少根紫萍(Landoltia punctata)高比例燃料丁醇发酵方法研究

以少根紫萍(Landoltia punctata)为原料,以丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)CICC 8012为菌种发酵生产燃料丁醇的研究。筛选出高淀粉含量的少根紫萍,HPLC分析其酸水解液表明,单糖组成有葡萄糖、木糖和半乳糖。糊化后的少根紫萍培养基可以直接发酵,47.50g/L的初总糖发酵可生成9.31g/L的丁醇、13.60g/L的丙酮丁醇乙醇,发酵得率为0.35,其中丁醇占总溶剂的比例为68.46%,比玉米发酵的高14.11%。少根紫萍培养基经降黏后发酵,丁醇和总溶剂分别提高到9.61g/L和14.80g/L,比没降黏的提高了3.22%和8.82%。HPLC分析表明发酵残糖含有以木糖和半乳糖为单糖组成的寡糖和少量的葡萄糖。该研究首次开发了一种新型非粮原料少根紫萍发酵生产燃料丁醇,工艺简单,并且还具有目标产物丁醇在总溶剂的比例高的优点。

少根紫萍对水中U(Ⅵ)的吸附和矿化行为研究

采用室内水培和静态吸附实验,研究了水生植物少根紫萍（Landoltia punctata）活体和干粉对水体中U（Ⅵ）的吸附能力,并对作用过程和机理进行了初步分析。结果表明：常温下少根紫萍2.5g·L^-1（FW）活体和1.25g·L^-1（DW）干粉在pH 5下对5mg·L^-1 U（Ⅵ）溶液的去除率分别可达78.70%和95.55%。活体和干粉对U（Ⅵ）的吸附率随pH升高先增大后减小,在pH 4~5时达到最大,并随投加量的增加而增大;随U（Ⅵ）初始浓度增加先增大后减小;在作用5min时,活体和干粉对水体中U（Ⅵ）的吸附率分别为13.90%和79.97%,在24h时吸附率均达90%以上,吸附逐渐趋于平衡。当U（Ⅵ）初始浓度增加至250mg·L^-1,活体和干粉对U（Ⅵ）的吸附量分别达到4.05 mg·g^-1（FW）和131.76 mg·g^-1（DW）,相比Langmuir模型,Freundlich吸附等温方程能较好地描述少根紫萍对U（Ⅵ）的吸附行为,吸附过程符合准二级吸附动力学方程,r均在0.99以上。FTIR分析结果表明：少根紫萍表面含有羟基、羧基、氨基、磷酸基等多种活性基团;SEM-EDS表明少根紫萍活体与水体中U（Ⅵ）作用48h后,大量片状无机磷酸铀晶体在其根系表面生成,结晶主要由P,O,U元素组成,不含C,其中P和U的质量百分比分别为8.76%和82.53%,原子百分比分别为25.19%和30.89%,而对照组P的质量百分比和原子百分比仅为0.24%和0.11%,干粉未观察到类似晶体存在。XPS分析结果表明：活体吸附后,部分U（Ⅵ）被还原为U（Ⅳ）,而干粉吸附的铀主要以U（Ⅵ）形式存在。由此推断,少根紫萍干粉对U（Ⅵ）的吸附主要通过静电吸引,离子交换,络合配位等方式实现;活体对U（Ⅵ）吸附的同时还存在还原和矿化的过程,在U（Ⅵ）胁迫下活体根系表面会分解释放出无机磷酸根,与吸附的U（Ⅵ）及部分被还原的U（Ⅳ）结合矿化为难溶的氢铀云母。

少根紫萍干粉对典型锕系核素的吸附分离研究

放射性污染的环境修复与治理是当前研究的热点和难点。考查了不同pH和基团屏蔽对少根紫萍干粉吸附典型长寿命锕系核素性能的影响和规律,结果发现,少根紫萍干粉对^(238)U、^(239)Pu、^(241)Am的吸附效果在pH分别为5、5、1时最佳。对含有^(239)Pu和^(241)Am的溶液分别进行了6批次和3批次吸附实验,结果发现:溶液中^(239)Pu放射性活度浓度可从6.78 MBq/L梯次递降至3.20×10^(3) Bq/L;溶液中^(241)Am放射性活度浓度可从1.29×10^(5) Bq/L梯次递降至2.00 Bq/L,接近GB 8978-1996《污水综合排放标准》中规定的∑α放射性活度浓度(1 Bq/L)的排放标准。经过化学修饰和红外光谱分析,发现少根紫萍干粉表面的羧基、氨基、酯基、磷酸基和羟基等活性基团对^(238)U、^(239)Pu和^(241)Am的吸附作用均有一定程度的贡献,机理是少根紫萍干粉首先通过静电将其离子吸引至细胞表面,然后通过离子交换及表面活性基团络合配位协同作用实现对放射性废液中锕系元素的高效吸附和分离。

厌氧发酵牛粪对浮萍生长和养分吸收的影响（英文）

养分从牛粪到农田的循环利用是养牛场可持续发展、资源利用和环境保护的重点研究内容。利用奶牛场废水种植水生植物被认为是一种有效的废水处理及养分循环的方法。本文研究了3种浮萍[少根紫萍0128(Landoltia punctata 0128)、膨胀浮萍7589(Lemna gibba 7589)和小浮萍9517(Lemna minuta 9517)]在厌氧发酵过的奶牛场废水中种植时的养分吸收和生物质变化。在28d的测试期间,种植在稀释比例为1∶18的厌氧发酵过的牛奶场废水中的少根紫萍01283获得最高的总氮吸收率(11.6%±1.6%),种植在稀释比例为1∶27厌氧发酵过的牛奶场废水中的少根紫萍0128获得最高的总磷吸收率(15.4%±4.4%);相应地少根紫萍鲜重的增长率分别为0.11 g·d^-1和0.17 g·d^-1。3种浮萍中,少根紫萍最具有吸收牛奶场废水氮、磷并获得较高生物质的潜力。

不同营养条件对少根紫萍生长及 镉富集的响应

通过不同浓度的Hoagland溶液和Steinberg溶液处理少根紫萍,试图探究不同营养条件对少根紫萍生长、镉富集的影响。试验设置Hoagland(H)和Steinberg(S)营养液浓度分别为0(CK)、0.1倍(1/10 H、1/10 S)、0.2倍(1/5 H、1/5 S)、1倍(1 H、1 S),镉离子含量设置0、0.5、5.0、10.0 mg/L 4个水平,测定不同条件下少根紫萍的生长指标及镉富集量。结果显示,少根紫萍更适宜在Hoagland溶液中生长,以1/10 H浓度下的生长状况最佳。镉处理后,Steinberg营养条件下的镉富集量高于Hoagland营养条件。研究表明,过高的氮磷含量不仅抑制少根紫萍的生长,同时抑制少根紫萍对镉的富集;不同形态氮对少根紫萍富集镉的效果不同。该研究可为利用水生植物修复受重金属污染的富营养化水体提供一定的指导意义。

紫萍和兰氏萍不同克隆的生长性状及其与微卫星标记的关联性分析

对紫萍[Spirodela polyrhiza(Linn.) Schleid.]3个克隆和兰氏萍[Landoltia punctata(G. Meyer) Les et D. J. Crawford]3个克隆的所有克隆分株的单株叶状体数,单叶状体的根数、总根长和平均根长以及叶状体的长度和宽度进行分析,基于微卫星标记扩增结果对6个克隆在各微卫星位点的基因型进行分析,并对各微卫星位点与2种浮萍生长性状的关联性进行分析,还对2种浮萍各微卫星位点不同基因型间的生长性状进行多重比较。结果表明:紫萍单叶状体的根数、总根长和平均根长及叶状体宽度在3个克隆间以及兰氏萍各生长性状在3个克隆间均存在显著(P<0.05)差异。紫萍3个克隆在Sp25、Sp30、Sp47和Sp53位点的基因型不同,兰氏萍3个克隆在Sp10、Sp14、Sp16、Sp42、Sp47、Sp51、Sp52和Sp53位点的基因型不同;紫萍3个克隆在Sp6、Sp14、Sp16、Sp25、Sp36、Sp45、Sp47和Sp51位点的基因型和等位基因与兰氏萍不同;2种浮萍6个克隆在Sp4、Sp12、Sp28、Sp29和Sp43位点的基因型相同。Sp25、Sp30、Sp47和Sp53位点与紫萍单叶状体的根数、总根长和平均根长的关联性极显著(P<0.01),Sp30位点与其叶状体的长度和宽度的关联性显著,Sp25位点与其叶状体宽度的关联性也显著。Sp10、Sp14、Sp16、Sp42、Sp47、Sp52和Sp53位点与兰氏萍单株叶状体数和单叶状体根数的关联性极显著,Sp10、Sp14、Sp42、Sp47、Sp51、Sp52和Sp53位点与其叶状体的长度和宽度的关联性显著或极显著,Sp16、Sp51及Sp53位点与其单叶状体的总根长和平均根长的关联性极显著。Sp47和Sp53位点BD基因型紫萍的根明显偏多且偏长,Sp51和Sp53位点AD基因型兰氏萍的根明显偏长;并且,Sp25位点CE基因型紫萍的叶状体最多且最大,其根也最多且最长。研究结果显示:供试的微卫星标记具有属间标记通用性,可用于紫萍和兰氏萍基因型分析;Sp25、Sp30、Sp47和Sp53位点与紫萍根的长度和数量密切相关,而Sp10、Sp14、Sp16、Sp42、Sp47、Sp51、Sp52和Sp53位点与兰氏萍叶状体的数量和大小以及根的数量密切相关。

少根紫萍对微污染地表水的净化及淀粉积累能力

根据地表水环境质量标准研究少根紫萍(Landoltia punctata)对微污染地表水的净化效果,同时,对其淀粉积累能力进行评价.结果显示,少根紫萍对微污染地表水体可以实现深度处理,经处理的Ⅴ类、劣Ⅴ类水体中氨氮(NH4+-N)和总磷(TP)均在1d内提升一个水质级别,在3d内达到地表Ⅱ类水标准(NH4+-N<0.15mg/L,TP<0.09mg/L),且氮、磷去除率均达到98.5%和82.9%以上.此外,少根紫萍在快速修复水体的同时能大量积累淀粉.处理3 d,Ⅴ类和劣Ⅴ类水处理中浮萍干重的淀粉含量分别为28.38%、21.57%,15 d后达到52.15%、49.58%.另外研究发现,额外添加二氧化碳(CO2)对淀粉积累有进一步促进作用.处理3 d淀粉含量相比未添加CO2提升了55.7%,平均淀粉积累速率提高了2.72倍.因此,少根紫萍不仅能够快速净化微污染水体,同时也能积累大量的淀粉干物质,结果可为实际污水处理及后期少根紫萍资源化应用提供参考.

基于叶绿体基因组的浮萍亚科系统进化

由于浮萍形态高度退化,其系统进化研究较为困难,基于叶绿体基因组研究浮萍亚科系统进化对解决该问题具有重要意义.通过过滤全DNA数据(即包含细胞内的核DNA、叶绿体DNA和线粒体DNA的测序数据)和直接提取叶绿体DNA测序两种方法组装叶绿体基因组,然后分别基于rbc L基因和叶绿体全基因组序列构建浮萍亚科系统发育树,并比较浮萍叶绿体基因组大小.经比对发现,通过两种方法得到的Landoltia punctata ZH0051叶绿体基因组完全一致,全长均为171 013 bp,序列相似度100%.基于叶绿体全基因组序列构建浮萍亚科系统发育树的节点置信值都达到了1,确认了浮萍亚科的进化次序为多根紫萍属、少根紫萍属、绿萍属、扁平无根萍属、芜萍属.浮萍亚科中叶绿体基因组最大的为少根紫萍属(171 kb),最小的为绿萍属(166 kb).本研究表明过滤全DNA数据组装出的浮萍叶绿体基因组是可靠的;浮萍叶绿体基因组大小虽有所差异,但随进化没有明确的扩张或收缩的趋势.

少根紫萍转录因子及其营养胁迫下的表达

少根紫萍（Landoltia punctata）是一种浮水生、多功能、高环境适应能力的能源植物,为了解其生理特性的分子机制,利用少根紫萍转录因子预测数据与拟南芥、水稻、玉米数据库数据进行宏观比较,并结合转录组测序技术对少根紫萍营养胁迫后转录因子表达分析.结果显示,少根紫萍有1 076个转录因子,分属于66个家族,其中在b ZIP、WRKY、AP2/ERFERF、MYB、NAC、MADS-box等家族基因数明显减少,一定程度上解释了浮萍高黄铜低木质素、难开花的生理特性;少根紫萍在营养胁迫下偏向上调AP2/ERF-ERF、MYB、bHLH家族特定基因和下调AP2/ERF-ERF、WRKY家族特定基因来响应营养胁迫,尤其是AP2/ERF-ERF、WRKY两个家族中特定基因表达下调在响应水体营养胁迫中有非常重要的作用.本研究在转录因子层面对浮萍的生理特性,特别针对营养胁迫下转录因子的表达进行了探究,可为建立浮萍水生模式植物系统、深入探讨少根紫萍响应营养胁迫机制以及改造成耐受胁迫的高效淀粉积累能源植物提供理论指导.

少根紫萍淀粉合成关键基因对寡营养胁迫的响应

浮萍是一种形态高度退化的开花植物,环境适应性广,生长条件适宜时可以接近指数增长的速度在16-48 h内实现生物量的翻倍.以寡营养处理,少根紫萍(Landoltia punctata)淀粉含量可在7 d内提高到45%以上(干重).通过深入分析转录组数据,分别挖掘到ADP葡萄糖焦磷酸化酶编码基因(LpAGP)5个、颗粒结合型淀粉合酶基因(LpGBSS)2个、可溶性淀粉合酶基因(LpSSS)2个、淀粉分支酶基因(LpSBE)5个、异淀粉酶基因7个(LpISA)、普鲁兰酶基因(LpPUL)1个.转录组定量结果表明LpAGPS1、LpAGPL2、LpAGPL3、LpGBSSI、LpGBSSII、LpSBEI-1、LpISA3和LpPUL1的表达量均因寡营养处理而上调.通过qRT-PCR检测LpAGPs等16个淀粉合成关键基因的表达量,发现绝大部分淀粉合成相关基因表达量上调,而参与淀粉降解途径相关基因(如α-淀粉酶和β-淀粉酶编码基因)的表达量因寡营养处理而下调.这种不同的调节方式促使少根紫萍淀粉合成"开源节流",淀粉得以快速积累.本研究结果可为进一步研究少根紫萍淀粉合成关键基因功能及淀粉积累机制奠定基础.