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生物炭表面有机小分子及其活性研究

鄂洋  
【摘要】:生物炭(biochar)是玉米秸秆、稻草、花生壳或、稻壳、树叶等农林废弃物在厌氧或限氧条件下,通过热解(通常小于700℃)技术得到一类具有稳定结构、高度芳香度的富碳固体化合物。该类化合物具有发达孔隙结构,使其在降低温室气体排放、改良土壤结构、吸附重金属及增加作物产量等多方面发挥重要的作用。生物炭促进植物生长发育早有报道,但其作用机制尚不明确。生物炭组成分析是明确其对植物生长发育影响的重要前提。本文利用热裂解技术——气相色谱/质谱联用仪等,对D-吡喃葡萄糖、纤维素及稻壳的裂解产物等进行深入研究。分析D-吡喃葡萄糖裂解过程,进而推导纤维素裂解原理,最终构建完整稻壳炭裂解机制。此外,在生物炭热解过程中,发现其挥发份冷凝成液体——木醋。木醋对植物生长具有明显的促进作用,能够有效抑制菌类的繁殖,同时可作为食品添加剂使用。为进一步研究生物炭制取过程产生木醋液的作用机制,本试验利用气质联用仪分析了木醋液成分,采用生物信息学方法明晰了木醋液具有的生物学功能。利用不同萃取剂及气相色谱/质谱联用仪分析生物炭表面有机小分子组成,借助生物信息学方法分析有机小分子的生物学活性,并利用荧光定量PCR、免疫组织化学及细胞结构学等方法对生物炭表面有机小分子的生物学活性进行验证。主要研究结果如下:1.热裂解-气相色谱/质谱联用仪及低密度方程研究了D-吡喃葡萄糖、纤维素及稻壳裂解机制。结果表明:稻壳炭热解过程中,含有纤维素的稻壳首先开环,并经过环化作用形成呋喃类化合物,另一部分形成直链小分子化合物。2.以稻壳为原料,利用热裂解-气相色谱/质谱联用仪分析了挥发分组成。结果表明:81种化合物被识别。这些化合物主要包含芳香烃(38.60%)及脂肪类(6.53%)化合物等。本试验利用生物信息学方法对81种化合物的潜在活性进行分析。结果表明:13种化合物在植物代谢过程中起重要作用;丁子香酚、对羟基苯甲酸丁酯及水杨醇在植物防御机制中扮演重要角色;羟基苯甲酸丁酯及水杨醇两种有机化合物在植物防御昆虫入侵中发挥重要功能。3.利用气相色谱/质谱联用仪分析了生物炭在制取过程中产生的木醋液成分,借助生物信息学方法明晰木醋组份的生物学活性。结果表明:生物炭制取过程中,产生甲基苯酚可抑制微生物生长。4.利用不同萃取剂及气相色谱/质谱联用仪分析生物炭表面有机小分子组成,借助生物信息学方法分析有机小分子的生物学活性。采用荧光定量PCR、免疫组织化学及细胞结构学等方法对有机小分子的生物学活性进行验证。结果表明:2-乙酰-5-甲基呋喃可为候选类激素物质,可与ABP1及TIR1蛋白相互作用;生物炭处理后,水稻植株中ABP1及TIR1基因及蛋白表达上调,并导致植株细胞伸长;不同浓度生物炭处理后水稻苗的株高、总根长及干物质重明显高于未经处理水稻苗;此外,发现生物炭主要依靠ABP1代谢通路促进植株生长。


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