【中國(guó)廚房設(shè)備網(wǎng)】  日前，美國(guó)研究人員從牛的瘤胃中找到大量此前未知的微生物酶，這些酶可用于開(kāi)發(fā)第二代生物燃料。那么這些微生物酶是如何被發(fā)現(xiàn)的？以它們?yōu)榛A(chǔ)生產(chǎn)出的第二代生物燃料比前一代又有哪些進(jìn)步？我國(guó)目前第二代生物燃料的開(kāi)發(fā)前景如何？記者就此采訪了專家。
       A  科學(xué)家在牛的瘤胃中發(fā)現(xiàn)可分解能源植物纖維素的微生物酶。
       B  能源植物在被微生物酶分解前需進(jìn)行預(yù)處理。
       C  將預(yù)處理后的能源植物與微生物酶混合使其分解。
       D 被微生物酶分解后的能源植物。
      
       二代生物燃料的秘密藏在牛的反芻過(guò)程中
       遼寧日?qǐng)?bào)：李教授您好！在全球能源危機(jī)不斷加深的今天，這則消息無(wú)疑使人欣喜。那么，美國(guó)研究人員是怎么樣發(fā)現(xiàn)這些科學(xué)界探尋已久的微生物酶的呢？
       李福利：分解植物細(xì)胞壁內(nèi)的纖維素等多糖是生產(chǎn)第二代生物燃料的重要步驟，實(shí)際上這也是千百年來(lái)大自然中牛在反芻過(guò)程中所做的事情。因此美國(guó)科研人員研究了牛的消化機(jī)制后，先將柳枝稷(第二代生物燃料的一種原料植物)放在牛的瘤胃中培養(yǎng)72小時(shí)，然后將柳枝稷取出并對(duì)附著在上面的所有微生物進(jìn)行基因組分析。隨后，他們將篩選出的基因植入細(xì)菌中，細(xì)菌按照基因的“指示”產(chǎn)生了90種酶，其中多數(shù)的酶對(duì)分解纖維素“表現(xiàn)出了極大的興趣”。
       科學(xué)家對(duì)這個(gè)發(fā)現(xiàn)很興奮是因?yàn)槟壳暗诙锶剂显牧系闹饕煞质悄举|(zhì)纖維素，木質(zhì)纖維素由纖維素、木質(zhì)素和半纖維素組成，其中纖維素是最主要的有效成分。分解纖維素要用到纖維素酶，但纖維素酶的生產(chǎn)成本很高，因此生物燃料的生產(chǎn)成本也高。這嚴(yán)重影響其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。第二代生物燃料要想大規(guī)模生產(chǎn)，并進(jìn)入市場(chǎng)與傳統(tǒng)燃料競(jìng)爭(zhēng)，必須降低纖維酶的生產(chǎn)成本。
       而這項(xiàng)研究表明，牛的瘤胃中的微生物是分解纖維素等多糖的酶的重要來(lái)源，這意味著未來(lái)人們有希望能夠利用這種微生物產(chǎn)生的酶大規(guī)模生產(chǎn)第二代生物燃料。
       遼寧日?qǐng)?bào)：大自然總是啟迪人類科技進(jìn)步最好的老師。您能告訴我們?cè)谧匀唤缰校⑸锂a(chǎn)生的酶是如何分解纖維素的嗎？
       李福利：好的。微生物降解纖維素要從植物的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)著手。微生物“進(jìn)攻”木制纖維素主要有從外向里、從里向外兩種方式。
       微生物降解木質(zhì)纖維素時(shí)無(wú)論采用何種方式來(lái)破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，在木質(zhì)纖維素生物降解過(guò)程中起主要作用的還是微生物所產(chǎn)生的木質(zhì)纖維素降解酶系。
       由于木質(zhì)纖維素天然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其生物降解過(guò)程則是一個(gè)復(fù)雜的酶學(xué)過(guò)程，需要多種酶的協(xié)同作用來(lái)完成，也就是說(shuō)是多種酶組成的系統(tǒng)在發(fā)揮作用。
       遼寧日?qǐng)?bào)：纖維素分解之后會(huì)產(chǎn)生哪些可被我們利用的物質(zhì)？
       李福利：纖維素完全分解后的主要成分是葡萄糖，葡萄糖是一種小分子的單糖，幾乎可以很容易地被所有微生物利用。由葡萄糖到能源的過(guò)程，需要微生物發(fā)揮轉(zhuǎn)化功能，通俗地說(shuō)就是微生物吃掉葡萄糖，在“體內(nèi)”經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生生物能源產(chǎn)品，根據(jù)不同微生物的轉(zhuǎn)化能力及特點(diǎn)，可以生產(chǎn)乙醇、丁醇、生物柴油等能源產(chǎn)品。
       遼寧日?qǐng)?bào)：除細(xì)胞壁外，組成植物細(xì)胞的還有其他重要成分，它們是否可以與細(xì)胞壁一樣被轉(zhuǎn)化為燃料呢？
       李福利：植物細(xì)胞除細(xì)胞壁外，其他成分主要是細(xì)胞內(nèi)的內(nèi)含物，這些內(nèi)含物主要是蛋白質(zhì)、脂類和少量糖，第二代生物燃料的原材料進(jìn)行酶解和微生物發(fā)酵之前，需要預(yù)處理，預(yù)處理過(guò)程中這些內(nèi)含物會(huì)在物理、化學(xué)作用下分解，所以細(xì)胞內(nèi)含物對(duì)生產(chǎn)生物燃料貢獻(xiàn)不大。
      
       研發(fā)二代生物燃料還要邁過(guò)兩道坎兒
       遼寧日?qǐng)?bào)：通過(guò)您的講解我們知道了第二代生物燃料所用原料的主要成分為纖維素，也就是說(shuō)第二生物燃料對(duì)原材料的選擇范圍更廣闊，也更廉價(jià)？
       李福利：是的。第一代生物燃料存在與人爭(zhēng)糧、與糧爭(zhēng)地等有關(guān)糧食安全的社會(huì)問(wèn)題，大規(guī)模生產(chǎn)可能導(dǎo)致糧價(jià)攀升；而第二代生物燃料所用原料為農(nóng)林廢棄物，即使使用人工種植的能源植物，也必須在非耕土地上種植，如鹽堿地、荒漠、灘涂等，避免因發(fā)展生物能源引發(fā)糧食安全問(wèn)題。
       此外，在環(huán)境友好方面，第二代生物燃料的表現(xiàn)也比第一代出色。據(jù)美國(guó)能源部研究，更注重生態(tài)效應(yīng)的第二代生物燃料有望減少最高達(dá)96%的溫室氣體排放；而第一代以玉米為原料的燃料乙醇，平均僅可以減少約20%的溫室氣體排放。
       遼寧日?qǐng)?bào)：我國(guó)可用于生產(chǎn)第二代生物燃料的能源植物多嗎？
       李福利：因地制宜是開(kāi)展生物燃料研發(fā)的重要原則，我們一直在積極探索適合自己國(guó)情的能源植物品種。目前研發(fā)的植物主要包括中國(guó)芒、象草、蒿柳、高枝柳、蘆竹以及柳枝稷等。這些植物在中國(guó)都有適合的生長(zhǎng)地域。所以，適合我國(guó)生產(chǎn)第二代生物燃料的原材料植物分布范圍廣、數(shù)量大。
       遼寧日?qǐng)?bào)：既然第二代生物燃料具有諸多優(yōu)勢(shì)，而且我們又發(fā)現(xiàn)了牛瘤胃中的酶，那么是否很快就可以替換傳統(tǒng)燃料從而解決能源緊缺問(wèn)題了？
       李福利：并不是這樣。從技術(shù)層面看，這種酶的大規(guī)模生產(chǎn)雖有光明的前途，但是同樣存在著一些目前還沒(méi)有克服的問(wèn)題。
       首先，纖維素預(yù)處理過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量抑制微生物生長(zhǎng)的物質(zhì)，去除這些物質(zhì)花費(fèi)成本較高。其次，纖維素酶為誘導(dǎo)酶，野生菌只有在一定的條件下才會(huì)產(chǎn)生，因此，纖維素酶發(fā)酵過(guò)程的調(diào)控具有至關(guān)重要的作用。發(fā)酵過(guò)程調(diào)控主要包括營(yíng)養(yǎng)、誘導(dǎo)物、溫度、PH值等，每一個(gè)環(huán)節(jié)都要十分精確才能夠模擬出自然狀態(tài)下纖維素被降解的過(guò)程。而且，工程菌產(chǎn)出的纖維素酶雖然量大，但是往往活性不高。還有，自然界中木質(zhì)纖維素的降解需要多種纖維素酶的協(xié)同作用，每種組分的配比對(duì)于降解效率起著關(guān)鍵作用，單一生產(chǎn)某種纖維素酶意義不大。
       所以，以第二代生物燃料完全替代傳統(tǒng)燃料還有很長(zhǎng)的路要走。
      
       能源結(jié)構(gòu)多元化后價(jià)格會(huì)令百姓更滿意
       遼寧日?qǐng)?bào)：第二代生物燃料生產(chǎn)技術(shù)未來(lái)逐漸成熟后，會(huì)對(duì)我們的生活產(chǎn)生哪些改觀呢？
       李福利：發(fā)展第二代生物燃料的目的之一是可以改變當(dāng)前的能源格局，減少對(duì)化石能源的依賴。雖然當(dāng)前生物能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例不足以改變目前的能源格局，但是未來(lái)生物能源在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中的比例會(huì)越來(lái)越高。我想，隨著能源結(jié)構(gòu)的多元化，未來(lái)生活中大家得到的最大實(shí)惠之一就是燃料價(jià)格會(huì)令百姓更滿意。此外，由能源價(jià)格上漲引起的物價(jià)浮動(dòng)也會(huì)減小。
       曾經(jīng)，生物燃料生產(chǎn)最大的受限因素是土地。在國(guó)家禁止占用耕地發(fā)展生物能源的政策下，生物能源的原料來(lái)源勢(shì)必要依靠非耕土地。而發(fā)展第二代生物燃料時(shí)，我們通過(guò)創(chuàng)制耐受性和適應(yīng)性強(qiáng)的能源植物品種，在鹽堿地、荒漠等種植、收獲能源植物。這就減少了能源生產(chǎn)與土地的矛盾，使土地可以被更加有效的利用。
       另外，可以利用農(nóng)業(yè)和林業(yè)剩余物作為原料生產(chǎn)生物燃料。這種利用還可以為農(nóng)業(yè)和林業(yè)部門提供額外的收入，因此對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和鄉(xiāng)村發(fā)展具有積極意義。
       遼寧日?qǐng)?bào)：面對(duì)如此好的開(kāi)發(fā)前景，我們很希望知道我國(guó)第二代生物燃料研究進(jìn)展情況如何？
       李福利：我國(guó)對(duì)生物質(zhì)能源利用極為重視，已連續(xù)在4個(gè)國(guó)家5年計(jì)劃中將生物質(zhì)能利用技術(shù)的研究與應(yīng)用列為重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，開(kāi)展了生物質(zhì)能利用技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，并且在戶用沼氣池、節(jié)柴炕灶、大中型沼氣工程、生物質(zhì)壓塊成型、氣化與氣化發(fā)電、生物質(zhì)液體燃料等，取得了多項(xiàng)優(yōu)秀成果。
       然而生物燃料目前成本較高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力弱，存在需要解決的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題。如上面說(shuō)的，纖維素酶的規(guī)模化生產(chǎn)就是關(guān)鍵瓶頸之一，高效低成本的纖維素酶尚需研發(fā)。具體到產(chǎn)品上，在目前大力發(fā)展的纖維素乙醇、沼氣等能源產(chǎn)品上都存在自身的瓶頸，共性的問(wèn)題是原料的收集和供應(yīng)問(wèn)題。另外，對(duì)于發(fā)展中國(guó)家來(lái)說(shuō)，大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)展與小規(guī)模當(dāng)?shù)貎r(jià)值鏈之間的矛盾也是一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。
       國(guó)家在政策和財(cái)力上已經(jīng)給予了支持，重點(diǎn)支持科研單位、地方企業(yè)在科研和規(guī)模示范方面開(kāi)展工作，也通過(guò)政府補(bǔ)貼生產(chǎn)纖維素乙醇，進(jìn)入市場(chǎng)銷售。第二代生物燃料的發(fā)展是個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，還需要國(guó)家穩(wěn)定持續(xù)的經(jīng)濟(jì)和政策支持。
       遼寧日?qǐng)?bào)：感謝李教授的講解。讓我們期望第二代生物燃料生產(chǎn)技術(shù)更快的成熟起來(lái)，使其早日走近尋常百姓的生活。
       李福利：謝謝大家。
      
       專家檔案
       李福利中科院青島生物能源與過(guò)程研究所研究員，理學(xué)博士，博士生導(dǎo)師。作為負(fù)責(zé)人或主要參與者，承擔(dān)國(guó)家863計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目及面上項(xiàng)目，省部級(jí)10余項(xiàng)科研項(xiàng)目。近5年來(lái)在國(guó)內(nèi)外已發(fā)表科研論文20余篇，其中SCI論文17篇。研究領(lǐng)域，微生物的生理生化。
 

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