CN101731085B - 一种适于重金属污染区种植的能源作物品种筛选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适于重金属污染区种植的能源作物品种筛选方法。该方法包括如下步骤：(1)将能源作物种植于重金属污染区；(2)每隔2~3个月测定作物的株高、株径及蔗糖含量；(3)测定所筛选能源作物的产量；(4)测定能源作物中的可发酵糖含量；(5)测定能源作物的重金属含量；(6)将能源作物进行发酵，通过残糖含量和乙醇含量的测定来计算能源作物的糖转化率和发酵率；(7)通过上述步骤测定数据比较分析，筛选出适于重金属污染区种植的能源作物品种。本发明方法兼顾能源作物的经济价值和环保价值，本发明方法筛选得到的能源作物品种对重金属有吸收能力，对重金属污染区的环境修复效果好。
Description
技术领域
本发明涉及能源作物品种筛选技术，具体涉及一种适于重金属污染区种植的能源作物品种筛选方法。
背景技术
甘蔗，是光合作用能力最强的C4作物，是人类迄今所栽培的生物量最高的大田作物之一，年均生物产量高达180~200吨/年·公顷，其作为生产燃料乙醇原料的产量和乙醇的产率都显著优于其他作物。广东省地处热带亚热带地区，其纬度和气候条件与巴西非常相似，同时，广东也是我国重要的蔗区，发展能源甘蔗生产燃料乙醇有着得天独厚的自然条件和良好的产业基础。甘蔗的乙醇产出量分别是玉米和小麦的2.5倍、3.3倍。就成本而言，目前我国以甘蔗为原料的成本约为3000元/吨左右，如果采用能源甘蔗生产燃料乙醇，所需成本会更低，而以玉米和小麦为原料生产燃料乙醇的成本约为4500元/吨。可见，与其它作物比较，利用能源甘蔗生产燃料乙醇的资源配置效率最高，采用能源甘蔗生产燃料乙醇，不但能使企业增收，同时也有利于“三农”问题的解决和社会主义新农村建设。
木薯，系大戟科木薯属，原产于非洲，它的生物学产量大、淀粉含量高达35％以上，与其他作物相比，又有投入少、省工、省肥等优点，不会与粮、果、蔗、林争地，还可以与其他作物间种或套种，是生产燃料乙醇理想的非粮生物质原料作物。同时，木薯以高产、稳产著称，病虫害较少，且易于管理，它不需要太多的技术，不需要太多的水电等服务设施，而且当年种植当年收获，当年见效。广东东西北地区处热带、亚热带，地理环境和自然条件非常适合木薯的生长，所产的木薯品质优良，淀粉含量比较高，是我国木薯的主产区之一，产业背景良好。
菊叶薯蓣，产量高、富含淀粉，淀粉含量为25％~28％，与木薯相当，且块茎味苦，不能食用，属于非粮作物，不与人争粮菊叶薯蓣能常年生长、不换头、不烂根，可随时采收，无需库存与储存干片，保证了鲜品原料的常年供给；再者，菊叶薯蓣一年四季持续生长，不消苗，3年单株产量可达12~18公斤，平均亩产可达18吨；更重要的是，菊叶薯蓣富含甾体类药物基础原料薯蓣皂素，皂甙含量为1.5~5.0％，是我国主栽品种盾叶薯蓣的2~3倍。因此，菊叶薯蓣的产业化栽培具有较好的经济前景，是值得推广种植的非粮能源和医药两用作物。
可见，与其它作物比较，利用能源甘蔗、木薯、菊叶薯蓣生产燃料乙醇的资源配置效率最高，采用以上能源作物生产燃料乙醇，不但能使企业增收，同时也有利于“三农”问题的解决和社会主义新农村建设。
然而，目前燃料乙醇的发展面临着“能源与人争粮”和“能源与人争地”的局面。粮食资源和土地资源的严重不足，已经成为制约我国生物质能源发展的瓶颈，而粮食和土地问题对广东发展生物质能源的影响更加突出。同时，我省和全国都存在着大量的边缘化土壤(主要是指尚未开垦利用的土地，如荒山荒坡、矿区土地、矿山开采剥离的裸露地表土地等；以及正在退化的或已经退化的和目前已不再适于常规农事耕作的土壤，如由于使用化肥过多或受重金属等有害物质污染而需要恢复的土壤、城郊受污染土地、贫瘠土地、盐碱化土地等)。这些土壤不适于种植粮食作物，但种植非食用性的能源作物——能源甘蔗却有极大的可行性，这为我国在华南地区大力发展能源甘蔗生产燃料乙醇提供了大量的土地资源。因此，利用边缘化土壤中种植甘蔗生产燃料乙醇，具有很高的现实意义和应用前景。
目前能源作物品种的筛选只是在无污染土壤中通过作物萌芽率、分蘖率、发株数(宿根)、株高、茎径、有效茎等指标筛选甘蔗品种。而以作物作为能源作物在矿山重金属污染区中种植，不仅要考虑经济性状，而且要考虑环保价值，尤其是作物品种对重金属的吸收能力。在矿山污染区引种作物品种进行筛选，国内外尚未报道。
发明内容
本发明的目的在于根据现有能源作物品种的筛选技术中的不足，利用作物对重金属有吸收能力的特性，提供一种适于重金属污染区种植的能源作物品种筛选方法。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
本发明适于重金属污染区种植的能源作物品种筛选方法，包括如下步骤：
(1)将能源作物种植于重金属污染区；
(2)每隔2~3个月测定能源作物的株高、株径及蔗糖含量；
(3)测定能源作物的产量；
(4)测定能源作物中的可发酵糖含量；
(5)测定能源作物的重金属含量；
(6)将能源作物进行发酵，通过残糖含量和乙醇含量的测定来计算作物的糖转化率和发酵率；
(7)通过上述步骤测定数据进行比较分析，筛选出产量、吸收重金属能力、总糖含量及发酵产生乙醇量最高的作物，即为适合种植于重金属污染区或矿山污染区的能源作物品种。
上述筛选方法中，所述能源作物优选为甘蔗、木薯或菊叶薯蓣。
上述筛选方法中，步骤(1)中甘蔗的种植是三月份时选择作物品种种植于重金属污染区或矿山污染区，管理，次年一月份收获。
步骤(2)中作物的株高和株径的测定方法优选为：每隔2~3个月用游标卡尺和直尺量取作物的直径和株高，每个样品取十个重复；蔗糖含量的测定方法优选为：往50ml的容量瓶中分别加入4ml甘蔗汁、木薯或菊叶薯蓣与15ml新配制的18wt％盐酸混合，加蒸馏水定容至20ml，震荡5s，沸腾水浴加热8min后取出，用流水迅速冷却至室温，以蒸馏水做参比，用1cm的比色皿在波长285nm处测量吸光度值，从标准曲线上查出相应的浓度。
步骤(4)中测定甘蔗汁中的可发酵糖含量的方法是：以6mol/L盐酸溶液置沸水浴中加热水解甘蔗汁、木薯或菊叶薯蓣30min，冷却后用1mol/L氢氧化钠溶液调pH至中性，过滤，以DNS法测定可发酵糖含量。
步骤(5)中甘蔗的重金属含量测定包括甘蔗、木薯或菊叶薯蓣的重金属含量测定。
其中，甘蔗的重金属含量测定包括甘蔗蔗渣的重金属含量测定和甘蔗蔗汁重金属含量测定。其中，甘蔗蔗渣的重金属含量测定方法是：将磨碎的甘蔗置于瓷坩埚中在电炉上完全炭化，放入马福炉内600℃下灰化6h，以2mol/L的盐酸溶液溶解，转移至容量瓶中定容，过滤后的滤液在原子吸收分光光度计上测重金属含量。甘蔗蔗汁的重金属含量测定方法是：用体积比为3∶1的浓硝酸∶高氯酸酸解甘蔗汁，在电极板上加热至澄清，以原子吸收分光光度计测定重金属含量。
木薯或菊叶薯蓣的重金属含量测定方法是：将木薯或菊叶薯蓣置于烘箱中烘烤3~3天至恒重；将木薯或菊叶薯蓣磨碎过筛，称量1g样品，加入30ml浓硫酸混匀浸泡过夜；加入高氯酸10ml，加热到液体澄清透明，冷却，以原子吸收分光光度计测定重金属含量。
步骤(6)中所述甘蔗的糖转化率和发酵率的测定方法如下：
a.取甘蔗汁原液、木薯或菊叶薯蓣，加入0.1wt％的尿素，将pH调至3.3~3.6，90℃灭菌1h，接种量为10体积％；
b.将接种后的发酵液封口，于30~32℃静置发酵40h以上，至摇动时没有CO2产生即为成熟；
c.过滤发酵液，加入6mol/L盐酸溶液水解，调节pH至中性，以DNS法测定残糖量；
d.取少量发酵液离心，吸取上清，以气相色谱测量乙醇成分；
e.通过残糖含量和乙醇含量来计算糖转化率和发酵率。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明适于重金属污染区种植的能源作物品种筛选方法的筛选平台是重金属污染区或矿山污染区，该类区域属于边缘化土壤，通过甘蔗品种的筛选，得到的作物既可以保证其经济效益，还可以吸附污染区的重金属，净化污染区的土壤，达到经济价值与环保价值的双赢；
(2)本发明提供了一种新的能源作物品种筛选方法，对现有能源作物品种的筛选技术进行补充。
具体实施方式
以下结合实施例来进一步解释本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。
实施例1能源甘蔗品种的筛选
1.2007年三月份选择粤糖83-271，粤糖91-600，粤糖94-128，粤糖94-343，粤糖95-128，粤糖95-168，粤糖95-354，粤糖96-598，粤糖00-236，ROC-22，CP89-2143，CP92-1666，CP94-1340，CP93-1382，CP88-1762于矿山污染区中种植，管理，次年一月份收获。
2.测量所有品种的蔗径，蔗高，蔗糖含量。测定甘蔗品种的产量，总糖含量，重金属(锌、铜、镉、铅)吸收能力及乙醇发酵性能。
表1不同甘蔗品种的重金属含量、产量总糖含量及发酵产生乙醇情况
表1中，汁的单位是mg/L，渣的单位是mg/kg。
由表1可知CP89-2143品种不仅吸收最大的重金属含量，而且其产量也处于所有品种的第二位，同时其株高株径的也与正常的甘蔗水平相差不大，这说明CP89-2143品种具有重金属耐性，使其生存于高含量的重金属环境中而不受伤害。因此，根据CP89-2143吸收重金属能力以及适宜在矿区地区生长的特性，该品种可作为修复植物，对矿山污染土壤进行大生物量的重金属吸附，恢复矿区生态环境。再者，CP89-2143的总糖含量与发酵乙醇产量均最高，甘蔗品种的总糖含量是主要影响乙醇产量的因素，总糖含量大，酵母可利用糖分多，转化成的乙醇也较多，但是不是绝对直接相关关系。通过比较筛选出耐受重金属，经济性状好的能源甘蔗品种CP89-2143。
实施例2能源木薯品种筛选
1.2006年三月份选择华南5号，华南6号，华南9号，华南124以及华南205五个品种于矿山污染区中种植，管理，同年十一月份收获。
2.测量所有品种测定木薯品种的产量，总糖含量，重金属(锌、铜、镉、铅)吸收能力及乙醇发酵性能。
表2不同木薯品种的重金属含量、产量总糖含量及发酵产生乙醇情况
| 木薯品种 | 锌(Zn)(mg/L) | 铜(Cu)(mg/L) | 镉(Cd)(mg/L) | 铅(Pb)(mg/L) | 产量(kg/亩) | 总糖含量k/kg | 发酵产生乙醇体积分数(％) |
| 华南5号 | 63.48 | 4.37 | 0.11 | 8.74 | 2300 | 809 | 10.4 |
| 华南6号 | 48.88 | 2.43 | 0.15 | 4.79 | 1890 | 713 | 8.1 |
| 华南9号 | 71.38 | 8.00 | 0.51 | 8.53 | 2150 | 762 | 8.9 |
| 华南124 | 58.90 | 9.01 | 0.41 | 3.14 | 1900 | 729 | 8.7 |
| 华南205 | 119.90 | 8.39 | 0.28 | 12.49 | 2250 | 853 | 12.5 |
由表2可知木薯品种华南205不管是在重金属吸收能力、总糖含量还是发酵产生乙醇量都是居于首位的，虽然它没有华南5号这品种的产量高，但是综合来说，它是最优的品种。通过比较筛选出耐受重金属，经济性状好的能源木薯品种华南205号。
实施例3能源医药两用植物菊叶薯蓣矿山污染区适应性种植
1.2006年三月于气候基本相同的矿山污染区与无污染区两地种植菊叶薯蓣，使用无差别的管理方法，2008年6月采收。
2.测定菊叶薯蓣的产量，总糖含量，重金属(锌、铜、镉、铅)吸收能力及乙醇发酵性能。
表3菊叶薯蓣的重金属含量、产量总糖含量、皂素含量及发酵产生乙醇情况
| 菊叶薯蓣 | 锌(Zn)(mg/L) | 铜(Cu)(mg/L) | 镉(Cd)(mg/L) | 铅(Pb)(mg/L) | 产量(kg/亩) | 总糖含量k/kg | 发酵产生乙醇体积分数(％) | 皂素含量质量分数(％) |
| 无污染区种植 | - | - | - | - | 8000 | 809 | 8.51 | 3.01 |
| 污染区种植 | 75.38 | 2.51 | 0.95 | 5.72 | 7800 | 713 | 8.23 | 2.98 |
由表3可知，菊叶薯蓣品种在污染区种植与无污染区种植的产量、总糖含量、皂素含量及发酵产生乙醇情况均无太大差别，且其在污染区种植还体现出良好的吸附重金属能力。故其是适于重金属污染区种植的能源作物。
Claims (4)
1.一种适于重金属污染区种植的能源作物品种筛选方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
(1)将能源作物甘蔗、木薯或菊叶薯蓣种植于重金属污染区；
(2)每隔2～3个月测定能源作物的株高、株径及蔗糖含量；
(3)测定能源作物的产量；
(4)测定能源作物中的可发酵糖含量；
(5)测定能源作物的重金属含量；
(6)将能源作物进行发酵，通过残糖含量和乙醇含量的测定来计算作物的糖转化率和发酵率；
(7)通过上述步骤测定数据进行比较分析，从甘蔗、木薯或菊叶薯蓣中筛选出产量、吸收重金属能力、总糖含量及发酵产生乙醇量最高的作物，即为适合种植于重金属污染区的能源作物品种；
所述重金属含量的测定包括甘蔗、木薯或菊叶薯蓣的重金属含量测定；
所述甘蔗的重金属含量测定包括甘蔗蔗渣的重金属含量测定和甘蔗蔗汁重金属含量测定；所述甘蔗蔗渣的重金属含量测定方法是：将磨碎的甘蔗置于坩埚中完全炭化，放入马福炉内600℃下灰化6h，以2mol/L的盐酸溶液溶解，过滤后的滤液在原子吸收分光光度计上测重金属含量；所述甘蔗蔗汁的重金属含量测定方法是：用体积比为3∶1的浓硝酸：高氯酸酸解甘蔗汁，加热至澄清，以原子吸收分光光度计测定重金属含量；
所述木薯的重金属含量测定方法是：将木薯置于烘箱中烘烤2～3天至恒重；将木薯磨碎过筛，称量1g样品，加入30ml浓硫酸混匀浸泡过夜；加入高氯酸10ml，加热到液体澄清透明，冷却，以原子吸收分光光度计测定重金属含量；
菊叶薯蓣的重金属含量测定方法同木薯的重金属含量测定方法相同。
2.根据权利要求1所述的适于重金属污染区种植的能源作物品种筛选方法，其特征在于步骤(2)中所述蔗糖含量的测定方法是：以新配制的18wt％盐酸水解甘蔗汁、木薯或菊叶薯蓣，沸腾水加热8min后冷却至室温，以蒸馏水做参比，在波长285nm处测量吸光度值，从标准曲线上查出相应的浓度。
3.根据权利要求1所述的适于重金属污染区种植的能源作物品种筛选方法，其特征在于步骤(4)中所述可发酵糖含量的测定方法是：以6mol/L盐酸溶液置沸水浴中加热水解甘蔗汁、木薯或菊叶薯蓣30min，冷却后用1mol/L氢氧化钠溶液调pH至中性，过滤，以DNS法测定可发酵糖含量。
4.根据权利要求1所述的适于重金属污染区种植的能源作物品种筛选方法，其特征在于所述糖转化率和发酵率的测定方法是：
(1)取甘蔗汁原液、木薯或菊叶薯蓣，加入0.1wt％的尿素，将pH调至3.3～3.6，90℃灭菌1h，接种量为10体积％；
(2)将接种后的发酵液封口，于30～32℃静置发酵40h以上，至摇动时没有CO2产生即为成熟；
(3)过滤发酵液，加入6mol/L盐酸溶液水解，调节pH至中性，以DNS法测定残糖量；
(4)取少量发酵液离心，吸取上清，以气相色谱测量乙醇成分；
(5)通过残糖含量和乙醇含量来计算糖转化率和发酵率。
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