生物质炭表面有机无机“覆盖层”化学组分特征及其生物活性意义研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    41877096
  • 项目类别：
    面上项目
  • 资助金额：
    61.0万
  • 负责人：
    卞荣军
  • 依托单位：
    南京农业大学
  • 学科分类：
    D0710.土壤侵蚀与土壤肥力
  • 结题年份：
    2022
  • 批准年份：
    2018
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Pyrolysis of Crop residues for soil amendment has been recommend as one of the ten key models for straw resources recycling in China. However, the mechanisms of biochar for plant growth promoting still remains obscure. The soluble fractions of biochar may be one of the key factors that directly affect plant growth. This project will focus on the bioactivity of organic-inorganic coating on biochar surface. The influence of feedstock and pyrolysis conditions on the chemical compositions of soluble fractions on biochar surface will be characterized from micro tomography techniques to molecular composition. The seed germination and pot experiment will be conducted to analyze the quantitative association of soluble organic-inorganic coating with its bioactivity to further discuss the mechanisms of biochar on plant growth. A field experiment will be conducted with a rice paddy filed experiment with soil amendment respectively of maize straw biochar and biochar extract to explore the changes of bioactivity ability of soluble coating with its release and decomposition patterns. By doing so, we aim to understand the short and long term relationship between biostimulation effect of organic and inorganic coating and the agronomy benefits of biochar. This study will contribute to show how organic-inorganic coating helps biochar to improve soil quality and plant healthy and to provide information for sustainable agriculture management and soil improvement.
秸秆热裂解炭化还田改土已被我国农业部列为秸秆资源利用的十大关键模式之一。已有研究表明生物质炭可促进作物生长，但其作用机制尚不明确。生物质炭表面可溶性组分可能是生物质炭直接影响土壤质量和作物生长的关键因素之一。本项目从生物质炭表面可溶性有机无机覆盖层出发，采用微形貌分析法和液相色谱质谱法研究不同生物质原料（水稻秸秆、玉米秸秆和猪粪），热裂解条件（温度、时间）对生物质炭表面可溶性组分化学结构与分子组成的影响。进一步采用种子萌发试验与盆栽试验研究不同生物质炭表面有机无机组分与其生物活性的定量关系，并探讨其潜在作用机制。最后，采用玉米秸秆生物质炭加入水稻土的田间试验，结合有机碳同位素方法研究生物质炭可溶性有机组分的分解、释放规律，探讨生物质炭表面有机无机覆盖层的生物活性与生物质炭短期和长期农学效应的关联，揭示生物质炭改良土壤、改进生物健康的微观机理，为可持续农业管理和土壤质量提升提供科学依据。

结项摘要

生物质热解炭化过程中，有机挥发分物质从固相逸出，冷凝后重新吸附于生物质炭，成为其中的可溶性有机物。生物质炭可溶性有机物化学组成复杂，主要含小分子有机物与芳香类化合物且含有丰富的官能团，具有较高的化学反应活性和生物活性，可显著地改变土壤中养分元素和污染物的形态与有效性，影响土壤微生物组成与丰度，调控作物的生长与健康。依生物质原料和热解条件的差异，生物质炭可溶性有机物的化学结构与生物活性功能也不尽相同。随着热裂解温度的升高，生物质炭热水浸提液中的可溶性碳的含量显著降低，浸提液中氮、钙、镁的含量均随着炭化温度的升高而降低。本项目研究发现低温制备的生物质炭浸提液显著促进小白菜的生长。转录组分析结果表明添加生物质炭可溶性组分对小白菜叶片中与细胞壁的形成、稳定以及逆境响应基因的调控作用最为明显。生物质炭可溶性有机物的生物活性意义主要表现为对生物的刺激作用，但部分生物质炭可溶性有机物可能具有一定的潜在毒性风险。进一步研究发现，生物质热解过程中产生的挥发分可冷凝物质类似于生物质炭表面可溶性组分的高度浓缩。研究发现秸秆生物质热解液体产物具有较强的抑菌性，可显著抑制引发小麦赤霉病的禾谷镰刀菌生长和毒素产生，其半最大效应浓度（EC50）为3.1ppm。将秸秆热解液体产物与生物质炭可溶性有机物结合可生产具有生物刺激作用的商品液体肥料，其对不同作物的促生和提质效果优于普通商品液体肥，可实现生物质热解产物和炭的分质与分值利用。本项目通过对生物质炭可溶性组分的生物活性或抑菌物质的组分与形成机制研究，为深刻了解生物质炭的农业与环境效应提供了新的认识，未来将有利于生物质炭产品的优化和炭基液体肥料的研制与应用，也可以避免生物质炭应用的潜在环境风险。

项目成果

期刊论文数量（11）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（1）
Biochar bound urea boosts plant growth and reduces nitrogen leaching
生物炭结合尿素促进植物生长并减少氮浸出
  • DOI：
    10.1016/j.scitotenv.2019.134424
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    Science of the Total Environment
  • 影响因子：
    9.8
  • 作者：
    Shi Wei;Ju Yanyan;Bian Rongjun;Li Lianqing;Joseph Stephen;Mitchell David R. G.;Munroe Paul;Taherymoosavi Sarasadat;Pan Genxing
  • 通讯作者：
    Pan Genxing
Utilization of biochar produced from invasive plant species to efficiently adsorb Cd (II) and Pb (II)
利用入侵植物产生的生物炭有效吸附 Cd (II) 和 Pb (II)
  • DOI：
    10.1016/j.biortech.2020.124011
  • 发表时间：
    2020-12-01
  • 期刊：
    BIORESOURCE TECHNOLOGY
  • 影响因子：
    11.4
  • 作者：
    Lian, Wanli;Yang, Li;Pan, Genxing
  • 通讯作者：
    Pan, Genxing
Quantitative assessment of the effects of biochar amendment on photosynthetic carbon assimilation and dynamics in a rice-soil system
生物炭改良对稻土系统光合碳同化和动态影响的定量评估
  • DOI：
    10.1111/nph.17651
  • 发表时间：
    2021
  • 期刊：
    NEW PHYTOLOGIST
  • 影响因子：
    9.4
  • 作者：
    Liu Zhiwei;Wu Xiulan;Li Shixian;Liu Wei;Bian Rongjun;Zhang Xuhui;Zheng Jufeng;Drosos Marios;Li Lianqing;Pan Genxing
  • 通讯作者：
    Pan Genxing
Biochar DOM for plant promotion but not residual biochar for metal immobilization depended on pyrolysis temperature
用于植物促进的生物炭 DOM 但不用于金属固定的残留生物炭取决于热解温度
  • DOI：
    10.1016/j.scitotenv.2019.01.224
  • 发表时间：
    2019-04-20
  • 期刊：
    SCIENCE OF THE TOTAL ENVIRONMENT
  • 影响因子：
    9.8
  • 作者：
    Bian, Rongjun;Joseph, Stephen;Pan, Genxing
  • 通讯作者：
    Pan, Genxing
Chemical composition and bioactivity of dissolvable organic matter in biochars.
  • DOI：
    10.3864/j.issn.0578-1752.2022.11.008
  • 发表时间：
    2022-01-01
  • 期刊：
    Scientia Agricultura Sinica
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    Bian, Rong-jun;Liu, Xiao-yu;Pan, G.
  • 通讯作者：
    Pan, G.

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其他文献

不同温度热解牛骨炭对菜园土壤磷素转化及小白菜产量的影响
  • DOI：
    10.19336/j.cnki.trtb.2019.06.18
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
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  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    郭文杰;邵前前;杜健;唐嫚;李文健;吕进;卞荣军;郑聚锋;潘根兴
  • 通讯作者：
    潘根兴
减氮条件下秸秆炭化与直接还田对旱地作物产量及综合温室效应的影响
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2016
  • 期刊：
    南京农业大学学报
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    韩继明;潘根兴;刘志伟;张硕硕;熊旭东;吕振;郑聚锋;张旭辉;刘晓雨;李恋卿;卞荣军;程琨
  • 通讯作者：
    程琨
从废弃物处理到生物质制造业从废弃物处理到生物质制造业: 基于热裂解的生物质科技与工程
  • DOI：
    10.3981/j
  • 发表时间：
    2017
  • 期刊：
    科技导报
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    潘根兴;卞荣军;程琨
  • 通讯作者：
    程琨
生物质炭对水稻土团聚体微生物多样性的影响
  • DOI：
    10.5846/stxb201901220172
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    生态学报
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    朱孟涛;刘秀霞;王佳盟;刘志伟;郑聚锋;卞荣军;王艮梅;张旭辉;李恋卿;潘根兴
  • 通讯作者：
    潘根兴
生物质炭施用对不同深度稻田土壤有机碳矿化的影响
  • DOI：
    10.11654/jaes.2020-0335
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    农业环境科学学报
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    王佳盟;刘伟;刘志伟;刘秀霞;吴秀兰;卞荣军;郑聚锋;李恋卿;潘根兴
  • 通讯作者：
    潘根兴

其他文献

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卞荣军的其他基金

添加生物质炭对污染稻田土壤Cd有效性及水稻吸收影响的后效应研究
  • 批准号：
    41501353
  • 批准年份：
    2015
  • 资助金额：
    20.0 万元
  • 项目类别：
    青年科学基金项目

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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