您的位置:澳门金莎娱乐网址 > 生命科学 > 科学家培育出低木质素桉树,瑞典成功研发一种

科学家培育出低木质素桉树,瑞典成功研发一种

发布时间:2019-08-28 08:02编辑:生命科学浏览(72)

    核心提示: 由台湾和美国科学家组成的联合研究小组成功培育出能够吸收比普通桉树多3倍二氧化碳的桉树,这种新的桉树用作 由台湾和美国科学家组成的联合研究小组成功培育出能够吸收比普通桉树多3倍二氧化碳的桉树,这种新的桉树用作纤维素乙醇的生产原料,这意味着有了一种新的途径能减少温室气体排入,防止全球变暖。 从某种意义上来看,桉树可视为第三代生物燃料。新一代燃料是基于能够被改良过的特殊生物转化技术的应用。分析显示,中非和南美产出的桉树是一种可持续生产的生物质,具有巨大的潜在价值。 在台湾国立科学委员会的赞助下,台湾林业研究院的研究人员在美国农业理事会与北卡罗来纳州立大学,联合进行基因改良计划。新培育出的桉树不仅能比普通桉树对二氧化碳有更强的吸收能力,而且木质素含量更低,纤维素含量更高。 TFRI的研究人员Chen Zenn-zong解释道,自然界树木中的纤维素、半纤维素、木质素均来源自碳元素。然而只有纤维素可用于纸浆和生物乙醇的生产原料。木质素只是一种“胶体”将纤维素结合在一起,如何分解其中的木质素是生产纤维素乙醇的一大难题。该研究计划基于一个想法,即在相关行业中提高经基因改良过的桉树的价值。所以,我们调整了纤维素和木质素的比例。同时,还提高了桉树对二氧化碳的吸收能力以降低温室效应,以便栽种更多的桉树,消耗更多的二氧化碳。如果每棵桉树的木质素含量降低18%而纤维素含量提高4.5%,Chen估计一家年产量100万吨的造纸厂每年能多收入12亿新台币。桉树是一种生长快速的热带树种,可用作生物能源和造纸业的生物质资源。大量的研究来绘制桉树的基因图谱并将之改良成为能源树种。桉树已经进入了美国能源部联合基因组研究所(U.S. Department of Energy's Joint Genome Institute,DOE JGI)的议程之中,一支国际化研究小组正致力于提高桉树的生物质产量和碳吸收能力的研究。迄今为止,研究人员已成功培育出高产量的品种。但这是首次在某种程度上改良桉树使之既能储存更多碳元素同时又能产生更少的木质素。早些时候,遗传学家和植物学家已经成功培育出低木质素的白杨、柳枝稷和高粱以提高纸浆和乙醇产量的目的。由于全球碳和生物质的市场刚刚兴趣,利用农作物吸收更多的二氧化碳越来越引人注目。这些生物质资源可用于造林促进碳的沉积。

    提到生物质,也许你能马上联想到我们餐桌上的粮食、房间里的木质家具、公园里的鲜花绿草,等等。但你是否知道,我们可以拿这些再普通不过的生物质,甚至是农林废弃物,比如秸秆来替代石油,生产汽油、柴油、服装、药品、高性能材料吗?

    Stackpole DJ, Vaillancourt RE, Alves A, et al (2011) Genetic Variation in the Chemical Components of Eucalyptus globulus Wood. G3 (Bethesda) 1:151–9. doi: 10.1534/g3.111.000372

    近日,瑞典林雪平大学研究人员利用树木中木质素作为原料,成功研发一种新型燃料电池。与以甲醇、乙醇等小分子为燃料的电池不同,此过程不产生二氧化碳,不仅原料绿色环保,而且产物实现了碳的零排放。

    桉树是一种可用于生产固体生物燃料的树种,能和煤共同作为燃料或是用作专门的生物质发电站。预测显示,在热带建造桉树林具有巨大的潜在价值。在巴西,另有4,600万公顷的土地适合造林。这些土地能提供有利环境因素维持桉树林的生长。由于桉树生物质产量高,经高温分解和由生物质到液体加工导致合成的生物燃料(气化和通过Fischer-Tropsch方法合成),因此,可能更多地用于下一代生物燃料的生产,包括纤维素乙醇。

    这就是生物炼制——以地球上可不断再生的生物质为资源,通过化工与生物技术相结合的加工过程,将其转变为能源、化学品、原材料等,使其能够部分或者全部替代石化炼制的产品链条。简单地说,这是一种可以改变我们生产和生活的可持续发展新模式。

    摘要

    尽管木质素和其他木材化学成分具有生态和经济意义,但对植物物种内存在的自然遗传变异及其适应性意义的研究较少。我们使用近红外光谱研究的模型研究木质素含量和单体成分(丁香酰对愈生酸比例[S / G])以及纤维素和提取物含量的自然遗传变异,使用16岁的田地试验澳大利亚树种,桉树。我们从该物种的本地地理范围中抽取了463棵本地树的2163个后代木材化学性状的狭义遗传力(0.25-0.44)高于生长(0.15)金沙线上娱乐,,但低于木材密度(0.51)。所有木材化学性状在品种范围内表现出显着的广泛的遗传分化(QST = 0.34-0.43)。这种差异超过了推测中性微卫星标记(FST = 0.09)检测到的分化,认为多样化选择已经塑造了木材化学中的群体分化。这些木材化学性状在种群和加性遗传水平上存在显着的遗传相关性。然而,木质素的S / G比例的群体分化特别与纬度(R2 = 76%)呈正相关,可能是由适应气候或相关生物因素驱动的

    澳门金沙手机网投,关键词树木改良木材化学品木质素纤维素提取物丁香酰愈创木片

    森林占世界陆地面积的30%(粮农组织2007年),是关键的陆地碳储存,其中大部分来自木材(Sedjo 1993)。来自天然林和人造林的木材也是木材和纸浆等可再生能源和工业生产系统的基础,价值超过3,720亿美元的年度贸易(FAO 2007)。木材是树皮下树木树干中的纤维材料,由混合的植物聚合物组成。最重要的是纤维素,其次是木质素,半纤维素,然后提取物(Walker 2006)。在木材形成过程中,纤维素纤维与木质素一起沉积在细胞壁上,随着细胞在形成层分化后细胞扩大(Walker 2006)。纤维素给细胞壁赋予力量(Turner and Somerville 1997)。木质素支持纤维素纤维,为水传导所必需的容器提供疏水性表面(Plomion et al。2001),并且还具有防御木材食用者和病原体的作用(Coleman et al。2008; Salmore and Hunter 2001)。
    木质素生物合成的进化对于适应陆地环境是至关重要的(Weng和Chapple 2010),木材中木质素的比例在物种(15%〜36%)(Zobel和Van Buijtenen,1989)之间有明显差异。木质素由三种单螺旋单体,羟基苯基(H),愈创草酰(G)和丁香基(S)构成,不同单体的比例和位置在物种内和物种之间变化(Anterola和Lewis 2002)。这些单体在细胞质中合成,但是当它们在沉积位置聚合时形成木质素(Lewis和Yamamoto 1990)。连接到木质素单体的苯环上的甲氧基的存在增加了木质素对天然或人造脱木素的反应性(Pinto等人,2002)。由于S具有连接到苯环上的两个甲氧基,所以它具有比仅具有一个甲氧基的G更高的反应性。 H是没有甲氧基的反应最少的。裸子木质素几乎完全由G组成,只有较小比例的H和S(Alves等人2006; Campbell and Sederoff 1996; Godoy et al。2007; Walker 2006),而木本被子植物具有微量H(Rencoret et 2008)。在木本被子植物中,S至G单体的比例(S / G)在物种,来源以及树之间的细胞类型之间不同(Pinto等人2002; Rodrigues等人1999; Rodrigues等人2001)。木材还含有提取物,多种非结构化合物,主要涉及化学和物理防御生物和死木(Boddy 2001)。提取物存在于边材中,但优先沉积在心材中(Taylor等人2002)。在针叶树心材的提取物中树脂酸占主导地位,而在被子植物中存在广泛的化合物,尽管在任何一种物种中,范围都有所减少(Gutierrez等,1999)。
    人造森林占世界森林的比例越来越大,现在提供近一半的全球木材生产(FAO 2007)。短叶轮作物如桉树种植园,不仅是纸浆和造纸工业的饲料(Clarke 2009; Cotterill和Brolin 1997; Paues 1999),但也被视为取代化石使用的新产业的基础能源和工业有机化学品的碳氢化合物(Bozell 2010)。在纸浆生产的情况下,通过使用强大的碱(牛皮纸工艺)的化学脱木质素生产出最强和最高质量的纸浆,使得纤维素纤维相对没有损坏以作为纸张重建(Clarke 2009)。具有高S / G的被子植物木材易于脱木质,因为干木材的单位重量消耗较少的化学和能量,并产生较高的纸浆产量(Rencoret等人,2007)。萃取物可能会干扰化学品脱木质素的效率(Wallis等1996),并且对于制浆过程积累在清洁成本高的工业管道中也会产生不利影响(Hillis和Sumimoto 1989)。
    用于脱木质素的生物量作物的育种目标可以包括降低总木质素含量或增加的S / G(Bose等人,2009)。相反,其他工艺或产品可能需要更高的木质素含量或更低的S / G(Clarke 2009)。类似地,树木对非生物或生物环境胁迫的适应可能受到木质素含量或组成的变化的影响,并且处理目标可能与也可能不符合要适应当前或未来环境的种植园。育种者可以通过选择直接或间接改变木材化学成分的程度将取决于其定量遗传结构,包括群体中添加性遗传变异的水平,遗传力以及化学成分与其他性状之间的相关性(Falconer and Mackay 1996 )。然而,尽管木质素和其他木材化学品的经济和生态重要性以及对特定基因型的几十年的生物技术研究(Coleman et al。2008; Weng and Chapple 2010),基因库中这些性状的基本定量遗传结构任何木本被子植物物种知之甚少。这主要是由于测量木质素的高成本,这阻碍了获得获得鲁棒和准确的遗传参数估计所需的大样本量(Falconer和Mackay 1996)。木材化学成分的量化是非常困难的,所使用的不同方法都有局限性(Anterola和Lewis 2002; Hatfield和Fukushima 2005)。然而,已经开发了快速和便宜的近红外(NIR)反射率化学计量学方法,其允许从NIR光谱预测化学成分(Schimleck等人2000; Workman 1992)。 NIR已被应用于针叶树种的大规模研究,以估计木质素含量和质量的遗传参数(Da Silva Perez等,2007),但尚未应用于木本被子植物遗传结构的大规模研究

    在本研究中,利用开放授粉桉树的大量基础种群试验研究了木材化学成分(木质素,S / G,提取物和纤维素)的定量遗传结构及其与人工选择(生长)条件下的遗传相关性,木材密度和纸浆产量; Stackpole等人,2010b)。研究了物种地理范围内木材化学品的地理差异,我们提供证据表明,对这些特征进行自然选择的签名,并讨论遗传分歧的潜在驱动因素。

    木质素为植物和藻类重要结构材料,在树皮或是木材中由为常见,为造纸厂副产物之一,而瑞典林雪坪大学 有机电子研究室以此材料开发燃料电池,打造低价环保绿色燃料技术。

    关键字:低木质素 桉树

    与石化炼制相比,生物炼制在原料选择及加工方式上发生了根本转变。地球上蕴含着极为丰富的生物质资源,如遍布陆地的植物以及遍布海洋的微藻等,这些生物质资源是可再生的,取之不尽、用之不竭。而生物质在加工生产的过程中产生的二氧化碳,又可以作为植物光合作用的原料被消耗掉,因此整个过程是一个可循环的生态工业过程,理论上可以实现碳的零排放。

    当今燃料电池大多以补充氢气为主,但地球上 96% 氢都是来自于化石燃料,在生产过程中并没有达到 100% 无碳能源。乙醇基和甲醇基等燃料电池也会产生二氧化碳,其电极更是由昂贵又稀少的铂制成。

    那么,生物炼制是如何进行的呢?以我们比较熟悉的玉米为例,玉米全身都是宝,无论是玉米粒籽还是秸秆、穗轴都可以用作生物炼制的原料。玉米粒籽富含淀粉、蛋白质和油脂,玉米秸秆富含纤维素、半纤素等碳水化合物。通过现代化学加工的方法,可以将玉米蕴含的这些成分进行分离,获得淀粉、纤维素、半纤维素、木质素、油脂和蛋白质等基础原料。

    而木质素是常见生物聚合物,树木约 25% 为木质素,用来让纤维素纤维紧密聚集使木材更坚固,在纸浆化学制造中,由于纤维素是纸张的理想材料,为了让两者分离,木质素会溶解在硫酸盐或亚硫酸盐制法中,为造纸厂的副产物之一,因此木质素是个更便宜且容易取得的材料。

    这些基础原料既可以直接作为产品,又可以进一步深加工。其中淀粉、纤维素、半纤维素等碳水化合物进一步在酶催化或者化学催化的作用下分解成五碳糖和六碳糖,这两类糖可以直接作为微生物发酵的原料合成二碳到六碳的平台化合物,如乙醇、乳酸、丁二醇等。木质素可以作为原料通过化学催化生成芳烃类化合物。二碳到六碳的平台化合物及芳烃类化合物又可以作为基础的化工原料,通过现代的有机化学工业体系合成纤维、塑料、橡胶、医药品、化肥、农药等。玉米油脂可以在脂肪酶的催化下合成生物柴油。生物柴油、乙醇、丁醇等可以作为能源产品,用作燃料供汽车、飞机及轮船等使用。由此可见,经过生物炼制,小小的玉米将变成一个资源宝藏,生产出传统上由石油才能炼制出的各种产品。

    木质素由大量碳氢化合物链组成,会在工业制造分解成苯二酚(benzenediols),其中苯二酚异变体儿茶酚则占木质素 7%。LiU 有机能源材料研究 Xavier Crispin 教授发现该分子为电池优良燃料。

    玉米只是众多生物质资源中的一种,目前化学化工专家们正在瞄准其他更丰富的生物质资源作为生物炼制的原料,例如非粮农作物、大量废弃的农作物秸秆、甘蔗渣、林业废弃物、微藻等。通过这些资源的开发,能够在保证粮食资源安全的前提下,实现生物炼制的快速发展。

    不过苯二酚是芳香族分子(aromatic molecules),不适合用金属当成苯二酚燃料电池电极,不然反应会过于复杂。因此研究员改用常见的导电聚合物 PEDOT:PSS 当作电极,该聚合物可同时当作电极和质子导体。 Crispin 表示,对于儿茶酚等苯二酚反应来说,PEDOT:PSS 是理想催化剂,燃料也能被转化为电,更不会形成二氧化碳。

    世界各个国家也在紧锣密鼓地制定各自的生物炼制路线图,实现化石经济到生物经济的转变。可以想象,在不久的将来,以可再生生物质资源和清洁的加工方式为基础的生物炼制,可以从根本上转变我们对资源的加工和利用过程,实现工业与生态的协调发展。

    Crispin 指出,人们采用乙醇等燃料时,通常会声称其对气候与环境影响不大,因为二氧化碳是循环一部分,获是可利用二氧化碳再制造乙醇。然而现在团队已开发能生产电力、又不会排放任何二氧化碳的技术,可说是既便宜又环保。

    研究也指出,新燃料电池产生的电力与甲醇基、乙醇基燃料电池相同。Crispin 表示,已有效从木质素制造儿茶酚,不过团队未来仍需要改进和最佳化电池性能。该研究已发布在《Advanced Sustainable Systems》。

    路线图”解2025年美国电动汽车驱动电机电控“路线图”解读读

    本文由澳门金莎娱乐网址发布于生命科学,转载请注明出处:科学家培育出低木质素桉树,瑞典成功研发一种

    关键词: