氨基酸离子液体预处理玉米秸秆及处理残液对番茄生长的影响

摘要

玉米秸秆中含有大量木质素、半纤维素等难降解物质，难以实现高效利用，故降解前通常需要预处理。基于传统型的离子液体存在毒性强、生物降解性差、处理残液难以利用等缺点，对环境产生二次污染，因此本文选择了安全性高、对环境友好的新型氨基酸离子液体——胆碱脯氨酸盐（[Ch][Pro]）对玉米秸秆进行预处理。通过单因素实验和响应面分析法对预处理条件进行优化，采用红外光谱扫描和成分分析实验研究[Ch][Pro]对玉米秸秆结构和成分变化的影响，并利用纤维素酶对预处理前后的玉米秸秆进行酶解，验证[Ch][Pro]的预处理效果；并进一步对处理后[Ch][Pro]残液对微生物的毒性及其对盆栽实验条件下番茄生长的影响进行了研究。主要实验结果如下： 通过单因素实验选出最佳的反应条件，在此基础上，采用Box-Behnken法对预处理过程中的反应条件进行优化，[Ch][Pro]对玉米秸秆的最佳预处理条件为反应温度92℃、反应时间1.5h、固液比1∶13，模型预测的最大木质素提取率为32.55%。验证实验结果与模型的预测值十分接近，表明该结果有效。 红外光谱扫描结果表明，[Ch][Pro]对玉米秸秆的复杂结构会造成一定破坏，波长1600cm-1代表木质素的特征吸收峰，此处的特征峰几乎全部消失，说明[Ch][Pro]降解木质素效果显著。波长1720-1744cm-1处伸缩振动峰强度减弱，表明[Ch][Pro]可不同程度地去除秸秆中的木质素或半纤维素。成分分析结果表明，[Ch][Pro]处理能降低秸秆中的木质素含量，且降低纤维素的结晶度来提高总糖含量。利用纤维素酶对预处理前后的秸秆酶解48h后，发现预处理后秸秆的酶解率可达64.89%，是预处理前的2.98倍。 从处理残液对微生物生长的研究中发现，多粘类芽孢杆菌与150mg·kg-1的处理残液混合后，在LB平板上可正常生长，且菌落特征明显。将处理残液作用于番茄盆栽中，结果表明：不同浓度的处理残液对番茄植株的生长会产生不同影响。残液处理后的番茄株高、茎粗、鲜重、干重、根系抗氧化酶活性和土壤酶活性等均有不同程度提高，其中50mg·kg-1残液处理效果最好，番茄的株高、茎粗和鲜重较对照分别提高了44.02%、34.05%和82.77%；叶绿素总量提高了37.10%；根系中SOD、POD和CAT活性分别提高了60.04%、125.56%和123.28%，60天植株根系SOD活性可达81.18U·g FW-1，是30天的1.51倍；MDA的含量降低了26.69%；土壤中脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶较对照分别提高了66.67%、92.00%和64.29%，60天土壤中的脲酶活性达1.49mg·g-1·d-1，是30天的4.97倍。番茄根际土壤中的细菌和放线菌的数量增加，真菌的数量减少，使土壤类型从真菌型逐渐转变为细菌型。说明施加处理残液能有效地促进植株的生长，提高植物的光合作用和抗氧化能力，改善土壤微环境，增强土壤肥力，可以作为潜在的肥料资源应用到生产中。

目录

声明

1前言

1.1玉米秸秆的结构与组成

1.1.1木质素

1.1.2纤维素

1.1.3半纤维素

1.2玉米秸秆的预处理方法

1.3氨基酸离子液体

1.3.1传统离子液体的局限

1.3.2氨基酸离子液体的定义与性质

1.3.3氨基酸离子液体的应用

1.3.4氨基酸离子液体溶解木质纤维素的国内外研究现状

1.3.5氨基酸离子液体应用过程中存在的问题

1.4本课题的研究目的及意义

1.5研究内容与技术路线

1.5.1 研究内容

1.5.2 技术路线

2材料与方法

2.1材料与试剂

2.1.1供试材料

2.1.2试剂

2.1.3培养基

2.2仪器与设备

2.3 [Ch][Pro]预处理玉米秸秆及条件优化

2.3.1玉米秸秆的处理

2.3.2 [Ch][Pro]预处理玉米秸秆

2.3.3单因素实验

2.3.4响应面实验

2.4红外光谱扫描

2.5玉米秸秆成分测定

2.5.1木质素的测定及计算

2.5.2灰分的计算

2.5.3高效液相色谱分析

2.6 DNS法测定还原糖含量

2.7 [Ch][Pro]的回收

2.8 处理残液对微生物生长的研究

2.9番茄盆栽生长实验

2.9.1实验地点

2.9.2实验材料

2.9.3实验方案

2.9.4样品采集

2.9.5番茄苗生物量的测定

2.9.6叶片中叶绿素含量的测定

2.9.7根系抗氧化酶活性和丙二醛含量的测定

2.9.8根际土壤酶活性的测定

2.9.9土壤中可培养微生物数量的测定

2.10数据统计分析

3 结果与分析

3.1 [Ch][Pro]预处理玉米秸秆的反应条件优化结果

3.1.1单因素实验结果与分析

3.1.2响应面优化结果分析

3.1.3验证实验

3.2红外光谱分析结果

3.3 [Ch][Pro]对玉米秸秆成分的影响

3.4玉米秸秆酶解实验结果分析

3.5处理残液对微生物生长的影响

3.6处理残液在番茄盆栽上的应用效果

3.6.1番茄苗植株生物量测定结果

3.6.2叶片中叶绿素含量测定结果

3.6.3根系抗氧化酶活性和丙二醛含量测定结果

3.6.4根际土壤酶活性测定结果

3.6.5可培养微生物数量测定结果

4讨论

4.1 [Ch][Pro]预处理玉米秸秆条件优化

4.2处理残液对番茄生长的促进作用

5结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文及成果