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目前，由于化石燃料的逐渐枯竭及其利用过程中造成的环境污染问题，亟需寻求清洁可再生的能源利用方式。利用可再生的生物质资源，通过热化学转化法制备燃料和化学品，对中国实现碳达峰、碳中和目标具有重大意义[1]。玉米Zea mays秸秆、棕榈Trachycarpus fortunei壳与马尾松Pinus massoniana分别属于草本生物质、果壳类生物质和木本生物质，资源储量丰富。然而针对此类农林废弃物，传统的处理手段存在产物单一、附加值低、效率低等问题，因此开发新型的生物质资源利用方法，提高生物质资源利用率，增加其经济附加值，是目前生物质综合利用研究领域面临的重要问题[2]。
生物质气化多联产技术是以空气、氧气、水蒸气等为气化剂，通过热化学反应将生物质中的纤维素、半纤维素和木质素组分转化为可燃气体、生物质炭和焦油的过程[3]。可燃气体具有较高的热值，广泛应用于集中供气、发电、供暖等领域；通过物理和化学活化法，生物质炭可制成各种类型的活性炭，广泛应用于化工、环保及军工等领域；通过分馏和复配技术，生物质焦油可用于制成液体肥料、杀菌剂及防腐剂等[4−5]。成亮等[6]以糠醛渣和废菌棒为原料，王亮才等[7]以紫茎泽兰Eupatorium adenophorum秆为原料，分别采用生物质气化多联产技术制备了生物质炭与可燃气，生物质炭用于制成机制炭和炭基肥，而可燃气则用于锅炉燃烧供热。然而，将典型的3种不同类型的生物质(玉米秸秆、棕榈壳、马尾松)进行生物质气化多联产对比研究还未见相关报道。
本研究选取玉米秸秆、棕榈壳、马尾松等3种生物质为原料，以空气为气化剂，采用自主设计的微型气化反应器，开展3种生物质的气化多联产研究，系统研究了气化温度对气化性能的影响，并且分别对气化三相产物(可燃气、生物质炭与焦油)的特性进行了分析。
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选取3种代表性的生物质原料进行气化实验，分别为木本生物质(马尾松)、草本生物质(玉米秸秆)和果壳类生物质(棕榈壳)，其中玉米秸秆取自山西省忻州市西张村，棕榈壳取自南京菲尔莫材料科技有限公司，马尾松取自浙江省杭州市临安区木材加工厂。生物质原料经自然晾晒后，用粉碎机磨成粉末，筛选出粒径100~200目的生物质粉末，在105 ℃烘箱中烘至绝干，装袋保存。
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参照国标GB/T 28731—2012《固体生物质燃料工业分析方法》，对3种生物质原料及其气化炭产物(挥发分、固定碳和灰分)进行测定；采用元素分析仪(Vario EL Ⅲ)对3种生物质原料及其气化炭产物的元素进行测定，其中氧(O)元素通过差减法计算得到；采用微机量热仪(ZDHW-8A)对原料及其气化炭产物的热值进行测量。采用X射线衍射仪(XRF-6000)对原料的结晶度进行测量，每次取样品粉末0.2 mg，经压片后送入样品室测试，扫描范围为5°~40°，扫描速度为2°·min−1，纤维素的结晶度按照式(1)进行计算。
$$ {I}_{\mathrm{C}\mathrm{r}}=\frac{{I}_{002}-{I}_{\mathrm{a}\mathrm{m}}}{{I}_{002}}\times 100\mathrm{\%} 。 $$ (1) 式(1)中：ICr为纤维素相对结晶度指数，I002是(002)面衍射角的极大强度，即结晶区的衍射强度，Iam是2θ为18°附近的非晶区衍射强度。采用热重分析仪(TG209 F1)对3种原料的热失重规律进行分析，每次实验取样品5 mg，置于石英坩埚中，氮气(N2)流量为40 mL·min−1，以20 ℃·min−1升温速率从室温升至800 ℃。
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如图1所示，采用自主研发的微型气化反应装置开展玉米秸秆、棕榈壳与马尾松的气化实验。实验装置可分为供气系统、反应系统、焦油收集系统、气体收集系统4个部分。供气系统主要由高纯氮气瓶、高纯氧气瓶、气体流量控制器组成；反应系统主要由温度控制器和加热反应器组成，用于得到气化固体产物；焦油收集系统主要由低温浴槽和冷凝管组成，用于收集冷凝气体，得到气化液体产物；气体收集系统主要由干燥剂和集气袋组成，用于收集不可冷凝可燃气，得到气化气体产物。
图 1 微型气化反应器装置简图
Figure 1. Schematic diagram of miniature gasification reactor
气化实验开始前，将5 g样品装入填有石英棉的石英坩埚中并悬挂于石英管的冷却区，然后通入预混的气化剂[N2与氧气(O2)混合而成的气体]，保持10 min，将反应器和链接管路内的其他气体排尽。当量比选取0.20，单位质量原料消耗的空气气化剂体积(Vair)的计算公式如下：
$$ {V}_{\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{r}}=\lambda \frac{22.41}{0.21}\left(\frac{{W}_{\mathrm{C}}}{12}+\frac{{W}_{\mathrm{H}}}{4}-\frac{{W}_{\mathrm{O}}}{32}\right) 。 $$ (2) 式(2)中：λ为当量比；WC、WH、WO分别为玉米秸秆中碳(C)、氢(H)、O元素质量分数(%)。根据N2和O2的配比分别调节两者的进气量，玉米秸秆气化实验通入N2与O2的流量分别为42.2与158.9 mL·min−1，棕榈壳气化实验通入N2与O2的流量分别为45.1与169.6 mL·min−1，马尾松气化实验分别通入N2与O2的流量为46.0与173.0 mL·min−1。之后，采用20 ℃·min−1的升温速率，将反应器加热至不同的气化温度(700、800和900 ℃)，待气化反应器加热至预设的气化温度后，迅速通过炉钩将坩埚垂直推至中部的反应区进行气化实验，同时连接好气袋，准备收集气化反应气体。气化产生的挥发分随气化剂进入冷凝管。冷凝管置于0 ℃以下的冰水混合物环境中，液体产物收集在冷凝管中，挥发分中的不可冷凝气体由集气袋收集。气化反应结束后，停止升温，立即用进样棒将石英坩埚拉至石英管的冷却区，关闭O2，继续通入N2，样品在冷却区逐渐降温。待坩埚内样品冷却后，取出得到气化炭，集气袋中收集到气化燃气，冷凝管中收集到气化液体产物。气化固体和液体产物的产率通过式(3)和(4)计算，气体产物的产率通过差减法获得。
$$ {Y}_{{\rm{solid}}}=\frac{{W}_{{\rm{solid}}}}{{W}_{{\rm{D}}}}\times 100\% \text{；} $$ (3) $$ {Y}_{{\rm{liquid}}}=\frac{{W}_{{\rm{liquid}}}}{{W}_{{\rm{D}}}}\times 100\% 。 $$ (4) 式(3)~(4)中：Ysolid、Yliquid分别为固体产物和液体产物的质量产率(%)；Wsolid、Wliquid分别为气化炭和焦油的质量(mg)；WD为原料的质量(mg)。
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采用气相色谱仪(GC9890B)对可燃气的组分进行分析，包括一氧化碳(CO)、氢气(H2)、甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、O2和N2，可燃气的低位热值通过式(5)进行计算。
$$ {V}_{\mathrm{L}\mathrm{H}}=\mathrm{ }12.6{V}_{\mathrm{C}\mathrm{O}}+10.8{V}_{{\mathrm{H}}_{2}}+35.9{V}_{{\mathrm{C}\mathrm{H}}_{4}} 。$$ (5) 式(5)中：VLH为可燃气的低位热值(MJ·m−3)，$ {V}_{\mathrm{C}\mathrm{O}} $、$ {V}_{{\mathrm{H}}_{2}} $、$ {V}_{{\mathrm{C}\mathrm{H}}_{4}} $分别代表各气体成分在可燃气中的体积分数(%)。采用气质联用仪(7890B-5977B)对气化焦油组分进行分析，测试前先采用色谱级甲醇溶剂对液体产物进行稀释。气相色谱检测条件：载气为高纯氦气(99.999%)，载气流速1 mL·min−1，色谱柱为HP-5MS毛细管柱，不分流。柱箱升温过程以4 ℃·min−1的升温速率升至260 ℃。质谱检测条件：离子源温度230 ℃，四级杆温度150 ℃，全扫描模式，溶剂延迟时间3 min。根据美国国家标准技术研究所谱库对液体产物进行组分鉴定和相对含量分析，用峰面积归一化法计算各组分的相对含量。
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表1列出了3种不同类型生物质原料的元素分析、工业分析和热值结果。由元素分析结果可知：生物质原料的氮(N)和硫(S)元素都很低，其中棕榈壳的C元素质量分数最高(48.50%)，马尾松的H元素质量分数最高(6.17%)，玉米秸秆C元素最低，而O元素质量分数最高(47.75%)，导致玉米秸秆的高位热值(16.16 MJ·kg−1)小于棕榈壳(17.06 MJ·kg−1)和马尾松(17.77 MJ·kg−1)。由工业分析结果可知：马尾松的挥发分质量分数最高，而灰分质量分数极低，仅为0.20%，远低于玉米秸秆(3.38%)和棕榈壳(4.51%)，灰分中的碱和碱土金属在气化过程中将促进焦油的二次裂解，降低焦油质量分数。
表 1 玉米秸秆、棕榈壳和马尾松的元素分析、工业分析和热值
Table 1. Ultimate analysis, proximate analysis, and calorific values of corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
样品 工业分析 元素分析 高位热值/(MJ·kg−1) m挥发分/% m灰分/% m固定碳/% mC/% mH/% mO/% mN/% mS/% 玉米秸秆 77.79 3.38 18.83 45.75 5.80 47.75 0.49 0.21 16.16 棕榈壳 73.04 4.51 22.45 48.50 5.53 44.80 1.08 0.09 17.06 马尾松 85.08 0.20 14.72 47.91 6.17 45.82 0.10 0.00 17.77 -
图2为3种不同类型生物质原料的XRD图谱。由图2可知：在衍射角为16°和22°处，3种原料均出现了2个衍射峰，分别代表纤维素结晶区的三斜晶系(Iα)和单斜晶系(Iβ)结构峰[8]，但是3种原料的结晶度存在显著差别。在衍射角为22º时，马尾松的衍射峰较为尖锐，而玉米秸秆和棕榈壳的衍射峰则较为宽泛。根据式(1)计算得到3种原料的结晶度的大小依次为马尾松(53.7)、玉米秸秆(50.0)、棕榈壳(48.7)。生物质原料的结晶度与纤维素质量分数密切相关，马尾松作为木本生物质，纤维素质量分数最高(40%~60%)，远高于草本生物质(30%~40%)与果壳类生物质(约25%)中纤维素质量分数，导致其结晶度最高[9]。
图 2 玉米秸秆、棕榈壳与马尾松原料的X射线衍射图
Figure 2. XRD patterns of corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
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图3为3种不同类型生物质原料在升温速率为20 ℃·min−1时的热重(TG)和微商热重(DTG)曲线。由TG曲线可知：玉米秸秆、棕榈壳和马尾松的热解残余质量分别为24.39%、27.48%和21.63%，其中马尾松的残余质量最少，因为马尾松的挥发分质量分数最高，灰分质量分数最低。由DTG曲线可知：3种原料的热解过程主要分为3个阶段，分别为干燥阶段、快速热解阶段和慢速热解阶段。干燥阶段的温度范围为室温至150 ℃，其中105 ℃以下时，主要是自由水的挥发，而在105 ℃以上时，主要是结合水的挥发。快速热解阶段的温度范围为150~ 425 ℃，此阶段的失重主要来自于生物质中半纤维素、纤维素和木质素的逐步热降解[9−10]。结果表明：3种原料的快速热解阶段存在显著差异。玉米秸秆热解存在3个失重峰，分别位于220、284和337 ℃，位于左侧的2个失重峰主要来自于半纤维素的降解，失重率较小，而位于右侧的最大失重峰则来自于纤维素的降解，失重率为15.85%·min−1。棕榈壳的快速热解过程存在2个显著的失重峰，分别来自于半纤维素和纤维素。然而与其他2种原料相比，棕榈壳原料的2个失重峰间距较大，主要原因是棕榈壳中木质素质量分数较高。木质素是由苯丙烷基结构单元组成的具有三维结构的芳香族化合物，以共价键的形式与纤维素和半纤维素交联，形成稳定的生物质化学结构。因此，较高的木质素质量分数导致生物质热降解速率变慢，导致半纤维素和纤维素的热降解失重峰分离较为明显[11]。马尾松的快速热解阶段主要由1个轻微的肩峰和1个清晰的尖峰构成，分别来自于半纤维素和纤维素降解，尖峰处的失重率为21.63%·min−1，远高于其他2种原料的失重率，主要原因是马尾松的纤维素质量分数最高。慢速热解阶段的温度范围较广，主要是木质素的降解，木质素中连接键发生断裂，之后逐渐缩聚形成无定形结构炭[12]。
图 3 玉米秸秆、棕榈壳与马尾松热解过程的 TG (A)和 DTG (B)曲线
Figure 3. TG (A) and DTG (B) curves during pyrolysis of corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
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由图4可知：随着气化温度从700 ℃增加至900 ℃，所有原料的可燃气产率逐渐增加，而生物质炭和焦油的质量产率逐渐下降。生物质气化过程是由干燥、热解、氧化和还原等4个阶段组成。随着气化温度的增加，生物质原料在气化过程中的热解和氧化反应增强，消耗更多的固态原料，使其转化为挥发分气体，进而使得燃气的质量产率上升，生物质炭的质量产率下降。此外，较高的气化温度有利于焦油发生二次降解反应，转化为小分子的可燃气体，使得液体产物的质量产率下降[13−14]。MOHAMMED等[15]和GÁLVEZ-PÉREZ等[16]分别研究了气化温度对棕榈果废弃物和橄榄Canarium album饼气化产物产率的影响。结果表明：在更高的气化温度条件下，可燃气的产率呈上升的趋势，而生物质炭与焦油产率逐渐降低。主要原因是随着反应器内温度升高，气固反应更加充分，加剧了氧化和还原反应的发生，有利于焦油的裂解和重整反应，产气量逐渐增加，焦油产量减小。
图 4 气化温度对玉米秸秆、棕榈壳与马尾松气化产物质量产率的影响
Figure 4. Effect of gasification temperatures on the mass yields of gasified products from corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
然而，3种原料的气化产物的产率存在显著差异。当气化温度为900 ℃时，3种原料的可燃气质量产率从高到低依次为马尾松(67.16%)、玉米秸秆(60.70%)、棕榈壳(57.61%)，生物质炭的质量产率从高到低依次为棕榈壳(19.72%)、玉米秸秆(15.96%)、马尾松(10.93%)，焦油的质量产率从高到低依次为玉米秸秆(23.34%)、棕榈壳(22.68%)、马尾松(21.91%)。结果表明：在3种原料中，马尾松气化产生的可燃气质量产率最高，而生物质炭和焦油的质量产率最低。主要原因是马尾松的挥发分质量分数最高，导致其在热解和气化反应区产生更多的可燃气，并且马尾松的灰分质量分数最低，而灰分大部分都残留在生物质炭中，导致其生物质炭的产率最低[17]。
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由图5可知：生物质原料气化的主要组分为H2、CO、CH4和CO2，其中CO为最主要的可燃气组分，体积分数远高于H2和CH4。随着气化温度从700 ℃增加至900 ℃，3种生物质可燃气中的CO、H2和CH4体积分数均逐渐增加，CO2体积分数逐渐减少，低位热值逐渐增加。以马尾松为例，CO、H2和CH4体积分数分别从37.95%、8.69%和15.67%增加至40.03%、18.27%和18.29%，而CO2体积分数则从14.88%减少至10.71%，低位热值从11.34 MJ·m−3增加至13.58 MJ·m−3。CERÓN等[18]研究了气化温度对挪威云杉Picea abies气化可燃气组分和热值的影响。结果表明：随着气化温度从750 ℃增加至950 ℃，CO和H2体积分数分别从10.4%和1.3%增加至21.4%和4.3%，而CO2则从3.8%下降至2.3%。主要原因如下：首先，气化温度的增加，促进了生物质在热解区的热降解反应，产生更多的挥发分气体；其次，较高的气化温度促进了燃烧区生物质炭中的C、H元素和气化剂中的O2之间的燃烧反应，进而生成更多的CO2和水(H2O)；最后，燃烧区产生的CO2和H2O进入还原区，与生物质炭中的C元素发生水煤气转化反应和Boudouard反应，产生更多的CO和H2等可燃气体，而CH4主要来自于焦油的二次裂解反应和加氢气化反应，高温促进了加氢气化反应的发生，使得CH4体积分数增加[19−20]。
图 5 气化温度对玉米秸秆、棕榈壳与马尾松气化可燃气组分和热值的影响
Figure 5. Effect of gasification temperatures on the compound distribution and calorific values of gaseous product from corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
3种生物质原料气化产生的可燃气组分和热值存在显著差异。当气化温度为900 ℃时，马尾松气化产生的CO体积分数最高，为40.03%，其次为玉米秸秆(31.37%)和棕榈壳(26.36%)；玉米秸秆气化产生的H2体积分数最高，为21.93%，其次为棕榈壳(21.05%)和马尾松(18.27%)；棕榈壳气化产生的CH4体积分数最高，为20.63%，其次为马尾松(18.29%)和玉米秸秆(16.65%)。马尾松气化产生可燃气的低位热值最高，达到13.59 MJ·m−3，表明在这3种原料中，马尾松最适宜作为气化原料。
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通过对比表1和表2数据可知：与生物质原料相比，气化后生物质炭的C元素质量分数显著增加，H和O元素大幅度减少，挥发分质量分数显著下降，灰分质量分数大幅增加。首先，气化温度对生物质炭的基础特性具有显著影响。根据元素分析结果，随着气化温度的增加，玉米秸秆炭C元素质量分数逐渐减少，棕榈壳炭与马尾松炭的C元素质量分数逐渐增加，3种生物质炭的H与O元素质量分数均逐渐减少；其次，根据工业分析结果可知，随着气化温度的增加，3种生物质炭的挥发分质量分数均逐渐减少，灰分质量分数逐渐增加，玉米秸秆炭固定碳质量分数逐渐减少，而棕榈壳炭与马尾松炭的固定碳质量分数逐渐增加，因此，玉米秸秆炭的高位热值逐渐下降，而棕榈壳炭与马尾松炭的高位热值略有上升。其次，不同原料之间的基础特性差异也导致3种气化生物质炭之间存在显著差异。当气化温度为900 ℃时，马尾松炭的C元素和固定碳质量分数最高，为85.75%和79.37%；玉米秸秆炭的O元素、H元素、挥发分和灰分质量分数最高，分别为19.73%、1.77%、26.83%和24.11%。因此，3种原料中，马尾松气化炭的高位热值最高，而玉米秸秆炭高位热值最低，3种生物质炭的高位热值从高到低依次为马尾松炭(29.70 MJ·kg−1)、棕榈壳炭(23.97 MJ·kg−1)、玉米秸秆炭(17.69 MJ·kg−1)。
表 2 气化温度对玉米秸秆、棕榈壳与马尾松气化生物质炭基本特性的影响
Table 2. Effect of gasification temperature on the basic properties of bio-charfrom corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
样品 T/℃ 元素分析 工业分析 高位热值/(MJ·kg−1) mC/% mH/% mO/% mN/% mS/% m挥发分/% m灰分/% m固定碳/% 玉米秸秆炭 700 65.03 2.02 20.45 0.02 0.03 31.49 12.45 56.06 21.51 玉米秸秆炭 800 61.93 1.82 20.26 0.01 0.00 29.52 15.98 54.50 20.21 玉米秸秆炭 900 54.37 1.77 19.72 0.01 0.02 26.83 24.11 49.06 17.69 棕榈壳炭 700 64.69 1.91 13.42 0.01 0.00 22.47 19.97 57.56 22.31 棕榈壳炭 800 68.49 1.71 9.73 0.01 0.00 19.61 20.06 60.33 23.88 棕榈壳炭 900 68.80 1.55 8.33 0.01 0.04 18.12 21.27 60.61 23.97 马尾松炭 700 83.58 2.16 10.93 0.00 0.05 21.35 2.71 75.94 29.39 马尾松炭 800 85.23 1.85 9.92 0.00 0.00 19.03 3.00 77.97 29.66 马尾松炭 900 85.75 1.74 9.78 0.00 0.02 17.92 3.28 79.37 29.70 说明：mO=100%−mC−mH−mN−mS−m灰分。 -
生物质气化的液体产物主要由酸类、醛类、酮类、醇类、酯类、酚类、芳烃类、呋喃类等有机化合物组成。由图6A可知：随着气化温度从700 ℃增加至900 ℃，所有原料气化后液体中酸类、醇类、醛酮类、呋喃类相对含量均呈递减趋势；玉米秸秆与马尾松气化液体中酯类相对含量逐渐下降，而棕榈壳呈相反趋势；玉米秸秆与棕榈壳气化液体产物的酚类物质相对含量的变化规律一致，而马尾松出现先增加后减小现象。此外，随气化温度的增加，玉米秸秆、棕榈壳、马尾松气化液体中芳烃类物质相对含量显著增加，分别从0.29%、1.30%、0.19%增加到50.86%、37.24%、61.12%。这是因为在高温下焦油中的酚类等含氧化合物逐步发生脱氧反应，使得芳构化程度逐渐加深，导致芳烃相对含量明显增加[21]。刘慧利等[22]研究了气化温度对液体产物组分含量的影响，发现在高温气化(700~900 ℃)条件下，液体产物中酚类化合物等含氧化合物极易发生脱氧反应，并最终形成了大量芳烃类化合物。
图 6 气化温度对玉米秸秆、棕榈壳与马尾松气化液体产物组分的影响
Figure 6. Effect of gasification temperatures on the liquid products of gaseous product from corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
图6B为气化温度为900 ℃时，3种生物质原料气化液体产物的总离子色谱图。马尾松气化产生的芳烃类相对含量最高，为61.12%，其次为玉米秸秆(50.86%)和棕榈壳(37.24%)，这是因为马尾松中纤维素相对含量最高(占40%~60%)，在高温下裂解产生大量的含氧化合物，此类含氧化合物与烯烃会发生Diels-Alder反应，进而形成芳烃类物质[23]。玉米秸秆气化产生的呋喃类相对含量最高，为6.54%，棕榈壳和马尾松缺未检测出此类组分。这是因为半纤维素是草本植物的主要成分(占25%~39%)，木聚糖经吡喃环开环反应生成木糖苷，C2或者C3位置上的4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸取代基脱落，最终发生连续脱水反应形成多种呋喃类物质[24]。棕榈壳气化产生的酚类相对含量最高，为38.97%，其次为玉米秸秆(36.12%)和马尾松(26.13%)，这与棕榈壳中木质素相对含量(约50%)较高有关，木质素主要是由愈创木基、紫丁香基和对羟基苯基等3种结构单元组成，通过木质素中的β—O—4醚键、C—C键等连接键的断裂，生成大量的酚类化合物[25]。
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采用自主设计的微型固定床气化装置，研究了气化温度对马尾松、玉米秸秆和棕榈壳等3种生物质气化产物产率和特性的影响。结果表明：随着气化温度的增加，可燃气质量产率逐渐增加，而生物质炭和焦油质量产率逐渐减小；较高的气化温度有利于可燃气中可燃组分和热值的提高；较高的气化温度导致生物质炭中的C元素和灰分质量分数增加，而H和O元素及挥发分质量分数降低，热值增加；较高的气化温度导致焦油中酸类、醇类、醛酮类、呋喃类化合物相对含量逐渐减小，而芳烃类化合物相对含量大幅增加。
Effect of gasification temperature on the properties of the bio-gas, bio-char, and tar derived in biomass gasification
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摘要:
目的 生物质气化技术是一种清洁可再生的能源利用技术。研究气化温度对气化产物特性的影响机制，构建气化产物特性的演变规律，对中国实现碳达峰与碳中和目标具有重大意义。 方法 以玉米Zea mays秸秆、棕榈Trachycarpus fortunei壳和马尾松Pinus massoniana等3种农林生物质废弃物为原料，以空气为气化剂，采用自制的微型固定床气化装置，开展3种生物质的气化多联产研究，系统研究了不同气化温度(700、800、900 ℃)对气化性能的影响，以及对气化三相产物(可燃气、生物质炭与焦油)特性的影响机制。 结果 随着气化温度从700 ℃增加至900 ℃，可燃气的质量产率逐渐增加，而生物质炭和焦油的质量产率逐渐减小。较高的气化温度有利于提升可燃气的热值。在3种原料中，马尾松可燃气的热值最高，一氧化碳、氢气和甲烷体积分数分别为40.03%、18.27%和18.29%，低位热值达13.58 MJ·m−3。随着气化温度的增加，生物质炭中的碳元素质量分数增加，氢元素质量分数下降，灰分质量分数大幅增加，其中马尾松炭的热值最高，达29.70 MJ·kg−1。随着气化温度的增加，3种原料的气化液体产物中酸类、醇类、醛酮类、呋喃类化合物相对含量逐渐减小，而芳烃类化合物相对含量大幅增加，其中马尾松的芳烃类化合物相对含量最高，达到61.12%。 结论 气化温度对生物质气化三相产物的产量及特性有显著的影响，选择合适的气化温度对提高生物质可燃气热值及气化效率至关重要。图6表2参25 Abstract:Objective Biomass gasification technology is a clean and renewable energy utilization approach. The purpose of this study is to investigate the influence mechanism of gasification temperature on the properties of gasification products, and to build the evolution law of the characteristics of gasification products, which is of great significance for China to achieve the goal of carbon peaking and carbon neutrality. Method Three types of lignocellulosic biomass, namely Zea mays, Trachycarpus fortunei, and Pinus massoniana, were gasified in a home-made fixed bed gasification reactor. The effect of different gasification temperatures (GT) (700, 800, 900 ℃) on gasification performance were systematically studied, as well as the mechanism of their effects on the characteristics of gasification products (bio-gas, bio-char, and tar). Result With the increase of GT from 700 ℃ to 900 ℃, the yield of bio-gas gradually increased, while the yields of bio-char and tar gradually decreased. Higher GT resulted in better quality of bio-gas. Among the three types of biomass, bio-gas from P. massoniana had the highest calorific value. The contents of CO, H2, and CH4 were 40.03%, 18.27%, and 18.29%, respectively, and the lower calorific value was 13.58 MJ·m−3. With the increase of GT, the contents of C and ash increased, while the contents of H decreased. The calorific value of bio-char from P. massoniana was the highest, reaching 29.70 MJ·kg−1. With the increase of GT, the content of acids, alcohols, aldehydes, ketones and furans in the liquid products of biomass gasification gradually decreased, while the content of aromatics increased significantly, with the highest aromatic content in P. massoniana, reaching 61.12%. Conclusion GT has a significant influence on the yield and properties of gasified products. Optimizing the gasification temperature is crucial for improving the calorific value and gasification efficiency. [Ch, 6 fig. 2 tab. 25 ref.] -
Key words:
- biomass /
- gasification poly-generation /
- gasification temperature /
- bio-gas /
- bio-char /
- tar
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低温是限制植物生长和发育的主要逆境因子。较低的温度会损伤植物细胞的膜结构，抑制酶活性，诱导活性氧产生，破坏代谢平衡等，引起植物生长受阻、早衰甚至死亡[1]。世界上只有三分之一的陆地面积温度在冰点以上，却有42%的陆地会经历−20 ℃以下的低温，因此低温也是限制植物地理分布的重要因素[2]。为了应对低温胁迫，植物在长期进化过程中逐渐形成了低温适应机制，用来提高植物耐受低温逆境的能力，降低低温胁迫伤害。在代谢层面上，植物可以通过提高可溶性糖、游离脯氨酸等小分子渗透调节物，以及抗氧化酶过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)等的活性来增加对低温的耐受力[3]。分子层面上，低温下植物细胞膜的流动性降低，膜蛋白的构象发生改变，进而使膜刚性增加，细胞膜的这些物理变化为膜上低温受体对低温的感受提供了基础。植物细胞的受体感受低温信号后，通过提高细胞质中的钙离子(Ca2+)水平，并与Ca2+结合蛋白结合，作为二级信号激活抗寒相关转录因子，调控耐寒相关基因，实现低温胁迫响应[4]。目前，低温响应的分子调控途径中，ICE1-CBF-COR途经被认为是植物响应耐寒胁迫的主要途径[5]。低温通过Ca2+信号引发蛋白激酶磷酸化脱落酸(ABA)信号调控途径中的蛋白激酶OST1 (open stomata1，气孔开放1)/SnRK2.1 (SNF1-related protein kinase 2.1，SNF1相关蛋白激酶2.1)，磷酸化的OST1与bHLH类转录因子ICE1结合并将其磷酸化，稳定ICE1的活性，使其稳定结合在CBF (C-repeat binding factor，C-重复结合因子)基因上，激活它们的表达。CBF转录因子会进一步启动冷响应相关基因CORs (cold responsive，低温响应)，如编码渗透调节物质合成酶以及低温保护蛋白COR、LT1 (low temperature 1，低温1)和CIN (cold-induced，冷诱导)基因等，提高植物的低温适应性[6-7]。除此之外，植物激素[8]和ROS (reactive oxygen species，活性氧)[9]也参与了植物低温响应的调控。
植物细胞中，低温的响应和调控主要发生在细胞质和细胞核中，但叶绿体在低温响应中也发挥了重要作用。叶绿体不仅是低温响应二级信号分子ROS产生的主要场所[10]，还参与水杨酸(SA)[11]、茉莉酸(JA)[12]、ABA[13]以及脯氨酸[14]等的生物合成。这些物质在植物低温响应中都产生了积极效应。因此，参与叶绿体生物活性的相关基因在低温逆境响应中也发挥了重要的功能。近年来，研究者发现叶绿体产生的ROS等信号分子可以通过逆行性信号传递途径进入细胞核来调控核基因的表达，以实现植物对环境的适应[15]。但叶绿体参与低温胁迫响应的具体分子机制大多不清楚。随着人们对植物逆境生物学研究重视程度的提高，越来越多参与植物非生物逆境响应的基因被挖掘出来，这些基因中有些响应特异逆境，也有些能够响应多种逆境，表明植物响应逆境的分子机制非常复杂的。尽管已经确定了相当数量逆境响应基因的功能，但仍有很多功能未知的基因响应非生物逆境胁迫[16]。
桉Eucalyptus树是世界上生长最快的木本植物之一，作为重要的用材树种广受欢迎，但大部分桉树对低温的耐受程度比较差。以桉树为材料研究它们的耐低温分子机制，深入挖掘低温胁迫响应相关的基因资源，对桉树的栽培和育种都有促进作用[17]。EgrCIN1 (cold induced 1)是一个随低温处理时间延长表达不断增强的基因。亚细胞定位表明其表达的蛋白定位在巨桉Eucalyptus grandis叶绿体中。本研究通过对该基因及其编码蛋白序列特征的分析和在拟南芥Arabidopsis thaliana中异源过表达后转基因株系对低温的响应等实验，分析该基因响应低温胁迫的功能。
1. 材料与方法
1.1 植物材料
巨桉为保存于浙江农林大学苗圃的G5扦插无性系材料。拟南芥野生型为哥伦比亚生态型，生长于浙江农林大学智能实验楼拟南芥生长室，生长条件为25 ℃ 16 h光照/22 ℃ 8 h黑暗，相对湿度为65%，光照强度为100 µmol·m−2·s−1。
1.2 EgrCIN1基因、编码蛋白序列及启动子顺式作用元件分析
根据EgrCIN1的编号(Eucgr.B02882)在phytozome (
https://phytozome-next.jgi.doe.gov )中获取其基因、蛋白序列。使用ProtParam (http://web.expasy.Org/protparam/ )分析EgrCIN1蛋白的相对分子量、理论等电点；使用PSIPRED (http://bioinf.cs.ucl.ac.uk/psipred/?disopred=1 )在线预测其二级结构；使用TMHMM(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/ )进行跨膜结构预测；利用Plant-mPLoc (http://www.csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/plant-multi/ )对EgrCIN1在细胞中的表达位置进行预测；同时截取EgrCIN1基因起始密码子ATG上游1 500 bp的序列作为其启动子，使用在线分析网站Plant Care (http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/ )分析EgrCIN1基因启动子上的顺式作用元件。1.3 定量分析实验设置
1.3.1 4 ℃低温不同处理时间下的表达分析
取6个月苗龄的巨桉G5无性系幼苗，于低温生长箱(Snijder，荷兰)中进行0.5、2.0、6.0、12.0、24.0、48.0 h的4 ℃低温处理。8 h光照/16 h黑暗，相对湿度为60%，光照强度为150 µmol·m−2·s−1。同时分别以正常温度(白天26 ℃，晚上22 ℃，湿度、光照与处理相同)条件下生长的G5无性系幼苗为对照(ck)。3株幼苗为1个处理组，设置3次重复。处理结束后，取叶片置于液氮速冻。
1.3.2 组织特异性分析
分别取6个月苗龄的巨桉G5无性系幼苗根、茎、嫩叶(顶端新生叶片)以及成熟叶片各100 mg，置于液氮速冻，待测。
1.3.3 干旱、高盐、ABA、茉莉酸甲酯(MeJA)处理下的表达分析
选取长势一致、6个月苗龄的巨桉G5无性系幼苗，分别进行干旱、高盐、ABA、MeJA等4种胁迫处理。干旱、高盐处理：干旱组不浇水即可；高盐处理组每次浇灌300 mmol·L−1氯化钠(NaCl)溶液200 mL，间隔12 h续浇1次；对照组浇灌等量清水，连续处理1周。ABA、MeJA处理：分别配制浓度为100 μmol·L−1的ABA和MeJA溶液，均匀喷洒在幼苗叶片上，对照组喷施等量清水，12 h处理1次，共处理24 h。每个处理3个植株，重复3次。处理结束后选择相同叶位的成熟叶片取样。
1.3.4 RNA提取
使用TIANGEN总RNA提取试剂盒(DP432)，利用PrimerScript TM RT reagent Kit (TaKaRa，日本)试剂盒将RNA反转录为cDNA。设计引物(表1)，以EgrACTIN为内参，用TB Green Premix Ex Taq Ⅱ(Tli RNaseH Plus)试剂盒(TaKaRa，日本)进行EgrCIN1基因表达的实时荧光定量PCR (RT-qPCR)实验，分析EgrCIN1在巨桉不同组织中及不同逆境处理后的表达情况。
表 1 引物列表Table 1 Primers用途 引物名称 引物序列(5′→3′) 35S::EgrCIN1载体构建 35S::EgrCIN1-F cgggggtaccATGGCTTCTTCACCTTGCAAAA 35S::EgrCIN1-R gctctagaTCATCGGACATGGGGAATTACA 35S::EgrCIN1::GFP载体构建 EgrCIN1::GFP-F gctctagaATGGCTTCTTCACCTTGCAAAA EgrCIN1::GFP-R cgggggtaccTCGGACATGGGGAATTACA 半定量PCR EgrCIN1-F AGCCTATGCTTGTACTCCACCA EgrCIN1-R TTGCCGCCCTCGGCGCGGATGA AtACTIN-F TAGGCCAAGACATCATGGTGTCAT AtACTIN-R GTTGTACGACCACTGGCGTACAAG RT-qPCR EgrACTIN-F CCCGCTATGTATGTCGC EgrACTIN-R AAGGTCAAGACGGAGGAT qEgrCIN1-F ATGGCTTCTTCACCTTGCAAAA qEgrCIN1-R TCATCGGACATGGGGAATTACA 说明：引物前小写字母为酶切位点及保护碱基 1.4 EgrCIN1蛋白亚细胞定位
以改造过的pCAMbia1300-GFP载体为骨架，在phytozome上获得EgrCIN1的转录本序列，去掉终止密码子后使用Primer Premier 5设计上下游引物并在引物2端分别添加Kpn Ⅰ和Xba Ⅰ酶切位点及保护碱基(表1)，基因克隆后进行EgrCIN1::GFP融合载体构建。重组的阳性克隆提取质粒后，利用电转法转入农杆菌Agrobacterium tumetacie GV3101中。瞬时转化烟草Nicotiana tabacum叶片，共培养2 d后用激光共聚焦显微镜(ZEISS，LSM510，德国)观察并拍照。GFP荧光观察激发光波长设置为488 nm，吸收光波长为500~525 nm；观察叶绿素荧光时激发光波长设置为552 nm，吸收光波长则为620~650 nm。
1.5 EgrCIN1超表达载体构建及拟南芥异源转化
以含35S启动子的pCAMBIA1301为载体骨架，选取多克隆位点处的Xba Ⅰ和Kpn Ⅰ作为酶切位点，设计EgrCIN1带酶切位点的全长基因引物(表1)，PCR扩增，鉴定后进行35S::EgrCIN1载体构建。电击转化农杆菌GV3101，蘸花法侵染拟南芥。种子收获后，在含25 μg·mL−1潮霉素B (Hygromycin B，罗氏，瑞士)的1/2 MS培养基进行阳性株系筛选，获得的阳性株系培养一段时间后，提取叶片基因组DNA，利用EgrCIN1基因特异引物(表1)进行分子鉴定。阳性株系继续繁殖、筛选，直至获得T3代转基因纯合株系。
1.6 转基因拟南芥株系中EgrCIN1的表达
经筛选获得3个超表达EgrCIN1转基因纯合株系，纯合株系植株种植10 d后，提取叶片RNA，反转录为cDNA，设计引物(表1)，以AtACTIN为内参，进行半定量PCR实验。
1.7 EgrCIN1拟南芥过表达转基因株系低温和ABA处理
野生型和EgrCIN1过表达株系种子经体积分数为75%乙醇消毒后，播种在1/2 MS培养基上，4 ℃春化处理2 d。低温处理：培养基上培养1周后的野生型和转基因株系幼苗分别移栽至育苗盆中，每盆中野生型和1个转基因株系各移栽4株。生长2周后，在低温培养箱中−6 ℃处理12 h后移至正常生长条件下恢复1周，观察表型并拍照。每个株系处理3盆，重复3次。实验结束后统计野生型(COL)和各株系的存活率。ABA处理：野生型和3个过表达株系分别播于含0.5 μmol·L−1 ABA的培养基上，生长10 d后，观察表型并拍照。
1.8 数据处理
定量结果采用2－ΔΔCt[18]方法计算；作图软件为GraphPad Prism ver 6.01；使用SPSS 16.0进行显著性检验，分析方法选择单因素方差分析，默认置信区间95%。
2. 结果与分析
2.1 EgrCIN1基因的筛选及在4 ℃低温不同处理时间下的表达分析
课题组前期从巨桉4 ℃低温处理2 h的转录组中筛选到1个表达受到低温强烈诱导的基因，将其命名为EgrCIN1 (cold induced 1)。Phytozome数据库中该基因的序列号为Eucgr.B02882。为进一步了解EgrCIN1对低温的响应，利用RT-qPCR技术对4 ℃不同处理时间(0.5、2.0、6.0、12.0、24.0、48.0 h)的巨桉无性系幼苗进行EgrCIN1表达特性分析。结果表明(图1)：除了处理0.5 h的植株中EgrCIN1基因的表达水平与未处理植株(对照)相比没有显著差异外，随处理时间的延长，EgrCIN1的表达水平逐渐升高，处理48.0 h时，其表达水平已经达到了对照的48.6倍。48.0 h后，叶片萎蔫严重，明显受到低温生理伤害，故未进一步取样分析。可见，EgrCIN1表达明显受低温诱导，且随处理时间的延长表达有增强的趋势。
图 1 4 ℃低温处理不同时间下EgrCIN1的定量表达Figure 1 Relative expression of EgrCIN1 gene under 4 ℃ low temperature treatment for different time2.2 EgrCIN1基因、蛋白序列分析
根据巨桉数据库获取信息和相关分析可知：该基因开放阅读框全长579 bp，不含内含子。编码含有192个氨基酸的蛋白，等电点为6.98，相对分子量为20.80 kDa。该基因编码的蛋白既没有旁系同源物，也没有直系同源物，是巨桉中特有且唯一的蛋白。
利用PSIPRED对EgrCIN1编码的蛋白的二级结构预测表明：该蛋白含有2个β转角和7个ɑ螺旋，其余部分则为无规则卷曲(图2A)。利用TMHMM对EgrCIN1蛋白序列跨膜结构的预测则表明：序列中所有氨基酸序列位点的跨膜概率均小于0.02，没有明显跨膜区域(图2B)，说明其不是膜蛋白。亚细胞定位预测结果显示：EgrCIN1编码的蛋白可能在叶绿体、线粒体、细胞质及细胞核中都能表达。
图 2 EgrCIN1蛋白二级结构(A)和跨膜结构(B)预测Figure 2 Prediction of EgrCIN1 protein secondary structure (A) and transmembrane structure (B)2.3 EgrCIN1基因启动子顺式作用元件分析
对EgrCIN1的启动子上分布的顺式作用元件进行了分析，发现在EgrCIN1启动子上分布着多个与植物非生物逆境胁迫响应密切相关的顺式作用元件(表2)，其中脱落酸应答元件(ABA response element, ABRE) 2个，乙烯响应元件(ethylene response element, ERE) 1个，低温响应元件(low temperature response element, LTR) 1个，植物转录因子MYB识别序列(MYB recongnition site)、MYC结合序列均为干旱和ABA响应元件，分别有4和6个。表明该基因的表达可能受到逆境胁迫的调控。
表 2 EgrCIN1基因启动子上的顺式作用元件Table 2 Cis-elemtents in the promoter of EgrCIN1名称 位置 基序(5′→3′) 数量 功能 ABRE 1 165−、1 165+ GTGCAC 2 ABA响应元件 ERE 706+ ATTTAAA 1 乙烯响应元件 LTR 420− AAAGCC 1 低温响应元件 MYB 1 378+、1 152−、1 330+、1 378+ TAACCA 4 干旱、ABA响应元件 MYC 104−、935−、630−、622+、1 015−、668+ CATTTG 6 干旱、ABA响应元件 W-box 1 012−、1 280−、1 149− TTGACC 3 真菌诱导反应元件 说明：+表示正义链，−表示反义链 2.4 EgrCIN1组织特异性表达分析
通过RT-qPCR分析EgrCIN1在不同组织中的表达情况，结果表明：EgrCIN1在嫩叶、成熟叶和茎中都有表达，且在茎中的表达量最高，而在根中却没有表达(图3)。
图 3 EgrCIN1在巨桉不同组织中的定量表达Figure 3 Quantitative expression of EgrCIN1 in different tissues of E. grandis2.5 EgrCIN1蛋白亚细胞定位
由于EgrCIN1为巨桉特有的基因，尚无其功能信息的研究，本研究构建了EgrCIN1::GFP表达载体，针对其编码蛋白在细胞中发挥功能的位置进行了亚细胞定位分析。结果表明：EgrCIN1蛋白与烟草叶片中的叶绿体具有共定位效应，表明EgrCIN1是在叶绿体中发挥作用的蛋白(图4)。
图 4 EgrCIN1蛋白在烟草表皮细胞中的表达(标尺为50 μm)Figure 4 Expression of EgrCIN1 protein in tobacco epidermis cell(the bar is 50 μm)2.6 拟南芥过表达转基因株系中EgrCIN1的表达
通过遗传转化后，从中筛选获得3个转基因株系：EgrCIN1-OE3、EgrCIN1-OE7和EgrCIN1-OE9。利用RT-qPCR技术对这3个株系中EgrCIN1的基因表达情况进行分析，结果表明：EgrCIN1在3个株系中都有明显的表达(图5)。
图 5 野生型和EgrCIN1过表达转基因株系中EgrCIN1的半定量PCRFigure 5 Semi-quantitative PCR of EgrCIN1 in wild type and EgrCIN1 overexpression transgenic lines2.7 低温处理下EgrCIN1过表达转基因株系的表型分析
对3个拟南芥过表达转基因株系进行−6 ℃低温处理12 h，随后置于正常生长条件下生长1周。结果发现：−6 ℃低温处理对转基因株系和野生型都会造成低温伤害，但转基因株系的恢复情况明显好于野生型(图6A)。统计不同株系的存活率发现，野生型存活率为30.53%，而EgrCIN1-OE3、EgrCIN1-OE7和EgrCIN1-OE9等3个转基因株系分别达到了77.77%、86.07%和88.83% (图6B)，表明EgrCIN1的超表达在一定程度上可以提高植株的抗寒性。
图 6 野生型和EgrCIN1转基因株系低温处理后的表型(A)和存活率(B)Figure 6 Phenotype (A) and survival (B) of wild-type and EgrCIN1 transgenic lines after cold treatment2.8 ABA处理下EgrCIN1过表达转基因株系的表型分析
植物低温响应分子调控途径有ABA依赖型和ABA非依赖型。针对EgrCIN1参与的抗寒性途径是否有ABA参与的这一问题，对转基因株系进行了ABA处理。结果表明：在0.5 μmol·L−1 ABA处理10 d后，3个转基因株系受到的ABA抑制作用明显强于野生型(图7)，说明ABA也参与了EgrCIN1功能的发挥。
图 7 野生型和EgrCIN1过表达株系0.5 μmol·L−1 ABA处理10 d后的表型Figure 7 Phenotypes of wild-type and EgrCIN1 overexpression lines treated with 0.5 μmol·L−1 ABA after 10 days2.9 干旱、高盐、ABA和MeJA等其他非生物逆境处理下EgrCIN1的表达分析
由于不同非生物逆境因子之间往往存在相互作用，为了进一步了解其他非生物逆境因子对EgrCIN1的影响，分别分析了EgrCIN1在巨桉幼苗干旱、高盐、ABA和MeJA处理下的表达情况。结果表明：干旱和高盐处理都能诱导EgrCIN1的表达，干旱处理下EgrCIN1的表达量是对照的35.1倍；300 mmol·L−1 NaCl处理下EgrCIN1表达量则上调了16.4倍(图8A)。但EgrCIN1的拟南芥过表达转基因株系在干旱和高盐处理下与野生型相比没有显著的表型差异。此外，外源喷施ABA也能促进EgrCIN1的表达，而100 μmol·L−1 MeJA处理下，和对照相比EgrCIN1的表达并未发生显著变化(图8B)。
图 8 巨桉幼苗高盐、干旱(A)和ABA、MeJA(B)处理下EgrCIN1的定量表达Figure 8 Quantitative expression of EgrCIN1 in E. grandis seedlings under high salt, drought (A) and ABA, MeJA (B) treatments3. 讨论
EgrCIN1是巨桉中一个受低温诱导的未知功能的基因，本研究表明：它随着低温处理时间的延长，表达水平不断提高，显示其参与了巨桉的低温胁迫响应。基因、蛋白质序列的结构特征分析，以及多序列比对和可能功能域的搜索结果都表明该基因是巨桉中一个特有的新基因。启动子上顺式作用元件的预测也表明其表达可能受低温相关因素和信号的影响。组织特异性表达分析则表明该基因主要在巨桉茎和叶中表达，而根中没有表达。显示其可能主要在植株地上部分发挥作用。对于EgrCIN1功能的进一步研究有可能为揭示桉树低温适应性新机制提供基础。
叶绿体在植物低温响应过程中处于中心枢纽的位置，一方面植物抵抗低温的能力取决于低温下的叶片光合活性。另一方面，叶绿体中参与光合作用的光反应中心酶活性受到抑制，进而引发PSⅡ的光能溢出效应，导致ROS积累，产生控制核基因表达的逆行性信号，调控低温响应基因表达，提高植株适应性[19]。在一定程度上，叶绿体的抗低温程度与整体植株的抗寒性密切相关。因此，叶绿体冷诱导相关的基因受到了极大的关注和重视。很多冷诱导基因在叶绿体中表达，并参与植物的低温逆境响应。针叶福禄考Phlox subulata中PsCor413im1蛋白在叶绿体膜上表达，超表达PsCor413im1的拟南芥株系在低温和冷冻逆境下，存活率和种子发芽率都有较大程度的提高[20]。拟南芥中的NAC102在叶绿体中作为抑制因子参与叶绿体基因的表达，并介导ROS对低温响应基因ZAT6、ZAT10和ZAT12等的调控[21-22]；冷调控蛋白COR15A和COR15B在低温条件下也可以通过结构的改变稳定叶绿体的膜结构，实现拟南芥对低温的适应性[23]。这些结果表明：叶绿体中表达的低温诱导基因有可能成为植物低温驯化的重要靶标。尽管利用生物信息学软件预测EgrCIN1编码蛋白在叶绿体、线粒体、细胞质以及细胞核中都可能存在，但亚细胞定位结果表明其可能仅在叶绿体中表达。因此被低温强烈诱导的EgrCIN1基因表达的蛋白也定位在叶绿体中，表明其在桉树中同样有可能是叶绿体中参与低温耐受性提高的重要候选基因。拟南芥中过表达EgrCIN1株系低温处理下的结果说明了该基因的确参与了植物的低温胁迫响应，能够提高植株对低温的耐受程度。另外，该基因在不同叶绿体中表达的强度有所差异，同时并非所有叶绿体中都有该基因的表达。这可能与瞬时表达过程中该基因在不同叶绿体中表达的强度不同有关，也可能是该基因在叶绿体不同发育阶段表达模式不同。
ABA在植物低温响应中也发挥了重要作用[24-25]，包含叶绿体在内的质体是ABA生物合成开始的场所[13]。ABA在叶绿体中与逆境胁迫相关基因表达的蛋白互作调控植物对逆境的适应性。如小立碗藓Physcomitrella patens中，ABA介导了叶绿体蛋白PpCOR413im对植物低温逆境适应性的调控[26]。拟南芥中过表达匍匐剪股颖Agrostis stolonifera叶绿体定位蛋白AsHSP26.8a，可以通过调控ABA信号途径提高转基因植株对低温的抗性水平[27]。EgrCIN1的过表达株系对外源ABA表现出敏感性提高的表型，同时转基因植株对低温的抗性也得到了增强，这与AsHSP26.8a作用相似。暗示ABA合成或者信号途径可能也参与了EgrCIN1对低温逆境响应的调控。同时，在巨桉中，ABA的处理也能在一定程度上诱导EgrCIN1的表达，表明ABA合成或者信号途径可能也参与了EgrCIN1功能发挥的调控。因此，EgrCIN1一方面可能受到低温等非生物逆境信号诱导而参与ABA生物合成或者信号转导对逆境响应的调控；另一方面，ABA也极可能直接影响EgrCIN1的表达，参与其功能的调控。另外，干旱、高盐也能强烈诱导EgrCIN1的表达，但实验过程中EgrCIN1拟南芥过表达转基因株系并未表现出明显的耐旱、耐盐表型，显示EgrCIN1在拟南芥和巨桉的非生物逆境响应中发挥的功能可能不同，同时也表明EgrCIN1在植物非生物逆境响应中发挥的功能比较复杂，需要进一步研究以揭示其在巨桉低温等非生物逆境响应中的功能。
本研究表明：EgrCIN1是巨桉中特有的一个基因，受低温强烈诱导，在叶绿体中表达。其拟南芥过表达转基因株系提高了对低温的耐受性，同时对ABA的敏感程度也被增强。这表明EgrCIN1有可能是存在叶绿体中，通过与ABA互作，以ABA依赖形式的途径参与了植物对低温逆境的响应。但仍有很多问题需要进一步深入研究，如EgrCIN1是否与叶绿体的发育有关系，与ABA采用什么样的互作方式共同参与植物对低温逆境适应性的调控，在干旱、高盐等其他非生物逆境响应中的作用等。
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图 2 玉米秸秆、棕榈壳与马尾松原料的X射线衍射图
Figure 2 XRD patterns of corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
图 3 玉米秸秆、棕榈壳与马尾松热解过程的 TG (A)和 DTG (B)曲线
Figure 3 TG (A) and DTG (B) curves during pyrolysis of corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
图 4 气化温度对玉米秸秆、棕榈壳与马尾松气化产物质量产率的影响
Figure 4 Effect of gasification temperatures on the mass yields of gasified products from corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
图 5 气化温度对玉米秸秆、棕榈壳与马尾松气化可燃气组分和热值的影响
Figure 5 Effect of gasification temperatures on the compound distribution and calorific values of gaseous product from corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
图 6 气化温度对玉米秸秆、棕榈壳与马尾松气化液体产物组分的影响
Figure 6 Effect of gasification temperatures on the liquid products of gaseous product from corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
表 1 玉米秸秆、棕榈壳和马尾松的元素分析、工业分析和热值
Table 1. Ultimate analysis, proximate analysis, and calorific values of corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
样品 工业分析 元素分析 高位热值/(MJ·kg−1) m挥发分/% m灰分/% m固定碳/% mC/% mH/% mO/% mN/% mS/% 玉米秸秆 77.79 3.38 18.83 45.75 5.80 47.75 0.49 0.21 16.16 棕榈壳 73.04 4.51 22.45 48.50 5.53 44.80 1.08 0.09 17.06 马尾松 85.08 0.20 14.72 47.91 6.17 45.82 0.10 0.00 17.77 
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表 2 气化温度对玉米秸秆、棕榈壳与马尾松气化生物质炭基本特性的影响
Table 2. Effect of gasification temperature on the basic properties of bio-charfrom corn stalk, palm kernel shell, and pine wood
样品 T/℃ 元素分析 工业分析 高位热值/(MJ·kg−1) mC/% mH/% mO/% mN/% mS/% m挥发分/% m灰分/% m固定碳/% 玉米秸秆炭 700 65.03 2.02 20.45 0.02 0.03 31.49 12.45 56.06 21.51 玉米秸秆炭 800 61.93 1.82 20.26 0.01 0.00 29.52 15.98 54.50 20.21 玉米秸秆炭 900 54.37 1.77 19.72 0.01 0.02 26.83 24.11 49.06 17.69 棕榈壳炭 700 64.69 1.91 13.42 0.01 0.00 22.47 19.97 57.56 22.31 棕榈壳炭 800 68.49 1.71 9.73 0.01 0.00 19.61 20.06 60.33 23.88 棕榈壳炭 900 68.80 1.55 8.33 0.01 0.04 18.12 21.27 60.61 23.97 马尾松炭 700 83.58 2.16 10.93 0.00 0.05 21.35 2.71 75.94 29.39 马尾松炭 800 85.23 1.85 9.92 0.00 0.00 19.03 3.00 77.97 29.66 马尾松炭 900 85.75 1.74 9.78 0.00 0.02 17.92 3.28 79.37 29.70 说明：mO=100%−mC−mH−mN−mS−m灰分。
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