江西林业科技

我国是一个人均资源占有量相对贫乏的国家,目前正处于工业化中期阶段,经济高速增长对资源和环境的压力与日俱增,环境承载力弱,生态环境恶化的趋势至今尚未扭转,矛盾非常突出。生物材料特别是天然植物材料是一个亟待发掘的巨大宝藏,它既是可再生的清洁能源资源,又能生产出成千上万无污染且环境友好型的工业成品。目前,全世界生物质的总利用率仅为7%,生物质的研究已成为世界科技领域的前沿课题。近年来国内外正形成了一个研究和开发生物材料的热潮,并将形成一个重大社会效益和经济效益的生物质产业。
麻疯树是一种抗旱耐瘠的多用途速生树种,是生产生物能源、生物农药、生物医药、生物饲料的主要原料。国内外的研究表明,麻疯树种子含油量很高,除榨取能源油外,其油渣、油饼可作农药、饲料或肥料等;全株有毒,茎、叶、树皮均有丰富的白色乳汁,内含大量毒蛋白、麻疯酮等抗病毒、抗AIDS、抗肿瘤的成分,可开发作医药、生物农药和生物杀虫剂等;此外,它还是保水固土、防止沙化、增殖有机土质、建造防护林的优良造林材料,对改善生态环境和恢复植被有重要作用。目前世界上还没有形成麻疯树的规模化产业,麻疯树尚未能发挥它应有的作用,因此应从可再生能源、环保、生态、扶贫、生物工程、高技术产品等方面进一步加强对麻疯树的研究和开发。
1 麻疯树的形态和生物学特征
麻疯树(JatrophacurcasL.),又名小桐子等,为大戟科(Euphorbiaceae)麻疯树属(Jatropha)。麻疯树为落叶小乔木或灌木,树高2—5m。该树木树皮光滑,苍白色;枝粗壮,圆柱形,具突起的叶痕,绿色无毛,单叶互生;叶柄长8—18cm,叶片纸质或近膜质,近圆形或卵状圆形,长宽相近,约8—18cm,其先端近尖,基部心形,边缘不分裂或呈3—5浅裂;树枝、叶折断后其断面有乳汁溢出;4—5月始花,花单性,雌雄同株,聚散花序腋生,总花梗较长,花淡绿色或绿白色,直径7—8mm;花期较长,11月仍开花,果期7—12月,是一个不断开花、不断结实、不断成熟的过程;果实幼时绿色,逐渐变黄,成熟时为棕色,干时为黑棕色,果皮平滑,成熟时裂成3个2瓣裂的分果片;种子干时黑色、平滑,椭圆形,长18—20mm,直径11mm,个体差异明显。
麻疯树适应范围广,耐干旱瘠薄,由于其根系发达,可以在贫瘠的荒地(石砾质土、粗质土、石灰岩裸露地等)上生长;性喜光,喜暖热气候。野生麻疯树主要分布在干热的亚热带和潮湿的热带雨林,可在年降雨量480—2380mm、年均温18.0—28.5℃的环境下生存。通常生长在海拔高度为700—1600m的平地、丘陵及河谷荒山坡地,冬季无重霜、短时极端最低温度不低于-4℃的地区均生长良好。对生长地的土壤肥力要求不高,只要pH值5—6、排水良好即可。麻疯树结实丰富,种子大且萌芽性强,可点播造林,也可扦插繁殖。麻疯树一般栽培在园边作绿蓠,也有半野生状态,多生长在平地路边的灌木从中,以散生或小面积纯林形式分布。
2 地理分布
麻疯树原产于巴西,现主要分布于热带和亚热带地区,绝大多数生长在美洲和亚洲热带地区,如美洲的巴西、菲济、洪都拉斯、牙买加、巴拿马、波多黎哥、萨尔瓦多及美国佛罗里达的奥兰多地区、夏威夷群岛等,非洲的莫桑比克、赞比亚等国,澳大利亚的昆士兰和北澳地区,以及亚洲的印度、巴基斯坦等国都有分布。我国的麻疯树为栽培或半野生状态,主要分布在广东、广西、云南、贵州、四川、台湾、福建、海南等省区的热带及干热河谷地区。四川主要栽培在攀枝花、盐边、米易、盐源、德昌、西昌、金阳等地;云南主要栽培在滇西部、西南部、中部以及元江、金沙江、澜沧江流域;贵州主要栽培在南、北盘江流域,红水河流域的贞丰、望谟、册亨和罗甸县。
3 国内外开发现状
3.1 植物能源
能源植物为能量富集型植物:据估计,地球上每年植物光合作用固定的碳达2×1011t,含能量达3×1021J。能源植物通过光合作用固定二氧化碳和水,将太阳能以化学能形式储藏在植物中,除直接燃烧产生热能外,还可转化成固态、液态和气态燃料。在矿物燃料日趋枯竭的今天,筛选和种植优质高效的能源植物,并将其转化为气体或液体燃料(可再生能源)成为必然。按照化学成分能源植物分为以下几类:富含碳水化合物(糖、淀粉或纤维)的植物,如甘蔗、玉米、桉树等;富含油脂的植物,如油莱、花生等;富含类似石油成份的植物,如麻疯树、油楠、绿玉树等。其主要成分是烃类,如烷烃、环烷烃等,通过脱脂的处理可作为柴油使用。这3类能源植物中,前两种既是人类的食物来源,又是重要的化工原料,种植它们需要大量的耕地,而我国人多地少,因此筛选能量富集型的野生或半野生状态的能源植物并通过生物工程改良和良种培育成为开发能源植物的关键。
麻疯树的种子———麻疯果的含油量高,种仁含油量可达60%左右,其中含有棕榈酸、硬脂酸等饱合脂肪酸,以及油酸、亚油酸和棕桐油酸等不饱合脂肪酸。直接作为燃料:麻疯果种子的热值为20.85MJ・kg-1,麻疯果所含碳氢化合物热值为40.63MJkg-1,而柴油为44.091MJ・kg-1、汽油为47.127MJ・kg-1。麻疯果油与柴油和汽油的掺合性很好,且掺合后在长时间内不分离。麻疯果油也可以直接作为燃料,利用它作为热带地区或扶贫地区的家用替代能源,可减少森林采伐,保护生态环境,形成有效的生物保护屏障和自产自销生态产品的基地,或用于扶贫地区的家用替代能源;同时麻疯果油能生物降解,燃料操作安全。由于麻疯果油黏度比较高,掺合适量麻疯果油还能改善发动机的润滑性能,减轻机件磨损。改性制备生物柴油:将去除杂质的麻疯树果油与甲醇进行交酯化反应获得脂肪酸甲酯,即可用于发动机燃料的高质量生物柴油。与传统石化柴油相比,麻疯果油制备的生物柴油具有相对较高的闪点和十六烷值,燃烧性能好、硫含量低、污染小,可作为新的清洁能源。目前,国内较成熟的石油替代品研究,主要集中在生物柴油和生物醇类燃料上。四川省利用凉山、攀枝花等地区丰富的野生麻疯树果实提取生物柴油已获得了成功。实验证明,麻疯树干果平均产量为9750kg・hm-2,可提取加工出燃油约2700kg。发展生物柴油产业已被列入国家有关发展计划。经四川大学生命科学学院科研人员的一系列实验表明:从麻疯树果实中制备出的新型燃油可适用于各种柴油发动机,并在闪点、凝固点、硫含量、一氧化碳排放量、颗粒值等关键技术上均优于国内零号柴油。目前的加工工艺已可使新型燃油达到欧洲二号排放标准,将通过改造加工工艺和改良植物燃油成分基因的方式,将指标提高到欧洲三号排放标准。
3.2 生物医药
麻疯树植物的有效成分存在于种子、树皮、叶、根和乳汁中。麻疯树的茎、叶、皮的白色乳剂内含有毒蛋白、酮类、氰氢酸与川芎嗪等成分;果仁含油、蛋白质、多种氨基酸、萜类、酮类、醇类物质及衍生物以及蛋白质和多肽等物质。在实验室里,毒蛋白、酮类、多肽类成分有明显的抗肿瘤细胞与抗ⅧV(艾滋病病毒)的作用;一些生物碱具有收敛作用;果仁中的油类有润肠通便的泻下作用;去毒后的蛋白质与必需氨基酸可以作为营养饲料并有望开发出人用营养品。某些活性成分也被证实具有浸杀软体动物、杀虫和抑制真菌生长的作用,可作为防治生物病虫害的原料。
麻疯树的药用部分有叶、树皮、种子及根。根可散淤消肿、止血、杀虫止痒,治跌打、骨折、疥癣、顽疮。种子油可作为泻药和治疗多种疾病,但使用过量会导致腹泻和胃肠炎。在麻疯树产地的喀麦隆,人们常将麻疯树叶煮汁治疗风湿病;巴哈马人则用来治疗心绞痛,或外敷治疗丹毒,古巴人用来治牙痛,巴贝多人用叶汁治藓。中美州国家利用其汁液治疗牙龈炎、创伤、痔疮和疣等。尽管麻疯树在人类许多疾病的治疗及工业生产上有着广泛的用途,但所含的毒性仍不容忽视。由于各地栽培的麻疯树所处的生态环境不同,毒性也有差异。从麻疯树中发现毒性最强的物质有3种,即麻疯树毒蛋白、麻疯树种子油和佛波脂。
3.3 生态建设和扶贫开发
到目前为止,世界上已有20多个国家在种植、发展麻疯树,通过发挥植被的“碳库”、水土保持和土壤改良,有助于达到保护和建设生态环境的目的。联合国已将麻疯树种植作为生态建设和扶贫项目广泛用于热带地区,如乌干达、马里、加纳等国家。麻疯树作为一个生态型经济林树种,集环保、生态建设、生物工程、高科技产品为一体,种植麻疯树对国家的经济发展、生态环境建设、工业原料、医药、能源开发等起到积极的推动作用。在我国,近年来围绕林业生物质能源开发利用,已得到国家发改委、国家林业局的高度重视。2006年,国家林业局成立了林业生物质能源办公室,将麻疯树作为林业生物质能源开发的首选树种。地方政府和科研部门做了大量的研究开发工作,不少企业、个体经营者参与种植开发。麻疯树开发利用前景看好,但必须进行认真调查,反复论证,做好中长期和远景规划,加强相关技术领域的研究与指导,稳步推进产业化进程。一是在适生地区扩大麻疯树种植面积,作为“天保工程”和退耕还林工程项目的可选树种之一;二是培育生物质能源开发生产龙头企业,采用“公司 农户”的模式进行综合开发,促进农民增收,带动地方经济发展。
4 攀西麻疯树资源的开发与利用
4.1 麻疯树资源的分布
麻疯树传入我国已有200多年的历史,由于气候条件的限制,四川省境内的其它地区都难以种植麻疯树,其资源以攀枝花最多。攀枝花地处长江上游的金沙江流域,属典型的干热河谷地带,气候适宜种植麻疯树。麻疯树在攀西分布的最高海拔为1930m,集中分布于金沙江、雅砻江流域内。该地区在1950年代开始大量栽培,目前麻疯树在当地较分散,但麻疯树资源存量很大。据1970年代的资料统计,该地区麻疯树种子年收购量为800t。此外,攀西区域的森林覆盖率非常低,仅为5%,水土流失严重,已对长江的水患产生了直接的影响。为了改善攀西地区的生态环境和治理长江流域,大力开发与利用麻疯树资源具有十分重要的现实意义。
4.2 麻疯树种子的含油率及生长概况
麻疯树因生长地方不同,其种子的生物学性状,如百粒重、含油率均有差异。通过10个地区麻疯树的研究调查发现,攀枝花地区麻疯树种仁含油率达61%,开发利用价值较高。同时对麻疯树生长和结果的调查表明,无论从生长情况还是结果多少来看,攀枝花的麻疯树都位居第一。
4.3 麻疯树资源的经济分析
麻疯树植物及其相关的化合物用途多,目前正被人们发现和重新认识。本文就目前所知的用途作一经济分析:假设用5—10年的时间在攀西地区种植约7万hm2麻疯树资源,可得年产出;通过生物高科技提取原料中的化合物有用成份,可生产出的产品效益。
综上所述,攀枝花地区种植麻疯树非常适宜。随着麻疯树资源的不断开发,其综合利用效益较大,既有利于改善生态环境、恢复植被,又有利于攀西干热河谷地区的生态、农业、经济的发展。麻疯树资源的开发利用是农业与工业、第一产业与第二产业的有机的结合,是一条可持续发展的绿色产业化道路。
5 发展前景
麻疯树有较强的市场开发潜力,进一步研究和开发将会给人类带来可观的经济效益,开发前景广阔。麻疯树作为生产生物柴油的原材料正在被开发利用为重要的能源植物之一,最有可能成为未来替代化石能源的具有巨大开发潜力的树种。我国广大的山区、沙区、干旱河谷地区等劣质土地均可栽种生物质燃料油原料的乔、灌木油料植物,以发展生物质燃料。在这些地区发展生物质燃料植物不仅可为我国的生物质燃料油工业提供丰富的可再生原料,还可改善生态环境,增加农民收入,为建设农村小康社会提供一条新的途径。麻疯树的种子含有多种活性成分,有着重要的农药和医药价值,是一种极具综合价值的生物能源植物材料。在分子生物学研究方面,近年来建立了DNA、RNA提取方法并成功地克隆了几种功能基因。同时建立了植物再生和转基因体系,因此麻疯树作为能源植物研究的模式植物具有很好的前景。麻疯树毒性较大,令人望而生畏。许多研究者仅仅从防止中毒或利用其毒性制成毒剂等进行了研究,但对利用其药用价值考虑较少。一些学者认为,从有毒植物中获得药源先导化合物的可能性较大。从有毒植物中开发新药已有一成功的报道,并引起了广大医药工作者的密切关注,因此以植物毒素作为先导化合物的药源具有广阔的应用前景。麻疯树中含有较多的毒性成分,特别是种子中所含的毒蛋白,对它们进行深入的研究有望带来良好的经济效益。
四川省甘孜州、凉山州和攀枝花市是我国重要的生态保护区,也是处于干热河谷地区之一。目前已有麻疯树的成片种植,具备建立产业化的栽种培育基地。在扶贫和生态投资的基础上,麻疯树产品将启动贫困地区的经济、社会、文化发展,人民收入会逐步得到提高。从环保角度看,麻疯树残留物的加工也是一个不容忽视的领域,如利用麻疯果仁制备生物柴油后,废弃的果壳可作为制备活性炭的生物质材料;麻疯树籽油渣可作为优质有机肥。此外,麻疯树油还可制造肥皂和染料等产品,麻疯树叶可饲养家蚕,花可吸引蜜蜂采蜜,开发新蜜源。