浮萍能源價值研究

王昱瓔 夏娜娜 李雁

摘 要：浮萍可以在特定條件下快速積累淀粉，具有一定的能源價值。文章主要闡述了浮萍體內淀粉積累和淀粉降解過程所受調控因子的情況，希望能對行業發展有所借鑒。

關鍵詞：浮萍;能源價值;淀粉降解過程

中圖分類號：Q949.717.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）02-008-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.004

關于浮萍體內淀粉能源價值的研究，一方面著力于提高淀粉轉化為乙醇或丁醇的比重。Xu等[1]用α-淀粉酶、支鏈淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶水解的浮萍，還原糖回收率達到96.8%，還原糖利用率增加促進了產乙醇的量增加。研究表明，高淀粉浮萍（L.punctata）加入丙酮丁醇梭桿菌CICC 8012生產丁醇，浮萍的酸性水解產生的糖包括葡萄糖（32.24%）、木糖（1.15%）、半乳糖（4.61%），這些糖可在丙酮丁醇梭桿菌作用下產生溶劑丁醇等。其中，正丁醇溶劑的質量分數達到68.46%，比玉米糖漿產生的正丁醇溶劑高出14.11%。

另一方面，科研人員著力于促進浮萍體內淀粉積累的實驗研究，主要著力于刺激光合作用合成淀粉以及抑制淀粉降解。光合作用可以合成葡萄糖，再以淀粉形式進行儲存。刺激光合作用需要增加光照強度或提高環境中的二氧化碳濃度，這往往難以實現且價值不菲，尤其是在戶外;而后者通常通過操縱溫度、調整營養元素以及施加化學抑制劑來實現，相對簡單易行。

植物葉片中的淀粉降解主要包括水解途徑和磷酸解途徑，圖1中所示的實線表示水解淀粉途徑，虛線表示磷酸酸解途徑。幾條分解途徑及相關淀粉酶的功能簡述如下：

葡聚糖-水雙激酶（GWD）和磷酸葡聚糖-水雙激酶（PWD）磷酸解淀粉，淀粉粒結構轉變;異淀粉酶（ISA3）作用于松散淀粉粒而釋放出磷酸葡聚糖，磷酸葡聚糖磷酸酶（SEX4）去除GWD和PWD磷酸化的磷酸，與其他淀粉水解酶協同作用使淀粉分解;α-淀粉酶（AMY）使葡聚糖的α-1，4葡萄糖苷鍵水解;β-淀粉酶（BAM3）水解葡聚糖，并生成麥芽糖;麥芽糖通過葉綠體膜上的麥芽糖轉運子（MEX1）向細胞質輸出。

淀粉降解過程受到許多因子的調控，如營養饑餓、光照和生物節律、陽離子濃度以及化學抑制劑等都可以抑制浮萍體內的淀粉分解。

營養饑餓：許多文獻表明氮[1]、磷[2]、鉀[3]等營養元素的缺乏，可能減少淀粉在浮萍細胞內的消耗，從而導致淀粉積累。Ciereszko等[4]研究發現在浮萍生長水體中缺乏磷時會促進淀粉含量的積累，其原理是缺乏磷后使得根和葉片中的淀粉合成酶活性增加，主要是促進蔗糖磷酸合成酶、中性轉化酶等淀粉合成酶的活性，以促進淀粉含量的增加。營養饑餓是目前最經濟且可行的方法。Xu等首先在一家位于美國加利福尼亞州澤倫市的養豬廠培養高淀粉含量浮萍，利用收獲的生物質來生產生物乙醇。Farrell在23ha的氧化塘規模化培養浮萍，發現在營養缺乏的條件下，浮萍的淀粉含量從低于10%增長到平均19%。對于不同種的浮萍，浮萍密度、采收頻率和營養供應這三種因素影響著淀粉積累。迄今為止，規模化培養浮萍得到的淀粉含量最高為52.9%。

光照和晝夜節律。光照通過氧化還原作用，對淀粉解進行控制。據報道，在缺少丙糖磷酸化轉移因子的植物中，氧化還原作用同時調控淀粉的合成及降解。

晝夜節律同樣可以調控浮萍體內的淀粉積累。日間，植物進行光合作用，合成葉片過渡型淀粉，儲藏碳源，淀粉含量持續增加;夜間，葉片淀粉為植物體提供碳源，淀粉含量持續減少[8]。研究表明，晝夜溫度同樣影響淀粉積累：日間溫度相同的情況下，夜間溫度越低，紫背浮萍體內淀粉積累越快速;夜間溫度相同的情況下，日間溫度的變化對于紫背浮萍淀粉積累不產生實質影響[5]。

淀粉降解基因轉錄后的調控機制在降解速率調控方面發揮著更加重要的作用：淀粉降解相關酶通過氧化還原作用的激活;淀粉降解中間產物的反饋作用[6]。

研究人員在營養饑餓的基礎上，研究了溫度和日總光量（DLI）對紫背浮萍體內淀粉積累的影響，發現低溫和高DLI可以促進浮萍體內淀粉的積累。生長在5℃的紫背浮萍的淀粉含量比25℃的高114%;在不同溫度梯度下（5℃、15℃、25℃），提高DLI均可以導致淀粉含量增加。

陽離子濃度：鈉是浮萍生長的必需元素，其在環境中的濃度同樣影響著淀粉的積累。用不同濃度梯度的氯化鈉（10mM、20mM、30mM）處理紫背浮萍，培養4天之后，淀粉含量比不添加氯化鈉的對照組分別高13.4%、15.7%和18.7%。

重金屬同樣可以刺激淀粉在浮萍體內的積累。研究人員報道了鉻酸鹽、Ni2+等離子均可以抑制紫背浮萍的生長，并且刺激淀粉積累[7]。浮萍已被廣泛用于水質的生物監測，以及去除污水中的重金屬離子。然而，對植物施加重金屬離子的處理，將會造成生長逆境，還需要通過進一步的研究解決這個問題。

化學抑制劑。某些可以對植物或微生物的代謝產生抑制作用的化學物質，同樣影響著淀粉在浮萍體內的積累。比如氨基茚磷酸（AIP），一種強效的苯丙氨酸解氨酶（PAL，EC 4.3.1.5，通常存在于高等植物、酵母、菌類可溶性部分）抑制劑，在浮萍的生長環境中加入100μM AIP，培養5天后，浮萍內淀粉增加130%（干重比），培養8天后增加370%（干重比）。

脫落酸（ABA）是一種以異戊二烯為基本單位的l5碳的類倍半萜類植物激素，由于可加速葉片脫落而得名脫落酸。在高等植物中，可以由體內的類胡蘿卜素途徑合成脫落酸。

ABA在植物的生長發育、非生物脅迫和生物脅迫中有多重作用，在非生物脅迫中ABA可以促進植物對非生物脅迫的耐性，因此ABA也稱為應激激素或脅迫激素。營養饑餓和陽離子濃度會對浮萍生長造成脅迫，脅迫之下的植物通常會產生大量脫落酸（ABA），當脅迫解除后，ABA的含量又會大大下降。有報道顯示，施加85mM NaCl后，浮萍體內的ABA水平增加了50%。

ABA影響著植物的多種生理過程，包括休眠、衰老、種子萌發以及生長[8]，抑制氣孔張開或促進氣孔關閉[9]，同時也影響著浮萍的生長狀態。有報道說明，相比未施加ABA的對照組，施加1ppm外源ABA的某些紫萍和青萍的生長更為緩慢[10]。有研究人員對施加了外源ABA的L.gibba進行監測，發現鮮重減少，而干重增加，說明盡管ABA會抑制浮萍生長，但是不會對浮萍體內有機物的生產造成抑制。實際上，在ABA的抑制作用下，浮萍在體內不斷積累淀粉。對L.Minor施加10-6M ABA，培養6天后，鮮重減少到約60%，而干重增加到220%，淀粉干重比增加到約500%。已有研究表明，ABA可以抑制α-淀粉酶與β-淀粉酶的活性，降低浮萍降解的速率，使得浮萍體內淀粉含量不斷積累;并且，這種影響對β-淀粉酶降解途徑的作用更為明顯。

只有到達一定濃度的ABA，才能對浮萍體內淀粉的積累產生刺激作用。有研究表明，對L.gibba施加3×10-6 M ABA，浮萍的生長速度將會顯著放緩，淀粉同時產生積累;而施加10-7 M ABA時發生相反的結果，浮萍細胞快速生長，淀粉顆粒消失。之前對外源ABA影響浮萍生長的研究集中在高濃度（高于0.1mg/L）范圍，并且已經確定高濃度外源ABA可以抑制浮萍生長，促進淀粉積累。因此，本研究將外源ABA的濃度設置為0～0.1mg/L，探究低濃度外源ABA對浮萍體內淀粉降解的影響。

通過文獻調研可知，國內外對于浮萍能源價值的研究主要集中在促進浮萍體內淀粉的積累，主要指淀粉的合成與淀粉的降解。其中，對于淀粉合成的機理研究較為豐富，已經抵達基因層面，而對淀粉降解的研究較為缺乏。因此，本研究的目的確定為探索外源脫落酸將會怎樣調控浮萍體內的淀粉降解機制。

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