

柳枝稷（Panicum virgatum L.）是一种热带草原高秆草,具有优良的草料特性和水土保持功能,并且具有很大的能源利用前景,面对目前全球能源紧缺的形势,全世界范围内已有许多国家着手柳枝稷的研究.本研究分析了我国柳枝稷的发展现状以及在云南的研究前景.     

栽培措施对柳枝稷产量与品质的影响研究进展

柳枝稷(Panicum virgatum L.)原产于北美地区,具有优良的草料特性和水土保持功能,柳枝稷也是一种重要的能源草,可以用来生产燃料乙醇。产量和品质是衡量柳枝稷经济效益的重要指标,栽培措施对其会产生直接或间接的影响,尤其是种植行距、施氮肥量、水分、盐胁迫等。本文简述了这些因子对柳枝稷产量与品质的影响,能为进一步研究提供参考。     

边际土地类型及移栽方式对柳枝稷苗期生长的影响

为评价能源型植物柳枝稷Panicum virgatum在贫瘠沙化的边际土地生境上的适应性,采用盆栽试验研究了壤土(对照)、3种边际土(面砂土、粗砂土、砾石土)和3种移栽方式(营养钵、裸苗、裸苗+营养土)对柳枝稷苗期生长的影响。结果表明:在3种沙化贫瘠的边际土壤中柳枝稷幼苗均能正常生长,随着土壤养分含量升高,柳枝稷的株高、分蘖数、主茎叶片数和干物质积累量均显著增加;裸苗移栽方式较营养钵移栽方式不利于柳枝稷苗期生长,其成活率、株高、分蘖数和干物质积累量均显著降低;裸苗+营养土移栽较裸苗移栽显著提高了柳枝稷裸苗的成活率,建议作为柳枝稷边际土地种植方式。     

纤维素类能源草在京郊地区的经济效益与生态价值评价

纤维素类能源草是一类重要的能源植物与良好的生物质资源。对柳枝稷、荻、芦竹3种纤维素类能源草从农业种植到纤维素乙醇制备的整个过程进行了经济效益与生态价值的初步评价,结果表明,以柳枝稷、荻、芦竹为原料,每制备1.00 t纤维素乙醇的经济效益分别为4 147.85,1 185.08,2 019.76元,柳枝稷最优,芦竹次之,荻再次之;每制备1.00 t纤维素乙醇所需种植的柳枝稷、荻、芦竹的大气净化生态价值分别为4 639.28,4 351.25,4 320.39元,柳枝稷最优,荻次之,芦竹再次之;3种纤维素类能源草均具有强大的固定大气CO₂的能力,对于降低温室气体CO₂浓度、促进土壤碳的积累具有积极作用。     

从枝菌根真菌与柳枝稷协同固碳机制及对土壤碳氮循环的调控

基于全球气候变化和能源危机的趋势,寻找新的替代能源已经成为应对气候变化的一种创新策略。柳枝稷（Panicum virgatum L.）是原产于北美的一种多年生C₄能源植物,能够增加土壤碳固存,并且可用于提取和生产纤维素乙醇减少能源消耗。上世纪90年代初,柳枝稷在我国西北地区种植成功并表现出了良好的生态适应性。丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi,AMF）是一类广泛分布在土壤中与植物根系共生的真菌。这类微生物不但能够促进植物生长、提高其抗逆性,还能在植物-土壤系统碳转移和陆地生态系统碳氮循环过程中发挥重要作用。本文重点围绕丛枝菌根真菌的固碳机理、柳枝稷的作用与固碳机理、丛枝菌根真菌与柳枝稷的协同固碳机理及丛枝菌根真菌参与土壤碳氮循环等方面的内容做了详尽的综述,并为进一步开展有关丛枝菌根真菌与柳枝稷协同固碳机制的研究提出了建议。     

7种能源草在酸性红壤中的性状比较及适应性评价

本研究比较了7种能源草在酸性红壤中物候期、越冬率、农艺性状和化学成分等20个性状,并利用其中与适应性相关的12个性状来综合评价不同能源草在酸性红壤中的适应性。结果表明,1)7种能源草中除狼尾草以外其余各品种均能完成生育期,且都能在酸性红壤上生长良好;2)7种能源草的7个主要农艺性状和5个化学成分均有显著差异(P<0.05)。其中五节芒、湘杂芒、柳枝稷的干物质产量较高,单株分别达到5385.24,4846.09和4566.83 g,而斑茅、奇岗和湘杂芒的纤维素含量较高,分别达46.13%,45.38%和45.16%;3)对12个数量性状进行主成分分析,得到累计贡献率为92.626%的4个主成分因子,说明前4个主成分代表了主要的遗传信息;4)利用主成分线性模型综合评价7种能源草的适应性,排序结果如下:湘杂芒>五节芒>狼尾草>斑茅>柳枝稷>奇岗>荻。本研究结果可为我国南方酸性红壤边际性土地的开发与利用提供理论依据。     

柳枝稷分蘖发育调控的生理生化机制研究

柳枝稷是多年生禾本科植物,因生物量巨大可生产燃料乙醇而作为能源作物被广泛研究和应用。分蘖是直接影响禾本科植物生物量的主要因素,分蘖的数量由分蘖芽的分化和伸长共同决定。分蘖芽的分化和伸长过程受植物激素和外界环境等多种内在和外界因素共同调控。本研究对一个由EMS诱变获得的少分蘖突变体lt进行生理生化和分子机理研究。结果表明,与对照相比,突变体lt分蘖数目减少,腋芽伸长速度减缓;lt地上部分对重力响应减弱;lt体内生长素、脱落酸和独脚金内酯的含量增加;同时,lt突变体中独脚金内酯途径的基因表达水平增加。由此说明柳枝稷突变体lt分蘖发育的过程中受到了生长素、脱落酸和独脚金内酯的共同调控。该研究可为提高柳枝稷生物产量提供理论基础。     

7种多年生禾草作为能源植物潜力的研究

以柳枝稷（Panicum virgatum）为对照,对荻（Triarrhena sacchariflora）、芒（Miscanthus sinensis）、芦竹（Arundo donax）、芦苇（Phragmites australis）、斑叶芒（M.sinensis ‘Zebrinus’）以及甜茅（Glyceria maxima）7种高大禾草的表型特性及生物质成分进行了研究。结果表明,芒和荻的干物质年产量、燃烧值、折合标准煤均是所有材料中最高的,而灰分是所有材料中最低的,其干物质年产量分别达到了32.11、29.96 t·hm-2,燃烧值分别为17.692、18.202 MJ·kg-1,折合标准煤分别为19.42、18.64 t·hm-2,而灰分分别为29.7、23.8 g·kg-1,所有测定的指标中除燃烧值、含水量以及半纤维素含量外,其他指标与柳枝稷均存在显著差异。因此,原产中国的芒属植物是较柳枝稷更适合我国的优良的生物质能源植物。灰分与生物质能源植物的燃烧值呈线性回归关系,灰分越少则燃烧值越高。将生物质产量、灰分及热值结合分析是筛选合适的生物质能源植物科学有效的指标。     

施氮量对柳枝稷叶片叶绿素荧光特性及干物质积累的影响

研究施氮量对柳枝稷叶绿素荧光特性及干物质积累的影响,对提高盐碱地柳枝稷光能利用效率及生物质产量具有重要意义。在宁夏银北地区采用大田试验,以Cave-in-Rock品种柳枝稷为供试材料,在无氮添加(0 kg·hm^-2,N₀)、施低氮(60 kg·hm^-2,N₆₀)、中氮(120 kg·hm^-2,N₁₂₀)和高氮(240 kg·hm^-2,N₂₄₀)共4个施肥水平下,比较了开花期和成熟期柳枝稷叶片叶绿素荧光参数和干物质积累动态变化,采用灰色关联度分析法对柳枝稷叶片叶绿素荧光参数与干物质积累量进行研究。结果表明:与N₀相比,在N₆₀、N₁₂₀和N₂₄₀处理下柳枝稷开花期和成熟期叶片PSⅡ最大光化学效率(F_v/F_m)、PSⅡ实际光化学量子效率(Φ_PSⅡ)、潜在活性(F_v/F_o)、光化学猝灭系数(qP)、非光化学猝灭系数(NPQ)和干物质积累量均显著性提高,在N₂₄₀处理下达到峰值,而热耗散量子比率(F_o/F_m)显著性降低。在柳枝稷开花期,随着施氮量的增加,柳枝稷叶片PSⅡ潜在活性(F_v/F_o)显现出先上升后逐渐下降的总趋势。在N₁₂₀处理下柳枝稷叶片PSⅡ潜在活性(F_v/F_o)最大,为3.13,较N₀处理显著提高了16.26%。柳枝稷干物质积累量随着生育时期的推进和施氮量的增加,均有不同程度的提高,其中在开花期至成熟期,干物质积累缓慢,在灌浆期达到最大,成熟后期略有降低。柳枝稷成熟期干物质积累量在N₂₄₀处理下最高,每穴干物质积累达378.13 g,较N₀、N₆₀和N₁₂₀处理显著提高了24.33%、20.09%和7.24%。灰色关联度分析结果表明,在本试验条件范围内,N₂₄₀处理下加权关联度与理想施肥水平的关联度最大,有利于促进PSⅡ的光化学活性,从而提高柳枝稷干物质积累量。     

农杆菌介导的PSAG12-IPT基因转化柳枝稷研究

为延长生物能源作物柳枝稷(Panicum virgatum)的叶片功能期,以柳枝稷‘西稷1号’品系的成熟胚诱导的愈伤组织为受体,采用农杆菌介导法转化叶片衰老延缓基因P_SAG12-IPT.结果表明:经过农杆菌转化,共培养,抗性愈伤组织筛选、再生和生根培养,在农杆菌介导处理的8500块愈伤组织中共获得了320株转化植株;经PCR检测分析,转化植株中共有19株植株扩增出标记基因潮霉素B磷酸转移酶基因的目标片段,初步表明P_SAG12-IPT基因已整合到柳枝稷基因组中,转化率为0.223%.对柳枝稷转基因植株的叶片叶绿素含量、净光合速率、胞间CO₂浓度和气孔导度进行测定,表明P_SAG12-IPT基因在部分转基因植株中已经表达.     

NaCl胁迫对不同柳枝稷材料种子萌发与幼苗生长的影响

采用不同浓度NaCl溶液对10份柳枝稷(Panicum virgatum)材料(其中5份为育成品种,5份为不同地理来源的野生种质)种子和幼苗进行胁迫处理,通过分析种子发芽率和幼苗株高、鲜重、脯氨酸含量、叶绿素含量、细胞膜透性的变化,研究其种子和幼苗对盐胁迫的反馈机制,分析不同材料的耐盐性水平,为柳枝稷的引种、育种工作提供参考。结果表明:随着NaCl浓度增加,柳枝稷发芽率、株高、鲜重、叶绿素含量下降,而脯氨酸含量、细胞膜透性增加。品种中,Cave-in-rock,Sunburst和Pathfinder耐盐性相对较强;地方野生种质播种期耐盐性较差,苗期耐盐性良好,具有较好的研发潜力。     

柳枝稷和坚尼草的耐镉性初步研究

为了探究镉污染条件下开发能源植物的可行性,以高生物量黍属能源植物柳枝稷和坚尼草为材料,温室中苗期水培试验,分别对柳枝稷外源施加浓度为0,0.5,5,10,20,50,100μmol/L镉(Cd),对坚尼草施加浓度为0,2,5,7.5,10μmol/L Cd,从形态、生长生理等角度,分析两种能源草对镉的响应。结果表明:随Cd浓度的增加,柳枝稷和坚尼草生物量和根伸长量均下降,Cd浓度为50μmol/L时,柳枝稷根鲜重减少达显著水平(P0.05)。而坚尼草则在Cd浓度为2μmol/L时,根和地上部分总鲜重减少达显著水平。相比于对照,Cd浓度为2μmol/L时,坚尼草的根伸长量已下降96.3%,而柳枝稷在5μmol/L Cd时根伸长量才降低55.0%,柳枝稷的耐镉性高于坚尼草。经20μmol/L镉处理,柳枝稷的地上部镉浓度达40mg/kg,生物量下降了45%。不同浓度的镉处理下,镉在柳枝稷体内的迁移指数为5.9%~14.2%,柳枝稷可以在Cd污染条件下被开发为能源和修复植物种植。此外,实验还发现,在根平均直径为0~1mm范围内,柳枝稷的总根长、根表面积和根体积与镉积累呈显著负相关,与迁移指数呈显著正相关(P0.05),该结果说明,细根在植物的镉吸收积累和转运中可能起着非常重要的作用。