CN108586033A - 一种二氧化碳捕集剂的制备方法及使用方法 - Google Patents

一种二氧化碳捕集剂的制备方法及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种二氧化碳捕集剂的制备方法及使用方法，该捕集剂由小球藻活菌液50%~80%、混合藻发酵液6%~10%与褐藻酸1%~5%、余量为水进行混合而得。通过黑曲霉、米曲霉和绿色木霉复合菌发酵小球藻和海带提取微藻活性物质，再与活体小球藻、褐藻酸、离子液体混合成高效二氧化碳捕集剂。本发明制备的二氧化碳捕集剂不仅能在植物根部施用，提高植物的二氧化碳利用率，同时能在叶面施用，提高光合效率的同时减少叶面蒸腾作用，促进叶片吸收微藻营养物质，减少养分流失。本发明制备的二氧化碳捕集剂具有制备周期短、二氧化碳的利用率高和营养物质吸收快、利用率高等特点。

Description

一种二氧化碳捕集剂的制备方法及使用方法
技术领域
本发明属于提高作物产量的组合物制备技术领域，特别涉及一种二氧化碳捕集剂的制备方法及使用方法。
背景技术
我国是个具有13亿人口的农业大国，农业是我国第一产业。在化学农业生产的大背景下，化肥、调节剂是农业生产的主要生产资料。虽然解决了人们的温饱问题，但它带来的空气污染、水体污染、土壤污染、以及对人类健康的危害等负面影响，已经成为社会关注的热点、难点和重点。在农业生产中，只要在土壤中施入化学氮肥，亚硝酸盐就会超过国家允许残留量，只要施入磷素化肥，磷矿石里的铅、砷、铬、镉、汞等有害重金属，也会随磷元素一起被作物吸收，形成有害重金属高残留。我国每年新增加的320多万人癌症患者，即可说明化学农业对人类健康的危害(我国用了全世界总量40％的化肥，中国的患癌人数恰恰也是全世界患癌总数的40％)，有相当大的部分是因为吃出来的。
生产化肥的原料是煤炭，或者是石油，别无它法，对空气的污染即使不计，世界的蕴藏量有限而不能持续，而地球上的碳氧循环，光合作用是必不可少的。叶面气孔控制着植物与外界环境的气体交换，其孔径大小会随着环境因子的变化而变化，而这种变化对植物光合作用和蒸腾作用的影响是不同的。绿色植物的正常生长都离不开光合作用，提高光合作用和减少蒸腾作用能有效的提高植物生长效率，提高植物有机物质的积累量，从而使植物具有更好更高的经济价值。
小球藻（ChLoreLLa）为绿藻门小球藻属普生性单细胞绿藻，是一种球形单细胞淡水藻类，直径3~8微米，是地球上最早的生命之一，出现在20多亿年前，是一种高效的光合植物，以光合自养生长繁殖，分布极广。小球藻广泛分布于自然界，以淡水水域种类最多；易于培养，不仅能利用光能自养，还能在异养条件下利用有机碳源进行生长、繁殖；并且生长繁殖速度快，是地球上动植物中唯一能在20h增长4倍的生物，所以其应用价值很高。最新研究发现，以小球藻和小球藻提取物制备而成的海藻肥是一种很好的二氧化碳捕集剂，它即可在设施栽培条件下使用，也可以在大田栽培过程中使用，不仅适用范围比较广泛，而且用起来也比较便捷。通过叶面施肥使小球藻通过气孔进入植物叶面，利用小球藻的高效光合作用对二氧化碳的捕集作用，提高植物叶面的光合作用的能力，进而增强长势、提高产量和品质。
发明专利CN201410156918.5一种二氧化碳捕集剂及其制备方法，按质量百分比由以下组分组成：微藻32~38%，胶体剂0.7~1.3%，吸水剂0.5~1%，酵母糖5~6%，纯水54~61%。其制备方法是将上述组配产品按质量百分比分别称重后置于反应釜中搅拌均匀，在釜中反应3小时后灌装密封保存。该发明可替代化肥和化学农药，有效促进作物增产，改良土壤结构，还原农作物品质，降低生产成本，确保所生产产品安全无公害。
发明专利CN201510258828.1一种二氧化碳捕集剂及其用途、制备方法和使用方法，该捕集剂可用于林果类作物，主要成分包括微藻、酵母糖和水，其中各组分的含量为：微藻，2.5~3.0重量份；酵母糖，0.43~0.67重量份；水，5.3~6.3重量份。其制备方法是将各组分原料按重量份称取，置于反应釜中，于常温下搅拌3小时，即制得所述二氧化碳捕集剂。该发明还公开一种二氧化碳捕集剂的使用方法，将其用于林果类作物，不仅增产效果明显，品质也得到显著提升。
二氧化碳捕集技术是现代农业技术发展研究的重点技术之一，现有技术中，利用微藻对二氧化碳的捕集效果和高效光合作用效果制备的二氧化碳捕集剂已有成就，但其受外部环境因素影响比较大，存在营养流失快，吸收效率低的问题，不能有效利用微藻的营养物质，同时气孔吸收会增加蒸腾作用，导致光合作用和蒸腾作用不平衡，不利于植物生长。
发明内容
针对现有二氧化碳捕集剂存在营养物质利用率低，施用后导致光合作用和蒸腾作用不平衡的缺陷，本发明提供一种二氧化碳捕集剂及其制备方法，通过发酵提取微藻的有机物质与活体微藻混合而成，具有成本低，原料来源广泛、性能稳定、肥效持久，能有效保持植物叶片在吸收营养物质时保持光合作用和蒸腾作用的平衡，促进植物生长，提高植物有机物的积累，改善植物有机物的品质的作用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种二氧化碳捕集剂，由以下重量百分比组分制备而成：50%~80%小球藻活菌液，1%~5%褐藻酸，6%~10%混合藻发酵液，余量为水。
所述二氧化碳捕集剂制备方法包括以下步骤：
小球藻活菌液的制备：
（1）培养获得细胞浓度达2×108个/mL以上的小球藻液体培养物；
（2）将小球藻液体培养物和功能化离子液体按照体积比（6~8）：（2~4）在25~30℃、0.1~0.5Mpa下充分混合后放置12h，得到小球藻活菌液；
所述的功能化离子液体为氨基化离子液体、氟烷基化离子液体、氰基化离子液体中的一种；
混合藻发酵液的制备：
（1）按重量份数比，取海带粉10~20份，褐藻酸溶液20~30份，细胞浓度达1×108个/mL以上的小球藻液体培养物50~60份进行混合得到混合液；
（2）于混合液中加入其质量2~3倍的BasaL液体培养基，接种0.1%~0.5%复合菌，在28~32℃、140~220r/min、2000~4000Lux光照下连续发酵20~30h，即可得到混合藻发酵液；
所述复合菌含有以下菌类：黑曲霉、米曲霉和绿色木霉；
二氧化碳捕集剂的制备：
按重量百分比计，取上述小球藻活菌液50%~80%、混合藻发酵液6%~10%与褐藻酸1%~5%、余量为水进行混合，即得二氧化碳捕集剂。
以小球藻为支撑体，在小球藻表面固载功能化离子液体，混合小球藻和海带发酵提取物制备成离子液膜态的二氧化碳捕集剂，能提高二氧化碳捕集效率；功能化离子液体能对大气中的二氧化碳进行吸收富集，然后并传递到小球藻进行光合作用，同时混合藻发酵液中的褐藻酸能与离子液体形成一层液膜，使本发明的二氧化碳捕集剂在喷施到植物叶面或根部后形成一层薄膜，增大了与叶片或根部的接触面，减少了营养的流失和植物的蒸腾作用；
褐藻酸和海带发酵产物甜菜碱能提高植物的抗病能力，褐藻酸能使水溶性物质更容易地透过植物表面进入到植物细胞中，使植物更高效的吸收微藻中的营养物质；甜菜碱能促进植物细胞叶绿素的合成，进一步提高了植物的光合作用，从而调节了植物叶面在吸收过程中由于气孔增大而增大的蒸腾作用与光合作用之间的平衡，使植物积累更多的有机物，促进生长。
作为本发明的进一步改进，所述的BasaL培养基含有以下浓度的物质：葡萄糖 20~50g/L，NaNO3 1250~3750mg/L，KH2PO4 1250mg/L，MgSO4·7H2O 1000mg/L，EDTA 500mg/L，H3BO3 114.2mg/L，CaCl2·2H2O 111mg/L，FeSO4·7H2O 49.8mg/L，ZnSO4·7H2O 88.2mg/L，MnCL2·4H2O 14.2mg/L，Na2MoO4·2H2O 11.92mg/L，CuSO4·5H2O 15.7mg/L，Co(NO3)2·6H2O4.9 mg/L，pH为6.1。
作为本发明的进一步改进，所述复合菌由2×107~5×107个/mL孢子悬浮液的米曲霉、2×107~5×107个/mL孢子悬浮液的黑曲霉和1×107~1.5×107个/mL孢子悬浮液的绿色木霉按照体积比1:1:5混合而成。
单菌发酵所产的纤维素酶存在酶系不完整和个别酶活低的缺陷，如绿色木霉及其近缘菌株发酵产内切葡聚糖酶活力较高，但所产的纤维素酶中普遍存在β-葡萄糖苷酶（β-GA）活力低的缺陷，而黑曲霉产β-葡萄糖苷酶能力较高，产内切和外切葡聚糖酶能力较低，米曲霉发酵不仅能产蛋白酶和纤维素酶，同时产植酸酶以促进发酵液中菌的生长。通过复合菌发酵的互补能有效酶解小球藻细胞使藻内营养物质流出、大分子有机物降解为易吸收的小分子物质。米曲霉、黑曲霉和绿色木霉在繁殖过程中会产生孢子，影响微藻光合作用和叶绿体的光合作用能力，因此不宜浓度过大，但浓度过低的孢子量产生的酶活力低，无法完全降解快速生长的小球藻细胞，因此采用上诉孢子浓度的菌液作为混合菌发酵能最大程度促进藻细胞生长和降解藻细胞。
作为本发明的进一步改进，所述的氨基化离子液体为1-（3-氨基丙基）-3丁基咪唑四氟硼酸盐（[NH2p-bim]BF4）、1-氨丙基-3-甲基咪唑溴盐([APMIm][Br])中一种。
作为本发明的进一步改进，所述的氟烷基化离子液体为N-氨丙基-3-甲基咪唑三氟甲砜（[H2NC3H6mim][CF3SO3]）、N-氨丙基-3-甲基咪唑双（三氟甲磺酰）亚胺（[H2NC3H6mim][Tf2N]）中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述的氰基化离子液体为1-丁基-三甲基咪唑二氰胺(［bmim］［N(CN)2］)、1-乙基-3甲基咪唑四氰硼酸盐（[emim][B（CN）4]）中一种。
功能化离子液体对二氧化碳的吸收能力优于常规离子液体，氨基化离子液体可以对二氧化碳进行吸收和传递，使二氧化碳进入小球藻细胞和叶片细胞中，提高植物的光合作用。氟烷基化离子液体具有复杂的氢键网状结构，能大面积的吸收二氧化碳，提高植物细胞的二氧化碳的捕集效率。氰基化离子液体的极性原子可以与二氧化碳中碳原子发生Lewis酸碱作用，提高叶绿体对二氧化碳的利用率。
作为本发明的进一步改进，在植物叶面喷施时，将二氧化碳捕集剂用水稀释100~150倍喷施，植物叶面背面喷洒量多于叶面正面。
作为本发明的进一步改进，在植物根部喷施时，将二氧化碳捕集剂用水稀释50~100倍后，喷施于植物根部土壤处。
在密集植物栽培中，因为叶片密集导致植物上部二氧化碳聚集量远大于植物下部，而在植物叶面背部气孔远多于叶面正面，从而导致植物上部光合作用效率饱和，二氧化碳不能充分利用。将本发明制备的二氧化碳捕集剂施用与植物根部能提高植物下部二氧化碳的捕集度，提高叶面背部气孔对二氧化碳的利用率。
本发明的有益效果：
1、本发明制备的二氧化碳捕集剂，结合小球藻的高效光合作用和氨基功能化离子液体液膜对二氧化碳的高效吸附和传递，使制备的捕集剂具有更高的二氧化碳捕集效率，从而提高植物光合作用；
2、本发明制备的二氧化碳捕集剂，能在叶片表面形成一层膜，减少了肥力流失，同时褐藻酸能促进植物叶面对营养物质的吸收，表面呈膜还能减少蒸腾作用，使光合作用和蒸腾作用保持平衡，避免了积累有机物的流失，促进植物生长。
3、本发明制备的二氧化碳捕集剂具有多种使用方式，除了能在叶面施用，还能在植物根部施用，降低土壤板结，提高根系对二氧化碳的利用率。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明,但不用来限制本发明的范围，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。
一、小球藻活菌液的制备
实施例1
（1）培养获得细胞浓度达2×108个/mL以上的小球藻液体培养物；
（2）将小球藻液体培养物和1-（3-氨基丙基）-3丁基咪唑四氟硼酸盐（[NH2p-bim]BF4）离子液体按照体积比6：4在25℃、0.1Mpa下充分混合后放置12h，得到小球藻活菌液；
实施例2
（1）培养获得细胞浓度达2×108个/mL以上的小球藻液体培养物；
（2）将小球藻液体培养物和N-氨丙基-3-甲基咪唑三氟甲砜（[H2NC3H6mim][CF3SO3]）离子液体按照体积比8：2在28℃、0.5Mpa下充分混合后放置12h，得到小球藻活菌液；
实施例3
（1）培养获得细胞浓度达2×108个/mL以上的小球藻液体培养物；
（2）将小球藻液体培养物和1-丁基-三甲基咪唑二氰胺(［bmim］［N(CN)2］)离子液体按照体积比7：3在26℃、0.3Mpa下充分混合后放置12h，得到小球藻活菌液；
二、混合澡发酵液的制备
实施例4
（1）按重量份数比，取海带粉20份，褐藻酸溶液30份，细胞浓度达1×108个/mL以上的小球藻液体培养物50份进行混合得到混合液；
（2）于混合液中加入其质量2倍的BasaL液体培养基，接种0.1%复合菌，在28℃、140r/min、2000Lux光照下连续发酵20h，即可得到混合藻发酵液；
所述复合菌由2×107个/mL孢子悬浮液的米曲霉、2×107个/mL孢子悬浮液的黑曲霉和1×107个/mL孢子悬浮液的绿色木霉按照体积比1:1:5混合而成。
所述的BasaL培养基含有以下浓度的物质：葡萄糖 20g/L，NaNO3 1250mg/L，KH2PO41250mg/L，MgSO4·7H2O 1000mg/L，EDTA 500mg/L，H3BO3 114.2mg/L，CaCl2·2H2O 111mg/L，FeSO4·7H2O 49.8mg/L，ZnSO4·7H2O 88.2mg/L，MnCL2·4H2O 14.2mg/L，Na2MoO4·2H2O11.92mg/L，CuSO4·5H2O 15.7mg/L，Co(NO3)2·6H2O 4.9 mg/L，pH为6.1。
实施例5
（1）按重量份数比，取海带粉20份，褐藻酸溶液30份，细胞浓度达1×108个/mL以上的小球藻液体培养物50份进行混合得到混合液；
（2）于混合液中加入其质量3倍的BasaL液体培养基，接种0.5%复合菌，在32℃、220r/min、4000Lux光照下连续发酵30h，即可得到混合藻发酵液；
所述复合菌由5×107个/mL孢子悬浮液的米曲霉、5×107个/mL孢子悬浮液的黑曲霉和1.5×107个/mL孢子悬浮液的绿色木霉按照体积比1:1:5混合而成。
所述的BasaL培养基含有以下浓度的物质：葡萄糖50g/L，NaNO3 3750mg/L，KH2PO41250mg/L，MgSO4·7H2O 1000mg/L，EDTA 500mg/L，H3BO3 114.2mg/L，CaCl2·2H2O 111mg/L，FeSO4·7H2O 49.8mg/L，ZnSO4·7H2O 88.2mg/L，MnCL2·4H2O 14.2mg/L，Na2MoO4·2H2O11.92mg/L，CuSO4·5H2O 15.7mg/L，Co(NO3)2·6H2O 4.9 mg/L，pH为6.1。
实施例6
（1）按重量份数比，取海带粉18份，褐藻酸溶液25份，细胞浓度达1×108个/mL以上的小球藻液体培养物57份进行混合得到混合液；
（2）于混合液中加入其质量3倍的BasaL液体培养基，接种0.4%复合菌，在30℃、200r/min、3500Lux光照下连续发酵24h，即可得到混合藻发酵液；
所述复合菌由3×107个/mL孢子悬浮液的米曲霉、3×107个/mL孢子悬浮液的黑曲霉和1.2×107个/mL孢子悬浮液的绿色木霉按照体积比1:1:5混合而成。
所述的BasaL培养基含有以下浓度的物质：葡萄糖 35g/L，NaNO3 3000mg/L，KH2PO41250mg/L，MgSO4·7H2O 1000mg/L，EDTA 500mg/L，H3BO3 114.2mg/L，CaCl2·2H2O 111mg/L，FeSO4·7H2O 49.8mg/L，ZnSO4·7H2O 88.2mg/L，MnCL2·4H2O 14.2mg/L，Na2MoO4·2H2O11.92mg/L，CuSO4·5H2O 15.7mg/L，Co(NO3)2·6H2O 4.9 mg/L，pH为6.1。
三、二氧化碳捕集剂的制备与使用
实施例7
按重量百分数计，取实施例1小球藻活菌液50%，褐藻酸1%，实施例4混合藻发酵液10%，余量为水混合制备成二氧化碳捕集剂。
施用时，将二氧化碳捕集剂用水稀释100倍后，喷洒于植物叶面，植物叶面背面喷洒量多于叶面正面。在植物根部喷施时，将二氧化碳捕集剂用水稀释50倍后，喷施于植物根部土壤处。
实施例8
按重量百分数计，取实施例2小球藻活菌液80%，褐藻酸5%，实施例5混合藻发酵液6%，余量为水混合制备成二氧化碳捕集剂。
施用时，将二氧化碳捕集剂用水稀释150倍后，喷洒于植物叶面，植物叶面背面喷洒量多于叶面正面。在植物根部喷施时，将二氧化碳捕集剂用水稀释100倍后，喷施于植物根部土壤处。
实施例9
按重量百分数计，取实施例3小球藻活菌液63%，褐藻酸4%，实施例6混合藻发酵液8%，余量为水混合制备成二氧化碳捕集剂。
施用时，将二氧化碳捕集剂用水稀释120倍后，喷洒于植物叶面，植物叶面背面喷洒量多于叶面正面。在植物根部喷施时，将二氧化碳捕集剂用水稀释80倍后，喷施于植物根部土壤处。
四、试验例
利用实施例9制备的二氧化碳捕集剂，在西红柿定植时按4公斤/亩的用量使用，与不施肥、施用固氮微生物菌剂和小球藻的西红柿作对比，计算每亩产量，结果如表1。
表1
由表1可知，单独使用本发明实施例9制备的二氧化碳捕集剂比不施肥的对照增产40.2%，比单独使用固氮微生物菌剂增产18.7%，比单独使用小球藻增产28.4%。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种二氧化碳捕集剂的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
A.小球藻活菌液的制备
（1）培养获得细胞浓度达2×108个/mL以上的小球藻液体培养物；
（2）将小球藻液体培养物和功能化离子液体按照体积比（6~8）:（2~4）在25~30℃、0.1~0.5Mpa下充分混合后放置12h，得到小球藻活菌液；
所述的功能化离子液体为氨基化离子液体、氟烷基化离子液体、氰基化离子液体中的一种；
B.混合藻发酵液的制备
（1）按重量份数比，取海带粉10~20份，褐藻酸溶液20~30份，细胞浓度达1×108个/mL以上的小球藻液体培养物50~60份进行混合得到混合液；
（2）于混合液中加入其质量2~3倍的BasaL液体培养基，接种0.1%~0.5%复合菌，在28~32℃、140~220r/min、2000~4000Lux光照下连续发酵20~30h，即可得到混合藻发酵液；
所述复合菌含有以下菌类：黑曲霉、米曲霉和绿色木霉；
C.二氧化碳捕集剂的制备
按重量百分比计，取上述小球藻活菌液50%~80%、混合藻发酵液6%~10%与褐藻酸1%~5%、余量为水进行混合，即得二氧化碳捕集剂。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳捕集剂的制备方法，其特征在于，所述的BasaL培养基含有以下浓度的物质：葡萄糖 20~50g/L，NaNO3 1250~3750mg/L，KH2PO4 1250mg/L，MgSO4·7H2O 1000mg/L，EDTA 500mg/L，H3BO3 114.2mg/L，CaCl2·2H2O 111mg/L，FeSO4·7H2O 49.8mg/L，ZnSO4·7H2O 88.2mg/L，MnCL2·4H2O 14.2mg/L，Na2MoO4·2H2O 11.92mg/L，CuSO4·5H2O 15.7mg/L，Co(NO3)2·6H2O 4.9 mg/L，pH为6.1。
3.如权利要求1所述的一种二氧化碳捕集剂的制备方法，其特征在于，所述复合菌由2×107~5×107个/mL孢子悬浮液的米曲霉、2×107~5×107个/mL孢子悬浮液的黑曲霉和1×107~1.5×107个/mL孢子悬浮液的绿色木霉按照体积比1:1:5混合而成。
4.如权利要求1所述的一种二氧化碳捕集剂的制备方法，其特征在于，所述的氨基化离子液体为1-（3-氨基丙基）-3丁基咪唑四氟硼酸盐（[NH2p-bim][BF4]）、1-氨丙基-3-甲基咪唑溴盐([APMIm][Br])中一种。
5.如权利要求1所述的一种二氧化碳捕集剂的制备方法，其特征在于，所述的氟烷基化离子液体为N-氨丙基-3-甲基咪唑三氟甲砜（[H2NC3H6mim][CF3SO3]）、N-氨丙基-3-甲基咪唑双（三氟甲磺酰）亚胺（[H2NC3H6mim][Tf2N]）中的一种。
6.如权利要求1所述的一种二氧化碳捕集剂的制备方法，其特征在于，所述的氰基化离子液体为1-丁基-三甲基咪唑二氰胺(［bmim］［N(CN)2］)、1-乙基-3甲基咪唑四氰硼酸盐（[emim][B(CN)4]）中一种。
7.一种由权利要求1~6制备而得的二氧化碳捕集剂的使用方法，其特征在于，在植物叶面喷施时，将二氧化碳捕集剂用水稀释至100~150倍喷施，植物叶面背面喷洒量多于叶面正面。
8.一种由权利要求1~6制备而得的二氧化碳捕集剂的使用方法，其特征在于，在植物根部喷施时，将二氧化碳捕集剂用水稀释50~100倍后，喷施于植物根部土壤处。
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