在半干旱的地中海环境中，对甜高粱自交系的生物乙醇、沼气及饲料生产潜力进行评估

《Biomass and Bioenergy》：Assessment of sweet sorghum inbred lines for bioethanol, biogas and forage production potential in a Semi-Arid Mediterranean environment

甜高粱13个自交系在生物乙醇、沼气和饲料生产潜力方面优于传统品种，其中IS 4755和IS 2331在乙醇和饲料产量上表现突出，其高乙醇理论产量（66677 L/ha）和干渣产量（18.44 t/ha）显著，同时沼气产量达11808 Nm3/ha，具备在半干旱地中海气候区推广的潜力。

　　

雷杰普·伊尔凡·纳兹利（Recep Irfan Nazli）|阿西耶·塞纳·贾夫达尔（Asiye Sena Cavdar）|富尔坎·科贾（Furkan Koca）|韦伊斯·坦西（Veyis Tansi）

土耳其阿达纳市库库罗瓦大学（Cukurova University）农业学院田间作物系，邮编01250

摘要

甜高粱在生物能源和饲料生产方面具有显著潜力，因为它具有高产量潜力、耐旱性、可发酵糖分含量高、投入成本低以及广泛的适应性。本研究旨在通过将13个甜高粱自交系与甜高粱和饲料高粱品种进行比较，来评估它们的生物乙醇、沼气和饲料生产潜力。结果表明，IS 4755和IS 2331是全株生物乙醇生产（果汁+甘蔗渣）方面表现最突出的品系。这归因于它们与最佳对照品种相当的总乙醇产量（分别为66677升/公顷和62838升/公顷），以及较高的干甘蔗渣产量（分别为18.44吨/公顷和18.41吨/公顷）和全纤维素含量（分别为59.77%和59.04%）。在沼气生产方面，IS 4755、Yellow Bonnet和Umbrella的甲烷产量显著高于或接近最佳对照品种，分别为11808立方米/公顷、10073立方米/公顷和9058立方米/公顷，这主要与其较高的干物质产量（分别为37.90吨/公顷、31.92吨/公顷和27.81吨/公顷）有关。此外，IS 4755和Yellow Bonnet还表现出很强的饲料潜力，具有令人满意的新鲜生物量和干物质产量，以及适合饲料质量的化学成分。因此，本研究中鉴定出的有前景的自交系可以作为当地高粱品种的替代品，并在未来育种计划中作为亲本，以改良杂交品种。在这方面，可以说它们有潜力显著促进半干旱地中海地区的可持续生物能源和饲料生产。

引言

不断增长的能源需求和气候变化问题加剧了对可再生和可持续能源系统的探索。化石燃料一直是主要的能源来源，但它们是有限的，并且会导致温室气体（GHG）排放，从而引发全球变暖及其相关影响，包括极端天气、海平面上升和生物多样性威胁。[1] 为应对这些挑战并保障未来的能源安全，必须转向可再生、可持续、经济可行且安全的能源系统。[2]

从植物生物质中提取的生物燃料最近受到关注，作为应对全球变暖和替代石油基燃料的措施。[3] 其中，生物乙醇是一种可持续的液体生物燃料，可以作为汽油的替代品，有望显著缓解当前的全球能源危机和气候变化。[4] 生物乙醇是通过微生物发酵从富含糖和淀粉的作物或木质纤维素生物质中提取的水溶性碳水化合物（WSC，如蔗糖、葡萄糖、果糖等）生成的。[5] 由于甘蔗和玉米分别含有较高的WSC和淀粉含量，它们是目前全球生物乙醇生产工业过程中的主要原料。[6]

沼气是通过生物质中的有机物（碳水化合物、蛋白质和脂肪）进行厌氧消化（AD）产生的，主要由甲烷（55–70%）和二氧化碳（30–45%）组成。[7] 与乙醇发酵相比，AD是从生物质中生产能源的更有效方法，是一种环境可持续的技术，可以减少全球产生的有机废物量。[8,9] 沼气生产的潜在底物多种多样，通常包括农业生物质、动物粪便、城市固体废物和食品工业副产品。[10] 理想的沼气生产底物应该是那些丰富、易于保存和储存、发酵迅速、含有高水平有机化合物（如非结构性碳水化合物、蛋白质和脂肪）且细胞壁成分（包括木质素、纤维素和半纤维素）含量低的底物。[11,12] 结果表明，欧洲生产的沼气中有超过70%来自农业生物质，其中玉米青贮料是主要来源。[13,14]

为了确保可持续的生物燃料生产，理想的生物能源作物应具备低投入需求、气候适应性、在边际土地上具有高生物量生产力、适合高效转化过程以及最小的食物-燃料竞争。然而，目前生物燃料行业使用的主要生物能源作物并未完全满足这些可持续性标准。甘蔗虽然在热带地区产量很高，但需要大量的水分（940–1800毫米），生长周期长（8–24个月），并且需要较高的太阳辐射，这限制了其在半干旱地中海地区的适应性。[15],[16],[17],[18] 同样，玉米的耐旱性有限，投入需求高，其越来越多地用于生物燃料生产加剧了食物-燃料竞争和环境压力。[19],[20],[21] 此外，欧洲广泛种植玉米作为单一作物用于沼气生产还导致了化肥使用增加、地下水硝酸盐污染、生物多样性丧失和土壤养分流失。[22],[23],[24]

在这方面，甜高粱（Sorghum bicolor L. Moench）作为一种有前景的能源作物，因其低投入需求、广泛的适应性和其生物质、果汁和甘蔗渣的多用途能源生产潜力而受到重视。与甘蔗类似，甜高粱具有高生物量产量潜力、资源利用效率（水、氮、辐射等），以及果汁和甘蔗渣中的可发酵糖分含量（基于干物质为10–25%和62–65%）。[25],[26],[27],[28],[29] 利用甘蔗渣生产木质纤维素乙醇可以显著提高单位面积的总乙醇产量，减少温室气体（GHG）排放，并支持循环生物经济的原则。[30] 可溶性糖浓度并不直接影响甘蔗渣的糖化效率；相反，细胞壁特性（如纤维素聚合度、纤维素结晶度指数和木质素单体组成）在酶促水解和乙醇发酵中起决定性作用。[31] 最近的研究表明，通过改变细胞壁特性（如木质素沉积、半纤维素结构和纤维素结晶度），遗传改良可以有效降低生物质抗性，从而在类似绿色和具有成本效益的预处理策略下提高酶促糖化效果。[32] 修改这些基因型特异性的结构特性越来越被认为是实现碳中和和循环生物精炼系统中先进生物燃料和生物基产品综合生产的关键。[33] 与青贮玉米类似，甜高粱生物质含有大量的有机化合物（非结构性碳水化合物、蛋白质和脂肪），这些化合物在AD过程中可以快速发酵，并且由于其高WSC含量、低缓冲能力和适当的干物质比例（25–35%），在收获时易于青贮。[11,12,34,35]

除了其生物能源价值外，甜高粱还被认为是一种适合反刍动物营养的玉米青贮料替代品，特别是在干旱易发地区和肥力较低的土壤中。[36,37] 它通常提供与玉米青贮料相当的营养价值，但含有更高的WSC含量和较低的淀粉含量，这可能有助于改善瘤胃发酵并降低酸中毒风险。[38],[39],[40] 早期研究表明，用甜高粱青贮料替代玉米青贮料可以维持或提高动物性能，为畜牧业系统带来潜在的经济效益。[36],[37],[38],[39],[40]

任何作物的遗传改良都依赖于种质资源内的遗传多样性和经济重要性状的遗传力。[41,42] 吴等人[33]证实，甜高粱基因型之间的细胞壁组成和可溶性糖含量、糖化效率可能存在显著差异，表明遗传多样性强烈影响生物量的消化率和转化潜力。在这种情况下，改进支持可持续生物能源和饲料生产的甜高粱杂交品种的关键前提是识别有前景的自交系作为育种计划中的亲本。因此，本研究的目的是根据与生物乙醇生产和沼气生产相关的参数，以及饲料产量和质量，确定最适合在半干旱地中海气候条件下生产生物乙醇、沼气和饲料的甜高粱自交系。

研究地点和作物栽培

该田间实验于2022年和2023年的生长季节在土耳其阿达纳市库库罗瓦大学田间作物系的实验区进行（纬度37°001′N，经度35°018′E）。研究地点具有温暖的地中海气候特征，夏季炎热干燥，冬季温和多雨（见图S1）。研究地点的土壤类型为粘壤土，碱度适中，有机质含量低（1.51%），盐度低（0.156毫米当量/厘米）（见表1）。

生物乙醇生产

方差分析（ANOVA）显示，与生物乙醇生产相关的所有参数（FSY、JER、Brix、JY、JEY、DBY、甘蔗渣中的木质素含量、甘蔗渣纤维素和半纤维素含量、LEY和TEY）在不同年份和基因型之间存在显著差异（见表3）。另一方面，Y × G交互作用在所有参数中均显著，除了DBY、LEY和TEY（见表3）。

FSY的范围从31.8吨/公顷到100.6吨/公顷不等（见图1）。2023年IScsv 93046的FSY最高。

结论

结果表明，不同基因型之间的生物量生产力和化学成分存在显著差异，这极大地影响了它们作为生物燃料和饲料的潜在应用。Umbrella在生物乙醇生产方面表现出显著潜力，这表明它可能是生产基于糖的生物乙醇的有希望的候选品种，可以与甘蔗渣发电相结合。在木质纤维素

CRediT作者贡献声明

雷杰普·伊尔凡·纳兹利（Recep Irfan Nazli）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、资源获取、项目管理、方法论、研究、资金获取、概念构思。阿西耶·塞纳·贾夫达尔（Asiye Sena Cavdar）：撰写 – 原稿、可视化、软件使用、方法论、正式分析、数据管理。富尔坎·科贾（Furkan Koca）：方法论、研究、数据管理。韦伊斯·坦西（Veyis Tansi）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本研究报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢土耳其阿达纳市库库罗瓦大学（Cukurova University）的科学研究项目组（BAP）对本研究的资助，项目编号为FBA-2022-14873。