浮萍能源價值研究

王昱瓔 夏娜娜 李雁

摘 要：浮萍可以在特定條件下快速積累淀粉，具有一定的能源價值。文章主要闡述了浮萍體內(nèi)淀粉積累和淀粉降解過程所受調(diào)控因子的情況，希望能對行業(yè)發(fā)展有所借鑒。

關(guān)鍵詞：浮萍;能源價值;淀粉降解過程

中圖分類號：Q949.717.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）02-008-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.004

關(guān)于浮萍體內(nèi)淀粉能源價值的研究，一方面著力于提高淀粉轉(zhuǎn)化為乙醇或丁醇的比重。Xu等[1]用α-淀粉酶、支鏈淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶水解的浮萍，還原糖回收率達到96.8%，還原糖利用率增加促進了產(chǎn)乙醇的量增加。研究表明，高淀粉浮萍（L.punctata）加入丙酮丁醇梭桿菌CICC 8012生產(chǎn)丁醇，浮萍的酸性水解產(chǎn)生的糖包括葡萄糖（32.24%）、木糖（1.15%）、半乳糖（4.61%），這些糖可在丙酮丁醇梭桿菌作用下產(chǎn)生溶劑丁醇等。其中，正丁醇溶劑的質(zhì)量分數(shù)達到68.46%，比玉米糖漿產(chǎn)生的正丁醇溶劑高出14.11%。

另一方面，科研人員著力于促進浮萍體內(nèi)淀粉積累的實驗研究，主要著力于刺激光合作用合成淀粉以及抑制淀粉降解。光合作用可以合成葡萄糖，再以淀粉形式進行儲存。刺激光合作用需要增加光照強度或提高環(huán)境中的二氧化碳濃度，這往往難以實現(xiàn)且價值不菲，尤其是在戶外;而后者通常通過操縱溫度、調(diào)整營養(yǎng)元素以及施加化學抑制劑來實現(xiàn)，相對簡單易行。

植物葉片中的淀粉降解主要包括水解途徑和磷酸解途徑，圖1中所示的實線表示水解淀粉途徑，虛線表示磷酸酸解途徑。幾條分解途徑及相關(guān)淀粉酶的功能簡述如下：

葡聚糖-水雙激酶（GWD）和磷酸葡聚糖-水雙激酶（PWD）磷酸解淀粉，淀粉粒結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變;異淀粉酶（ISA3）作用于松散淀粉粒而釋放出磷酸葡聚糖，磷酸葡聚糖磷酸酶（SEX4）去除GWD和PWD磷酸化的磷酸，與其他淀粉水解酶協(xié)同作用使淀粉分解;α-淀粉酶（AMY）使葡聚糖的α-1，4葡萄糖苷鍵水解;β-淀粉酶（BAM3）水解葡聚糖，并生成麥芽糖;麥芽糖通過葉綠體膜上的麥芽糖轉(zhuǎn)運子（MEX1）向細胞質(zhì)輸出。

淀粉降解過程受到許多因子的調(diào)控，如營養(yǎng)饑餓、光照和生物節(jié)律、陽離子濃度以及化學抑制劑等都可以抑制浮萍體內(nèi)的淀粉分解。

營養(yǎng)饑餓：許多文獻表明氮[1]、磷[2]、鉀[3]等營養(yǎng)元素的缺乏，可能減少淀粉在浮萍細胞內(nèi)的消耗，從而導致淀粉積累。Ciereszko等[4]研究發(fā)現(xiàn)在浮萍生長水體中缺乏磷時會促進淀粉含量的積累，其原理是缺乏磷后使得根和葉片中的淀粉合成酶活性增加，主要是促進蔗糖磷酸合成酶、中性轉(zhuǎn)化酶等淀粉合成酶的活性，以促進淀粉含量的增加。營養(yǎng)饑餓是目前最經(jīng)濟且可行的方法。Xu等首先在一家位于美國加利福尼亞州澤倫市的養(yǎng)豬廠培養(yǎng)高淀粉含量浮萍，利用收獲的生物質(zhì)來生產(chǎn)生物乙醇。Farrell在23ha的氧化塘規(guī)模化培養(yǎng)浮萍，發(fā)現(xiàn)在營養(yǎng)缺乏的條件下，浮萍的淀粉含量從低于10%增長到平均19%。對于不同種的浮萍，浮萍密度、采收頻率和營養(yǎng)供應這三種因素影響著淀粉積累。迄今為止，規(guī)?；囵B(yǎng)浮萍得到的淀粉含量最高為52.9%。

光照和晝夜節(jié)律。光照通過氧化還原作用，對淀粉解進行控制。據(jù)報道，在缺少丙糖磷酸化轉(zhuǎn)移因子的植物中，氧化還原作用同時調(diào)控淀粉的合成及降解。

晝夜節(jié)律同樣可以調(diào)控浮萍體內(nèi)的淀粉積累。日間，植物進行光合作用，合成葉片過渡型淀粉，儲藏碳源，淀粉含量持續(xù)增加;夜間，葉片淀粉為植物體提供碳源，淀粉含量持續(xù)減少[8]。研究表明，晝夜溫度同樣影響淀粉積累：日間溫度相同的情況下，夜間溫度越低，紫背浮萍體內(nèi)淀粉積累越快速;夜間溫度相同的情況下，日間溫度的變化對于紫背浮萍淀粉積累不產(chǎn)生實質(zhì)影響[5]。

淀粉降解基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控機制在降解速率調(diào)控方面發(fā)揮著更加重要的作用：淀粉降解相關(guān)酶通過氧化還原作用的激活;淀粉降解中間產(chǎn)物的反饋作用[6]。

研究人員在營養(yǎng)饑餓的基礎(chǔ)上，研究了溫度和日總光量（DLI）對紫背浮萍體內(nèi)淀粉積累的影響，發(fā)現(xiàn)低溫和高DLI可以促進浮萍體內(nèi)淀粉的積累。生長在5℃的紫背浮萍的淀粉含量比25℃的高114%;在不同溫度梯度下（5℃、15℃、25℃），提高DLI均可以導致淀粉含量增加。

陽離子濃度：鈉是浮萍生長的必需元素，其在環(huán)境中的濃度同樣影響著淀粉的積累。用不同濃度梯度的氯化鈉（10mM、20mM、30mM）處理紫背浮萍，培養(yǎng)4天之后，淀粉含量比不添加氯化鈉的對照組分別高13.4%、15.7%和18.7%。

重金屬同樣可以刺激淀粉在浮萍體內(nèi)的積累。研究人員報道了鉻酸鹽、Ni2+等離子均可以抑制紫背浮萍的生長，并且刺激淀粉積累[7]。浮萍已被廣泛用于水質(zhì)的生物監(jiān)測，以及去除污水中的重金屬離子。然而，對植物施加重金屬離子的處理，將會造成生長逆境，還需要通過進一步的研究解決這個問題。

化學抑制劑。某些可以對植物或微生物的代謝產(chǎn)生抑制作用的化學物質(zhì)，同樣影響著淀粉在浮萍體內(nèi)的積累。比如氨基茚磷酸（AIP），一種強效的苯丙氨酸解氨酶（PAL，EC 4.3.1.5，通常存在于高等植物、酵母、菌類可溶性部分）抑制劑，在浮萍的生長環(huán)境中加入100μM AIP，培養(yǎng)5天后，浮萍內(nèi)淀粉增加130%（干重比），培養(yǎng)8天后增加370%（干重比）。

脫落酸（ABA）是一種以異戊二烯為基本單位的l5碳的類倍半萜類植物激素，由于可加速葉片脫落而得名脫落酸。在高等植物中，可以由體內(nèi)的類胡蘿卜素途徑合成脫落酸。

ABA在植物的生長發(fā)育、非生物脅迫和生物脅迫中有多重作用，在非生物脅迫中ABA可以促進植物對非生物脅迫的耐性，因此ABA也稱為應激激素或脅迫激素。營養(yǎng)饑餓和陽離子濃度會對浮萍生長造成脅迫，脅迫之下的植物通常會產(chǎn)生大量脫落酸（ABA），當脅迫解除后，ABA的含量又會大大下降。有報道顯示，施加85mM NaCl后，浮萍體內(nèi)的ABA水平增加了50%。

ABA影響著植物的多種生理過程，包括休眠、衰老、種子萌發(fā)以及生長[8]，抑制氣孔張開或促進氣孔關(guān)閉[9]，同時也影響著浮萍的生長狀態(tài)。有報道說明，相比未施加ABA的對照組，施加1ppm外源ABA的某些紫萍和青萍的生長更為緩慢[10]。有研究人員對施加了外源ABA的L.gibba進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)鮮重減少，而干重增加，說明盡管ABA會抑制浮萍生長，但是不會對浮萍體內(nèi)有機物的生產(chǎn)造成抑制。實際上，在ABA的抑制作用下，浮萍在體內(nèi)不斷積累淀粉。對L.Minor施加10-6M ABA，培養(yǎng)6天后，鮮重減少到約60%，而干重增加到220%，淀粉干重比增加到約500%。已有研究表明，ABA可以抑制α-淀粉酶與β-淀粉酶的活性，降低浮萍降解的速率，使得浮萍體內(nèi)淀粉含量不斷積累;并且，這種影響對β-淀粉酶降解途徑的作用更為明顯。

只有到達一定濃度的ABA，才能對浮萍體內(nèi)淀粉的積累產(chǎn)生刺激作用。有研究表明，對L.gibba施加3×10-6 M ABA，浮萍的生長速度將會顯著放緩，淀粉同時產(chǎn)生積累;而施加10-7 M ABA時發(fā)生相反的結(jié)果，浮萍細胞快速生長，淀粉顆粒消失。之前對外源ABA影響浮萍生長的研究集中在高濃度（高于0.1mg/L）范圍，并且已經(jīng)確定高濃度外源ABA可以抑制浮萍生長，促進淀粉積累。因此，本研究將外源ABA的濃度設(shè)置為0～0.1mg/L，探究低濃度外源ABA對浮萍體內(nèi)淀粉降解的影響。

通過文獻調(diào)研可知，國內(nèi)外對于浮萍能源價值的研究主要集中在促進浮萍體內(nèi)淀粉的積累，主要指淀粉的合成與淀粉的降解。其中，對于淀粉合成的機理研究較為豐富，已經(jīng)抵達基因?qū)用?，而對淀粉降解的研究較為缺乏。因此，本研究的目的確定為探索外源脫落酸將會怎樣調(diào)控浮萍體內(nèi)的淀粉降解機制。

參考文獻

[1] Xuezhi Wang，Weihua Cui，Weiwu Hu，et al.Abscisic Acid-Induced Starch Accumulation in Bioenergy CropDuckweed Spirodela polyrrhiza[J].Bioenergy Research，2016：1-10.

[2] Papong S.，Malakul P..Life-cycle energy and environmental analysis of bioethanol production from cassava in Thailand[J].Bioresource Technology，2010，101（Suppl 1）：S112-S118.

[3] Zhang L.，Chen Q.，Jin Y.L.，et al.Energy-saving direct ethanol production from viscosity reduction mash of sweet potato at very high gravity （VHG）[J].Fuel Processing Technology，2010，91（12）：1845-1850.

[4] Reid M.S.，Bieleski R.L.Response of Spirodelaoligorrhiza M to phosphorus deficiency[J].Plant Physiology，1970，46：609–613.

[5] Li B，Geiger D R，Shieh W J.Evidence for circadian regulation of starch and sucrose synthesis in sugar beet leaves[J].Plant Physiology，1992，99（4）：1393-1399.

[6] Cui W.，Xu J.，Cheng J.J.Duckweed starchaccumulation for bioethanol production[A].In 2011ASABE Annual Meeting，Paper Number：1111247，2011.

[7] Smith A M，Zeeman S，Niittylae T，et al.Starch degradation in leaves[J].Appl Glycosci，2003，50（2）：173-176.

[8] Addicott F.T.，Lyon J.L.Physiology of abscisicacid and related substances[J].Annual Review of PlantPhysiology，1969，20：119-164.

[9] Julian I S.，Gethyn J.A.，Veronique H.，et al.Guard Cell Signal Transduction[J].Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology，2001，52（1）：627-658.

[10] Dekock P.C.，Vaughan D.，Hall A.Effect of abscisicacid and benzyl adenine on the inorganic andorganic composition of the duckweed，Lemna gibbaL[J]. New Phytologist，1978，81：505-511.