莽草素

本文针对当前世界能源的利用情况，从能源草的资源收集及培育、原料草种植及收获、原料预处理、微生物接种物类别、发酵条件控制以及气体成分分析等6个方面综述了国内外的研究进展。 随着常规能源的日益枯竭，开发利用新能源无疑是必经出路。能源植物是一种可再生的生物质资源，其中，能源草生物量大并且含有丰富的木质纤维素，通过厌氧发酵将木质纤维素材料转化为热值高的沼气是当前开发生物能源最有前景的方法之一。 1、能源草的资源收集及培育 寻找一种适合厌氧发酵生产沼气的草本能源植物，需要做大量的收集研究工作，还需利用育种和生物技术对目标植物进行改良，以提高生物质能的转化率和改善转化产品的质量。 20世纪80年代，美国和欧洲就已经将多年生草本植物作为能源植物进行系统筛选与研究，培育出了专用型能源草品种，实现了规模化种植和开发利用。1984年，美国启动“能源草研究计划”，集中对35种草本植物进行筛选，获得了18种具有开发利用潜力的能源草。欧洲对大约20种多年生草本植物进行研究，最终选择了芒草（miscanthus sinensis）、虉草（phalaris arundinacea）、柳枝稷（panicum virgatum）和芦竹（arundo donax）4种能源草做更深层次的研究。 我国地域广阔，植物丰富多样、分布广泛，草本能源植物种类繁多，在能源草种质资源收集筛选方面已经开展了大量的研究工作，并取得了重要的研究成果。 中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所自“八五”期间开始对国产狼尾草（pennisetum alopecuroicles）种质资源进行收集、鉴定和驯化栽培研究，总共收集到7种47份材料。近10年来，北京草业与环境研究发展中心收集包括柳枝稷、芒草、芦竹、芨芨草（achnatherum splendens）和杂交狼尾草（pennisetum hybrid）等各类能源草资源208份。鄢家俊等通过对四川境内岷江流域、青衣江流域和沱江流域野生斑茅（saccharum arundinaceum）的收集以及其生物学性状的观察，建议将斑茅作为能源植物进行开发利用。 如果能源植物细胞壁含有较高的木质素，将会影响其生物质能的转化效率。常瑞娜等克隆得到了五节芒（miscanthus floridulus）木质素合成的关键酶基因ccoaomt和4cl，这将有助于进一步改良能源植物。芒属能源草转化为生物质能是相对新型的产业，需要育种和生物技术的支撑。对于柳枝稷来说，未来要做的工作就是增加高产杂交种的品种数和使用转基因技术提高产量和纤维素含量。 2、原料草种植及收获 能源草原料是影响产业发展的一大因素，目前很多国家都已经开始大量种植能源草。在爱尔兰超过90%的供农业生产的土地都种上了能源草。美国计划到2030年，多年生能源植物所产生的生物质能将占所有生物可再生能源的35.2%。 能源植物在不同时期收获后，经厌氧发酵产沼气的量不同，主要原因是植物的化学组成随生长时间而变化。lehtomki等研究了收获时期对洋姜（helianthus tuberosus）、梯牧草（phleum pratense）-红三叶（trifolium pratense）混合以及草芦等多种能源植物沼气产量的影响，得出随着能源植物的成熟，大多数植物每吨湿重的沼气产量增加。而massé等研究了柳枝稷和草芦在中夏、晚夏和早秋三个时期收获，厌氧发酵后青贮草料所产生的沼气量变化，得出中夏时收获能源草发酵所产沼气量最高，延迟收获会降低沼气产量。在能源草的整个生长周期中哪些因素影响其沼气产量还需要更深入的研究。 3、原料预处理 由于木质纤维素原料具有较高的结晶度和聚合度，原料转化之前要进行预处理以提高产品的产出率。预处理的作用主要是改变天然纤维的结构，降低纤维素的聚合度和结晶度，破坏木质素、半纤维素的结合层，脱去木质素。预处理的方法主要有物理法、化学法及生物法等。 近年来，有关能源草发酵预处理的研究较多。邹星星等对互花米草（spartina alterniflora）在厌氧发酵前进行蒸汽爆破处理，发酵实验结果表明，随着汽爆压力的增加，累积产气率呈下降趋势。jackowiak等研究了微波预处理的温度与处理时间对柳枝稷厌氧发酵率的影响，发现只有温度对其有明显的影响。frigon等研究了冬夏两季收获的柳枝稷经过温度、声波降解、碱化、高压等预处理后发酵产沼气的情况，最终结论为温度、声波降解、高压对冬季收获的柳枝稷发酵产沼气无明显影响，但能提高夏季收获的柳枝稷发酵产沼气量。李连华等研究了蒸汽加热、超声波及冻融对华南地区多年生王草（pennisetum purpureum× p.americanum）厌氧发酵性能的影响，相比而言，蒸汽加热能够明显降低王草的结晶度，提高沼气产气率。li等采用热处理和微波对杂交狼尾草进行厌氧发酵预处理，结果表明热处理提高了其厌氧发酵的沼气产量，而微波处理却起到了相反的作用。肖正等利用沼液对巨菌草（pennisetum sinese roxb）进行堆沤处理，15天累积产气量为406 ml/ts。 4、微生物接种物类别 由于在厌氧发酵过程中微生物起到了至关重要的作用，而能源草本身所附着的微生物菌群数量较少，所以在进行能源草厌氧发酵产沼气时需要准备大量的接种物。 产甲烷菌在大自然中分布较广，如新鲜的动物粪便、污水处理厂的污泥以及腐败的河泥都能满足能源草发酵产沼气的要求。宋立等比较了羊粪、鸭粪和兔粪的厌氧发酵产沼气潜力，得出鸭粪最好，羊粪次之，兔粪最差。刘德江等设定了3个牛粪发酵浓度梯度（总固体物质含量为6%、8%和10%）来研究其对厌氧发酵产沼气中甲烷和硫化氢含量的影响，结果表明8%为发酵最佳浓度。xie等设定了1∶0、3∶1、 1∶1、1∶3 和0∶1五个猪粪与青贮草混合比，来研究粪草比对厌氧发酵产沼气的影响，结果表明1∶1时沼气中甲烷含量最高。 5、发酵条件控制 厌氧发酵系统的温度、初始ph值以及系统中原料的浓度等因素一直是厌氧发酵产沼气所研究的领域。一般情况下，厌氧发酵反应在较高温度下能够较快地进行，因为此时微生物新陈代谢较快，但高温时反应系统稳定性较差。 刘荣厚等以猪粪为发酵原料，研究了室温、中温（37℃）和高温（52℃）对其厌氧发酵产沼气的影响，结果表明，在发酵初、中期，室温和高温实验组微生物的活性受到影响进而抑制了甲烷化反应，发酵后期高温实验组的日产气量明显高于另两组。朱洪光等设置中温组（35±2）℃和室温组为15～33℃研究互花米草产沼气情况，发现互花米草适合作为生产沼气的原料，中温组日平均产气率为4.58 ml/（g?d），常温组日平均产气率为2.54 ml/（g?d），差别十分明显。赵洪等设定了7个ph值梯度（5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5），分析了ph值对新鲜猪粪厌氧发酵产气量和产气特性的影响，研究发现ph值6.5组启动最快，ph值7.0组和ph值6.5组的总产气量最高，ph值7.0组的甲烷含量最高，得出发酵体系的ph值为6.5～7.0时可促进厌氧发酵的启动，提高沼气的质量。王晓曼以早熟禾（poa annua l.）、佛手瓜（sechium edule）茎叶和番茄（solanum lycopersicum）茎叶为发酵原料，研究了3种原料的产气潜力，得出早熟禾累积产气量最高，影响产气量的主因素排序为接种量发酵浓度碳氮比，影响甲烷含量的主因素排序为接种量碳氮比发酵浓度。 6、气体成分分析 沼气中甲烷及二氧化碳的含量是反映厌氧发酵过程运行状况的重要参数。为使厌氧发酵过程获得最大的生产效率，整个生产过程必须处于最优化的运行参数和环境条件下。目前，沼气成分检测的主要方法有奥氏气体分析方法、气相色谱gc分析方法、热催化元件检测方法和红外检测方法等。 便携红外沼气分析仪 在测量甲烷量程上，热催化元件检测法为0～5%，其余3种的测量量程为0～100%；气体成分分析时，奥氏气体分析方法和气相色谱gc分析方法还可测定二氧化碳和氧气的含量，红外检测方法除了可以测定二氧化碳和氧气的含量外，还可测定硫化氢的含量，而热催化元件检测法则只能测定甲烷的含量；4种分析方法的气体分析时间分别为1 h、30 min、30 s、5 s；总体来看，红外检测方法在各方面优势明显。粗略估算时可以通过观察沼气燃烧的火焰颜色来确定气体中甲烷的含量。 世界能源问题日益突出，迫使各国开发和利用新能源以缓解国内能源的短缺。我国的能源草转化研究工作也在进行，但尚处于起步阶段，仍需研究工作者的继续努力，以及依靠国家政策推广种植能源草，实现能源草转化产业化，为国家能源问题做出贡献。来源：微信公众号@沼气工程及其测控技术，转载请务必注明出处。

近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员蒋长龙团队开发了一种新型且无酶的便携式传感平台（以下简称传感平台），2秒内检测出环境和食品中的草甘膦残留，最终浓度结果直接显示在智能手机上。相关研究成果发表于《危害物质杂志》。课题组人员用试纸现场检测草甘膦 课题组供图 现场2秒“看到”结果 “人们只需将瓜果蔬菜表面润湿，用检测试纸在表面轻轻擦拭，约2秒后，用紫外灯照射，通过试纸颜色变化就可以大致判断草甘膦残留浓度的高低。”蒋长龙向《中国科学报》介绍。如果试纸是蓝色，说明草甘膦残留浓度很低；试纸是粉色时，说明浓度较大；当试纸呈现橙红色时，说明浓度很高。 “这种方法属于初筛，适合人们居家自测。”蒋长龙说，若想得到更精确结果，需要将试纸放入传感平台的试纸槽内。通过传感平台自带的紫外灯照射，再用手机拍摄试纸照片，利用手机的颜色识别软件自动分析转换，显示最终农残浓度结果超标还是未超标。 蒋长龙介绍，传感平台包括传感器、可用于读取数据的智能手机、提供荧光检测环境的手机附件。“传感器是主要‘功臣’，由团队设计制备的蓝色碳点和金纳米团簇构成，能快速‘识别检测草甘膦’。”其原理是当草甘膦加入传感器后，与碳点反应，导致碳点的蓝色荧光快速猝灭，而金纳米团簇的橙色荧光保持不变。从视觉上来看，试纸荧光颜色变化从蓝色到粉色最终变为橙红色。团队对一些实际样品，比如沾有草甘膦残留的瓜果蔬菜、水样进行测试，其检测结果与实验室的检测结果基本一致。 蒋长龙表示，其团队研发的传感器更加快速便捷，没有经过专业培训的人也可操作使用，并且实现实验室检测无法做到的现场或实时检测，适用于基层环境监督部门、农贸市场及超市、个体消费者。比率荧光传感器快速可视化定量检测草甘膦残留示意图 课题组供图 “农药残留”不等于“农药残留超标” 草甘膦是目前国际上使用量最大的除草剂，在有机磷农药中占有重要位置。“这也是团队选择草甘膦做农残检测的重要原因。” 蒋长龙说。 草甘膦通过茎叶吸收后传导到植物各部位，抑制植物体内的烯醇丙酮基莽草素磷酸合成酶，从而抑制莽草素向苯丙氨酸、酪氨酸及色氨酸的转化，使蛋白质合成受到干扰，从而导致植物死亡。 然而，较高的使用量及不合理的使用方法会造成农产品中草甘膦残留量超标。 随着生活水平的提高，人们的环保意识、安全意识与日俱增。蒋长龙说，“目前，人们通常采用实验室仪器或酶抑制法等方法检测农残，但这种检测多由专业人员完成，检测仪器昂贵，检测结果两至三天才能出来。” 因此，发展快速有效、现场检测草甘膦残留的方法，成为控制和处理有机磷农残污染与危害的关键环节。“需要指出的是，农药残留并不等同于农药残留超标。按照农残限量，中国拟定草甘膦残留最大限量为4.14 微摩尔。 ”蒋长龙说，如果农药残留不超过最大限量，即为安全，人们可以放心食用。 此外，值得注意的是，随着瓜果蔬菜等农产品在我国膳食中占比越来越大，其质量安全备受关注，残留限量标准也正向着“科学、严谨”的方向修改。基于智能手机的监测平台可视化定量检测草甘膦 课题组供图 构建多种目标分析物快速检测平台 “本文报道了一种用于草甘膦定量检测的快速可视化荧光传感平台。该方法的创新之处在于结合智能手机对荧光信号进行处理，方便、准确。此外，该传感体系使用两种荧光物质作为信号，而不是依赖于酶，在现场检测中具有一定应用潜力。” 一位审稿人如是说。 但蒋长龙坦言，此次研发的传感器仅针对草甘膦残留检测，“目前，团队正在探究与研发其他类农药的快检方法与器件，如菊酯类、氨基甲酸酯类等。“ 此外，传感器的检测信号依赖于宽光谱荧光色度的变化，而这种荧光色度可能会受到使用环境光的影响。蒋长龙说，“我们希望可以进一步升级检测平台的配件，或是研发其他检测方法并构建传感器，避免一切外界因素对检测结果的不良干扰。” 下一步，研究团队将着力探索多色发光纳米探针的制备，进一步构建对于多种目标分析物的快速检测平台，建立基于纳米光效应传感器件，用于环境中多种污染物检测的评价体系与技术标准，期望在人体健康预警可视化分析检测方面取得新进展。

至少一年来，烟草制造商和烟草相关公司都在想未来美国食品和药品管理局(FDA)将会出台怎样的规则? 　　总之，这些规定将会指挥这些公司如何经济有效地开展他们的业务。在许多公司对未来表示担忧时，位于弗吉尼亚里士满的莫林斯的一家子公司光芒(Arista)实验室并不担心。两年前，它决定积极行动起来，而不是等待着对FDA出台的需求进行反馈。 　　光芒实验室的研究员和管理层都在积极遵守良好实验室实践规则。“这些实验室标准，”实验室主管布莱德努伍德说，“FDA要求所有的药品实验室、生产商和食品检测员都要遵守它。”他认为FDA不会对烟草业制订完全不同的规则，预计该机构将遵守经过检验的良好实验室实践标准。 　　尽管努伍德可能不确定FDA将要求采取怎样的标准，但是他知道光芒实验室，以及其他检测实验室和烟草制造商必须做好准备。“如果你等到最后一刻，很有可能你在规定的时间内达不到标准。你需要提前使系统就位，”努伍德声称。“我们决定走缓慢而稳定的道路。在过去几年中，我们已经以非常合理的方式在这方面取得了进展。最近，我们购买了一些将在很大程度上帮助我们完成我们良好实验室实践的软件。” 　　纯粹的猜测工作 　　光芒实验室于10年前在里士满起步，专注于焦油、尼古丁和一氧化碳检测。现在，它扩大了它的产品范围，做分析检测和毒理学工作以及研究项目。大多数的检测是在里士满实验室做的，得到了英国的光芒实验室的支持。 　　现在，光芒实验室达到了ISO标准，业务开发经理兰迪卡灵顿解释说，ISO17025标准是很长一段时间来实验室要遵守的质量控制标准。良好实验室实践是FDA的实验室标准。制造商要遵守FDA的良好制造实践，他进一步解释说，这是等同于制造商的良好制造实践的标准，唯一不同的是FDA还没有规定良好实验室实践的具体内容。“与良好实验室实践相关的真正问题是，例如对于制药行业的一些要求，需要相当长的一段时间才能达到要求的标准，这些标准在某些方面与ISO的标准有很大差异，”卡灵顿说。“我们决定提前开展，把系统准备就绪。由于我们是达到了ISO标准的实验室，因此我们有能力达到良好实验室标准。” 　　与严格规定的ISO标准不同的是，良好实验室实践更像一个指导手册。通常的程序是，他解释道，FDA审核设备，决定符合良好实验室实践标准的实验室应当遵守的所有标准。唯一的问题是：目前，烟草实验室都不知道这些标准，因为FDA还没有发布这些标准。 　　卡灵顿和他在光芒实验室的同事都对可能要求的标准有点认识，因为他们过去为制药业工作，在那个领域，多年前都强制实施了良好实验室标准。“如果你看制药业，制药业的良好实验室实践标准真的不能轻易转化为烟草业的，”他说。“我们预计根据我们的步伐，在2011年能达到良好实验室实践标准。真实的情况是，你永远也走不完遵守良好实验室实践标准之路。因为它在不断变化，因为FDA会制订出更多的规定。你必须继续达到他们要求的标准。当他们看到数据，他们将决定他们喜欢的事情，他们想看到的变化，他们想让你知道这些变化是如何发生的。” 　　在制药业的实验室工作的一个优势是研究员知道最终的产品将是什么。这也有助于设定良好实验室实践标准，以及在FDA规定的标准下运行。例如，卡灵顿表示，他的团队知道如何制订实验室手册，知道一些程序的缺陷，以及如何最好地运行一些软件。这就是遵守良好实验室实践时应当注意的细节。他们知道FDA将如何进行审计，以及会问什么问题。卡灵顿认为，对于那些不习惯这些规则环境的研究员来说，这将是一次深刻的学习体验。他们不能以他们通常的方式做事情，必须密切观察他们开展的每项工作。“例如，标准的化学瓶子。如果你需要识别特定的瓶子，你需要一种在那个瓶子上记录信息的方法，这样随后，你就会看到它不仅仅是薄荷醇，还是特定批次的薄荷醇。” 　　实验室主管努伍德补充说：“实验室研究员必须知道如何跟踪特定的瓶子和批次，如何混合化学试剂，谁做的混合，哪一天混合的，混合多少量产生的结果。对于制造商所使用的香料和提取物，也将采取这种方法，”卡灵顿同意他同事的说法。“实验室可能会永远保留这些书面记录数据，因为FDA的审计可能是在实验室完成一个项目的几年后进行的。你必须能回忆起整个项目，并且再现整个项目，”他说。“对于FDA来说，关键是记录，”他继续说。“如果你没有把它记录下来，它就没有发生。你必须拿出当时的所有信息，你不能仅仅记住了所做的事情。你需要铁证：这就是记录，这是当时发生的事情。” 　　卡灵顿认为，在不久甚至遥远的未来，都不会叫停良好实验室实践，实验室要持续采取这些做法，因为对于良好实验室实践，FDA没有授权一个机构来认证。尽管没有规则，没有认证机构，但是对于实验室人员和管理层来说，很容易理解良好实验室实践。努伍德认为，FDA不太可能使规定有可追溯性，实验室和制造商不需要遵守，直到宣布了规则为止。 　　尽管有这些不确定因素，但是质量保证主管肖恩伯顿说，她对他们的良好实验室实践进展感到满意，因为他们在按部就班地进行。“实际上，我们的进展良好，”她说。“我们已经取得了所需要进展的95%。”这些程序包括与FDA会面和发送电子邮件，对设备的检测，以及其他可能的模拟程序。