巴西東南部能源甘蔗基因型的生物量產量、養分去除率和化學成分

https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2022.115993  取得權利和內容

  重點介紹


  • 與甘蔗基因型相比,某些能源甘蔗基因型具有生產更高生物量產量、纖維和灰燼的潛力。

  • 與甘蔗基因型相比,某些能源甘蔗基因型的莖中提取物、蔗糖和總可回收糖分較低。

  • 每單位生物量從土壤中移除的氮、磷、鉀、鈣和鎂,能量甘蔗基因型比甘蔗基因型高。

  • 能源甘蔗和甘蔗每單位生物量的 S 清除量相近。

  摘要


甘蔗 (Saccharum spp.) 是巴西生產生物乙醇的主要原料。最近,一些育種計畫專注於能源甘蔗,以提高第二代乙醇 (2 G-ethanol) 生產廠的生物能源產量。然而,有關能源甘蔗基因型的產量、營養和化學成分的資訊仍然不足。因此,本研究的目的是評估巴西田間條件下能源甘蔗基因型的生物量產量和養分去除量。2016 年至 2018 年間,在巴西聖保羅州的田間條件下進行了試驗,整個植株甘蔗和第一批甘蔗生長季。試驗採用隨機區塊設計,包含 26 個能源甘蔗基因型和兩個商業甘蔗品種。實驗評估了與地上生物量(新鮮和乾燥)、化學成分(蔗糖、纖維、Brix、可回收總糖、萃取物、灰分、木質素、纖維素和半纖維素)和營養成分(宏量和微量營養素)相關的農業和工業特性。與甘蔗基因型比較,某些能源甘蔗基因型的乾生物量產量(∼25%)、纖維(∼40%)、灰分(∼50%)較高,蔗糖、總可回收糖分(分別∼60%及50%)較低,莖中的萃取物(∼50%)較低。兩個生長季的能量蔗每單位新鮮生物量生產的平均養分需求量(以公斤/兆克計)分別為 1.7 N、0.35 P、4.2 K、0.45 Ca、0.47 Mg 及 0.41 S,而甘蔗則分別為 1.3 N、0.25 P、3.2 K、0.28 Ca、0.30 Mg 及 0.44 S。 對於生產力更高的甘蔗基因型,這些營養需求的差異甚至更大。因此,能源甘蔗基因型需要更多的肥料。此外,由於能源甘蔗基因型產生的蔗糖較少,因此只有當其較高的纖維含量被完全轉換成 2 G-乙醇或用於熱電聯產時,其在工業上的使用才是有益的。

  簡介


化石燃料是一種有限的能源,與溫室氣體排放造成的全球氣候變化直接相關(Cheng,2017)。因此,使用生物能源是滿足全球可持續發展的環境、經濟和社會要求的戰略選擇(Santoyo-Castelazo 和 Azapagic,2014 年)。最近,全世界的研究都在尋找來自農作物的替代能源,這些農作物具有將大規模生物質生產轉換為生物能源和生物燃料的巨大潛力(Fedenko 等人,2013 年;Matsuoka 等人,2014 年;Singh 等人,2015 年)。能源作物可提供可再生的生物量來源,而不會直接與糧食作物競爭(Singh 等人,2015),相較於一年生的糧食作物,能源作物可達到較高的年乾生物量產量,且對肥料的需求相對較低(Karp 和 Shield,2008;Zegada-Lizarazu 等人,2010;Byrt 等人,2011)。此外,能源作物的多年生根系對土壤保持有很大的貢獻,有可能為土壤增加大量的碳(Somerville 等人,2010 年)。

巴西已成功地以生物燃料部分取代汽油,從而減少汽油消耗,使巴西成為全球主要的甘蔗乙醇生產國,在2019/2020作物季的產量達到3,500萬m3(MAPA,2020年)。然而,估算結果顯示,甘蔗能源潛力只有三分之一來自蔗糖湯(用於生產糖和第一代乙醇),因為甘蔗最大的能源潛力與作物殘渣有關(Carvalho 等人,2017 年)。最近,一些先驅公司開始使用甘蔗渣和秸稈生產第二代乙醇(2 G-乙醇)。因此,生物能源領域增加了對具有產生生物量潛力的新遺傳材料的需求,以用於 2 G- 乙醇生產和能源聯產。傳統上,甘蔗育種計畫將選擇蔗糖含量高、纖維含量低的基因型列為優先項目。因此,相當一部分有助於增加纖維含量的基因逐漸被排除在商業甘蔗品種之外,因為這些特性(蔗糖 × 纖維)呈現負相關性(Giamalva 等人,1984 年;Creste 等人,2014 年),而高纖維含量會阻礙果汁的萃取。因此,最近一直在尋求策略性選擇一套專為能源甘蔗作物生產木質纖維素生物量而設計的新基因型,以確保開發生物能源生成的新品種。

儘管能源甘蔗基因型的可行性取決於原料成分和作物養分輸出水平,但文獻中對這些特徵的評估仍然很少,特別是在巴西環境條件下選擇的基因型(Boschiero等人,2019)。這類資訊對於能量轉換過程的發展 (Sami 等人, 2001) 以及作物系統的長期永續性而言,都是重要的一步。因此,本研究的目的是評估 26 種能源甘蔗基因型和 2 種甘蔗基因型在巴西環境條件下的生物量產量和養分吸收量。

  區段片段


實驗場地的特性


本實驗在保利塞亞市(Paulicéia,南緯 21º16′;西經 51º46′,海拔 341 公尺)的田間環境中進行,該市位於巴西東南部聖保羅州的西部地區,在 2016-2018 年的植株甘蔗和第一輪生育期間進行。實驗區土壤分類為 Rhodic Eutrustox(土壤調查人員,2014 年)。該地區的年平均溫度和降水量分別為 23 ºC 和 1125 mm。安裝實驗前,土壤

  環境條件


在試驗期間(2016-2018 年),累積降水量為 2030 mm(圖 1),最高氣溫在 25.5 ºC 至 33.2 ºC 範圍內擺動,最低氣溫在 14.6 ºC 至 23.1 ºC 範圍內擺動,這些條件被認為是能量蔗發展的有利條件。在第一季(2017-2018 年),累積降水量為 1697 mm,溫度在 5.8 ºC 至 28.8 ºC 之間擺動(圖 1)。由於第一個生育週期的持續時間與植物蔗的持續時間相近,因此

  總結


在以商業為目的的能源甘蔗新品種驗證過程中,評估其生物量生產和養分提取的潛力是非常重要的。有前景的能源甘蔗基因型可以產生較高的生物質產量,儘管與甘蔗基因型相比,蔗糖產量較低。因此,只有當木質纖維素材料中的大部分纖維成分能完全轉換成 2 G-乙醇和/或蔗糖時,能源甘蔗的利用才會有優勢。


信用作者貢獻聲明


Beatriz N. Boschiero: 資料整理、調查、撰寫 - 原稿、審閱。Sérgio G. Q. Castro: 視覺化、調查。Larissa P. Cruz: 視覺化、調查。João N. Carvalho: 撰寫 - 審閱與編輯。Sérgio R. Silva: 撰寫 - 審閱與編輯。Silva: 撰寫 - 審閱與編輯。José A. Bressiani: 概念化、方法論。Oriel T. Kölln: 概念化、方法論、撰寫 - 審閱與編輯。


競爭利益聲明


作者聲明下列財務利益/個人關係可能被視為潛在的利益衝突:Oriel Tiago Kolln 報告北巴拉納州立大學提供財務支援。Oriel Tiago Kolln 聲明與北巴拉納州立大學有以下關係:受僱。

  鳴謝


我們感謝300496/2017-6。我們感謝2016/18853-8。)本研究也獲得 BioValue Project (FAPESP #2016/50403-2) 與下列巴西公司的支持:EMBRAER S.A.、KLABIN S.A.、PETROBRAS S.A. 和 SUZANO

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        引用摘錄 :


      這種作物擁有眾多優點,包括生物能源生產、碳封存、土壤改良和經濟前景[2,3]。2020 年,全球能源甘蔗生物質產量增加至 16 億噸,以每噸 17 GJ 的驚人能源潛力為可再生能源版圖做出重大貢獻 [4,5]。然而,這種生物能源的生產會產生非經濟的副產品,導致大量的生物質廢棄物。


    • 添加生物碳可減少能源甘蔗栽培施肥土壤中的 N<inf>2</inf>O 排放量


      2024, 農業、生態系統與環境
        引用摘錄 :


      然而,有關糖能源部門溫室氣體排放的資訊是在甘蔗種植區域獲得的,而且缺乏評估氮肥和有機殘留物對巴西能源甘蔗種植土壤 N2O 排放影響的研究。能源甘蔗(S. officinarum 和 S. spontaneum 的雜交種)在巴西是一種初生作物,但它在糖能源產業中的地位越來越顯著,因為它由纖維含量較高的高產能材料組成,是生產生物電力、纖維乙醇和其他先進生物燃料的理想材料(Boschiero 等人,2023 年)。添加生物炭(木質纖維素生物質熱解所產生的高溫木炭)已在世界範圍內被視為一種增加碳固存和減少農業土壤 N2O 排放的策略(Spokas 和 Reicosky,2009 年;Singh 等人,2010 年;Deng 等人,2017 年)。


    • 磺酰胺同系物與糖基转移酶誘發的水稻(Oryza sativa L.)新陳代謝失調之間的相互作用


      2023、環境污染
        引用摘錄 :


      了解 SAs 對涉及糖形成的酵素介導代謝的影響,對於確保農作物的品質至關重要。糖類作為滲透物、碳骨架、能量來源以及異種生物結合劑,在決定 SAs 最初的解毒修飾以及最終的不良結果(如生物量產量、營養價值以及物理/感官性狀)方面扮演了舉足輕重的角色(Wang 和 Frei,2011;Ambavaram 等人,2014;Hokkanen 等人,2016;Huynh 和 Reinhold,2019;Liu 等人,2021;Boschiero 等人,2023)。內源糖與異種生物的共轭作用,即糖基化,是由糖基转移酶(GTs,EC:2.4.x.

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