微生物：借未来能源一双魔术手
自生物能源出现以来，微生物就与之产生了千丝万缕的联系，无论是生物乙醇、生物柴油还是生物制氢，微生物都是生物反应的参与者。
-本报记者胡珉琦
寻找可再生的替代能源一直是科学家的目标。近日，一个由英国伦敦帝国学院和芬兰图尔库大学的科学家组成的研究小组开发出了一种通过大肠杆菌制造丙烷的新技术，并将研究结果发表在了《自然—通讯》杂志上。
自生物能源出现以来，微生物就与之产生了千丝万缕的联系，无论是生物乙醇、生物柴油还是生物制氢，微生物都是生物反应的参与者。而该项研究为实现能源的可再生提供了又一种新的可能——微生物可直接合成燃料分子。
微生物能源新成果
丙烷是一种清洁能源，它价格低廉，温度适应范围宽，燃烧只形成水蒸气和二氧化碳，不会对环境造成污染。它主要被制成液化石油气进行储运和使用，应用范围从野营炉、汽车到大型供热系统极为广泛。目前，丙烷的生产大都来自于原油和天然气冶炼的副产品，而两者都是不可再生资源。不过，丙烷被认为是一种可行的生物燃料。
如今，伦敦帝国学院和芬兰图尔库大学的研究人员发现了一种特殊的生物途径，能让大肠杆菌将脂肪酸转化成丙烷。简单说，就是通过一些酶阻断大肠杆菌中脂肪酸进入细胞膜的生物过程，并引导脂肪酸进入不同的生物途径，最终使大肠杆菌产生丙烷。这些酶分别是硫酯酶、CAR酶和脱甲基醛加氧酶。
研究人员指出，目前该方法还处于初级阶段，丙烷的产量还比较低，但这项验证性研究确实为可再生能源的生产提供了一条新的途径。
粮食乙醇难推广
人们对生物能源并不陌生。事实上，早在19世纪，就出现了现代生物能源乙醇。1902年，Deutz可燃气发动机工厂特意将1/3的重型机车利用纯乙醇作为燃料，随后的1925年至1945年间，乙醇被加入到汽油里作为抗暴剂。可以说安全、清洁是乙醇的主要优势。
中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员李盛英在接受《中国科学报》记者采访时表示，第一代生物能源正是乙醇(俗称“汽车酒精”)。这类乙醇使用粮食或者甘蔗作为原料，通过淀粉或者蔗糖发酵得到的，而微生物在其中起着至关重要的作用。生物乙醇发酵是目前最大规模的微生物发酵过程。
李盛英认为，由淀粉和蔗糖进行酿酒酵母菌发酵的技术已经相当成熟了。国际上以美国和巴西为代表的一些国家分别用玉米和甘蔗生产汽车酒精，应用十分广泛。但他同时指出，美国和巴西之所以可以将生物乙醇商业化投产，是由于其粮食产量、甘蔗种植量要高于其他国家。
据了解，我国在“十五”期间批准建设了4个燃料乙醇生产试点项目：吉林燃料乙醇有限公司、黑龙江华润酒精有限公司、河南天冠燃料集团和安徽丰原燃料酒精股份有限公司(中粮生化旗下公司)，用陈化粮作为生产生物乙醇的原料。问题是，几年过后，国内陈化粮的供应已经达到极限，无法满足生物乙醇的原料需求。
“欧盟也同样面临粮食产量不足的问题。”李盛英指出，让生物燃料与粮食竞争土地显然是行不通的。因此，目前国际上除美国、巴西以外，基本已经放弃了这类生物乙醇的生产方式。
纤维素乙醇被寄予厚望
为了不影响粮食产量，纤维素乙醇应运而生，并迅速成为了研究热点，李盛英将其看作第二代生物能源。
所谓纤维素乙醇，就是利用农业废弃的秸秆、枝叶等生物质转化成生物能源，纤维素中的糖和玉米淀粉中含有的葡萄糖一样，可以用传统的酵母发酵成乙醇。纤维素存在于几乎所有的植物生命体中，用纤维素获取乙醇不但无须担心原料来源，还能解决作物废料燃烧污染空气的问题。
“问题在于，如何才能把纤维素转化为可以发酵的葡萄糖。”李盛英指出了关键所在。淀粉转化成葡萄糖如今已经拥有了成本低廉且高效的淀粉酶，纤维素的酶水解反应比酵母发酵生产乙醇的速率小两个数量级。目前，纤维素酶还是世界性难题，转化成本高，效率却很低。
好消息是，荷兰皇家帝斯曼集团在9月初宣布，其和美国POET公司的合资企业POET-DSM先进生物燃料有限公司位于美国爱荷华州埃米茨堡的第一家商业级纤维素乙醇工厂近日正式竣工投产。该项目名为“LIBERTY项目”，其将废弃玉米芯、玉米叶、玉米壳和玉米秸秆等生物质转化成可再生燃料。工厂现已正式投产，正在将第一批生物质加工成纤维素乙醇，并将持续运营。
第一家商业级纤维素乙醇工厂的投产被视为一项突破性的进步，纤维素乙醇的商业价值将得到大大提升。不过，李盛英提到，国内在纤维素乙醇领域的研发能力与国际水平还存在不小的差距，目前该项技术主要被国际酶制剂巨头所垄断。
藻类燃料陷低谷
2000年以后，以藻类燃料为代表的生物柴油一度受到了格外的关注，它也成为了第三代生物能源的代表。
生物柴油是以生物质资源为原料加工而成的有机燃料，主要成分是脂肪酸酯，一般是由菜籽油、大豆油、回收烹饪油、动物油等可再生油脂与醇类经酯化反应制得。
相比较而言，同样单位面积的油料作物，藻类的产油率远高于普通油料作物。利用光合作用，藻类将二氧化碳转化为自身的生物质从而固定碳元素，再通过一定的诱导反应使藻类自身的碳物质转化为油脂，人们只需将藻类细胞内的油脂运到细胞外，进行提炼加工，就能制成生物柴油。因此，藻类一度被认为是未来矿物燃料最完美的替代者之一。
但是，李盛英坦言，目前藻类的筛选和培育，尤其是光合生化反应技术，并没有将藻类光合作用的转化效率提升至可进行产业化发展的水平。“燃料是一种消耗速度极其惊人的物质，生物能源如果不能实现少能耗、低成本、大规模的生产，就只是一个美好的概念。”因此，他认为藻类燃料的商业化仍需要关键技术的突破。
微生物产烃最理想
“然而，无论是生物乙醇还是生物柴油一般都不是直接作为燃料使用，而是与普通柴油混合使用，它们与传统的燃料还是存在差别。”李盛英向《中国科学报》记者解释，传统的燃料是汽油、柴油包括航空煤油，这些燃料的化学本质是烃，包括烷烃、烯烃、芳烃，它们是只含碳和氢的化合物，但乙醇、生物柴油都含有氧，这会对燃料性质产生一定的影响。氧具有吸湿性，燃料一旦进水，汽油管路系统腐蚀会很快。
“因此，最理想的生物燃料是烃，不含氧的碳氢化合物。”李盛英强调。脂肪烃类生物燃料因高能量密度、低吸湿性、与现有发动机系统及运输设备具有良好兼容性等优势被认为是液体化石燃料的最佳替代品。
据了解，试图用微生物来生产烃类化合物是近四五年才兴起的研究方向。除了通过大肠杆菌制造丙烷，青岛生物能源与过程研究所李盛英团队利用大肠杆菌生产脂肪烯烃生物燃料的研究项目也取得一定的成果，转化率达到了目前国际上已报道的最高水平。
李盛英认为，丙烷作为气体在运输上存在劣势，转化成液体需要额外的能耗。而研究团队生产的长链烯烃是液体，燃烧值接近汽油，只需稍作纯化，就可以直接加入汽车发动机燃烧。
“但我们面临着同样的难题，能耗大，效率低，产量与理论预测相差甚远。”李盛英坦言，研究团队还一度在这个系统中加入光合细菌，希望借助太阳能达到免除耗电的目标，谁料生产效率还不如以前。在他看来，这项可以说是目前最前沿的生物能源技术想要真正实现应用，转化效率还需要提升至少几十倍。
不过，李盛英仍对此抱有足够的信心。“无论是纤维素乙醇还是微生物产烃，一旦它们能低成本商业化，那么全球能源消费成本都将大大降低，并减少能源利用对环境造成的破坏性影响。”
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