Ива кустарниковая: Ива кустарниковая — размножение, посадка и уход, советы по выращиванию

Спрос и потребление возобновляемой энергии в США находятся на рекордно высоком уровне.

Кустарниковая ива — быстрорастущая древесная культура — может быть отличным источником возобновляемой биоэнергии.Урожай собирается и превращается в древесную щепу, которую можно использовать для обогрева, мульчи, подстилки для животных, биоугля и биотоплива.

В новом исследовании ученые выращивали кустарниковую иву в полукоммерческих масштабах, чтобы лучше понять нюансы этой биоэнергетической культуры. Исследование было опубликовано в Agronomy Journal , издании Американского общества агрономии.

«Мы изучили и разработали ключевые ноу-хау, которые мы можем передать партнерам по отрасли, заинтересованным в этой культуре», — говорит Армен Кеманян.Кеманян является членом Американского общества агрономии и ведущим автором исследования.

Insights включает определение того, какие сорта ивы высаживать и как лучше всего организовать посадку и сбор урожая.

«Начало выращивания ивы может быть дорогостоящим», — говорит Кеманян. «Это также требует идеально спланированной операции, чтобы снизить затраты и повысить урожайность».

Но кустарниковая ива также имеет ряд преимуществ в качестве биоэнергетической культуры.

«Кустарниковая ива хорошо растет в более влажных районах с холодной зимой и мягким летом», — говорит Кеманян.Это делает эту культуру хорошо подходящей для Новой Англии и некоторых частей Среднего Запада.

Другие биоэнергетические культуры, такие как просо, лучше растут в районах США с более теплым летом.

По словам Кеманяна, «кустарниковая ива может быть частью географически разнообразного сочетания биоэнергетических культур».

Одним из важных качеств кустарниковой ивы является ее способность накапливать огромное количество углерода. Это полезно, потому что, когда в растениях хранится больше углерода, в атмосфере остается меньше углерода.

Когда углерод находится в атмосфере в виде двуокиси углерода, он может быть вредным парниковым газом. Но когда углерод находится в растении, он не представляет опасности для окружающей среды.

Кустарниковая ива также обладает огромным генетическим разнообразием. Это важно для селекции основных характеристик сельскохозяйственных культур, таких как устойчивость к вредителям.

«Исследование показало, что посадка смеси разных сортов ивы имеет решающее значение», — говорит Кеманян.

Это связано с тем, что некоторые высокопродуктивные сорта ивы привлекают вредителей, например, ивнолистный жук.Окружение этих высокоурожайных сортов ивы устойчивыми к жукам разновидностями может замедлить распространение вредителей.

«Это другая стратегия по сравнению с выращиванием однолетних культур», — поясняет Кеманян.

Однолетние растения можно пересаживать каждый год. В отличие от этого кустарниковую иву можно собирать каждые два-четыре года в течение более 20 лет. «Совместное выращивание разных сортов винограда имеет решающее значение», — говорит Кеманян.

Относительно долгая продолжительность жизни ивовых культур также означает, что планирование жизненно важно.

«Затраты на уборку урожая составляют значительную часть общих эксплуатационных затрат на протяжении жизненного цикла ивовых культур», — говорит Кеманян.

Исследование показало, что на хорошо спланированном поле легче убирать урожай. Это может показаться очевидным, но некоторые выводы противоречат здравому смыслу.

Например, хотя урожайность важна, стремление к максимально возможной урожайности с единицы площади не является самым важным параметром при планировании схем посадки ивы.

«Планирование полей и насаждений так, чтобы движение уборочной техники было более эффективным, — говорит Кеманян.

Однако исследование также показало, что — по крайней мере, в полукоммерческих масштабах — фактическая урожайность ивы может быть ниже ожидаемой потенциальной урожайности.

«Ива хорошо растет на плодородных почвах», — говорит Кеманян. «Каменистые почвы могут увеличить стоимость посадки и сбора урожая, а также снизить урожайность».

Исследователи предполагают, что когда дело доходит до выращивания кустовой ивы, собранный урожай — не единственный ценный результат для фермеров.

«Мы также должны монетизировать экосистемные услуги, которые предоставляет ива», — говорит Кеманян.

Эти услуги включают хранение углерода, размещение опылителей, сокращение стока воды и сохранение питательных веществ, таких как азот, в почве.

«Ива может сыграть значительную роль в улучшении наших наиболее интенсивно обрабатываемых земель», — говорит Кеманян. «Нам просто нужно использовать преимущества синергии между животноводством и растениеводством».

Но количественная оценка экосистемных услуг ивы в крупном масштабе остается сложной задачей. «Мы можем решить эту проблему с помощью компьютерного моделирования», — говорит Кеманян.«Это то, чем сейчас занимается наша команда».

Другие следующие шаги включают мониторинг на предмет очагов вредителей с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Эти БПЛА также можно использовать для эффективного и экономичного обнаружения и борьбы с вредителями.

«В конечном итоге мы думаем, что ива может сыграть важную роль в восстановительном и экологически безопасном сельском хозяйстве», — говорит Кеманян.

Армен Кеманян — доцент и научный сотрудник Пенсильванского государственного университета. Эта работа была поддержана проектом NEWBio и Национальным институтом продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США.

Salix: Ива | Портлендский питомник

Willowy: изобилует ивами; напоминающий иву; податливые, гибкие, изящно высокие и стройные (Мерриам-Вебстер).

Сколько растений настолько проникли в наш коллективный разум, что описывают не только растение, но и характеристики людей? На ум приходят дубы, сильные, как… но несколько других. Ивы веками использовались людьми в ремеслах, мебели и медицине, поэтому их присутствие на нашем языке понятно.

Ниже приведены описания лишь небольшого количества из более чем 200 видов ив, выращиваемых в питомниках Портленда каждую весну. Многие другие существуют и могут попасть в нашу ротацию, если нам повезет. Некоторые виды, обитающие на северо-западе Тихого океана, часто входят в нашу подборку местных деревьев.

Золотые извилистые ветви и вьющиеся зеленые листья, которые осенью становятся золотыми перед опаданием.Растет как крупный многоствольный кустарник или дрессируется до древовидной формы. Портлендский питомник имеет форму дерева.

Вырастает 30 ‘x 15’, Солнце, Z5 (-20f).

Вьющиеся красные стебли красного дерева и извилистые зеленые листья.Растет как крупный многоствольный кустарник или дрессируется до древовидной формы. Портлендский питомник часто имеет форму с несколькими стеблями, а не в форме дерева.

Вырастает 30 ‘x 15-20’, Солнце, Z5 (-20f).

Плакучие ивы

Одна из самых выносливых и крупных Плакучих ив.Его ствол и основные ветви растут прямо, в то время как боковые ветви с золотой корой плачут прямо в землю. Цвет стебля наиболее заметен зимой. Листья ярко-зеленые, узкие, ланцетные. Цветки в сережках.

Вырастает 50-70 футов в высоту, 30-50 футов в ширину, Солнце, Z4 (-30f)

Плакучая ива с мощной вертикально ветвящейся структурой и свисающими к земле боковыми ветвями.В молодом возрасте кора красновато-коричневая, а листья ярко-зеленые сверху и молочно-зеленые снизу, становясь золотыми перед опаданием осенью. Цветы расположены в нечетких сережках, скрытых листвой.

Рост 30-40 футов x 30-40 футов, Солнце, Z6 (-10f)

Киска ивы

Поздней зимой пушистые серые сережки проталкивают бронзовые почки, приветствуя приход весны.Простые круглые зеленые листья длиной до 4 дюймов имеют пушистую основу и становятся золотистыми до коричневых перед падением осенью. Киски-ивы обычно растут как небольшое деревце с несколькими стеблями или большой куст. Их можно срезать низко к земле после цветения, чтобы сохранить меньшие размеры. размер.

Вырастает 15-30 футов в высоту и 12-15 футов в ширину без обрезки, Sun, Z4 (-30f)

У этой вербы Pussy такие же характеристики цветения и листьев, как у вида S.caprea. Однако вместо того, чтобы расти прямо, он остается низким, вырастая по земле, как почвопокровное растение. Прививаясь к стволу, ива Плакучая Киска образует небольшой холмистый навес и рыдает до земли. Лучше всего летом с обычной водой.

Полный размер 8-10 футов в высоту x 6-8 футов в ширину, Sun, Z4 (-30f)

Белые пушистые сережки длиной 2 дюйма появляются одновременно с листьями в конце марта.Листья зеленые, кожистые, покрытые толстой белой шкуркой пуха. Альпийская ива медленно ползет по земле, то тут, то там накапливая насыпи, но в основном расширяясь. Лучше всего при регулярном увлажнении в летние месяцы.

Очень хорошо подходит для использования в рокарии или в контейнере, где он может пролиться за борт. Вырастает 6-8 дюймов в высоту x 3-4 фута в ширину, тень от солнца, Z5 (-20f)

Ивы кустарниковые

Эту иву выращивают в основном из-за листьев.Ранней весной листья приглушены, едва показывая намек на то, что должно произойти, с небольшим количеством белых пятен среди светло-зеленого цвета. Следующее, что вы знаете, — листья такие белые и розовые, что кажется, будто растение покрыли цветы. Эта стадия длится до тех пор, пока не наступит летняя жара, и листва не превратится в «пятнистую» зелено-белую листву. Новые ветки, выращенные весной, сохраняют яркий кораллово-розовый цвет круглый год. Старая кора имеет тенденцию тускнеть до светло-коричневой.

Белые и розовые листья содержат меньше хлорофилла, чем зеленые листья, поэтому они обгорают на жарком солнце.Они имеют лучший цвет, если их посадить на место с несколькими часами утреннего солнца и тени до конца дня.

Иву пятнистую можно срезать низко до земли ранней весной, чтобы растение оставалось густым и способствовало хорошему цвету листьев и стебля, или можно позволить ему вырасти в более открытую и большую форму.

Вырастает 3-4 фута на 3-4 фута при низкой обрезке весной и 5-6 футов на 6-8 футов без обрезки. Part Shade — Оттенок, Z5.

Тонкие сине-зеленые листья осенью становятся золотыми, на ветру колышутся темно-фиолетовые стебли.Как и многие ивы, арктическую иву можно либо обрезать близко к земле, чтобы она была меньше, либо дать ей возможность вырасти больше и развить более открытую ветвящуюся структуру.

Вырастает на 3-4 фута при низкой обрезке и на 5-7 футов без обрезки. Солнце, полутень, Z3 (-40f)

Распространенных сортов ив и кустарников

Ивы ( Salix spp.) — немалое семейство. Вы найдете более 400 ив. и кустарники, все влаголюбивые растения.Виды ивы, произрастающие на севере Полушария растут в более мягких и более прохладных регионах.

Если вам интересно, какие сорта ивы могут хорошо подойти для вашего двора или сада, вам нужно начать с определения того, сколько у вас места и какие условия выращивания вы можете предложить.

Читайте обзор популярных сортов ив.

Как определить разные ивы

Определить иву несложно. Даже дети могу выбрать киску ивы на дереве или кустарнике весной.Однако различая разные ивы крайне сложно.

Это потому, что многие виды ив скрещиваются. С почти сотни различных сортов ивы в этой стране, много гибридов производится с характеристиками обоих родителей. В результате большинство людей не беспокоиться о различении разновидностей ив.

Популярные сорта ивы

Существует несколько выдающихся сортов ивы, которые все знают.Один из них — популярный плач ива ( Salix babylonica ). Это дерево вырастает до 40 футов (12 м) в высоту. с шириной навеса около 30 (9 м) футов. Ветви ниспадают каскадом вниз, создавая кажется, что он плачет.

Еще один распространенный вид ивы — штопор. ива ( Salix matsudana ‘Tortusa’). Это дерево вырастает до 40 футов (12 м) в высоту и ширину. Его ветви интересным образом изгибаются, что делает его прекрасное дерево для зимних пейзажей.

К другим высокорослым разновидностям ивы относятся ива персиковолистная ( Salix amygdaloides ), который достигает 50 футов (15 м.) высокий и американский верба ( Salix discolor ), вырастающая до 25 футов (7,6 м). Не путайте это с козьей ивой ( Salix caprea ), которая иногда встречается общее название вербы.

Мелкие сорта ивы

Не всякая ива — парящее тенистое дерево. Есть высокие ивы и кустарники с множеством довольно коротких стеблей.

Пятнистый ива ( Salix Integra ‘Hahuro-nishiki’), например, прекрасная маленькое дерево, которое вырастает всего на 6 футов (1.8 м.) Высотой. Его листва пестрый в мягких оттенках розового, зеленого и белого. Также предлагает зимние Интересен тем, что ветви на его множественных стеблях ярко-красные.

Еще одна ива меньшего размера — ива Пурпурная Осиер ( Salix пурпурная ). Как следует из названия, у этого куста удивительные фиолетовые стебли. и листья с оттенками синего. Он вырастает только до 10 футов (3 м) в высоту и должен строго сокращаться каждые пять лет. В отличие от многих ив, он не против немного сухой почвы или тени.

границ | Ферментативное осахаривание генотипов кустарниковой ивы с разным составом биомассы для производства биотоплива

Введение

Снижение зависимости США от иностранной нефти потребует производства отечественного возобновляемого транспортного топлива из лигноцеллюлозной биомассы в качестве альтернативных источников энергии. Закон о безопасности энергетической независимости от 2007 года потребовал повышения стандарта возобновляемого топлива до 36 миллиардов галлонов возобновляемого топлива к 2022 году (H.Р., 2007). Для достижения этой цели в течение следующего десятилетия и предотвращения конкуренции за такие продовольственные культуры, как кукуруза, необходимо улучшить процессы преобразования лигноцеллюлозной биомассы в продукты ферментации, такие как этанол или бутанол. Выделенные энергетические культуры, включая многолетние травы и древесные культуры с коротким севооборотом, такие как гибридный тополь ( Populus spp.) И кустарниковая ива ( Salix spp.), Будут иметь решающее значение для экономической жизнеспособности производства возобновляемого топлива.

Возможность производства биотоплива из лигноцеллюлозных энергетических культур во многом зависит от снижения затрат на протяжении производственного цикла и процесса переработки.Преобразование лигноцеллюлозного материала в этанол включает четыре основных этапа: предварительную обработку, гидролиз, ферментацию и очистку или дистилляцию продукта (Lynd, 1996). Процессы предварительной обработки разрушают сильно устойчивый лигноцеллюлозный материал механически или химически, чтобы сделать целлюлозу и гемицеллюлозы более доступными для гидролиза. Это требует большого количества энергии и является наиболее дорогостоящим шагом как с экономической, так и с энергетической точки зрения (Lynd, 1996; Himmel et al., 2007; Yang and Wyman, 2008).Преодоление этой стойкости и улучшение перевариваемости целлюлозы являются ключевыми областями исследований для повышения рентабельности целлюлозного этанола и включают улучшения в предварительной обработке и гидролизе. Однако существует также потенциал для снижения затрат за счет выявления и выращивания сырья с улучшенными способностями к высвобождению сахара, которое является оптимальным для производства биотоплива (Guo et al., 2009; Brereton et al., 2010).

Биоэнергетические культуры кустарниковой ивы обладают многими характеристиками, необходимыми для производства сырья и биомассы.Благодаря своей способности к подстилке и энергичному росту молоди они могут производить высокий урожай биомассы (> 11 odt (сушеных тонн) га ^-1 год ^-1 ) на малоплодородных землях, не пригодных для выращивания традиционных пищевых культур (Volk et al., 2011 ). Поскольку культивирование и одомашнивание культур кустарниковой ивы было незначительным, существует широкий генетический ресурс, доступный для селекции, и высокий уровень генетического разнообразия для использования в роде Salix , состоящем из более чем 300 видов. Селекция на устойчивость к вредителям и болезням и повышение урожайности были успешными в Швеции, Великобритании и США (Ahman and Larsson, 1994; Karp et al., 2011; Höglund et al., 2012; Серапилья и др., 2012).

Было показано, что ива кустарниковая имеет высокую фенотипическую изменчивость по составу биомассы (Serapiglia et al., 2009) из-за различий в характеристиках клеточных стенок. Несколько исследований показали взаимосвязь между более низким содержанием лигнина в биомассе и улучшенным высвобождением сахара, указывая на то, что лигнин способствует устойчивости клеточной стенки (Chen and Dixon, 2007; Jackson et al., 2008; Studer et al., 2011) . Однако содержание лигнина — не единственный фактор, способствующий высвобождению сахара.Необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить влияние химии клеточной стенки и ее компонентов на доступность полисахаридов для улучшения стратегий разведения.

В этом исследовании мы исследовали вариацию состава биомассы среди 30 уникальных генотипов кустарниковой ивы, посаженной на одном участке, и исследовали высвобождение сахара после ферментативного гидролиза необработанной биомассы. Дальнейшее исследование 10 выбранных генотипов включало предварительную обработку горячей водой на двух уровнях серьезности с последующим ферментативным осахариванием для количественного определения высвобождения сахара и превращением в этанол с использованием метода одновременного осахаривания и ферментации (SSF).Целью этого проекта было определить, влияют ли различия в характеристиках состава биомассы среди генотипов кустарниковой ивы на высвобождение сахаров в результате ферментативного осахаривания и эффективность преобразования в этанол.

Материалы и методы

Сбор исходного материала и биомассы

Тридцать генотипов ивы были посажены вручную в мае 2006 г. 25-сантиметровыми черенками с двойным междурядьем в четырех полностью рандомизированных блоках в ходе испытания урожайности 2006 г. в Констеблвилле, штат Нью-Йорк, США (Таблица 1).Опыт был обработан в конце первого вегетационного периода, а после третьего послевозрастного сезона стебли ивы были собраны в декабре 2009 года. Стебли были расщеплены, и четыре повторности объединены. Был измерен выход биомассы, и подвыборка была собрана, высушена и взвешена для определения содержания влаги при сборе урожая, что позволило оценить сухой вес. Для этого стружку сушили до постоянного веса при 60 ° C и измельчали ​​на мельнице Wiley через сито 20 меш. Дальнейшее тонкое измельчение до размера частиц 0,5 мм проводили с использованием аналитической мельницы MF 10 (IKA, Wilmington, NC, USA).Кроме того, 25-сантиметровый срез был взят из середины типичного стебля навеса одного растения на каждом участке для определения плотности древесины путем объемного смещения (Стандарт TAPPI T 258 om-06, 2006).

ТАБЛИЦА 1. Генотипы кустарниковой ивы, использованные в этом исследовании, получены в результате испытания урожайности в Констеблвилле в 2006 году.

Термогравиметрический анализ высокого разрешения

Неэкстрагированные образцы биомассы ивы анализировали термогравиметрическим анализом (Термогравиметрический анализатор 2950, ​​TA Instruments, Нью-Кастл, Делавэр, США, с программным обеспечением TA Universal Analysis 2000) согласно Serapiglia et al.(2009). Каждый образец биомассы анализировали с помощью трех инструментальных повторов. Результаты, полученные в результате этого анализа, выражали в процентах целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и золы от общей сухой биомассы.

Предварительная обработка горячей воды

Высушенную не экстрагированную измельченную биомассу вымачивали до насыщения в воде в течение ночи при 4 ° C. Все образцы фильтровали через воронки Бюхнера с фильтрами Whatman 15 см (степень 1). Сухую массу определяли в трех экземплярах, высушивая суб-образцы весом приблизительно 2 г в течение ночи при 105 ° C.Биомассу ивы при твердой загрузке воды 20% (мас. / Мас.) Предварительно обрабатывали в трубчатых реакторах из нержавеющей стали 316, снабженных крышками из нержавеющей стали 316 (Swagelok, США) для предотвращения испарения жидкой фракции. Все образцы были предварительно обработаны при 200 ° C в ванне с псевдоожиженным песком (Techne Precision, США) с двумя разными временами резонанса — 5 и 9 минут, с учетом времени нагрева 5 минут. Все образцы были предварительно обработаны в двух экземплярах. Для быстрого охлаждения все реакторы охлаждали на ледяной бане в течение 10 мин.Все образцы были перенесены в контейнеры для хранения. Перед продолжением ферментативного гидролиза или производства этанола для всех образцов определяли содержание влаги и общее количество твердых веществ. Предварительная обработка была скорректирована до log R ₀ серьезности 3,6 и 3,9 (уравнение 1). Уровень серьезности был определен как

, где t — время (минуты), а T — температура (° C).

Ферментативный гидролиз

Ферментативный гидролиз проводили с необработанной, не экстрагированной биомассой из всех 30 генотипов ивы и с предварительно обработанной биомассой из 10 выбранных генотипов в соответствии с установленным протоколом Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) (Selig et al., 2008). Для необработанных образцов биомассы 200 мг сухой биомассы добавляли в сцинтилляционные флаконы на 20 мл. Для предварительно обработанной биомассы использовали влажную биомассу, эквивалентную 200 мг сухой биомассы. Во все образцы добавляли пять миллилитров 0,1-М натрийцитратного буфера (pH 5) и 500 мкл раствора натамицина ^-1 100 мкг мл. Для гидролиза использовали две коммерчески производимые ферментные смеси: 100 мкл Cellic ^® CTec2 (Novozymes, Wilmington, DE, USA), который представляет собой смесь целлюлаз, β-глюкозидаз и гемицеллюлазы, и 20 мкл Cellic ^® HTec2. (Novozymes), который содержит дополнительные эндоксиланазы.Все образцы доводили до общего объема 10 мл с помощью деионизированной воды. Образцы закрывали крышками и помещали в водяную баню с встряхиванием при 50 ° C на 48 ч при 200 об / мин. После инкубации образцы стерилизовали фильтрованием (нейлон 0,45 мкм, Grace, Deerfield, IL, USA) для анализа на сахар. Собранную сухую биомассу взвешивали и собирали дополнительные пробы для определения влажности и общего содержания твердых веществ.

Количественное определение сахара

Сахара были количественно определены с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с использованием системы Shimadzu Prominence System (Колумбия, Мэриленд, США), состоящей из проточного дегазатора DG-20A3, бинарного насоса LC-20AB, автоматического пробоотборника SIL-10AD, CTO -20AC термостат колонок и детектор показателя преломления RID-10A.После фильтрации (0,22 мкм, нейлоновая мембрана, Whatman) вводили 20 мкл образца и разделяли с использованием неподвижной сульфированной стирол-дивинилбензольной неподвижной фазы (300 мм × 7,8 мм внутренний диаметр, Aminex HPX-87P, Bio-Rad, Hercules, Калифорния, США). с помощью предварительной колонки картриджного типа (внутренний диаметр 30 мм × 4,6 мм, фаза удаления золы, Bio-Rad) при 85 ° C. Подвижная фаза состояла из воды класса I ASTM (Arium 611UV, Sartorius, Германия), и скорость потока составляла 0,5 мл мин. ^-1 . Анализ данных проводился с использованием прилагаемого программного обеспечения (LC Solution v.1.23, Шимадзу).

Производство этанола на SSF

Одновременное осахаривание и ферментация проводили на предварительно обработанной биомассе 10 выбранных генотипов. Исследования ферментации проводили в масштабе 20 мл в запечатанных бутылях для сыворотки с использованием не экстрагированного, не высушенного предварительно обработанного материала с конечной концентрацией 50 г л ^-1 (высушенная в печи основа). Среда, состоящая из 12 г L ^-1 кукурузного настоя и 0,5 г L ^-1 диаммонийфосфата, забуференная 50 мМ ацетатом и доведенная до исходного pH 5.5, был использован. Пенициллин G добавляли в конечной концентрации 30 мкг / мл ^-1 для ингибирования потенциальных бактериальных загрязнителей. Гидролиз осуществляли путем добавления 60 мкл Cellic ^® CTec2 и 6 мкл Cellic ^® HTec2. Сконструированный ферментирующий ксилозу штамм Saccharomyces cerevisiae (Mascoma Corporation) инокулировали при 0,5 г л ^-1 сухой массы клеток (DCW) для ферментации при 35 ° C при 150 об / мин. После 73 и 120 часов ферментации образцы отбирали, фильтровали, подкисляли и анализировали с помощью ВЭЖХ на этанол, органические кислоты и мономеры сахара с использованием системы Agilent 1100 с детектором показателя преломления (Санта-Клара, Калифорния, США).Все образцы были разделены на колонке Aminex HPX-87H с подвижной фазой, состоящей из 0,01 н. Серной кислоты, с расходом 0,6 мл мин. ^-1 (Sluiter et al., 2008). Все образцы были проанализированы с помощью ChemStation (Agilent).

Статистический анализ

Все статистические анализы были выполнены с использованием SAS ^® версии 9.2 при критическом α = 0,05 (SAS Institute Inc., 2000–2004). SAS PROC UNIVARIATE использовался для обобщения распределения данных для всех проанализированных переменных.PROC GLM использовался для проведения дисперсионного анализа. Когда наблюдалась значительная разница ( P <0,05), для попарных сравнений использовали критерий среднего стьюдентизированного диапазона Тьюки. PROC CORR использовался для выявления любых значимых корреляций между переменными, полученными в этом исследовании.

Результаты

Состав биомассы и плотность древесины

Все композиционные признаки значительно различались ( P <0,05) по генотипу (Рисунок 1). Целлюлоза показала наибольший разброс среди генотипов от 38 до 45%.«Tully Champion» имел самое высокое содержание целлюлозы с низким содержанием лигнина, гемицеллюлоз и золы. Наименьшее содержание лигнина наблюдалось у сорта «Аллегани». Зольность составляла <3% от общей биомассы всех сортов. Плотность древесины значительно различалась по генотипу, причем «SV1» имел наибольшую плотность 0,48 г / см ^-3 (Рисунок 2). Плотность колебалась от 0,48 до 0,35 г / см ^-3 .

РИСУНОК 1. Состав ивы в процентах от сухой массы (среднее значение ± стандартная ошибка среднего для трех повторов) при сборе урожая после 3 лет роста в Констеблвилле, штат Нью-Йорк, США, по данным термогравиметрического анализа с высоким разрешением. Черные полосы указывают 10 генотипов, выбранных для предварительной обработки. (A) целлюлоза, (B) гемицеллюлоза, (C) лигнин и (D) зола. Наименьшие значимые отличия (LSD) от стьюдентизированного диапазона Тьюки показаны на каждом графике.

РИСУНОК 2. Плотность древесины (среднее значение ± стандартное отклонение для трех повторностей) после 3-летнего выращивания в Констеблвилле, штат Нью-Йорк, США. Черные полосы указывают 10 генотипов, выбранных для предварительной обработки. Указано наименьшее значимое отличие (LSD) от стьюдентифицированного диапазона Тьюки.

Высвобождение сахара из необработанной и предварительно обработанной биомассы

Высвобождение сахара из необработанной биомассы было минимальным, но были значительные различия по генотипу (рис. 3). На основании этой оценки было отобрано 10 генотипов для дальнейшего анализа. Предварительная обработка горячей водой улучшила высвобождение сахара во всех экспериментах в зависимости от генотипа (рис. 4). За исключением «SX61», предварительная обработка горячей водой с степенью серьезности 3,9 приводит к увеличению выхода сахара. Наибольший выход сахара наблюдался у «SV1» после предварительной обработки более высокой степени строгости, равной 3.9. После предварительной обработки степени тяжести 3,6 у «Фабиуса» было наибольшее высвобождение сахара, и наблюдалось лишь небольшое увеличение выделения сахара при увеличении степени тяжести предварительной обработки. Для «SX61» не было значительной разницы между двумя временами предварительной обработки.

РИСУНОК 3. Общее количество высвобожденного сахара (среднее ± стандартная ошибка для трех повторов) после ферментативного гидролиза на необработанной биомассе. Черные полосы указывают 10 генотипов, выбранных для предварительной обработки. Указано наименьшее значимое отличие (LSD) от стьюдентифицированного диапазона Тьюки.

РИСУНОК 4. Общее количество высвобожденного сахара (среднее ± стандартная ошибка для трех повторов) после ферментативного гидролиза на необработанной и предварительно обработанной горячей водой биомассе .

Производство этанола на SSF

Производство этанола значительно отличалось по генотипу с наибольшим выходом этанола по сравнению с «SX64» и «SV1» (рис. 5). Увеличение времени ферментации с 73 до 120 часов показало значительное увеличение продукции этанола для всех генотипов, за исключением Preble.’

РИСУНОК 5. Выход этанола (среднее ± стандартная ошибка среднего для трех повторов) при одновременном осахаривании и ферментации после двух инкубаций .

Корреляция между признаками

Для 30 генотипов, изученных в этом испытании, наблюдалась сильная отрицательная корреляция между содержанием целлюлозы и содержанием лигнина с коэффициентом корреляции R ² = -0,80 (Рисунок 6). Более слабая корреляция была выявлена ​​между содержанием целлюлозы и выходами сахара от предварительной обработки с более высокой степенью серьезности с коэффициентом корреляции R ² = 0.60. Выход этанола положительно коррелировал с выходом сахара ( R ² = 0,74) и плотностью древесины ( R ² = 0,55).

РИСУНОК 6. Корреляции, наблюдаемые между характеристиками древесной биомассы, высвобождением сахара и выходом этанола. (A) % лигнина по сравнению с% целлюлозы, (B) общий выход сахара по сравнению с% целлюлозы, (C) общий выход сахара по сравнению с выходом этанола и (D) плотность древесины по сравнению с этанолом урожай.

Обсуждение

Для определения взаимосвязи между составом биомассы и выходом сахара биомасса генотипов кустарниковой ивы, представляющих ряд композиционных характеристик, была предварительно обработана с использованием метода горячей воды, а сахара были гидролизованы ферментативно.В этом исследовании ферментативный гидролиз проводился с избыточными концентрациями фермента, чтобы выявить различия в сопротивляемости биомассы. Значительные различия в выходе сахара наблюдались для необработанной биомассы и для двух разных степеней тяжести предварительной обработки. Эти анализы проводились на объемных образцах биомассы, включая кору, поскольку коммерческие предприятия по переработке будут использовать древесную щепу ивы, собранную вместе с корой. Как известно, кора содержит множество экстрактивных веществ и фенольных соединений в большем количестве, чем в окоренной древесине, многие из которых могут действовать как ингибиторы ферментации (Jonsson et al., 1998; Робинсон и др., 2002).

Диапазон различий в составе генотипов ивы, исследованных в этом исследовании, был довольно скромным: 38,4–45,3% для целлюлозы, 31,1–34,9% для гемицеллюлоз и 20,3–23,2% для лигнина. Для сравнения, в других недавних исследованиях изучалась ива с содержанием целлюлозы от 34,8 до 41,8% и лигнином от 23,9 до 28,8% (Ray et al., 2012) или содержанием лигнина от 15,7 до 27,9% в Populus trichocarpa (Studer и др., 2011).Выбор более крупной и разнообразной группы генотипов, растущих более чем на одном участке, возможно, увеличил диапазон вариаций состава, используемых в этом исследовании. Хотя различия в сопротивляемости и улучшенном высвобождении сахара были выявлены среди естественных вариантов (Studer et al., 2011; Ray et al., 2012), эти различия более значительны для растений, сконструированных так, чтобы значительно снизить содержание лигнина (Chen and Dixon, 2007 ; Fu et al., 2011; Coleman et al., 2012; Mansfield et al., 2012; Pattathil et al., 2012). Пределы содержания лигнина были увеличены с помощью генной инженерии до содержания всего лишь 10% в Populus , что привело к резким различиям в характеристиках ферментативного гидролиза (Mansfield et al., 2012). В пределах диапазона вариаций состава ив, не созданных методами генной инженерии, различия в доступности гидролитических ферментов могут быть связаны с более сложными и тонкими различиями в лигноцеллюлозных структурах и полимерных связях.

Выход сахара из необработанных образцов биомассы достиг 170 мг на грамм ^-1 биомассы (17% биомассы), что указывает на наличие сахара в биомассе ивы до предварительной обработки.Наблюдаемый диапазон выхода сахара (40–170 мг / г биомассы ^–1 ) сопоставим с другими работами с необработанными тополем и ивой (Brereton et al., 2010; Studer et al., 2011). Большая часть высвобожденного сахара составляла глюкоза (данные не показаны), но ни общий выход сахара, ни выход глюкозы не коррелировали с составом биомассы или плотностью древесины, что указывает на то, что общее содержание сахара в биомассе не является основным фактором, способствующим доступности сахара в необработанная биомасса. Генотип 00X-026-082 имел самый высокий выход сахара и только умеренные уровни целлюлозы и гемицеллюлоз.Очень низкий выход сахара, наблюдаемый в 00X-032-094, был обусловлен необнаруживаемым уровнем глюкозы. Это был единственный генотип, который не выделял мономеры глюкозы. Неясно, высвободилась ли глюкоза и сразу же распалась, или она никогда не была продуктом гидролиза.

Предварительная обработка горячей водой значительно улучшила доступность клеточных стенок для ферментативного переваривания, что привело к увеличению выхода сахара в три-пять раз по сравнению с необработанной биомассой. Урожайность сахара, наблюдаемая для ивы в этом исследовании, была сопоставима с урожайностью тополя, подвергнутого аналогичной степени тяжести предварительной обработки (Studer et al., 2011). Выход сахара после предварительной обработки с более высокой степенью жесткости зависел от содержания целлюлозы в биомассе на основе наблюдаемой корреляции (Рисунок 6), как это наблюдалось среди генотипов европейской ивы (Brereton et al., 2010). Это говорит о том, что селекция на различия в составе биомассы может повлиять на доступность сахара для ферментации. «SV1», который имеет наибольшее содержание целлюлозы (44,8%), высвободил наибольшее количество сахара после предварительной обработки степени тяжести 3,9, 617 мг г биомассы ^-1 , что эквивалентно 80% извлечения.Однако само по себе содержание целлюлозы не может быть единственным фактором, влияющим на высвобождение сахара, поскольку некоторые из генотипов с низким содержанием целлюлозы имели высокий выход сахара, например Preble. Другие факторы, влияющие на сопротивляемость и высвобождение сахара, включают химический состав клеточной стенки, например фенольные группы. в лигнине (Lapierre et al., 2000), соотношениях S: G в лигнине (Studer et al., 2011) и структурной изменчивости клеточной стенки, зависящей от типов ткани (Dinus et al., 2001).

Различия в высвобождении сахара между двумя разными степенями тяжести до обработки позволили получить представление о стойкости генотипов ивы.Для снижения затрат, связанных с преобразованием биомассы, было бы очень выгодно использовать сырье, которое имеет высокое высвобождение сахара после предварительной обработки с более низкой степенью жесткости. В этом исследовании менее суровая предварительная обработка в течение 10 минут привела к наибольшему выходу сахара из SX64 и Fabius, в то время как высвобождение сахара было лишь небольшим (с 70 до 80%), когда биомасса подвергалась воздействию более серьезная предварительная обработка. Эти два генотипа были менее устойчивы, чем «SV1», который требовал серьезной предварительной обработки для высвобождения большей части сахаров.

Ферментация до этанола дала 50% теоретического выхода этанола из «SX64» и «SV1». Sassner et al. (2008) сообщили о выходе этанола из ивы из одновременного SSF, достигающего 76% от теоретического выхода. Также была выявлена ​​положительная корреляция с плотностью древесины. Существует лишь ограниченное количество исследований, изучающих взаимосвязь между плотностью древесины и высвобождением сахара или преобразованием в этанол. Недавнее исследование, посвященное извлечению сахара после предварительной обработки и ферментативного гидролиза из генотипов с высокой и низкой плотностью 0.48 и 0,40 г / см ^-3 , соответственно, привели к большему извлечению сахара из генотипа с низкой плотностью (Martin et al., 2011; Djioleu et al., 2012). Однако были исследованы только два генотипа, что затрудняет статистическое определение взаимосвязи между плотностью древесины и высвобождением сахара. Плотность древесины определяется характеристиками волокон, такими как диаметр просвета волокна, соотношение стенок волокна к просвету и общая площадь стенок (Dinus, 2001; Martinez-Cabrera et al., 2009), поэтому дальнейшие исследования с учетом ультраструктуры клеток и анатомии древесины куста ива необходимы для понимания взаимосвязи между плотностью древесины, высвобождением сахара и выходом этанола.

В целом, это исследование показало значительные различия в составе биомассы, различия в выходе сахара и устойчивости к предварительной обработке, а также различия в выходе этанола среди генотипов кустарниковой ивы. Были определены взаимосвязи между высвобождением сахара и содержанием целлюлозы, а также взаимосвязь с выходом этанола. Однако очевидно, что увеличение содержания целлюлозы может увеличить выход сахара, но не означает увеличения производства этанола. Эти результаты послужат стимулом для будущих исследований и крупномасштабной оценки зародышевой плазмы ивы на предмет различий в сопротивляемости, чтобы способствовать будущим селекционным усилиям, направленным на создание новых сортов ивы с максимальной биоконверсией в этанол без ущерба для потенциала урожайности биомассы.

Заявление о конфликте интересов

На момент проведения этого исследования Хауэн Сю и Дэвид А. Хогсетт работали в Macoma Corporation, коммерческой биотопливной компании. Другие авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Эта работа финансировалась грантом Лоуренса Б.Умный. Авторы благодарят Дейдре Виллис и Лукаса Эллиса за их помощь в проведении предварительной обработки горячей водой и ферментации в Mascoma Corporation. Мы благодарны компании Novozymes за предоставленные ферменты для гидролиза. Мы также благодарим Кайлу Релье, Джеффри Спрингмайера и доктора Тима Волка за их помощь в этом проекте.

Список литературы

Ахман И. и Ларссон С. (1994). Генетическое усовершенствование ивы ( Salix ) как источника биоэнергии. Norw.J. Agric. Sci. 18С, 47–56.

Бреретон, Н. Дж. Б., Питре, Ф. Э., Хэнли, С., Рэй, М. Дж., Карп, А., и Мерфи, Р. Дж. (2010). QTL-картирование ферментативного осахаривания у ивы порослевой и его независимость от урожайности биомассы. Bioenergy Res. 3, 251–261.

CrossRef Полный текст

Коулман, Х. Д., Кановас, Ф. М., Мэн, Х., Кирби, Э. Г., и Мэнсфилд, С. Д. (2012). Повышенная экспрессия глутамин синтетазы (GS1a) приводит к изменению химического состава волокон и древесины у выращиваемого в полевых условиях гибридного тополя ( Populus tremula × alba ) (717-1B4). Plant Biotechnol. J. 10, 883–889.

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Динус Р. (2001). Генетическое улучшение качества сырья из тополя для производства этанола. Заявл. Биохим. Biotechnol. 91–93, 23–34.

CrossRef Полный текст

Динус, Р. Дж., Пейн, П., Сьюэлл, М. М., Чанг, В. Л., и Тускан, Г. А. (2001). Генетическая модификация древесины тополя короткого вращения: свойства для производства этанола и волокна. Crit. Rev. Plant Sci. 20, 51–69.

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Джолеу, А. К., Арора, А., Мартин, Э. М., Смит, Дж. А., Пелкки, М. Х., и Кэрриер, Д. Дж. (2012). Извлечение сахара после предварительной обработки / ферментативного гидролиза клонов тополя с высоким и низким удельным весом. Agric. Еда анальный. Бактериол. 2, 121–131.

Fu, C., Mielenz, J. R., Xiao, X., Ge, Y., Hamilton, C. Y., Rodriguez, M., et al. (2011). Генетическая обработка лигнина снижает сопротивляемость и улучшает производство этанола из проса. Proc. Nat. Акад. Sci. США 108, 3803–3808.

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Guo, G.-L., Hsu, D.-C., Chen, W.-H., Chen, W.-H., and Hwang, W.-S. (2009). Характеристика ферментативного осахаривания для предварительно обработанных кислотой лигноцеллюлозных материалов с различным составом лигнина. Enzyme Microb. Technol. 45, 80–87.

CrossRef Полный текст

Химмель, М. Э., Динг, С.-Й., Джонсон, Д. К., Адни, В. С., Nimlos, M. R., Brady, J. W., et al. (2007). Устойчивость биомассы: инженерные установки и ферменты для производства биотоплива. Наука 315, 804–807.

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Höglund, S., Rönnberg-Wästljung, A., Lagercrantz, U., and Larsson, S. (2012). QTL редкого крупного растения определяет невосприимчивость к галлообразующим насекомым у ивы. Tree Genet. Геномы 8, 1051–1060.

Джексон, Л.А., Шейдл, Г., Чжоу, Р., Накашима, Дж., Чен, Ф., и Диксон, Д. А. (2008). Повышение эффективности осахаривания стеблей люцерны за счет модификации терминальных стадий биосинтеза монолигнолов. Bioenergy Res. 1, 180–192.

CrossRef Полный текст

Йонссон, Л. Дж., Палмквист, Э., Нильвебрант, Н.-О., и Хан-Хагердал, Б. (1998). Детоксикация гидролизатов древесины лакказой и пероксидазой из грибка белой гнили Trametes versicolor . Заявл. Microbiol.Biotechnol. 49, 691–697.

CrossRef Полный текст

Карп А., Хэнли С., Трибуш С., Макалпайн В., Пей М. Х. и Шилд И. (2011). Генетическое улучшение ивы для биоэнергетики и биотоплива. J. Integr. Plant Biol. 53, 151–165.

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Lapierre, C., Pollet, B., Petit-Conil, M., Pilate, G., Leple, C., Boerjan, W., et al. (2000). «Генная инженерия лигнинов тополя: влияние изменения лигнина на характеристики крафт-целлюлозы», в 215-м Национальном собрании Американского химического общества , ред.Г. Глассер, Р. А., Норти и Т. П. Шульц (Даллас, Техас: Американское химическое общество), 145–160.

Линд, Л. Р. (1996). Обзор и оценка топливного этанола из целлюлозной биомассы. Annu. Rev. Energy Environ. 21, 403–465.

CrossRef Полный текст

Мэнсфилд, С. Д., Канг, К.-Й., и Чаппл, К. (2012). Предназначен для деконструкции — деревья тополя, измененные в процессе лигнификации клеточной стенки, повышают эффективность производства биоэтанола. New Phytol. 194, 91–101.

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Мартин, Э., Баннелл, К., Лау, К.-С., Пелкки, М., Паттерсон, Д., Клаузен, Э. и др. (2011). Предварительная обработка горячей водой и разбавленной кислотой с высоким и низким удельным весом Populus deltoides клонов. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 38, 355–361.

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Мартинес-Кабрера, Х. И., Джонс, К. С., Эспино, С., и Шенк, Х. Дж.(2009). Анатомия древесины и плотность древесины в кустарниках: реакция на разную засушливость на трансконтинентальных трансектах. Am. J. Bot. 96, 1388–1398.

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Паттатил, С., Саффолд, Т., Галлего-Хиральдо, Л., О’Нил, М., Йорк, В. С., Диксон, Р. А., и др. (2012). Изменения экстрагируемости углеводов клеточной стенки коррелируют со снижением сопротивляемости биомассы люцерны с пониженной регуляцией HCT. Ind. Biotechnol. 8, 217–221.

CrossRef Полный текст

Рэй М., Бреретон Н. Б., Шилд И., Карп А. и Мерфи Р. (2012). Изменения в составе клеточных стенок и доступности в зависимости от биотопливного потенциала ив короткооборотистых зарослей. Bioenergy Res. 5, 685–698.

CrossRef Полный текст

Робинсон, Дж., Китинг, Дж. Д., Буссаид, А., Мэнсфилд, С. Д., и Саддлер, Дж. Н. (2002). Влияние коры на ферментацию предгидролизатов белой древесины дугласовой пихты. Заявл. Microbiol. Biotechnol. 59, 443–448.

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

SAS Institute Inc. (2000–2004 гг.). SAS 9.1.3 Справка и документация . Кэри, Северная Каролина: SAS Institute Inc.

Сасснер П., Гальбе М. и Закки Г. (2008). Технико-экономическая оценка производства биоэтанола из трех различных лигноцеллюлозных материалов. Биомасса Биоэнергетика 32, 422–430.

CrossRef Полный текст

Селиг, М., Вайс, Н., Джи, Ю. (2008). Ферментативное осахаривание лигноцеллюлозной биомассы. Лабораторная аналитическая процедура . Golden: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США, 1–8.

Серапилья, М., Кэмерон, К., Стипанович, А., Абрахамсон, Л., Волк, Т., и Смарт, Л. (2012). Урожайность и характеристики древесной биомассы новых гибридов кустарниковой ивы на двух контрастирующих участках. Bioenergy Res. 1–14. DOI: 10.1007 / s12155-012-9272-5

CrossRef Полный текст

Серапилья, М.Дж., Кэмерон, К. Д., Стипанович, А. Дж., И Смарт, Л. Б. (2009). Анализ состава биомассы с использованием термогравиметрического анализа высокого разрешения и процентного содержания коры в качестве инструментов для выбора сортов биоэнергетических культур кустарниковой ивы. Bioenergy Res. 2, 1–9.

CrossRef Полный текст

Слэйтер А., Хамес Б., Руис Р., Скарлата К., Слэйтер Дж. И Темплтон Д. (2008). Определение сахаров, побочных продуктов и продуктов разложения в образцах жидких фракций .Голден, Колорадо: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии.

Студер М. Х., ДеМартини Дж. Д., Дэвис М. Ф., Сайкс Р. В., Дэвисон Б., Келлер М. и др. (2011). Содержание лигнина в природных вариантах Populus влияет на высвобождение сахара. Proc. Nat. Акад. Sci. США 108, 6300–6305.

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Волк Т. А., Абрахамсон Л. П., Камерон К. Д., Кастеллано П., Корбин Т., Фабио Э. и др. (2011). Урожайность культур биомассы ивы на различных участках Северной Америки. Asp. Прил. Биол. 112, 67–74.

Янг Б. и Вайман К. Э. (2008). Предварительная обработка: ключ к открытию доступа к недорогому целлюлозному этанолу. Биотопливо Биопрод. Биорефин. 2, 26–40.

CrossRef Полный текст

быстрорастущих кустов для защиты дороги :: Мелинда Майерс

Мы ищем быстрорастущую изгородь, чтобы обеспечить уединение между нашим двором и оживленной дорогой перед нашим домом. Кто-то предложил ивы, как вы думаете? Есть другие предложения?

Вот несколько растений и факторов, которые следует учитывать.Ивы быстро растут и могут потребовать значительной обрезки, чтобы держать их на небольшом пространстве. Ива плакучая и другие крупные экземпляры имеют инвазивные корни.

Голубая арктическая ива быстро растет, у нее красивые сине-зеленые листья, она образует плотную массу от 8 до 10 футов высотой и хорошо переносит наши паршивые почвы.

Ива пламенная компактная, зимой имеет оранжево-красную кору. Он вырастает до 20 футов в высоту, десяти футов в ширину и вынослив в зонах с 3 по 6.

Пятнистая ива ( Salix Integra ‘Hakuro Nishiki’) дает зеленые, кремовые и розовые новообразования на растениях, достигающих шести футов в высоту и ширину и выносливых в зонах с 4 по 9.

Ива розмариновая ( Salix elaeagnus ) вынослива в зонах с 4 по 7 и вырастает до 10 футов в высоту и 15 футов в ширину. Серая бархатистая листва красиво контрастирует с коричневыми стеблями. Их можно регулярно обрезать, чтобы поддерживать желаемый размер.

Сочетание небольших деревьев и кустарников послужит вам надежным барьером. Смешанный бордюр обеспечивает разнообразную текстуру, цвет и устойчивость к вредителям. Прямостоячий можжевельник хорошо переносит жаркую и засушливую погоду.

Арборвиты — любимые растения для скрининга.Они предпочитают влажные, хорошо дренированные почвы и могут переносить легкий оттенок.