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万寿菊秸秆微观形貌和化学组成的变异研究

杨国超 王楠 黄新鑫 耿亚茹 刘婧 张求慧

杨国超, 王楠, 黄新鑫, 耿亚茹, 刘婧, 张求慧. 万寿菊秸秆微观形貌和化学组成的变异研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(1): 149-156. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190311
引用本文: 杨国超, 王楠, 黄新鑫, 耿亚茹, 刘婧, 张求慧. 万寿菊秸秆微观形貌和化学组成的变异研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(1): 149-156. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190311
Yang Guochao, Wang Nan, Huang Xinxin, Geng Yaru, Liu Jing, Zhang Qiuhui. Variation of microscopic morphology and chemical composition of marigold stalk[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(1): 149-156. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190311
Citation: Yang Guochao, Wang Nan, Huang Xinxin, Geng Yaru, Liu Jing, Zhang Qiuhui. Variation of microscopic morphology and chemical composition of marigold stalk[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(1): 149-156. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190311

万寿菊秸秆微观形貌和化学组成的变异研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190311
基金项目: 国家自然基金项目(31670564)
详细信息
    作者简介:

    杨国超,博士生。主要研究方向:生物质材料研究。Email:1006649108@qq.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院

    通讯作者:

    张求慧,博士,教授。主要研究方向:木质材料研究。Email:qhzh66@163.com 地址:同上

  • 中图分类号: S781

Variation of microscopic morphology and chemical composition of marigold stalk

  • 摘要: 目的研究万寿菊秸秆的微观形貌、化学元素组成和官能团的变异规律,可以在微观尺度和分子水平上为科学合理利用农作物秸秆提供技术依据。方法采用场发射扫描电镜(FE-SEM)和电子能谱(EDS)表征万寿菊秸秆横切面的微观结构变异和化学元素组成变异情况;采用彩色图像计算机分析系统,对万寿菊秸秆的上段、中段、下段进行胞壁率测量;采用傅里叶一维红外光谱(FTIR)、二阶导数光谱(SDIR)和二维相关红外光谱(2DIR)表征万寿菊秸秆沿高度方向上的官能团变异规律。结果万寿菊秸秆的径向尺寸在上段变异较小(极差为7.3),而在中段和下段的变异较大(极差分别是10.0和10.7);万寿菊秸秆的上段组织结构“粗疏”,但在中段和下段的管孔直径及分布密度差异不大,导管类型主要是单管孔或复管孔,万寿菊秸秆的碳氧比在高度方向由上至下为0.73、0.79、0.83,呈现递增趋势,氮元素原子百分比也有同样趋势;万寿菊秸秆的胞壁率沿径向由内向外,高度方向由上向下均呈现出递增趋势;万寿菊秸秆不同高度对应的FTIR谱图在2 816 ~ 2 972 cm− 1、1 651、1 461 cm− 1、849 ~ 800 cm− 1处,SDIR谱图在1 700、1 280 cm− 1处,以及2DIR谱图在3 240 ~ 3 409 cm− 1、2 921、2 850、1 619 cm− 1处均存在较明显变化,表明对应官能团的种类与吸收峰强度和秸秆高度位置的变化有一定的相关性。结论通过对万寿菊秸秆微观形貌和官能团分析,揭示了万寿菊秸秆的径向尺寸、内部组织结构、碳氧原子百分比、细胞的胞壁率与秸秆生长高度方向的对应关系;推测出秸秆主要化学成分所含官能团的种类和数量在秸秆生长高度方向上的变异规律。
  • 图  1  万寿菊秸秆及其下段形貌

    Figure  1.  Marigold stalk and base segment morphology

    图  2  万寿菊秸秆径向的微观形貌

    Figure  2.  Radial microscopic morphology of marigold stalk

    图  3  万寿菊秸秆元素分析的取样位置

    Figure  3.  Sampling position for marigold stalk element analysis

    图  4  万寿菊秸秆径向胞壁率测定的取样位置

    Figure  4.  Sampling position for determination of radial cell wall rate of marigold stalk

    图  5  万寿菊秸秆的FTIR谱图

    a为下段谱图2 818 ~ 2 982 cm− 1处峰值拟合图。a is the fitting curve of the lower section curve from 2 818 to 2 982 cm− 1.

    Figure  5.  FTIR spectra of marigold stalk

    图  6  万寿菊秸秆的SDIR谱图

    Figure  6.  SDIR spectra of marigold stalk

    图  7  万寿菊秸秆的2DIR谱图

    Figure  7.  2DIR spectra of marigold stalk

    表  1  万寿菊秸秆的径向尺寸分布

    Table  1.   Radial size distribution of marigold stalk

    位置
    Position
    最大值
    Max./mm
    最小值
    Min./mm
    径向平均值
    Radial average/mm
    极差
    Range
    上段 Top segment 8.5 1.2 4.0 7.3
    中段 Middle segment 13.0 3.0 7.9 10.0
    下段 Base segment 14.2 3.5 10.3 10.7
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    表  2  万寿菊秸秆的元素种类、原子百分比均值和碳氧比

    Table  2.   Element type, average of atomic percent and C/O ratio of marigold stalk

    样品
    Sample
    元素种类
    Element type
    原子百分比均值
    Average of atomic percent/%
    碳氧原子比
    C/O atomic ratio
    上段
    Top
    segment
    C 31.92 ± 1.30 0.73
    O 43.68 ± 3.60
    N 24.36 ± 4.96
    Si 0.04 ± 0.01
    中段
    Middle
    segment
    C 32.94 ± 0.18 0.79
    O 41.59 ± 1.68
    N 25.37 ± 1.31
    Si 0.10 ± 0.03
    下段
    Base
    segment
    C 37.48 ± 1.39 0.83
    O 45.31 ± 2.57
    N 17.07 ± 3.67
    Si 0.14 ± 0.04
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    表  3  万寿菊秸秆径向胞壁率及分布

    Table  3.   Radial cell wall rate and distribution of marigold stalk %

    位置
    Position
    近内表皮处
    Near inner epidermis
    近外表皮处
    Near outer skin
    平均值
    Average
    上段 Top segment 19.25 28.69 23.97
    中段 Middle segment 33.81 35.83 34.82
    下段 Base segment 36.24 38.21 37.23
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  • [1] 谭美微, 李国玉, 吕鑫宇, 等. 万寿菊的化学成分和药理作用研究进展[J]. 中医药信息, 2017, 34(6):138−141. doi:  10.3969/j.issn.1002-2406.2017.06.039

    Tan M W, Li G Y, Lü X Y, et al. Review of Tagetes erecta L. on the components and pharmacological action[J]. Information on Traditional Chinese Medicine, 2017, 34(6): 138−141. doi:  10.3969/j.issn.1002-2406.2017.06.039
    [2] 张卫红. 万寿菊中叶黄素的提取皂化以及稳定性能的研究[D]. 乌鲁木齐: 新疆大学, 2014.

    Zhang W H. The research of exreaction, saponification and steady of xanthophylls in maregold flower[D]. Urumqi: Xinjiang University, 2014.
    [3] Cheng X, Zhao X Z, Huang C L, et al. Lutein content in petals and leaves of marigold and analysis of lutein synthesis gene expression[J]. Acta Physiologiae Plantarum, 2019, 41(7): 1−11.
    [4] 刘宏程. 万寿菊中叶黄素的化学性质、定量分析及其制品安全性研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2012.

    Liu H C. Studies on chemical character, quantification and safety of lutein in marigold[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2012.
    [5] Grcevic M, Kralik Z, Kralik G, et al. Effects of dietary marigold extract on lutein content, yolk color and fatty acid profile of omega-3 eggs[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2019, 99(5): 2292−2299. doi:  10.1002/jsfa.9425
    [6] Kaisoon O, Konczak I, Siriamornpun S. Potential health enhancing properties of edible flowers from Thailand[J]. Food Research International, 2012, 46(2): 563−571. doi:  10.1016/j.foodres.2011.06.016
    [7] 田志国, 王飞. 不同品种万寿菊对镉胁迫的生长和生理响应[J]. 西北植物学报, 2013, 33(10):2057−2064. doi:  10.7606/j.issn.1000-4025.2013.10.2057

    Tian Z G, Wang F. Growth and physiological response of tagetes cultivars to cadmium stress[J]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2013, 33(10): 2057−2064. doi:  10.7606/j.issn.1000-4025.2013.10.2057
    [8] Panwar S, Singh K P, Janakiram T, et al. Genetic variability, heritability and genetic advance in African marigold (Tagetes erecta L.) genotypes[J]. Progressive Horticulture, 2013, 45(1): 135−140.
    [9] 胡晓雪, 宗毓铮, 张仟雨, 等. CO2浓度升高对万寿菊生长发育与光合生理的影响[J]. 核农学报, 2017, 31(6):1210−1216. doi:  10.11869/j.issn.100-8551.2017.06.1210

    Hu X X, Zong Y Z, Zhang Q Y, et al. Effects of elevated [CO2] concentration on growth and photosynthetic physiology in marigold[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2017, 31(6): 1210−1216. doi:  10.11869/j.issn.100-8551.2017.06.1210
    [10] 徐返, 曹睿, 陈志星, 等. 万寿菊秸秆的综合利用途径及其杀线作用研究[J]. 中国农业科技导报, 2017, 19(7):124−130.

    Xu F, Cao R, Chen Z X, et al. Research on nematicidal effect and integrative utility of marigold stalk[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2017, 19(7): 124−130.
    [11] Dasgupta N, Ranjan S, Shree M, et al. Blood coagulating effect of marigold (Tagetes erecta L.) leaf and its bioactive compounds[J]. Oriental Pharmacy and Experimental Medicine, 2016, 16(1): 67−75. doi:  10.1007/s13596-015-0200-z
    [12] 秦冲. 万寿菊秸秆制备活性炭及其应用的初步研究[D]. 北京: 北京林业大学, 2015.

    Qin C. Preparation and applied research of activated carbin from marigold straw [D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2015.
    [13] 梁筱曼, 高建民, 陈瑶. 万寿菊秸秆醋液的制备及对月季切花的保鲜作用[J]. 东北林业大学学报, 2017, 45(1):41−46. doi:  10.3969/j.issn.1000-5382.2017.01.010

    Liang X M, Gao J M, Chen Y. Chemical compositions of vinegar from abandoned marigold straw and its effect on preservation of cut roses[J]. Journal of Northeast Forestry University, 2017, 45(1): 41−46. doi:  10.3969/j.issn.1000-5382.2017.01.010
    [14] 全国微束标分析准化委员会. 微束分析能谱法定量分析: GB/T17359—2012 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2012.

    National Microbeam Standardization Committee. Microbeam analysis: quantitative analysis using energy dispersive spectrometry: GB/T17359—2012 [S]. Beijing: China Standard Press, 2012.
    [15] 于海鹏, 刘一星, 崔永志, 等. 基于二值形态学的木材横切面显微构造特征测量[J]. 材料科学与工艺, 2008(1):107−111. doi:  10.3969/j.issn.1005-0299.2008.01.027

    Yu H P, Liu Y X, Cui Y Z, et al. Measurement of wood icrostructural parameters on transverse section by binary morphology[J]. Materials Science and Technology, 2008(1): 107−111. doi:  10.3969/j.issn.1005-0299.2008.01.027
    [16] Diao X, Furuno T, Uehara T. Analysis of cell arrangements in softwoods using two-dimensional fast fourier transform[J]. Journal of the Japan Wood Researh Society, 1996, 42: 634−641.
    [17] 刘一星, 赵广杰. 木材学[M]. 北京: 中国林业出版社, 2012: 330−334.

    Liu Y X, Zhao G J. Wood science[M]. Beijing: China Forestry Publishing House, 2012: 330−340.
    [18] 崔贺帅, 田根林, 杨淑敏, 等. 杞柳秆茎主要解剖特征的变异研究[J]. 安徽农业大学学报, 2015, 42(3):341−346.

    Cui H S, Tian G L, Yang S M, et al. Variation in main anatomacal features of the Salix integra stem[J]. Journal of Anhui Agricultural University, 2015, 42(3): 341−346.
    [19] 宁永成. 有机波谱学谱图解析 [M]. 北京: 科学出版社, 2014: 368−380.

    Ning Y C. Organic spectroscopy[M]. Beijing: Science Press, 2014: 368−380.
    [20] 秦冲, 高建民, 陈瑶. 万寿菊秸秆活性炭的制备及表征[J]. 林产工业, 2014, 41(3):28−31. doi:  10.3969/j.issn.1001-5299.2014.03.008

    Qin C, Gao J M, Chen Y. Manufacuture and characterization of activated carbon made from abandoned marigold straw[J]. China Forest Products Industry, 2014, 41(3): 28−31. doi:  10.3969/j.issn.1001-5299.2014.03.008
    [21] 杨淑蕙. 植物纤维化学[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 2001: 103−104.

    Yang S H. Plant fiber chemistry[M]. Beijing: China Light Industry Press, 2001: 103−104.
    [22] 程士超, 李丹, 张求慧, 等. 5种花梨木的红外光谱比较分析[J]. 北京林业大学学报, 2016, 38(1):118−124.

    Chen S C, Li D, Zhang Q H, et al. Comparative analysis of five kinds of rosewood by infrared spectra[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2016, 38(1): 118−124.
    [23] Sun S Q, Zhou Q, Chen J B. Infrared spectroscopy for complex mixtures[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2011: 24−40.
    [24] Procter I N, Chester W, Ozaki Y, et al. Two-dimensional correlation spectroscopy: applications in vibrational and optical spectroscopy[J]. Science China Chemistry, 2004, 47(3): 257−266. doi:  10.1360/03yb0085
  • [1] 沈浩, 饶俊, 关莹, 张利萍, 刘盛全, 高慧.  美洲黑杨与欧洲黑杨及其杂交子代材性径向变异规律 . 北京林业大学学报, 2020, 42(5): 50-58. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190352
    [2] 王皓炜, 于志明, 张扬, 唐睿琳, 刘源松, 王晓倩, 黄思琪, 赵博识.  灰黄青霉生物染色对毛竹性能影响的研究 . 北京林业大学学报, 2020, 42(6): 149-156. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200150
    [3] 张参参, 吴小刚, 刘斌, 施雪文, 陈伏生, 裘利洪, 卜文圣.  江西九连山不同海拔梯度土壤有机碳的变异规律 . 北京林业大学学报, 2019, 41(2): 19-28. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180383
    [4] 连政华, 张春雨, 程艳霞, 辛本花.  中国东北部典型树种功能性状地理变异规律研究 . 北京林业大学学报, 2019, 41(3): 42-48. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180352
    [5] 刘剑锋, 张彧楚, 刘挺, 塞拉尔·唐瑟, 程云清.  榛实象甲高致病力菌株筛选及侵染过程的显微观察 . 北京林业大学学报, 2017, 39(3): 32-37. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160322
    [6] 张峰, 张丽, 漆楚生, 张扬, 母军.  预处理方法对玉米秸秆人造板性能的影响 . 北京林业大学学报, 2017, 39(9): 112-118. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170069
    [7] 蒋迎红, 项文化, 蒋燚, 何应会, 林建勇.  广西海南风吹楠群落区系组成、结构与特征 . 北京林业大学学报, 2016, 38(1): 74-82. doi: 10.13332/j.1000--1522.20150102
    [8] 雒新艳, 宋雪彬, 戴思兰.  中国传统大菊品种数量性状变异及其概率分级 . 北京林业大学学报, 2016, 38(1): 101-111. doi: 10.13332/j.1000--1522.20150137
    [9] 葛晓雯, 王立海, 侯捷建, 荣宾宾, 岳小泉, 张盛明.  褐腐杨木微观结构、力学性能与化学成分的关系研究 . 北京林业大学学报, 2016, 38(10): 112-122. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160098
    [10] 宋莎莎, 赵广杰.  木材宏、微观细胞堆砌构造图案的分形表征 . 北京林业大学学报, 2011, 33(4): 102-106.
    [11] 牛敏, 高慧, 赵广杰.  欧美杨107应拉木的纤维形态与化学组成 . 北京林业大学学报, 2010, 32(2): 141-144.
    [12] 董艳鹤, 王成章, 叶建中, 周昊.  漆蜡的提取工艺及其化学成分 . 北京林业大学学报, 2010, 32(4): 256-260.
    [13] 杨忠, 赵荣军, 费本华, 江泽慧.  木材结晶度与树木年轮的生长特征、化学组成的相关性 . 北京林业大学学报, 2010, 32(4): 223-226.
    [14] 周永东, 傅峰, 李贤军, 姜笑梅, 陈志林.  微波处理对桉木应力及微观构造的影响 . 北京林业大学学报, 2009, 31(2): 146-150.
    [15] 李改云, 江泽慧, 任海青, 秦特夫.  木材褐腐过程中化学组成对其液化的影响 . 北京林业大学学报, 2009, 31(1): 113-119.
    [16] 莫秋云, 李文彬.  噪声对人体心率变异的影响 . 北京林业大学学报, 2007, 29(4): 59-62.
    [17] 谭健晖, 王戈, 尹增芳, 王蕾, 林娅, 李春义, 张运春, 李云开, 陈圆, 梁善庆, 张颖, 闫德千, 林勇明, 孙阁, 金莹杉, 周繇, 张仁军, 王春梅, 张玉兰, 王超, 李昌晓, 赵铁珍, 吴淑芳, 周海宾, 邢韶华, 崔丽娟, 张秀新, 刘杏娥, 任云卯, 张志强, 张曼胤, 樊汝汶, 徐秋芳, 钟章成, 高岚, 吴普特, 于俊林, 杨远芬, 马钦彦, 张明, 刘青林, 王莲英, 翟明普, 刘国经, 杨培岭, 江泽慧, 周荣伍, 黄华国, 赵勃, 张桥英, 王以红, 江泽慧, 洪滔, 马履一, 罗建举, 余养伦, 刘艳红, 温亚利, 崔国发, 陈学政, 周国逸, 王玉涛, 冯浩, 王希群, 张晓丽, 刘俊昌, 罗鹏, 田英杰, 吴承祯, 杨海军, 邵彬, 何春光, 周国模, 殷际松, 汪晓峰, 柯水发, 安玉涛, 张本刚, 于文吉, 王小青, 费本华, 骆有庆, 魏晓华, 徐克学, 蔡玲, 李敏, 赵景刚, 马润国, 康峰峰, 徐昕, 洪伟, 任树梅, 何松云, 邬奇峰, 刘爱青, 温亚利, 王九中, 高贤明, 费本华, 朱高浦, 赵焕勋, 胡喜生, 安树杰, 赵弟行, 吴宁, 田平, 林斌, 吴家森, 郑万建, 任海青, 宋萍, 李永祥, 卢俊峰, 范海兰.  景区生态容量微观仿真分析方法实证研究 . 北京林业大学学报, 2007, 29(3): 81-86.
    [18] 赵铁珍, 林勇明, 闫德千, 张运春, 王戈, 周海宾, 王超, 刘杏娥, 吴淑芳, 王春梅, 邢韶华, 谭健晖, 张颖, 王蕾, 张秀新, 孙阁, 李昌晓, 崔丽娟, 尹增芳, 张玉兰, 金莹杉, 陈圆, 张仁军, 梁善庆, 任云卯, 林娅, 李春义, 周繇, 李云开, 黄华国, 钟章成, 赵勃, 罗建举, 高岚, 张志强, 吴普特, 温亚利, 张曼胤, 樊汝汶, 于俊林, 杨培岭, 王以红, 刘艳红, 周荣伍, 翟明普, 马钦彦, 马履一, 杨远芬, 刘青林, 王莲英, 江泽慧, 余养伦, 刘国经, 张桥英, 张明, 江泽慧, 徐秋芳, 洪滔, 刘俊昌, 周国模, 王希群, 安玉涛, 于文吉, 崔国发, 陈学政, 王玉涛, 邵彬, 王小青, 何春光, 汪晓峰, 费本华, 罗鹏, 周国逸, 张本刚, 柯水发, 张晓丽, 杨海军, 冯浩, 吴承祯, 殷际松, 田英杰, 徐昕, 邬奇峰, 温亚利, 洪伟, 任树梅, 马润国, 康峰峰, 魏晓华, 骆有庆, 徐克学, 何松云, 赵景刚, 费本华, 高贤明, 王九中, 蔡玲, 李敏, 刘爱青, 赵弟行, 胡喜生, 任海青, 赵焕勋, 田平, 安树杰, 林斌, 郑万建, 朱高浦, 吴宁, 吴家森, 李永祥, 宋萍, 卢俊峰, 范海兰.  人工林米老排木材解剖性质及其变异性研究 . 北京林业大学学报, 2007, 29(3): 142-148.
    [19] 孙仁山, 王跃思, 王继强, 程广有, 谢力生, 赵东, 李红, 李利平, 周存宇, 吕建雄, 贺康宁, 包仁艳, 高莉萍, 向仕龙, 包满珠, 周国逸, 李世荣, 于志明, 邢韶华, 高峰, 殷亚方, 姜春宁, 李文彬, 李吉跃, 高林, 孙扬, 郑彩霞, 刘娟娟, 曹全军, 史常青, 孙磊, 赵勃, 王迎红, 葛春华, 赵有科, 田勇臣, 姜笑梅, 孙艳玲, 丁坤善, 张德强, 唐晓杰, 王清春, 华丽, 高亦珂, 周心澄, 张启翔, 崔国发, 刘世忠, .  中国境内东北红豆杉天然群体紫杉醇含量变异规律 . 北京林业大学学报, 2005, 27(4): 7-11.
    [20] 杜红岩, 孙向阳, 杜兰英, 孙志强.  不同产地杜仲叶含胶特性的变异规律 . 北京林业大学学报, 2005, 27(5): 103-106.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-30
  • 修回日期:  2019-08-27
  • 网络出版日期:  2019-10-17
  • 刊出日期:  2020-01-14

万寿菊秸秆微观形貌和化学组成的变异研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190311
    基金项目:  国家自然基金项目(31670564)
    作者简介:

    杨国超,博士生。主要研究方向:生物质材料研究。Email:1006649108@qq.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院

    通讯作者: 张求慧,博士,教授。主要研究方向:木质材料研究。Email:qhzh66@163.com 地址:同上
  • 中图分类号: S781

摘要: 目的研究万寿菊秸秆的微观形貌、化学元素组成和官能团的变异规律,可以在微观尺度和分子水平上为科学合理利用农作物秸秆提供技术依据。方法采用场发射扫描电镜(FE-SEM)和电子能谱(EDS)表征万寿菊秸秆横切面的微观结构变异和化学元素组成变异情况;采用彩色图像计算机分析系统,对万寿菊秸秆的上段、中段、下段进行胞壁率测量;采用傅里叶一维红外光谱(FTIR)、二阶导数光谱(SDIR)和二维相关红外光谱(2DIR)表征万寿菊秸秆沿高度方向上的官能团变异规律。结果万寿菊秸秆的径向尺寸在上段变异较小(极差为7.3),而在中段和下段的变异较大(极差分别是10.0和10.7);万寿菊秸秆的上段组织结构“粗疏”,但在中段和下段的管孔直径及分布密度差异不大,导管类型主要是单管孔或复管孔,万寿菊秸秆的碳氧比在高度方向由上至下为0.73、0.79、0.83,呈现递增趋势,氮元素原子百分比也有同样趋势;万寿菊秸秆的胞壁率沿径向由内向外,高度方向由上向下均呈现出递增趋势;万寿菊秸秆不同高度对应的FTIR谱图在2 816 ~ 2 972 cm− 1、1 651、1 461 cm− 1、849 ~ 800 cm− 1处,SDIR谱图在1 700、1 280 cm− 1处,以及2DIR谱图在3 240 ~ 3 409 cm− 1、2 921、2 850、1 619 cm− 1处均存在较明显变化,表明对应官能团的种类与吸收峰强度和秸秆高度位置的变化有一定的相关性。结论通过对万寿菊秸秆微观形貌和官能团分析,揭示了万寿菊秸秆的径向尺寸、内部组织结构、碳氧原子百分比、细胞的胞壁率与秸秆生长高度方向的对应关系;推测出秸秆主要化学成分所含官能团的种类和数量在秸秆生长高度方向上的变异规律。

English Abstract

杨国超, 王楠, 黄新鑫, 耿亚茹, 刘婧, 张求慧. 万寿菊秸秆微观形貌和化学组成的变异研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(1): 149-156. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190311
引用本文: 杨国超, 王楠, 黄新鑫, 耿亚茹, 刘婧, 张求慧. 万寿菊秸秆微观形貌和化学组成的变异研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(1): 149-156. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190311
Yang Guochao, Wang Nan, Huang Xinxin, Geng Yaru, Liu Jing, Zhang Qiuhui. Variation of microscopic morphology and chemical composition of marigold stalk[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(1): 149-156. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190311
Citation: Yang Guochao, Wang Nan, Huang Xinxin, Geng Yaru, Liu Jing, Zhang Qiuhui. Variation of microscopic morphology and chemical composition of marigold stalk[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(1): 149-156. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190311
  • 万寿菊(Tagetes erecta)为菊科(Compositae)万寿菊属(Tagetes)一年生草本植物,也被称为金菊花、蜂窝菊、万寿灯等,是一种常见的园林绿化花卉。除了具有较高的园艺观赏价值,万寿菊的花序还因含有万寿菊素、槲皮万寿菊素和万寿菊酮等成分,具有清热解毒、止咳等明确的药用价值[1]。从万寿菊花序中可以提取纯植物叶黄素[2-3],广泛用于饲料行业,改善动物品质,为家禽补充营养物质,并可明显增加鸡蛋中的叶黄素含量,改变蛋黄中的脂肪酸分布[4-6]。目前,从万寿菊中提取的叶黄素还大量用于医药、保健品、食品、化妆品等行业。

    作为经济利用价值较高的一年生栽培作物,对万寿菊的相关研究现在主要集中在以下3个方面:一是研究万寿菊的培育技术和基因变异[7-9],二是研究万寿菊的杀线虫作用[10],三是研究万寿菊的药理作用[11]。对于万寿菊秸秆的应用研究也有少量研究成果。秦冲[12]利用万寿菊秸秆作为原料,制备出具有表面积为1 134.225 m2/g,HK吸附总孔容为0.72 cm2/g的活性炭,此生物质活性炭具有优良的吸附性能;梁筱曼等[13]以万寿菊秸秆为原料,制备热解秸秆醋液,该产物对鲜月季(Rosa chinensis)切花具有较佳的保鲜作用。但总体上看,目前针对万寿菊秸秆的利用尚不充分,主要研究成果集中在宏观利用方面。对于万寿菊秸秆的微观构造及化学元素和官能团的存在状态及变异规律研究,目前鲜见报道。本研究旨在解析万寿菊秸秆的微观构造,并对其化学组成及其变异规律进行探索研究,为进一步深度开发万寿菊秸秆的利用价值提供技术支持和理论依据。

    • 万寿菊秸秆,取自北京延庆县四海镇。秸秆高度1.0 ~ 1.2 m,茎直立、粗壮,具纵细条棱,局部有细小瘤状物。茎秆呈分枝,单株分枝6 ~ 9个,如图1所示。

      图  1  万寿菊秸秆及其下段形貌

      Figure 1.  Marigold stalk and base segment morphology

    • 采用千分卡尺,分别测量万寿菊秸秆的上段(梢部)、中段和下段的径向尺寸,即:沿高度方向分别测量距地100 mm、50 mm、10 mm处的秸秆径向直径,样本数100株。

    • 将万寿菊秸秆用电锯截断成约50 mm的段料,在烧杯中用压网扣住,使之埋入蒸馏水中,用70 ℃水温煮12 h,达到软化程度后,自然冷却至室温,再用切片机沿径向切成厚度3 mm的切片,供电镜扫描用。

    • 采用粉碎机将万寿菊秸秆粉碎,取可通过100目筛的组分,在恒温干燥箱中103 ℃干燥至恒重,置干燥器中,供红外分析用。

    • 利用场发射扫描电镜(FE-SEM)进行万寿菊秸秆横切面的微观结构观测,按照GB/T17359—2012《微束分析 能谱法定量分析》[14]设置实验参数。用该设备(场发射电子扫描电镜FE-SEM和电子能谱EDS,日本设备,JSM-6700F)配置的X射线能谱仪进行化学元素定量分析检测。采用电镜扫描图片,利用软件彩色图像计算机分析系统(木材研究版TM-HY5.2,北京天虹精仪科技有限责任公司),先将图像进行二值化处理[15-16],而后计算万寿菊秸秆的横切面胞壁率。

    • 用红外光谱仪(PerkinElmer公司,SpectrumGX型)对万寿菊秸秆的粉料进行FTIR分析,测定时采用KBr压片法,样品和溴化钾质量比为1∶100,光谱范围400 ~ 4 000 cm− 1,中红外DTGS检测器,光谱分辨率为4 cm− 1。扫描实时扣除H2O的干扰。采用清华大学编写的软件TD Versin4.2进行二维红外光谱数据进行处理。

    • 表1所示为万寿菊秸秆的径向尺寸分布。可以看出:万寿菊秸秆沿高度方向(纵向),上段的径向尺寸分布在1.2 ~ 8.5 mm,下段的相应值为3.5 ~ 14.2 mm,符合一年生禾本科植物的生长特点和普遍规律[17]。极差测量结果显示:万寿菊秸秆的上段径向尺寸极差为7.3,显示出其具有相对较小的离散程度;而万寿菊下段的极差为10.7,表明其具有相对较大的变异范围和离散程度;万寿菊秸秆中段的径向尺寸极差为10.0,稍小于下段的数值,但明显大于梢部,体现出万寿菊生长过程中,秸秆的横向尺寸并非是呈线性增长。这也许与万寿菊生长的季节相关,万寿菊通常采用种子繁殖,每年3—4月份播种,此时正值春季,植物生长发育因温度适宜、雨水充沛而发育旺盛,此时生长出的万寿菊下段和中段的径向尺寸也就呈现出参差不齐的状态。而万寿菊的收获期是在秋季,因气温逐渐降低和水分相对减少,植物生长发育变缓,导致结构上段的径向尺寸开始趋于“同化”。

      表 1  万寿菊秸秆的径向尺寸分布

      Table 1.  Radial size distribution of marigold stalk

      位置
      Position
      最大值
      Max./mm
      最小值
      Min./mm
      径向平均值
      Radial average/mm
      极差
      Range
      上段 Top segment 8.5 1.2 4.0 7.3
      中段 Middle segment 13.0 3.0 7.9 10.0
      下段 Base segment 14.2 3.5 10.3 10.7
    • 万寿菊秸秆径向的场发射扫描电镜检测结果如图2所示。在万寿菊秸秆的上段径向切面上(图2a),导管组织发达(成片状),“蜂窝状”纤维组织带的孔径呈现相对粗疏的不均匀分布状态,由表皮部向髓心方向管孔直径先小后大,这一点与前人研究的同属禾本科植物的杞柳(Salix integra)茎秆的导管形态特征变异规律[18]存在差别。可以认为:即使同为一年生的植物,不同种类的禾本科植物之间,微观组织结构仍存在差异,这应该与其生长发育时“与生俱来”的遗传因子有密切关系。在万寿菊秸秆中段(图2b),纤维组织的管孔直径明显减少,而且趋于相对“均匀”,某些导管内壁上清晰可见有环纹(螺纹),属梯形纹孔。在万寿菊秸秆的下段(图2c),导管呈“椭圆状”,或以独立的单管孔形式存在,或以相互“串联”的复管孔形式存在。总体上,沿秸秆高度方向(纵向),万寿菊秸秆在内表皮处的薄壁组织发达,径切面组织结构在上段相对不均匀,管孔直径大,少量管孔中有侵填体,而在中段和下段的组织结构差异不大。另外,未见万寿菊秸秆径切面上有射线组织存在。

      图  2  万寿菊秸秆径向的微观形貌

      Figure 2.  Radial microscopic morphology of marigold stalk

      对万寿菊秸秆的化学元素组成(EDS)及其高度方向分布变异情况进行测定,测试选取范围以秸秆中段试样的选区为例(如图3b所示),所得结果见表2所示。可以看出:万寿菊秸秆总体上的化学元素组成为C、O、N和微量的硅。这与一般植物多含有的C、H、O基本元素构成一致(EDS无法测定出植物中的H元素),N元素和微量的Si元素是禾本科植物中常见的,这与农作物的氮肥施加以及所处环境土壤中的微量元素有关。

      表 2  万寿菊秸秆的元素种类、原子百分比均值和碳氧比

      Table 2.  Element type, average of atomic percent and C/O ratio of marigold stalk

      样品
      Sample
      元素种类
      Element type
      原子百分比均值
      Average of atomic percent/%
      碳氧原子比
      C/O atomic ratio
      上段
      Top
      segment
      C 31.92 ± 1.30 0.73
      O 43.68 ± 3.60
      N 24.36 ± 4.96
      Si 0.04 ± 0.01
      中段
      Middle
      segment
      C 32.94 ± 0.18 0.79
      O 41.59 ± 1.68
      N 25.37 ± 1.31
      Si 0.10 ± 0.03
      下段
      Base
      segment
      C 37.48 ± 1.39 0.83
      O 45.31 ± 2.57
      N 17.07 ± 3.67
      Si 0.14 ± 0.04

      图  3  万寿菊秸秆元素分析的取样位置

      Figure 3.  Sampling position for marigold stalk element analysis

      表2数据分析可知随着高度方向由上段到下段的改变,秸秆中的碳氧比例呈现出递增趋势。上段、中段、下段平均碳氧原子比分别为0.73、0.79、0.83,碳氧比的不断增加意味着植物中化学物质结构、组成均会发生较大差异。氮元素含量在上段、中段差异较小,而到下段含量降低明显,由于植物秸秆中含有氮元素的主要为粗蛋白质,由此表明万寿菊秸秆下段粗蛋白质下降明显。硅元素含量的变化与氮元素趋势相反,这可能是由于硅元素在植物生长过程中的富集作用引发的。

    • 图4表3分别为基于电镜扫描图像的万寿菊秸秆径向的胞壁率测定取样位置和测定结果。表3的数据结果显示:万寿菊秸秆沿径向由内至外,胞壁率均显现出增大的趋势,但增大的程度以上段为最大(增加了9.44%),而中段和下段的胞壁率增长率相差不大(均约为2.0%)。万寿菊秸秆沿高度方向上的胞壁率平均值自上至下逐渐增大,而胞壁率在某种程度上显示了植物细胞的整体支撑强度,胞壁率越大则秸秆的强度越大,所以此研究结果符合植物的生长规律,下段提供的支撑强度是维系植物直立的决定因素。但在纵向分布上,胞壁率的数值沿纵向从上段到中段再到下段逐渐增大,增大的比例却是不同的,其原因也许与生长发育的规律和环境气候条件相关。

      表 3  万寿菊秸秆径向胞壁率及分布

      Table 3.  Radial cell wall rate and distribution of marigold stalk %

      位置
      Position
      近内表皮处
      Near inner epidermis
      近外表皮处
      Near outer skin
      平均值
      Average
      上段 Top segment 19.25 28.69 23.97
      中段 Middle segment 33.81 35.83 34.82
      下段 Base segment 36.24 38.21 37.23

      图  4  万寿菊秸秆径向胞壁率测定的取样位置

      Figure 4.  Sampling position for determination of radial cell wall rate of marigold stalk

    • 图5是万寿菊秸秆上、中、下3段不同位置的FTIR谱图,沿高度方向上,3个不同位置上的FTIR谱图主要有4处较明显差异。其一,在2 818 ~ 2 982 cm− 1处,3个不同位置上此处吸收峰的波形有了较大变化,从上至下,波峰由两个尖锐的吸收峰转变称为一处平滑的吸收带。在图5上段谱图中尖锐峰出现在2 919和2 851 cm− 1处,此位置上的吸收峰系有机化合物中含有的亚甲基–CH2–中的C–H伸缩振动。在图5中段和下段谱图中,此2 818 ~ 2 982 cm− 1区间尖锐吸收峰消失转变为平滑的吸收峰(带),此趋势可归因于中段谱图中甲基(–CH3)含量的增加使位于2 957 cm− 1、2 843 cm− 1处的吸收峰加强,如图5a拟合谱图所示,与2 919 cm− 1和2 851 cm− 1处吸收峰叠加造成尖峰消失变成了大的平滑的吸收峰(带)。由此可以推断随着万寿菊秸秆的生长,植物中甲基官能团的含量逐渐增加[19]。其二,图5下段谱图与上段谱图、中段谱图相比,在波数1 651 cm− 1处出现了一处强度微弱的吸收峰,推断此处为与芳香核发生共轭的羰基[20]。其三,在波数1 459 cm− 1处,此处的吸收峰是甲基(–CH3)上的C–H键的弯曲振动,此处甲基吸收峰的出现可证明在2 818 ~ 2 982 cm− 1间吸收峰变化的推测。其四,在指纹区的800 ~ 849 cm− 1处,通常认为波数在650 ~ 910 cm− 1处出现的吸收峰是由苯环因取代而产生的吸收,在800 ~ 849 cm− 1处吸收峰形状的变化是由于苯环上取代基团数量、位置、种类差异造成的。在中段谱图的818、832 cm− 1处存在两个小的吸收峰,可推测为苯环上存在两个相邻的氢引起的C–H键的面内弯曲振动,而存在的相邻的两个氢可以认为是苯环上发生对位取代,也可能是1,2,4三取代。在上段谱图上只存在818 cm− 1处吸收峰,在下段谱图上只存在832 cm− 1处吸收峰,推断此现象是由上、中、下3段不同位置中存在含有两个相邻氢的苯环且苯环发生了不同方式的取代反应造成的。

      图  5  万寿菊秸秆的FTIR谱图

      Figure 5.  FTIR spectra of marigold stalk

      万寿菊属于禾本科植物,秸秆中含有较多的木质素,其中木质素结构单元以紫丁香基结构单元和愈创木基结构单元为主,含有少量的对羟苯基结构单元[21]。构成木质素的3个基本单元中,愈创木基丙烷和对羟苯基丙烷均含有苯环,且取代位置不同,含有不同形式的两个相邻的氢。由此推断在上段、中段、下段不同位置存在的木质素结构单元比例不同,上段中以对羟苯基单元为主,下段以愈创木基单元为主,而中段为过渡段。

      图6是万寿菊秸秆不同位置的二阶导数谱图(SDIR)。二阶导数光谱是对普通FTIR光谱数据进行微分处理而得到的吸光度对波数的变化率谱图,可以发掘出 FTIR光谱上被某些强峰遮盖的弱峰,从而提高谱图的分辨率[22]。对垂直方向上的不同位置FTIR谱图进行二阶导数处理得到SDIR谱图。上段、中段、下段在2 919和2 851 cm− 1处的特征峰出现了特征峰强度的明显减弱,可以将2 919、2 851 cm− 1推断为亚甲基的特征峰,在万寿菊秸秆的上段存在着较多含有亚甲基官能团的化合物,随着秸秆高度的增长,含亚甲基官能团化合物的结构发生了转变。与此同时,中段、下段谱图上在2 969 cm− 1处出现了新的较强特征峰,可推断为甲基基团,万寿菊秸秆的垂直生长,使中、下段秸秆开始不断累积含有甲基基团的化合物。上段秸秆谱图中,在1 700、1 280 cm− 1处存在特征峰,推测为饱和羧酸基团,表明在上段秸秆中含有存在羧酸基团的物质,如α–D–半乳糖醛酸、α–D–4–O甲基葡萄糖醛酸,其中主要为α–D–4–O甲基葡萄糖醛酸,为半纤维素的重要构成单元。特征峰经过在中段的过渡而在下段谱图中完全消失,表明相应化合物消失。在上段和中段谱图上的1 012 cm− 1特征峰,同时在中段的指纹区850 cm− 1处出现了特征峰(上段在850 cm− 1处峰不明显),推测这两处为六元单氧环,环中C–O–C键发生非对称伸缩振动,推测此处可能为纤维素、半纤维结构中的六元环结构。在下段谱图中两处特征峰变得非常微弱,表明此类化合物的含量大幅度下降。

      图  6  万寿菊秸秆的SDIR谱图

      Figure 6.  SDIR spectra of marigold stalk

      图7是万寿菊秸秆关于不同位置的二维红外谱图(2DIR)。与FTIR和SDIR相比,2DIR光谱可以得到分辨率更高的图谱,并可以反映出不同官能团之间的相互关系[23]。谱图对角线上的峰(自动峰)是某个变量处(如万寿菊秸秆的高度)光谱强度变化的自相关强度,谱图中对角线上颜色越红的地方表示自动峰的强度越强,即对变量越敏感。在不同自动峰的交汇处,对照同步图与异步图可分析出两者之间的相互关系。

      图  7  万寿菊秸秆的2DIR谱图

      Figure 7.  2DIR spectra of marigold stalk

      在2DIR分析中的同步图中对角线为自动峰,图7a中出现了3个强度高的自动峰(带),分别位于3 240 ~ 3 409 cm− 1、2 921、2 850、1 619 cm− 1处。在3 240 ~ 3 409 cm− 1处存在马鞍状自动峰,推测为羟基(O–H)的伸缩振动,在构成万寿菊秸秆的纤维素、半纤维素、木质素中广泛存在着羟基,羟基含量随着秸秆不同位置的变化存在着较大差异。在FTIR分析时,已推测2 921、2 850 cm− 1处为亚甲基,随着位置变化,亚甲基含量出现了大幅度的变化,结合FTIR与2DIR分析为从上段至下段亚甲基逐渐减少。在1 619 cm− 1处推测为芳香环上的碳碳不饱和键之间的伸缩振动,此处自动峰表现较强,表明在不同位置含有芳香环官能团化合物差异明显。结合同步图与异步图[24]分析3 240 ~ 3 409 cm− 1、2 921、2 850、1 619 cm− 1 这4处差异均为特征峰强度降低的趋势,表明随着万寿菊秸秆位置的变化,含有羟基、亚甲基、芳香环官能团的化合物发生了变化。

    • 随着万寿菊秸秆高度方向的变化,在径向尺寸、内部组织结构、元素含量及比例、细胞的胞壁率、官能团的种类及数量等方面均出现了相应变化。在万寿菊秸秆径向方面,上段变异性小于中段和下段。万寿菊秸秆的上段组织结构“粗疏”,但在中段和下段的管孔直径及其分布差异不大,导管类型主要是单管孔或复管孔。万寿菊秸秆的碳氧比、氮元素含量在高度方向由上至下呈现递增趋势,而硅元素含量则相反。万寿菊秸秆的胞壁率在径向由内向外,高度方向由上向下均呈现出递增趋势。万寿菊秸秆中含有的官能团种类和数量与秸秆高度位置的变化呈现一定相关性。通过红外三级鉴定可推断出:作为组成秸秆的主要成分的纤维素、半纤维素、木质素的含量及其结构单元存在与高度相关联的变化。通过对万寿菊秸秆的微观形貌、化学元素组成和官能团的变异规律,可以在微观尺度和分子水平上为科学合理利用农作物废料提供技术依据。

参考文献 (24)

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