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树木生长应力形成机理

林业科学 2024年第10期60卷 154-163页

作者：栾玉江梦虹杨雨婷刘焕荣马欣欣张秀标孙丰波费本华方长华国际竹藤中心竹藤科学与技术国家林业和草原局重点实验室北京100102

作为一种自然资源,树木具有重要的环境、社会和经济价值。树木生长成熟过程中,细胞间及细胞壁各层相互作用会产生生长应力,生长应力是木材组织正常发育的结果,是树干和树枝维持其垂直生长或特定角度生长的重要动力。此外,树木在抵御自... 详细信息

作为一种自然资源,树木具有重要的环境、社会和经济价值。树木生长成熟过程中,细胞间及细胞壁各层相互作用会产生生长应力,生长应力是木材组织正常发育的结果,是树干和树枝维持其垂直生长或特定角度生长的重要动力。此外,树木在抵御自身重力或光照、风雪、地势等环境刺激时,会形成具有更高水平生长应力的应力组织——应力木,从而达到调整或维持生长形态的目的。树木中的生长应力是影响木材成材和加工质量的重要力学问题,且生长应力水平与细胞结构、化学组分密切相关,开展树木生长应力研究、厘清树木生长应力分布和形成机理,对树木的定向培育、生物学结构与功能研究、木材加工与利用以及仿生新材料的开发具有重要意义。已有研究通过树木生长应力水平测试,结合其解剖结构、基因、化学组分、激素分布、力学材性等方面特征,对树木生长应力形成机理进行了深入分析,探索生长应力的产生来源;但由于生物材料结构复杂、变异性大,且研究者对生长应力形成机理的认识也在不断更新,树木生长应力形成机理尚未达成共识。本研究简述树木生长应力的生物力学作用及常用表征方法,综述主流的树木生长应力形成理论,对生长应力形成机理的一般性假说和特殊应力组织(应拉木和应压木)的生长应力形成假说进行重点分类阐述,并对各假说存在的争议性问题进行分析,以期全面认识树木生长应力,并为推动其进一步研究、为树木细胞结构和性质变异研究以及木材精细化利用提供参考,为探寻有效的降低树木生长应力的措施提供基础,为人工林的生物改良和栽培提供理论和实践支持。

关键词：生长应力形成机理应力木应拉木应压木

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竹材酶水解制备单糖的预处理研究进展

林业科学 2024年第3期60卷 150-159页

作者：马腾飞刘悦战雅微王美鑫李志强国际竹藤中心竹藤科学与技术国家林业和草原局重点实验室北京100102

糖类是生物体的基本营养物质和重要组成成分,糖平台化合物指糖类经生物或化学转化而来的基本化学物质,并可进一步转化为高价值的生物基化学品或材料。利用资源量大、生长周期短的竹材制备单糖,进而开发一系列生物基糖平台化合物,前景广... 详细信息

糖类是生物体的基本营养物质和重要组成成分,糖平台化合物指糖类经生物或化学转化而来的基本化学物质,并可进一步转化为高价值的生物基化学品或材料。利用资源量大、生长周期短的竹材制备单糖,进而开发一系列生物基糖平台化合物,前景广阔。竹材可通过绿色、环保、可持续的生物酶水解工艺制备单糖,其中最关键的步骤是预处理,要求成本合理、废液处理过程简便环保,且木质素能够有效利用。本研究综述近10年来预处理对竹材酶水解制备单糖的影响,从反应机理、底物收率、底物中纤维素含量、酶水解性能和糖降解生成发酵抑制物等角度,概括总结物理法、化学法、物理化学法、共晶溶剂法、有机溶剂法和其他方法等预处理方法的优势和不足。基于绿色高效转化利用的目标,建议竹材预处理制备单糖要综合考虑预处理工艺、生物酶制剂、竹种、竹龄和木质素高值化利用等因素,并提出未来竹材生物炼制技术的研究方向:1)竹材的致密和坚硬结构是影响其高效预处理的重要因素,需探索系统的低耗能破碎方法;2)研发具备廉价、绿色、工艺简便和降解产物少的预处理药剂以及符合竹材结构特性的预处理方法;3)研发竹材木质素高值化利用关键技术与工艺,推进竹材原料全化学组分利用。

关键词：竹材预处理酶水解单糖

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黄藤细胞壁微纤丝取向偏振光拉曼光谱研究

光谱学与光谱分析 2019年第9期39卷 2758-2762页

作者：冯龙金克霞刘杏娥田根林杨淑敏江泽慧马建锋国际竹藤中心竹藤科学与技术重点实验室

采用532nm共聚焦显微拉曼光谱技术原位状态下研究了黄藤藤茎纤维及导管细胞壁中纤维素微纤丝空间取向差异。在高数值孔径(NA=1.25)物镜测试条件下,C—H伸缩振动(2771~3000cm^-1)特征峰峰面积拉曼成像成功的区分出细胞角隅、复合胞间层... 详细信息

采用532nm共聚焦显微拉曼光谱技术原位状态下研究了黄藤藤茎纤维及导管细胞壁中纤维素微纤丝空间取向差异。在高数值孔径(NA=1.25)物镜测试条件下,C—H伸缩振动(2771~3000cm^-1)特征峰峰面积拉曼成像成功的区分出细胞角隅、复合胞间层以及次生壁。进一步发现纤维细胞次生壁呈宽窄交替的同心层状结构,而导管次生壁无明显的分层结构。采用平行于细胞径向壁的拉曼偏振激光进行光谱成像发现纤维细胞次生壁窄层纤维素C—O—C(1097cm^-1)拉曼信号强度明显高于宽层,即窄层中微纤丝取向更加平行于入射激光偏振方向,与细胞轴夹角更大,而导管次生壁中微纤丝取向较为均一。细胞壁不同形态区域拉曼光谱分析发现纤维素C—O—C特征峰以及CH和CH2特征峰的拉曼信号强度与入射激光的偏振方向存在明显的相关性。当入射偏振激光的电矢量方向从平行变化到垂直于微纤丝方向时,其糖苷键C—O—C非对称伸缩振动信号减弱,而CH和CH2的取向在与入射偏振激光的电矢量方向垂直时,其拉曼信号强度相较于平行状态略微降低,表明纤维素特征峰中的糖苷键C—O—C的非对称伸缩振动比CH和CH2伸缩振动对拉曼偏振光的方向改变更为敏感。比较纤维细胞宽层与窄层的拉曼光谱发现径向次生壁窄层1097cm-1处拉曼信号强度明显高于弦向次生壁窄层,而径向次生壁宽层的2897cm^-1处拉曼信号强度低于弦向次生壁宽层。拉曼特征峰比值(I1095/I2897)可用来定性研究细胞壁微纤丝角,结果发现这一比值在导管次生壁、纤维细胞窄层和纤维细胞宽层中分别为1.32~1.10,0.92~0.55和0.42~0.33,表明导管次生壁具有最大的微纤丝角,纤维细胞窄层次之,宽层最小。该研究为解析藤材细胞壁骨架空间结构、化学成分分布以及微力学特性提供了新型的分析手段和重要的理论指导。

关键词：黄藤细胞壁分层微纤丝取向偏振光拉曼光谱

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典型草原两种菊科植物生长对道路建设的响应

生态学报 2025年

作者：王星奇赵欣周 GULRAIZ Ahmad 张育文李佳欣 BHARELDIN Adam MERGA Daba Tuli 侯扶江草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室兰州大学草地农业科技学院国家林业草原局西北退化草原生态修复与利用工程技术研究中心农业农村部草牧业创新重点实验室

近几十年来，由于道路网络的扩张和城市化的蓬勃发展，道路建设对典型草原的影响引起了广泛的关注。然而，道路类型和距离对植物种群生长的综合影响仍然知之甚少。因此，本研究以陇东黄土高原微温微干典型草原为研究对象，探讨了道路建... 详细信息

近几十年来，由于道路网络的扩张和城市化的蓬勃发展，道路建设对典型草原的影响引起了广泛的关注。然而，道路类型和距离对植物种群生长的综合影响仍然知之甚少。因此，本研究以陇东黄土高原微温微干典型草原为研究对象，探讨了道路建设（道路类型、距离）对菊科优势种茵陈蒿（Artemisia capillaris）和伴生种阿尔泰狗娃花（Aster altaicus）生长繁殖影响的驱动因素及其作用机制。结果表明，道路建设促进茵陈蒿的横向生长和无性繁殖，促进阿尔泰狗娃花的垂直生长和有性繁殖。阿尔泰狗娃花具有更强的更新潜力。普通公路茵陈蒿和阿尔泰狗娃花的地上生物量分别比其它两种道路平均高49%和27%，因此其对普通公路建设的响应更加敏感。此外，道路建设主要通过影响土壤进一步影响两个种群的地上生物量在群落中的占比。阿尔泰狗娃花的地上生物量及其在群落中的占比在距离20—35 m的范围存在明显阈值。因此需要注意将此范围内的植被保护和恢复措施与道路管理动态结合，影响植物生长繁殖，调控群落构建过程，以应对道路建设对种群和群落关系扰动的巨大挑战。

关键词：道路建设道路生态地上生物量生长权衡繁殖策略种间关系

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黄藤细胞壁木质素区域化学分子光谱成像研究

光谱学与光谱分析 2017年第10期37卷 3138-3144页

作者：刘杏娥金克霞崔贺帅马建锋国际竹藤中心竹藤科学与技术重点实验室北京100102

整合共聚焦显微荧光和拉曼光谱成像技术系统研究了黄藤藤茎组织中不同类型细胞以及同一细胞不同形态区域的木质素区域化学特点。共聚焦荧光成像表明黄藤藤茎组织中木质素主要汇聚于初生木质部导管、次生木质部导管、维管束间的薄壁组织... 详细信息

整合共聚焦显微荧光和拉曼光谱成像技术系统研究了黄藤藤茎组织中不同类型细胞以及同一细胞不同形态区域的木质素区域化学特点。共聚焦荧光成像表明黄藤藤茎组织中木质素主要汇聚于初生木质部导管、次生木质部导管、维管束间的薄壁组织细胞以及纤维细胞角隅区。基于荧光光谱差异的光谱成像线性拆分结果显示纤维细胞次生壁由宽、窄层交替的同心层状结构组成,且窄层具有更高的木质化程度。比较黄藤、毛竹、芒草、毛白杨和虎皮松拉曼光谱发现黄藤材细胞壁拉曼光谱与阔叶木毛白杨类似,证实了黄藤材的化学组成更加趋近于阔叶木毛白杨。对拉曼光谱中木质素特征峰成像进一步揭示出纤维细胞中木质素不均一的分布规律:其中细胞角隅胞间层和复合胞间层的拉曼信号强度最高,表明较高的木质化程度,其次是次生壁中的窄层,而次生壁宽层中拉曼特征峰强度最低,这一分布规律与竹材纤维细胞中木质素分布规律类似。宽、窄层中木质素不仅存在浓度上的差异,而且木质素基本结构单元的比例亦不同。采取光谱去卷积的方法排除了碳水化合物的影响,发现窄层中愈创木基(G型)木质素与紫丁香基木质素(S型)比例为0.19,而在宽层中这一比值为0.14,这一结果亦解释了宽、窄层荧光光谱间的差异。该研究结果对探索黄藤细胞壁生物合成及力学响应机制研究具有重要理论指导意义。

关键词：木质素微区分布共聚焦显微荧光成像共聚焦显微拉曼光谱成像

基于拉曼光谱快速检测亚氯酸钠法脱木素的动力学及选择性

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光谱学与光谱分析 2020年第9期40卷 2951-2956页

作者：金克霞江泽慧马建锋田根林杨淑敏尚莉莉冯龙刘杏娥国际竹藤中心竹藤科学与技术重点实验室北京100102

酸性亚氯酸钠法脱木素是目前实验室最常用的脱木素方法,可最大程度地保留综纤维素,但关于木质素在逐步脱除过程中其动力学及选择性的研究却很少。拉曼光谱能快速、定性和半定量地测定亚氯酸钠法脱木素过程中残余木质素及木质素单体含量... 详细信息

酸性亚氯酸钠法脱木素是目前实验室最常用的脱木素方法,可最大程度地保留综纤维素,但关于木质素在逐步脱除过程中其动力学及选择性的研究却很少。拉曼光谱能快速、定性和半定量地测定亚氯酸钠法脱木素过程中残余木质素及木质素单体含量在不同细胞及形态学区域的动态变化。以阔叶材桉木、针叶材杉木、禾本科毛竹为例,通过提取亚氯酸钠法脱木素过程中不同细胞木质素(1598 cm^-1)及单体愈疮木基(G,1270 cm^-1)、紫丁香基(S,1331 cm^-1)的平均拉曼光谱,发现三种木材在各区域中木质素脱除动力学总体规律一致,即在反应初期木质素大量快速移除,随着反应的进行木质素脱除效率下降。其中,在反应前0.5 h,1598 cm^-1处平均拉曼强度降低量超过82%,而在脱木素后期(1.0~1.5 h),木质素平均拉曼强度减少仅5%~15%。特别的,竹材脱木素所需时间要明显少于木材。相同条件下,竹材纤维细胞在前10 min内1598 cm^-1处拉曼强度减少就达88.65%。同时,木质素的脱除具有高度的选择性。在反应初期,射线细胞中G和S型木质素的移除率均高于导管和纤维细胞,而在导管、纤维细胞中,S型木质素的脱除比G型木质素更明显。在逐步脱除木质素过程中,导管、射线、纤维细胞间木质素相对强度关系总体不变,即导管、射线相对木质素浓度始终高于纤维细胞。总体而言,在组织水平,导管中木质素最难于脱除,射线细胞次之,纤维细胞中的木质素较容易脱除。在纤维细胞中,细胞角隅木质素脱除速率最高,其次是复合胞间层,次生壁最低。就木质素单体而言,S型木质素比G型木质素更容易脱除。研究表明拉曼光谱能简单、快速地检测不同树种中各类组织、细胞以及木质素结构单元在生物质化学预处理中残余木质素含量的动态变化,同时进一步加深对生物质亚氯酸钠法脱木素选择性及动力学的理解。

关键词：木质素脱除拉曼光谱细胞壁木质素单体

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植物细胞壁纤维素纤丝聚集体结构研究进展

材料导报 2019年第17期33卷 2997-3002页

作者：金克霞江泽慧刘杏娥杨淑敏田根林马建锋国际竹藤中心竹藤科学与技术重点实验室

纤维素是由D-葡萄糖以β-1,4糖苷键连接而成的链状大分子,多条纤维素分子单链可聚集形成不同大小的束状纤维素纤丝聚集体(亚元纤丝、基元纤丝、微纤丝、宏纤丝),在植物细胞壁中起骨架支撑作用,赋予细胞壁优异的抗拉强度。纤维素是来源... 详细信息

纤维素是由D-葡萄糖以β-1,4糖苷键连接而成的链状大分子,多条纤维素分子单链可聚集形成不同大小的束状纤维素纤丝聚集体(亚元纤丝、基元纤丝、微纤丝、宏纤丝),在植物细胞壁中起骨架支撑作用,赋予细胞壁优异的抗拉强度。纤维素是来源丰富的天然高分子材料,具有可再生、易生物降解、生物相容性好等特点,已广泛应用于轻工、化工、能源、环保等领域,其开发利用与纤维素纤丝聚集体尺寸、形貌、排列、结晶度、晶型结构变化密切相关。然而,纤维素纤丝聚集体尺寸、形貌、排列等信息由于样品制备方式、生物质来源、基质含量、细胞类型等不同而存在较大差异;且在植物细胞壁中,纤维素纤丝聚集体被包裹在木质素、半纤维素、果胶等基质中,限制了纤维素的提取与利用。因此,为更好地利用纤维素纤丝聚集体,研究者们大量研究了不同的化学预处理方法(离子液体、碱、酸)及其影响因子(浓度、温度、时间等)对纤维素纤丝聚集体及纤丝周围基质化合物的影响。其中,离子液体可引起细胞壁润胀,改变纤维素晶型结构,降低结晶度,甚至可以将纤维素纤丝聚集体分离成纤维素单链,且不同类型的离子液体对细胞壁各组分溶解能力及溶解规律不一。碱处理能有效溶解细胞壁中木质素及少量半纤维素,表面粗糙度和表面孔隙率均降低,且纤维素纤丝聚集体尺寸、晶型结构、结晶度变化与碱浓度、预处理时间、温度等因素相关。在酸浓度较低时,酸处理对细胞壁中半纤维素的溶出更有效,同时伴随少量木质素颗粒的析出,细胞壁表面粗糙度增大,晶型结构一般保持不变,结晶度增大;当酸浓度较高时,纤维素纤丝聚集体可进一步水解得到纤维素纳米晶,具有高模量、高比表面积、高结晶度的纤维素纳米晶可作为基质、模板、分散剂、增强体等应用于各类复合材料。本文首先对纤维素纤丝聚集体的组成单元及生物合成过程进行了概述,介绍了在组织及细胞水平上,纤维素纤丝聚集体在各种生物质原料中的尺寸、排列变化及影响因素。在此基础上,总结了不同化学处理方法(离子液体、碱、酸)对纤维素纤丝聚集体的作用机制及对纤维素纤丝聚集体尺寸、形貌、结晶度、晶型结构的影响,最后对纤维素纤丝聚集体结构研究进行了展望。

关键词：纤维素纤丝聚集体尺寸晶型结构化学处理

梁山慈竹微纤丝角的X射线衍射技术解析及对拉伸力学的影响

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光谱学与光谱分析 2014年第6期34卷 1698-1701页

作者：刘杏娥杨喜杨淑敏田根林尚莉莉国际竹藤中心竹藤科学与技术重点实验室北京100102

采用X射线衍射技术对梁山慈竹微纤丝角(MFA)的变异特性进行了研究,并就微纤丝角对拉伸力学的影响进行了分析。结果表明,梁山慈竹微纤丝角随竹龄增加的变化较小,三年生竹的微纤丝角最大,为8.521°,二、三年生竹微纤丝角的平均值明显大于... 详细信息

采用X射线衍射技术对梁山慈竹微纤丝角(MFA)的变异特性进行了研究,并就微纤丝角对拉伸力学的影响进行了分析。结果表明,梁山慈竹微纤丝角随竹龄增加的变化较小,三年生竹的微纤丝角最大,为8.521°,二、三年生竹微纤丝角的平均值明显大于四、五年生竹,差异绝对值小于0.1°。竹秆基部、中部和上部微纤丝角的平均值分别为8.499°,8.497°和8.483°,变异系数在5%左右。微纤丝角从竹青到竹黄呈增大的趋势。方差分析表明,径向部位对微纤丝角有显著性影响,竹龄和纵向部位对微纤丝角无显著影响。顺纹拉伸强度和杨氏模量呈线性相关(r=0.57)。微纤丝角对力学性能有一定影响,拉伸强度和杨氏模量中分别有35%和43%的变异由微纤丝角引起。

关键词： X射线衍射图谱梁山慈竹微纤丝角变异拉伸性能

利用石墨化碳脱除竹材稀酸预处理液中的发酵抑制物

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林业科学 2016年第7期52卷 113-120页

作者：李志强费本华江泽慧国际竹藤中心竹藤科学与技术国家林业局重点实验室北京100102

【目的】利用石墨化碳脱除竹材稀酸预处理液中的发酵抑制物,比较脱除前后的乙醇发酵收率,为高效快速的脱除发酵抑制物工艺提供参考。【方法】以毛竹粉为原料,经毛竹干质量2%的硫酸用量、固液比1∶6、180℃下保持60 min后得到预处理液,... 详细信息

【目的】利用石墨化碳脱除竹材稀酸预处理液中的发酵抑制物,比较脱除前后的乙醇发酵收率,为高效快速的脱除发酵抑制物工艺提供参考。【方法】以毛竹粉为原料,经毛竹干质量2%的硫酸用量、固液比1∶6、180℃下保持60 min后得到预处理液,采用高效液相色谱仪测定预处理液中5种发酵抑制物的含量。利用装有石墨化碳的柱子常温下洗脱稀酸预处理液,以空气为洗脱剂,调节不同流速和洗脱次数,测定洗脱后预处理液中发酵抑制物的含量,计算石墨化碳的脱毒效果。利用稀酸和乙醇常温下冲洗脱毒后的石墨化碳柱,测定冲洗液中发酵抑制物的含量,观察石墨化碳的再生效果。采用离子色谱仪测定脱毒前后预处理液中的糖含量,计算石墨化碳脱毒对糖类的影响。脱毒后的预处理液经酿酒酵母乙醇发酵后,采用生物传感分析仪测定发酵液中的乙醇含量,计算乙醇发酵收率。【结果】竹材稀酸预处理液中甲酸、乙酸、乙酰丙酸、糠醛和5-羟甲基糠醛5种发酵抑制物的总质量分数为15.87 g·L^(-1)。石墨化碳对发酵抑制物的脱除率随着洗脱流速的升高而降低,在0.2 m L·min^(-1)流速下可以脱除99.7%以上的发酵抑制物,而且石墨化碳可重复多次使用,使用5次后仍可以脱除95.7%以上的发酵抑制物。石墨化碳对糖类损失的影响不大,5种单糖损失率均在9%以内。脱除发酵抑制物后的预处理液可用于乙醇发酵,其中的葡萄糖可完全转化掉,发酵24 h后,乙醇收率可达其理论值的85%以上。稀酸和乙醇对脱毒后石墨化碳的再生效果有限。【结论】石墨化碳能有效脱除竹材稀酸预处理液中的5种发酵抑制物,其脱除率均在99%以上,对糖类损失的影响不大。脱毒后的预处理液可用于乙醇发酵,乙醇收率可达其理论值的85%以上。

关键词：毛竹稀酸预处理液发酵抑制物石墨化碳脱毒乙醇发酵