WO2021121243A1 - 标记植物的制备方法及标记生物炭的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种标记植物的制备方法及标记生物炭的制备方法，所述标记植物的制备方法包括以下步骤：制备一箱体(S110)；将植物放置于所述箱体中，所述植物具有光合作用的能力(S130)；在一箱体中制备标记气体，所述标记气体为同位素标记二氧化碳气体(S140)；以及在一预设时间内静置，所述植物吸收所述标记气体形成标记植物(S150)。通过在植物的生长过程中，对植物中的碳元素进行标记，可以通过控制Na 2 13CO 3的浓度来控制箱体中 13CO 2的浓度，其中 13CO 2是由化学方法制备得到，提高了 13C的利用率。

Description

标记植物的制备方法及标记生物炭的制备方法
本申请要求于2019年12月17日提交中国专利局、申请号为201911299104.6、发明名称为“标记植物的制备方法及标记生物炭的制备方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及生物技术领域，尤其涉及一种标记植物的制备方法及标记生物炭的制备方法。
背景技术
目前，土壤中大部分污染物在土壤中的移动性较差，滞留时间长，某些污染物(如重金属)不能被微生物降解，会通过地下水、植物根系吸收等作用危害人类健康。生物炭作为一种绿色、高效的重金属化学稳定材料，它不仅可以固碳、提高土壤肥力、改良酸碱性，减少土壤氮、磷等营养元素的流失，还可以对土壤中的污染物进行吸附，有效降低土壤中污染物的移动性，是一种经济有效的土壤修复剂。
但灌溉、降雨、施肥等外界条件，可能会对污染物-生物炭-土壤体系在固-液界面反应过程和反应机理产生一定影响，进而影响污染物和生物炭的共迁移行为，因此要对生物炭施入土壤后，生物炭和污染物的迁移状况进行监测。生物炭在土壤中的迁移行为，不仅会影响生物炭本身的稳定性，也会对生物炭是否解吸污染物产生影响，因此研究生物炭在土壤中的迁移行为十分重要。
土壤中的有机碳主要来自于植物残体，因此与生物炭的成分相似，当生物炭施入土壤后，二者用常规手段难以区分。
发明内容
本发明的一个目的在于，提供一种标记植物的制备方法，以解决同位素标记生物炭的原料来源问题。
本发明提供了一种标记植物的制备方法，包括以下步骤：制备一箱体；将一植物放置于所述箱体中，所述植物具有光合作用的能力；在一箱体中制备标记气体，所述标记气体为同位素标记二氧化碳气体；以及在一预设时间内静置，所述植物吸收所述标记气体形成标记植物。
进一步地，在制备一箱体的步骤之后，还包括如下步骤：在所述箱体内设置一温控装置及一气体混合装置。
进一步地，所述温控装置为冰袋或电子温控调节装置；所述温控装置位于箱体的底部。
进一步地，所述气体混合装置为电风扇；所述气体混合装置位于箱体的顶部。
进一步地，所述箱体为透明材料制成，所述箱体具有密封性。
进一步地，所述预设时间为6小时至12小时。
进一步地，所述在一箱体中制备标记气体的步骤，具体包括如下步骤：在箱体内放置一容器，其内设有酸性溶液；以及向所述容器内添加同位素标记碳酸钠溶液Na 2 13CO 3，在所述箱体内生成所述标记气体。
进一步地，所述酸性溶液为HCl。
本发明的另一目的在于，提供一种标记生物炭的制备方法，能有效解决生物炭施入土壤后与土壤中有机碳成分相似难以区分的问题。
本发明提供了一种标记生物炭的制备方法，包括以下步骤：根据上述任一所述的标记植物的制备方法制备标记植物；预处理所述标记植物；以及在预设温度下热解所述标记植物。
进一步地，所述预处理所述标记植物的步骤，具体包括以下步骤：对所述标记植物杀青处理；烘干所述标记植物；以及粉碎所述标记植物。
进一步地，所述热解所述标记植物的步骤，具体包括以下步骤：将所述标记植物放置于马弗炉中；向所述马弗炉中通入足量的氮气；以恒定升温速率将所述马弗炉温度升至所述预设温度；以及在所述预设温度下加热2小时至4小时。
进一步地，所述恒定升温速率为15℃/min。
进一步地，所述预设温度为350℃～550℃之间。
本发明的另一目的在于，提供一种标记植物的装置，包括箱体1，所述箱体1内设置有气体混合装置2、温控装置3和容器4。
进一步地，所述气体混合装置2为电风扇；所述气体混合装置2位于箱体1的顶部。
进一步地，所述温控装置3为冰袋或电子温控调节装置；所述温控装 置3位于箱体1的底部。
本发明的优点在于，本发明通过在植物的生长过程中，对植物中的碳元素进行标记，可以通过控制Na 2 13CO 3的浓度来控制箱体中 13CO 2的浓度，其中 13CO 2是由化学方法制备得到，提高了 13C的利用率。另外利用同位素标记法不会改变生物炭本身的理化性质，仅仅是提高 13C丰度，起到标记追踪作用，不影响生物炭对污染物的吸附效果。本发明制备得到的标记生物炭与普通生物炭、土壤的 13C丰度区别较大，所述标记生物炭施入土壤后可以利用稳定同位素技术进行追踪迁移路线。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本发明实施例提供的标记植物的制备方法步骤流程图；
图2为本发明实施例提供的步骤S140的具体步骤流程图；
图3为本发明实施例所提供的箱体的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的标记生物炭的制备方法步骤流程图；
图5为本发明实施例提供的步骤S440的具体步骤流程图；
图6为本发明实施例提供的步骤S460的具体步骤流程图；
图7为本发明实施例提供的步骤S470的具体步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外， 术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
如图1所示，为本实施例提供的标记植物的制备方法步骤流程图，包括以下步骤S110～S150：
步骤S110：制备一箱体1。在本实施例中，如图3所示，所述箱体1的形状为正方体，但不限于此。例如在其他实施例中所述箱体1的形状也可以为长方体。所述箱体1的体积大小可以根据所要种植的标记植物的数量决定。所述箱体1为透明材料制成，例如所述透明材料可以为透明的玻 璃。所述箱体1具有密封性，如此设置目的在于能够使箱体1内的气体不外泄，提高箱体1内气体的利用率，并降低成本。
步骤S120：在所述箱体1内设置一温控装置3及一气体混合装置2。在本实施例中，温控装置3用于调节所述箱体1内的温度，使箱体1内的温度达到光合作用最佳的温度范围，所述温控装置3一般设置于箱体1的底部，相比设置于其它位置而言，所述温控装置3设置于箱体1底部与箱体1内的植物更靠近，在植物所在区域调节温度梯度范围更接近温控装置3实际调节温度，控制所述箱体1的温度能够防止植物因为高温造成光合作用效率的下降，所述温控装置3可以是冰袋也可以是电子温控调节装置。所述气体混合装置2用于将所述箱体1内的气体(主要为标记气体)均匀分布于所述箱体1，如此设置的目的在于，使得所述箱体1内的每株植物的每个部位(例如叶、茎、根)接触到的标记气体浓度相同，所述气体混合装置2一般设置于所述箱体1的顶部，所述气体混合装置2可以是电风扇。
步骤S130：将植物放置于所述箱体1中，所述植物具有光合作用的能力。
在本实施例中，所述植物为玉米，但不限于此。在其它实施例中所述植物还可以为棉花，等等。
结合参阅图2。步骤S140：在一箱体1中制备标记气体，所述标记气体为同位素标记二氧化碳气体。在本实施例中，所述同位素标记二氧化碳气体为 13CO 2，步骤S140在一箱体1中制备标记气体具体包括如下步骤：
步骤S141：在箱体1内放置一容器4，其内设有酸性溶液；
步骤S142：向所述容器4内添加同位素标记碳酸钠溶液Na 2 13CO 3，在所述箱体1内生成所述标记气体。
在步骤S141和步骤S142中，所述容器4的容积由所要种植的标记植物的数量决定，所述酸性溶液为HCl(盐酸)。在实际操作中，容器4中HCl的物质的量应该是充足的，因此在只需要控制Na 2 13CO 3的物质的量，即可控制所述箱体1内 13CO 2的浓度，生成 13CO 2的化学反应为Na 2 13CO 3+HCl→NaCl+H 2O+ 13CO 2，但不限于此。
步骤S150：在一预设时间内静置，所述植物吸收所述标记气体形成标记植物。在本实施例中，所述预设时间为6小时至12小时，由于光合作用是在所述箱体1中进行的，因此最佳光合作用预设时间范围，是根据箱子中二氧化碳浓度和植物数量估计的，当预设时间短则二氧化碳标记效率较低，当预设时间长则会由于箱内温度升高，对植物生长有损害。另外需要说明的是，为了提高植物中 13C的丰度，在实际操作中，上述步骤S110至步骤S150需要重复多次进行，每次重复的间隔时间为一周，重复的次数也是根据实际植物生长状况来制定的，但至少重复五次以上，才能使植物与普通植物的 13C丰度有较高区分，若植物生长较高无法完全放入所述箱体1中，并以完成五次或以上的标记时，可结束标记。
本发明的优点在于，本发明通过在植物的生长过程中，对植物中的碳元素进行标记，可以通过控制Na 2 13CO 3的浓度来控制箱体中 13CO 2的浓度，其中 13CO 2是由化学方法制备得到，提高了 13C的利用率。
如图4所示，为本发明实施例提供的标记生物炭的制备方法步骤流程图，包括以下步骤S410～S470。
步骤S410：制备一箱体1。在本实施例中，所述箱体1的形状为正方体，但不限于此。例如在其他实施例中所述箱体1的形状也可以为长方体。所述箱体1的体积大小可以根据所要种植的标记植物的数量决定。所述箱体1为透明材料制成，例如所述透明材料可以为透明的玻璃。所述箱体1具有密封性，如此设置目的在于能够使箱体1内的气体不外泄，提高箱体1内气体的利用率，并降低成本。
步骤S420：在所述箱体1内设置一温控装置3及一气体混合装置2。结合参阅图3。在本实施例中，所述温控装置3用于调节所述箱体1内的温度，使箱体1内的温度达到光合作用最佳的温度范围，所述温控装置3一般设置于箱体1的底部，相比设置于其它位置而言，所述温控装置3设置于箱体1底部与箱体1内的植物更靠近，在植物所在区域调节温度梯度范围更接近温控装置3实际调节温度，控制所述箱体1的温度能够防止植物因为高温造成光合作用效率的下降，所述温控装置3可以是冰袋也可以是电子温控调节装置。所述气体混合装置2用于将所述箱体1内的气体(主要为标记气体)均匀分布于所述箱体1，如此设置的目的在于，使得所 述箱体1内的每株植物的每个部位(例如叶、茎、根)接触到的标记气体浓度相同，所述气体混合装置2一般设置于所述箱体1的顶部，所述气体混合装置2可以是电风扇。
步骤S430：将植物放置于所述箱体1中，所述植物具有光合作用的能力。
在本实施例中，所述植物为玉米，但不限于此。在其它实施例中所述植物还可以为棉花，等等。
结合参阅图5。步骤S440：在一箱体1中制备标记气体，所述标记气体为同位素标记二氧化碳气体。在本实施例中，所述同位素标记二氧化碳气体为 13CO 2，步骤S140在一箱体1中制备标记气体具体包括如下步骤：
步骤S441：在箱体1内放置一容器4，其内设有酸性溶液；
步骤S442：向所述容器4内添加同位素标记碳酸钠溶液Na 2 13CO 3，在所述箱体1内生成所述标记气体。
在步骤S441和步骤S442中，所述容器4的容积由所要种植的标记植物的数量决定，所述酸性溶液为HCl(盐酸)。在实际操作中，容器4中HCl的物质的量应该是充足的，因此在只需要控制Na 2 13CO 3的物质的量，即可控制所述箱体1内 13CO 2的浓度，生成 13CO 2利用的化学反应为Na 2 13CO 3+HCl→NaCl+H 2O+ 13CO 2，但不限于此。
步骤S450：在一预设时间内静置，所述植物吸收所述标记气体形成标记植物。
在本实施例中，所述预设时间为6小时至12小时，由于光合作用是在所述箱体1中进行的，因此最佳光合作用预设时间范围，是根据箱子中二氧化碳浓度和植物数量估计的，当预设时间短则二氧化碳标记效率较低，当预设时间长则会由于箱内温度升高，对植物生长有损害。另外需要说明的是，为了提高植物中 13C的丰度，在实际操作中，上述步骤S410至步骤S450需要重复多次进行，每次重复的间隔时间为一周，重复的次数也是根据实际植物生长状况来制定的，但至少重复五次以上，才能使植物与普通植物的 13C丰度有较高区分，若植物生长较高无法完全放入所述箱体1中，并以完成五次或以上的标记时，可结束标记。
结合参阅图6。步骤S460：预处理所述标记植物的步骤，具体包括步骤：
步骤S461：对所述标记植物杀青处理。
步骤S462：烘干所述标记植物。
步骤S463：粉碎所述标记植物。
在步骤S461、步骤S462及步骤S463中，在实际操作中需要对所述标记植物及未标记植物进行 13C丰度的对比，因此选择一株所述标记植物和一株自然生长的未被标记植物，杀青并烘干，将烘干后玉米的叶、茎、根分别粉碎。
结合参阅图7。步骤S470：在预设温度下热解所述标记植物。在本实施例中，在预设温度下热解所述标记植物的步骤，具体包括步骤：
步骤S471：将所述标记植物放置于马弗炉中；
步骤S472：向所述马弗炉中通入足量的氮气；
步骤S473：以恒定升温速率将所述马弗炉温度升至所述预设温度；
步骤S474：在所述预设温度下加热2小时至4小时。
在步骤S471、步骤S472、步骤S473及步骤S474中，所述恒定升温速率为15℃/min，所述预设温度为350℃～550℃之间。在实际操作用，将粉碎后的标记植物置于马弗炉中，通一足量的氮气用于限制氧气的含量，用所述马弗炉在550℃条件下加热3小时。
结合参阅表1和表2。另外需要说明的是，待加热结束后，将所述标记生物炭置于自然条件下冷却至室温，最后将制得的述标记生物炭过筛，储存备用。在本实施例中， 13C丰度由MAT 253Plus同位素质谱仪获得，其中选用盐酸的浓度为0.1mol/L，碳酸钠的浓度为0.5mol/L，盐酸的量充足。其中表1为标记植物与自然植物不同位置 13C丰度统计表，表2为生物炭及背景土 13C丰度统计表。
表1标记植物与自然植物不同位置 13C丰度统计表
Figure PCTCN2020136693-appb-000001
Figure PCTCN2020136693-appb-000002
表2生物炭及背景土 13C丰度统计表
种类 标记生物炭 自然生物炭 背景土
13C丰度 249.25 -25.65 -23.47
测定发现，通过标记生物炭的制备方法获得的标记植物各部位的 13C丰度明显高于自然生长的植物，例如，表1中叶①的 13C丰度标记植物明显高于自然植物，由此可见，通过过在植物的生长过程中，对植物中的碳元素进行标记，可以通过控制Na 2 13CO 3的浓度来控制箱体中 13CO 2的浓度能有效提高植物的 13C丰度。表2中自然生物炭与背景土中的 13CO 2丰度接近，因此标记生物炭具有更好的追溯性。
本发明的优点在于，本发明通过在植物的生长过程中，对植物中的碳元素进行标记，可以通过控制Na 2 13CO 3的浓度来控制箱体中 13CO 2的浓度，其中 13CO 2是由化学方法制备得到，提高了 13C的利用率。另外利用同位素标记法不会改变生物炭本身的理化性质，仅仅是提高 13C丰度，起到标记追踪作用，不影响生物炭对污染物的吸附效果。本发明制备得到的标记生物炭与普通生物炭、土壤的 13C丰度区别较大，所述标记生物炭施入土壤后可以利用稳定同位素技术进行追踪迁移路线。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的范围。

Claims (16)

  1. 一种标记植物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
    制备一箱体；
    将植物放置于所述箱体中，所述植物具有光合作用的能力；
    在一箱体中制备标记气体，所述标记气体为同位素标记二氧化碳气体；以及
    在一预设时间内静置，所述植物吸收所述标记气体形成标记植物。
  2. 如权利要求1所述的标记植物的制备方法，其特征在于，在制备一箱体的步骤之后，还包括如下步骤：
    在所述箱体内设置一温控装置及一气体混合装置。
  3. 如权利要求2所述的标记植物的制备方法，其特征在于，所述温控装置为冰袋或电子温控调节装置；所述温控装置位于箱体的底部。
  4. 如权利要求2所述的标记植物的制备方法，其特征在于，所述气体混合装置为电风扇；所述气体混合装置位于箱体的顶部。
  5. 如权利要求1所述的标记植物的制备方法，其特征在于，
    所述箱体为透明材料制成，所述箱体具有密封性。
  6. 如权利要求1所述的标记植物的制备方法，其特征在于，
    所述预设时间为6小时至12小时。
  7. 如权利要求1所述的标记植物的制备方法，其特征在于，所述在一箱体中制备标记气体具体包括如下步骤：
    在箱体内放置一容器，其内设有酸性溶液；以及
    向所述容器内添加同位素标记碳酸钠溶液Na 2 13CO 3，在所述箱体内生成所述标记气体。
  8. 如权利要求7所述的标记植物的制备方法，其特征在于，所述酸性溶液为HCl。
  9. 一种标记生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
    根据权利要求1～8中任一所述的标记植物的制备方法制备标记植物；
    预处理所述标记植物；以及
    在预设温度下热解所述标记植物。
  10. 如权利要求9所述的标记生物炭的制备方法，其特征在于，所述 预处理所述标记植物具体包括以下步骤：
    对所述标记植物杀青处理；
    烘干所述标记植物；以及
    粉碎所述标记植物。
  11. 如权利要求9所述的标记生物炭的制备方法，其特征在于，所述热解所述标记植物具体包括以下步骤：
    将所述标记植物放置于马弗炉中；
    向所述马弗炉中通入足量的氮气；
    以恒定升温速率将所述马弗炉温度升至所述预设温度；以及
    在所述预设温度下加热2小时至4小时。
  12. 如权利要求11所述的标记生物炭的制备方法，其特征在于，所述恒定升温速率为15℃/min。
  13. 如权利要求11所述的标记生物炭的制备方法，其特征在于，所述预设温度为350℃～550℃之间。
  14. 一种标记植物的装置，包括箱体(1)，所述箱体(1)内设置有气体混合装置(2)、温控装置(3)和容器(4)。
  15. 如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述气体混合装置(2)为电风扇；所述气体混合装置(2)位于箱体(1)的顶部。
  16. 如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述温控装置(3)为冰袋或电子温控调节装置；所述温控装置(3)位于箱体(1)的底部。
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