胡蕭

摘要：芒草作為一種重要的C4能源植物，在生物質能源、環(huán)境修復、畜牧飼料等方面發(fā)揮著重要的作用。本文在簡單介紹芒草基本情況的基礎之上，綜述了近年來我國能源植物芒草能源化、飼料化、功能化（修復重金屬污染及鹽堿土壤）等方面的開發(fā)與利用研究進展，并對芒草今后的開發(fā)與保護提出了見解。

關鍵詞：能源植物 芒草 開發(fā)利用 研究進展

引言

為了共同應對全球性氣候變化問題，實現碳中和，當今世界各國正處在從傳統(tǒng)石化能源向非化石清潔能源轉型的關鍵時期[1]。其中生物質能因其具有原料綠色、可再生、來源廣、儲量大、能源終端形式多樣且易轉換等優(yōu)勢，是石化能的重要替代[2]。我國植物資源豐富，在能源作物產業(yè)方面占據很大優(yōu)勢，因此全面開發(fā)能源作物，實現規(guī)模化與產業(yè)化，對能源作物環(huán)境效應展開深入探究，對國內生態(tài)環(huán)保以及能源安全來說意義重大[3]。

1 能源植物研究進展

能源植物（Energy plant）一般指的是還有很多油脂的植物，同時也包括可替代柴油或石油、在成分方面與柴油石油比較接近的、可合成高還原性烴能力的植物[4]，一般來說主要包括4大類，除富含木質纖維素以及油脂型能源等植物之外，還包括速生豐產薪炭樹以及富含碳水化合物類型的能源植物。

其中，富含碳水化合物類型的能源植物一般生產乙醇，主要包括纖維素類、淀粉類以及糖類等三種類型。可利用發(fā)酵法生產乙烯的這類植物有甜菜以及甘蔗等;在水解反應作用下才能用來生產乙烯的淀粉類植物主要有玉米與甘薯等;纖維素類型的能源植物可用來燃燒發(fā)電，常見的有桉樹以及芒草等。

富含油脂型能源植物種子有很高的含油量，對油脂經酯化過程進行提取，可以直接用來生產合成柴油，一般使用的原料有油菜籽以及大豆等。還有一些植物含有大量石油型能源，包含油脂類碳氫化合物，一般用來生產與橙油成分比較接近的燃料，常見的有古巴巴香膠樹、光皮樹、棕櫚以及麻瘋樹等，脫脂處理之后直接可以當做生物柴油使用。

還有一部分作物含有大量木質纖維素，一般用來生產固體類型的顆粒燃料，轉化之后獲得乙醇、電能或者熱能，常見的主要有柳樹以及桉樹等。除此之外，還有一些灌木，含有大量木質纖維素，一般可以直接用來發(fā)電，通常也有大面積種植主要用來提供木炭或者薪柴，目前全球這種類型的樹種主要有美國梧桐以及加拿大楊等。最近幾年國內也有一些受眾被用來當做薪炭使用，比如常見的泡桐、沙棗以及銀合歡等。

近年來，國內有代表性的研究有如，鄭循雯等[5]采用H3PO4聯(lián)合H2O2對地膚進行了預處理，發(fā)現對H3PO4濃度配比、時間以及溫度進行適當提升，可以明顯去除木質素與半纖維，兩者最大去除率最高可達90.6%以及100%，對酶解糖化發(fā)酵生產乙烯將帶來很大幫助。謝茹勝等[6]研究高溫熱水預處理方法和酶添加量、水解工藝等對大米草水解效率的影響，研究表明，當酶添加量為3.6%，反應時間為72 h時，還原糖得率最高，為后續(xù)酶解糖化發(fā)酵乙醇奠定了良好的基礎。李昌珠團隊[7]綜述了我國木本油脂資源的研究現狀，包括木本油料作物種類與分布區(qū)域、木本油脂脂肪酸組成與品質、新木本油料作物資源挖掘、木本油料作物遺傳基因發(fā)掘與調控、木本油脂的綜合利用等。郝一男等[8]在催化制備生物柴油時主要使用納米Fe3O4-PO43-/ZrO2，他發(fā)現催化劑使用量為1%，反應時間與溫度分別為4 h與80℃，醇油摩爾比為9∶1的前提下，轉化率最高，為92.9%。楊子飛[9]采用溶劑熱法合成催化劑UiO-66及其衍生物，并開展了麻瘋樹油制備生物柴油的研究，正交實驗中最佳反應條件下生物柴油的轉化率為97.22%，甲酯率高達99%以上，醇油比的三個水平范圍選擇較為合理。經過分析得到理論最佳工藝條件：反應溫度70℃，催化劑用量4%，醇油比25：1，反應時間4h，最佳工藝的三次驗證試驗，生物柴油的轉化率都大于97.22%。

2 能源植物芒草

芒屬植物（Miscanthus spp.）俗稱芒草，含有約15到20個物種，是一類多年生高大C4草本植物，具有生物量大、纖維素含量高（綜纖維素含量76.2%-82.7%）、灰分低、熱值高、適應性強（適應各種逆境及邊際土地）以及生產成本低（如地上部分冬季?？菸?，易于收割和儲運）等諸多優(yōu)點被認為是目前最具開發(fā)潛力的高產纖維類能源植物之一。同時，芒草還可以被制備成生物炭、土壤調理劑、生態(tài)板材和生態(tài)建材等產品，除用來凈化水質以及改良土壤之后，還可以起到吸附重金屬的效果。

在我國最有能源潛力的芒草主要有芒、五節(jié)芒、荻、南荻4類[10]，其水平分布范圍依次為：18.81-43.56°N、100.44-127.55°E，19.14-38.33°N、104.78-122.39°E，29.90-47.53°N、06.27-113.76°E，28.18-34.82°N，111.48-120.81°E，垂直分布范圍依次為：-12- 678m，0-1650m，-1-1455m，0-321m。其中，南荻多分布在長江中下游地區(qū)，荻主要分布在長江北部，五節(jié)芒和芒的分布以南方為主[11]，其半纖維素含量在不同種間（或類型間）差異不顯著，半纖維素、木質素在不同種間（或類型間）差異分別達到了顯著和極顯著水平，同時，纖維素、半纖維素的種類變異貢獻大于種間變異貢獻，有利于種質資源的遺傳改良[12]。同時，在芒草繁殖技術產業(yè)化方面，商業(yè)化的繁殖技術正朝著：根莖直播法→根莖與莖稈育苗移栽法→種子直播法與微繁育苗移栽法的方向發(fā)展[13]。

3 芒草生物能源利用研究進展

在芒草進行能源化開發(fā)利用前，需對其進行能源潛力評估，以便建立最優(yōu)的能源化轉化途徑。項偉等[14]從農藝、品質、抗逆性3個方面，構建了芒屬植物（芒、五節(jié)芒、荻、南荻）在燃燒發(fā)電、發(fā)酵制乙醇、發(fā)酵產沼氣和熱化學轉化的能源潛力評價體系，該體系適用性強，可以篩選優(yōu)良品種，同時選育新品種。徐樂樂[15]研究對象為29個不同的芒果品系，研究內容為木質纖維所含量，結果發(fā)現因為生長環(huán)境不一樣，同一品種的芒果木質纖維素含量差異比較明顯，含量最高的為52.65%，這類芒果一般用來發(fā)酵制乙醇;含量較高的一般用來燃燒發(fā)電。對7種芒果品種里面的揮發(fā)油進行全面鑒定，發(fā)現揮發(fā)性成分共22種，其中癸酸的含量最多。李成豐[16]通過系統(tǒng)生物學分析鑒定了芒草在多種預處理條件下，影響其酶解糖化的細胞壁關鍵結構因子，結果表明，半纖維素分支度（Ara/ Xyl）顯著降低了纖維素結晶度（CrI），提高其酶解糖化效率。同時，針對不同儲存時間對生物質能源產率的影響，袁玲莉等[17]的研究顯示，芒草儲存0～30天之后產甲烷的能力全面下滑，儲存時間超過30天產甲烷能力以及理化性質基本上保持穩(wěn)定，由此可知隨著存儲時間的不斷延長，參甲烷能力逐漸下降。

在芒草轉化生物能源（如生物乙醇）過程中，采用合適的預處理方式來解除芒草的生物質抗降解屏障，有助于酶解糖化過程的順利開展。孫丹等[18，19]對選取的芒果展開與處理，主要用到蒸汽爆破工藝，對芒草秸稈細胞壁結構、成分以及孔隙度影響要素進行分析，找到對酶解效率細胞壁產生影響的關鍵因素以及具體的優(yōu)化條件，對降解產糖芒草材料進行鑒定，在此基礎上設計出高效降解模型。相比于稀酸、稀堿處理方式，蒸汽爆破具有較強的優(yōu)勢，經預處理后芒草的酶解糖化率可達74.45%，較未處理最高可提高11.79倍。彭勝男等[20]開發(fā)了一種利用氨水協(xié)同60Co- γ射線輻照預處理芒草的技術，經過程優(yōu)化，酶解糖化后還原糖含量達到471.74 mg/g，為芒草的綠色低毒高效預處理開辟了新途徑。同時，針對芒草預處理抑制劑，佀勝利等[21]對多種濃度酸/堿預處理環(huán)境下的芒草上清液發(fā)酵產乙醇以及副產物生成規(guī)律進行探究，同時分析乙醇發(fā)酵與副產物預處理兩者的關系，最終發(fā)現抑制劑產物濃度存在顯著差異，與堿處理相比，酸處理生成的5-羥甲基糠醛與糠醛濃度明顯更高，不過在香草醛、丁香酸等堿處理方面濃度更高，為后續(xù)酶解發(fā)酵提供了較好的基礎。黃政[22]采用納濾技術分離了輻照降解芒草水題液中的發(fā)酵抑制物，結果表明，納濾膜對香草酸截留率較高，其他抑制物透過效果好，經分離后甲酸、乙酸分子的最小截留率由由-2.14%和-3.09%分別升高到5.83%和5.32%，香草酸的最小截留率有21.74%升筒到22.35%。

為了提高芒草生物半纖維素的轉化率，進而提高生物乙醇的得率，田夢南[23]采用超聲輔助堿液提取工藝，實現了芒草半纖維素的高純度分離;分析了半纖維素化學組成、結構及熱解特性;優(yōu)化了硫酸法降解半纖維素工藝，并對產物進行了乙醇發(fā)酵。程紹哲[24]開展了鎘脅迫影響芒草細胞壁結構、生物質酶解和乙醇產率的研究，結果表明在Cd脅迫下，四種芒草細胞壁里面的纖維素含量明顯降低，堿（NaOH）預處理前提下，Cd處理芒草材料酶解效率影響更高，由此可知芒草酶解效率與果膠里面的糖醛酸含量呈正相關關系，與纖維素聚合度以及結晶度呈明顯的負相關關系。

在芒草的熱化學轉化方面，姚燦[25]研究對象選擇芒草熱解特性以及具體的影響要素，與松木、玉米秸稈相比，芒草具有最低的揮發(fā)分釋放特性指數，熱解速度最快，

熱解產物主要以氣體產物以及醛酚醇酸類化合物為主，隨著溫度的變化酮醛類熱解產物分布情況也隨之發(fā)生改變。焦豪等[26]研究對象選擇芒草與褐煤兩者共熱解，同時對褐煤與褐煤兩者共熱解展開對比，最終發(fā)現，芒草與褐煤共熱解具有很明顯的協(xié)同效果，隨著生物質摻混比在不斷提升，效果持續(xù)增強。劉威等[27]主要探究芒草熱解焦CO2氣化反應受到制備溫度的影響，最終發(fā)現隨著溫度的逐漸提升，熱解焦表面結構開始不斷加深，

制備溫度為600℃的時候微孔容積與總孔容積比值最大，400℃的時候平均活化能力最小。

4 芒草資源其他利用研究進展

在土壤重金屬修復領域，芒草也發(fā)揮著重要的作用，近年來具有代表性的研究成果有如，吳道銘等[28]總結分析了芒屬植物重金屬耐性研究及其在礦山廢棄地植被恢復過程中的發(fā)展?jié)摿Γ唧w在芒屬植物生物學特性、重金屬耐性特點、機理及其在礦山廢棄地植被恢復中的應用潛力方面，并提出了應用芒屬植物進行礦山廢棄地植被恢復的基本思路。陳兆進等[29]開展了鎘脅迫對芒草根際細菌群落結構、共發(fā)生網絡和功能的影響，結果表明，Cd 的添加能顯著提高土壤中黃色土源菌屬、苯基桿菌屬、芽單胞菌屬、鞘氨醇單胞菌屬等11個屬的相對豐度，這些細菌可能在芒草耐受和富集重金屬中起到作用。

為發(fā)揮芒草在畜牧業(yè)中作為飼料、飼料添加劑及優(yōu)質牧草等方面的開發(fā)潛力，柴繼瑩[30]采用近紅外光譜技術測定了芒草秸稈蛋白質含量，結果表明，原產地為中國的芒草蛋白質含量較日本、韓國和日本的在莖稈干物質中所占的比例最高（均值1.32%），為芒草優(yōu)良材料的選育及其飼用價值的評估打下堅實基礎。

在芒草應用于土壤鹽漬化治理方面，研究表明相比于其他草本作物，芒草由于具有木質根莖，對鹽分脅迫耐受性比較強[31]。在120 mmol/L鹽分脅迫下芒草莖的干物重減小將近49%，由此可知芒草生長抑制臨界點濃度為120 mmol/L[32]。我國本土芒、荻芒草的耐鹽能力分別可達14.93 g/L（約為255 mmol /L NaCl）、12.97 g/L（約為221 mmol /L NaCl）;抗鹽性最高的芒草的耐受鹽分濃度為29.12 g/L（約為498 mmol /L NaCl）[33]。有其他研究表明，與五節(jié)芒和芒草相比，國內南荻芒具有更強的耐旱性能，主要原因在于水分利用率以及光合速率比較高[34]。除此之外，NaCl鹽脅脅迫環(huán)境下，芒草鹽分生長生理代謝主要受到膜脂過氧化以及抗氧化酶的雙重影響[35]。

同時，為更好的評估芒草種植風險，郭孟齊等[36]在借鑒國外的研究成果的基礎之上，以分布特征、繁殖特征、擴散特征、遺傳特征、適應特征、危害特征、被控制特征為評價指標，針對國內芒屬植物規(guī)模化種植生態(tài)風險展開全面探究，最終發(fā)現在生態(tài)風險方面最大的為芒，其次為荻，風險最小的為南荻;結合生態(tài)風險評估價標準，在芒草種類中南荻屬于無生態(tài)風險類型，芒、荻與五節(jié)芒屬于低生態(tài)風險類型。

5 結論與展望

目前，我國對能源植物芒草的開發(fā)利用方興未艾，將實驗所得成果應用在具體生產中，在芒草基生物乙醇/丁醇、芒草生物質顆粒燃料、氣化產生物合成氣、芒草超富集土壤重金屬、芒草飼料等方面實現了規(guī)?；瘧?。同時，亦應當在一些涉及芒草優(yōu)質種質資源開發(fā)，生態(tài)栽培，芒草生物質全量利用及生物多樣性保護與生態(tài)安全等方面進一步加強研究。

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