我國(guó)能源植物芒草的開發(fā)與利用研究進(jìn)展

胡蕭

摘要：芒草作為一種重要的C4能源植物，在生物質(zhì)能源、環(huán)境修復(fù)、畜牧飼料等方面發(fā)揮著重要的作用。本文在簡(jiǎn)單介紹芒草基本情況的基礎(chǔ)之上，綜述了近年來我國(guó)能源植物芒草能源化、飼料化、功能化（修復(fù)重金屬污染及鹽堿土壤）等方面的開發(fā)與利用研究進(jìn)展，并對(duì)芒草今后的開發(fā)與保護(hù)提出了見解。

關(guān)鍵詞：能源植物 芒草 開發(fā)利用 研究進(jìn)展

引言

為了共同應(yīng)對(duì)全球性氣候變化問題，實(shí)現(xiàn)碳中和，當(dāng)今世界各國(guó)正處在從傳統(tǒng)石化能源向非化石清潔能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期[1]。其中生物質(zhì)能因其具有原料綠色、可再生、來源廣、儲(chǔ)量大、能源終端形式多樣且易轉(zhuǎn)換等優(yōu)勢(shì)，是石化能的重要替代[2]。我國(guó)植物資源豐富，在能源作物產(chǎn)業(yè)方面占據(jù)很大優(yōu)勢(shì)，因此全面開發(fā)能源作物，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；c產(chǎn)業(yè)化，對(duì)能源作物環(huán)境效應(yīng)展開深入探究，對(duì)國(guó)內(nèi)生態(tài)環(huán)保以及能源安全來說意義重大[3]。

1 能源植物研究進(jìn)展

能源植物（Energy plant）一般指的是還有很多油脂的植物，同時(shí)也包括可替代柴油或石油、在成分方面與柴油石油比較接近的、可合成高還原性烴能力的植物[4]，一般來說主要包括4大類，除富含木質(zhì)纖維素以及油脂型能源等植物之外，還包括速生豐產(chǎn)薪炭樹以及富含碳水化合物類型的能源植物。

其中，富含碳水化合物類型的能源植物一般生產(chǎn)乙醇，主要包括纖維素類、淀粉類以及糖類等三種類型?？衫冒l(fā)酵法生產(chǎn)乙烯的這類植物有甜菜以及甘蔗等;在水解反應(yīng)作用下才能用來生產(chǎn)乙烯的淀粉類植物主要有玉米與甘薯等;纖維素類型的能源植物可用來燃燒發(fā)電，常見的有桉樹以及芒草等。

富含油脂型能源植物種子有很高的含油量，對(duì)油脂經(jīng)酯化過程進(jìn)行提取，可以直接用來生產(chǎn)合成柴油，一般使用的原料有油菜籽以及大豆等。還有一些植物含有大量石油型能源，包含油脂類碳?xì)浠衔?，一般用來生產(chǎn)與橙油成分比較接近的燃料，常見的有古巴巴香膠樹、光皮樹、棕櫚以及麻瘋樹等，脫脂處理之后直接可以當(dāng)做生物柴油使用。

還有一部分作物含有大量木質(zhì)纖維素，一般用來生產(chǎn)固體類型的顆粒燃料，轉(zhuǎn)化之后獲得乙醇、電能或者熱能，常見的主要有柳樹以及桉樹等。除此之外，還有一些灌木，含有大量木質(zhì)纖維素，一般可以直接用來發(fā)電，通常也有大面積種植主要用來提供木炭或者薪柴，目前全球這種類型的樹種主要有美國(guó)梧桐以及加拿大楊等。最近幾年國(guó)內(nèi)也有一些受眾被用來當(dāng)做薪炭使用，比如常見的泡桐、沙棗以及銀合歡等。

近年來，國(guó)內(nèi)有代表性的研究有如，鄭循雯等[5]采用H3PO4聯(lián)合H2O2對(duì)地膚進(jìn)行了預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)對(duì)H3PO4濃度配比、時(shí)間以及溫度進(jìn)行適當(dāng)提升，可以明顯去除木質(zhì)素與半纖維，兩者最大去除率最高可達(dá)90.6%以及100%，對(duì)酶解糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙烯將帶來很大幫助。謝茹勝等[6]研究高溫?zé)崴A(yù)處理方法和酶添加量、水解工藝等對(duì)大米草水解效率的影響，研究表明，當(dāng)酶添加量為3.6%，反應(yīng)時(shí)間為72 h時(shí)，還原糖得率最高，為后續(xù)酶解糖化發(fā)酵乙醇奠定了良好的基礎(chǔ)。李昌珠團(tuán)隊(duì)[7]綜述了我國(guó)木本油脂資源的研究現(xiàn)狀，包括木本油料作物種類與分布區(qū)域、木本油脂脂肪酸組成與品質(zhì)、新木本油料作物資源挖掘、木本油料作物遺傳基因發(fā)掘與調(diào)控、木本油脂的綜合利用等。郝一男等[8]在催化制備生物柴油時(shí)主要使用納米Fe3O4-PO43-/ZrO2，他發(fā)現(xiàn)催化劑使用量為1%，反應(yīng)時(shí)間與溫度分別為4 h與80℃，醇油摩爾比為9∶1的前提下，轉(zhuǎn)化率最高，為92.9%。楊子飛[9]采用溶劑熱法合成催化劑UiO-66及其衍生物，并開展了麻瘋樹油制備生物柴油的研究，正交實(shí)驗(yàn)中最佳反應(yīng)條件下生物柴油的轉(zhuǎn)化率為97.22%，甲酯率高達(dá)99%以上，醇油比的三個(gè)水平范圍選擇較為合理。經(jīng)過分析得到理論最佳工藝條件：反應(yīng)溫度70℃，催化劑用量4%，醇油比25：1，反應(yīng)時(shí)間4h，最佳工藝的三次驗(yàn)證試驗(yàn)，生物柴油的轉(zhuǎn)化率都大于97.22%。

2 能源植物芒草

芒屬植物（Miscanthus spp.）俗稱芒草，含有約15到20個(gè)物種，是一類多年生高大C4草本植物，具有生物量大、纖維素含量高（綜纖維素含量76.2%-82.7%）、灰分低、熱值高、適應(yīng)性強(qiáng)（適應(yīng)各種逆境及邊際土地）以及生產(chǎn)成本低（如地上部分冬季?？菸?，易于收割和儲(chǔ)運(yùn)）等諸多優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是目前最具開發(fā)潛力的高產(chǎn)纖維類能源植物之一。同時(shí)，芒草還可以被制備成生物炭、土壤調(diào)理劑、生態(tài)板材和生態(tài)建材等產(chǎn)品，除用來凈化水質(zhì)以及改良土壤之后，還可以起到吸附重金屬的效果。

在我國(guó)最有能源潛力的芒草主要有芒、五節(jié)芒、荻、南荻4類[10]，其水平分布范圍依次為：18.81-43.56°N、100.44-127.55°E，19.14-38.33°N、104.78-122.39°E，29.90-47.53°N、06.27-113.76°E，28.18-34.82°N，111.48-120.81°E，垂直分布范圍依次為：-12- 678m，0-1650m，-1-1455m，0-321m。其中，南荻多分布在長(zhǎng)江中下游地區(qū)，荻主要分布在長(zhǎng)江北部，五節(jié)芒和芒的分布以南方為主[11]，其半纖維素含量在不同種間（或類型間）差異不顯著，半纖維素、木質(zhì)素在不同種間（或類型間）差異分別達(dá)到了顯著和極顯著水平，同時(shí)，纖維素、半纖維素的種類變異貢獻(xiàn)大于種間變異貢獻(xiàn)，有利于種質(zhì)資源的遺傳改良[12]。同時(shí)，在芒草繁殖技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面，商業(yè)化的繁殖技術(shù)正朝著：根莖直播法→根莖與莖稈育苗移栽法→種子直播法與微繁育苗移栽法的方向發(fā)展[13]。

3 芒草生物能源利用研究進(jìn)展

在芒草進(jìn)行能源化開發(fā)利用前，需對(duì)其進(jìn)行能源潛力評(píng)估，以便建立最優(yōu)的能源化轉(zhuǎn)化途徑。項(xiàng)偉等[14]從農(nóng)藝、品質(zhì)、抗逆性3個(gè)方面，構(gòu)建了芒屬植物（芒、五節(jié)芒、荻、南荻）在燃燒發(fā)電、發(fā)酵制乙醇、發(fā)酵產(chǎn)沼氣和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的能源潛力評(píng)價(jià)體系，該體系適用性強(qiáng)，可以篩選優(yōu)良品種，同時(shí)選育新品種。徐樂樂[15]研究對(duì)象為29個(gè)不同的芒果品系，研究?jī)?nèi)容為木質(zhì)纖維所含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)因?yàn)樯L(zhǎng)環(huán)境不一樣，同一品種的芒果木質(zhì)纖維素含量差異比較明顯，含量最高的為52.65%，這類芒果一般用來發(fā)酵制乙醇;含量較高的一般用來燃燒發(fā)電。對(duì)7種芒果品種里面的揮發(fā)油進(jìn)行全面鑒定，發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性成分共22種，其中癸酸的含量最多。李成豐[16]通過系統(tǒng)生物學(xué)分析鑒定了芒草在多種預(yù)處理?xiàng)l件下，影響其酶解糖化的細(xì)胞壁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因子，結(jié)果表明，半纖維素分支度（Ara/ Xyl）顯著降低了纖維素結(jié)晶度（CrI），提高其酶解糖化效率。同時(shí)，針對(duì)不同儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)生物質(zhì)能源產(chǎn)率的影響，袁玲莉等[17]的研究顯示，芒草儲(chǔ)存0～30天之后產(chǎn)甲烷的能力全面下滑，儲(chǔ)存時(shí)間超過30天產(chǎn)甲烷能力以及理化性質(zhì)基本上保持穩(wěn)定，由此可知隨著存儲(chǔ)時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，參甲烷能力逐漸下降。

在芒草轉(zhuǎn)化生物能源（如生物乙醇）過程中，采用合適的預(yù)處理方式來解除芒草的生物質(zhì)抗降解屏障，有助于酶解糖化過程的順利開展。孫丹等[18，19]對(duì)選取的芒果展開與處理，主要用到蒸汽爆破工藝，對(duì)芒草秸稈細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)、成分以及孔隙度影響要素進(jìn)行分析，找到對(duì)酶解效率細(xì)胞壁產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素以及具體的優(yōu)化條件，對(duì)降解產(chǎn)糖芒草材料進(jìn)行鑒定，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出高效降解模型。相比于稀酸、稀堿處理方式，蒸汽爆破具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)預(yù)處理后芒草的酶解糖化率可達(dá)74.45%，較未處理最高可提高11.79倍。彭勝男等[20]開發(fā)了一種利用氨水協(xié)同60Co- γ射線輻照預(yù)處理芒草的技術(shù)，經(jīng)過程優(yōu)化，酶解糖化后還原糖含量達(dá)到471.74 mg/g，為芒草的綠色低毒高效預(yù)處理開辟了新途徑。同時(shí)，針對(duì)芒草預(yù)處理抑制劑，佀勝利等[21]對(duì)多種濃度酸/堿預(yù)處理環(huán)境下的芒草上清液發(fā)酵產(chǎn)乙醇以及副產(chǎn)物生成規(guī)律進(jìn)行探究，同時(shí)分析乙醇發(fā)酵與副產(chǎn)物預(yù)處理兩者的關(guān)系，最終發(fā)現(xiàn)抑制劑產(chǎn)物濃度存在顯著差異，與堿處理相比，酸處理生成的5-羥甲基糠醛與糠醛濃度明顯更高，不過在香草醛、丁香酸等堿處理方面濃度更高，為后續(xù)酶解發(fā)酵提供了較好的基礎(chǔ)。黃政[22]采用納濾技術(shù)分離了輻照降解芒草水題液中的發(fā)酵抑制物，結(jié)果表明，納濾膜對(duì)香草酸截留率較高，其他抑制物透過效果好，經(jīng)分離后甲酸、乙酸分子的最小截留率由由-2.14%和-3.09%分別升高到5.83%和5.32%，香草酸的最小截留率有21.74%升筒到22.35%。

為了提高芒草生物半纖維素的轉(zhuǎn)化率，進(jìn)而提高生物乙醇的得率，田夢(mèng)南[23]采用超聲輔助堿液提取工藝，實(shí)現(xiàn)了芒草半纖維素的高純度分離;分析了半纖維素化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)及熱解特性;優(yōu)化了硫酸法降解半纖維素工藝，并對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了乙醇發(fā)酵。程紹哲[24]開展了鎘脅迫影響芒草細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)、生物質(zhì)酶解和乙醇產(chǎn)率的研究，結(jié)果表明在Cd脅迫下，四種芒草細(xì)胞壁里面的纖維素含量明顯降低，堿（NaOH）預(yù)處理前提下，Cd處理芒草材料酶解效率影響更高，由此可知芒草酶解效率與果膠里面的糖醛酸含量呈正相關(guān)關(guān)系，與纖維素聚合度以及結(jié)晶度呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

在芒草的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化方面，姚燦[25]研究對(duì)象選擇芒草熱解特性以及具體的影響要素，與松木、玉米秸稈相比，芒草具有最低的揮發(fā)分釋放特性指數(shù)，熱解速度最快，

熱解產(chǎn)物主要以氣體產(chǎn)物以及醛酚醇酸類化合物為主，隨著溫度的變化酮醛類熱解產(chǎn)物分布情況也隨之發(fā)生改變。焦豪等[26]研究對(duì)象選擇芒草與褐煤兩者共熱解，同時(shí)對(duì)褐煤與褐煤兩者共熱解展開對(duì)比，最終發(fā)現(xiàn)，芒草與褐煤共熱解具有很明顯的協(xié)同效果，隨著生物質(zhì)摻混比在不斷提升，效果持續(xù)增強(qiáng)。劉威等[27]主要探究芒草熱解焦CO2氣化反應(yīng)受到制備溫度的影響，最終發(fā)現(xiàn)隨著溫度的逐漸提升，熱解焦表面結(jié)構(gòu)開始不斷加深，

制備溫度為600℃的時(shí)候微孔容積與總孔容積比值最大，400℃的時(shí)候平均活化能力最小。

4 芒草資源其他利用研究進(jìn)展

在土壤重金屬修復(fù)領(lǐng)域，芒草也發(fā)揮著重要的作用，近年來具有代表性的研究成果有如，吳道銘等[28]總結(jié)分析了芒屬植物重金屬耐性研究及其在礦山廢棄地植被恢復(fù)過程中的發(fā)展?jié)摿Γ唧w在芒屬植物生物學(xué)特性、重金屬耐性特點(diǎn)、機(jī)理及其在礦山廢棄地植被恢復(fù)中的應(yīng)用潛力方面，并提出了應(yīng)用芒屬植物進(jìn)行礦山廢棄地植被恢復(fù)的基本思路。陳兆進(jìn)等[29]開展了鎘脅迫對(duì)芒草根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)和功能的影響，結(jié)果表明，Cd 的添加能顯著提高土壤中黃色土源菌屬、苯基桿菌屬、芽單胞菌屬、鞘氨醇單胞菌屬等11個(gè)屬的相對(duì)豐度，這些細(xì)菌可能在芒草耐受和富集重金屬中起到作用。

為發(fā)揮芒草在畜牧業(yè)中作為飼料、飼料添加劑及優(yōu)質(zhì)牧草等方面的開發(fā)潛力，柴繼瑩[30]采用近紅外光譜技術(shù)測(cè)定了芒草秸稈蛋白質(zhì)含量，結(jié)果表明，原產(chǎn)地為中國(guó)的芒草蛋白質(zhì)含量較日本、韓國(guó)和日本的在莖稈干物質(zhì)中所占的比例最高（均值1.32%），為芒草優(yōu)良材料的選育及其飼用價(jià)值的評(píng)估打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在芒草應(yīng)用于土壤鹽漬化治理方面，研究表明相比于其他草本作物，芒草由于具有木質(zhì)根莖，對(duì)鹽分脅迫耐受性比較強(qiáng)[31]。在120 mmol/L鹽分脅迫下芒草莖的干物重減小將近49%，由此可知芒草生長(zhǎng)抑制臨界點(diǎn)濃度為120 mmol/L[32]。我國(guó)本土芒、荻芒草的耐鹽能力分別可達(dá)14.93 g/L（約為255 mmol /L NaCl）、12.97 g/L（約為221 mmol /L NaCl）;抗鹽性最高的芒草的耐受鹽分濃度為29.12 g/L（約為498 mmol /L NaCl）[33]。有其他研究表明，與五節(jié)芒和芒草相比，國(guó)內(nèi)南荻芒具有更強(qiáng)的耐旱性能，主要原因在于水分利用率以及光合速率比較高[34]。除此之外，NaCl鹽脅脅迫環(huán)境下，芒草鹽分生長(zhǎng)生理代謝主要受到膜脂過氧化以及抗氧化酶的雙重影響[35]。

同時(shí)，為更好的評(píng)估芒草種植風(fēng)險(xiǎn)，郭孟齊等[36]在借鑒國(guó)外的研究成果的基礎(chǔ)之上，以分布特征、繁殖特征、擴(kuò)散特征、遺傳特征、適應(yīng)特征、危害特征、被控制特征為評(píng)價(jià)指標(biāo)，針對(duì)國(guó)內(nèi)芒屬植物規(guī)模化種植生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)展開全面探究，最終發(fā)現(xiàn)在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)方面最大的為芒，其次為荻，風(fēng)險(xiǎn)最小的為南荻;結(jié)合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在芒草種類中南荻屬于無生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)類型，芒、荻與五節(jié)芒屬于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)類型。

5 結(jié)論與展望

目前，我國(guó)對(duì)能源植物芒草的開發(fā)利用方興未艾，將實(shí)驗(yàn)所得成果應(yīng)用在具體生產(chǎn)中，在芒草基生物乙醇/丁醇、芒草生物質(zhì)顆粒燃料、氣化產(chǎn)生物合成氣、芒草超富集土壤重金屬、芒草飼料等方面實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用。同時(shí)，亦應(yīng)當(dāng)在一些涉及芒草優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源開發(fā)，生態(tài)栽培，芒草生物質(zhì)全量利用及生物多樣性保護(hù)與生態(tài)安全等方面進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

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