舉例說明現(xiàn)代生物技術(shù)在新能源開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用。

【專家解說】：　　潔凈新能源有綠色能源之稱，它的最大特點(diǎn)是燃燒或使用后不造成環(huán)境污染，有利于維持生態(tài)平衡。發(fā)展?jié)崈粜履茉词俏磥砟茉礃I(yè)建設(shè)的發(fā)展方向。這里著重介紹生物技術(shù)特別是微生物技術(shù)在開發(fā)潔凈新能源方面的應(yīng)用研究所取得的成果。
　　一、發(fā)展新型燃料電池
　　燃料電池使用氣體燃料（如氫、甲烷等）與氧氣直接反應(yīng)產(chǎn)生電能，其效率高、污染低，是一種很有前途的能源利用方式。傳統(tǒng)燃料電池使用氫為燃料，而氫氣不易制取又難以儲(chǔ)存，致使燃料電池成本居高不下，美國賓夕法尼亞大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)出以甲烷等碳?xì)浠衔餅槿剂系男滦碗姵兀涑杀敬蟠蟮陀谝詺錇槿剂系膫鹘y(tǒng)燃料電池。研究人員曾嘗試用便宜的有關(guān)碳?xì)浠衔餅槿剂希瘜W(xué)反應(yīng)的“殘?jiān)焙苋菀追e聚在鎳制的電池正極上導(dǎo)致斷路，而使用銅和陶瓷的混合物制造電池正極，解決了“殘?jiān)狈e聚問題。新研制的燃料電池可用甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等5種碳?xì)浠衔镒鋈剂显矗梢酝ㄟ^微生物發(fā)酵途徑生產(chǎn)甲烷等碳?xì)浠衔?，成為研制新型燃料電池較為豐富而廣泛的原料來源。目前這種新型燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率還較低，有待進(jìn)一步研究改進(jìn)提高。
　　二、開發(fā)軍民兩用的生物能源
　　不論軍用的兵器如機(jī)動(dòng)裝備大部分，或是民用的汽車等交通工具均以汽油、柴油為燃料、若用氫氣作燃料更為理想，其特點(diǎn)：（1）潔凈，不污染環(huán)境；（2）熱效率高，約是汽油的3倍；（3）生物制取氫氣有潛力。正因?yàn)槿绱?，充分利用生物技術(shù)生產(chǎn)氫氣將大有可為。如用一種紅假單胞菌（rhodopseudomonassp）為生產(chǎn)菌，以淀粉為原料生產(chǎn)氫氣取得良好效果，每消耗1克淀粉可產(chǎn)氫氣1毫升。用氫和其他少量燃料混合可替代汽油、柴油。乙醇也是一種潔凈生物燃料，用途廣泛，可用來替代汽油和柴油。日本、加拿大等國家用基因技術(shù)建構(gòu)的“工程酵母”以其高產(chǎn)酶的活力，酶解纖維素制取乙醇；也有建構(gòu)的“工程大腸桿菌”能將葡萄糖有效地轉(zhuǎn)化成乙醇；這類乙醇均可替代汽油或柴油使用，隨時(shí)為機(jī)動(dòng)裝備提供大量生物燃料。其實(shí)，產(chǎn)氫、產(chǎn)乙醇的生物不僅有細(xì)菌或“工程菌”，而且某些藻類或其他微生物均有生產(chǎn)氫或乙醇的能力。美國加州大學(xué)等研究人員發(fā)現(xiàn)一種叫萊因哈德衣藻（chlamydomonasreinhadtii）的綠藻（真核生物）具有持續(xù)大量產(chǎn)氫能力。關(guān)鍵在于控制其生長環(huán)境，從生長營養(yǎng)液中去除硫素，在此情況下藻體停止了光合作用、不產(chǎn)氧；在無氧條件下藻體必須以其它途徑產(chǎn)生腺茸三磷酸酯維所需要的能量，利用所貯存的能源以實(shí)現(xiàn)其最終產(chǎn)氫的目的。一般說，這種天然藻產(chǎn)氫量很低，為此，一方面控制其生長所必需的或障礙生長的關(guān)鍵因素；另一方面，采用分子遺傳技術(shù)改造藻的特性，以提高其產(chǎn)氫能力。由此可見，充分利用各種生物開發(fā)軍民兩用的潔凈生物能源是有潛力的。
　　三、微型綠藻是索取氫能的最廉價(jià)途徑
　　上面已提到綠藻和微生物產(chǎn)氫途徑，這里強(qiáng)調(diào)微型綠藻制取氫氣的前景，科學(xué)家預(yù)測，當(dāng)石油和天然氣耗盡時(shí)，氫氣也許是一種較為理想的能源。關(guān)鍵在于找到一種廉價(jià)產(chǎn)氫的方法。有專家認(rèn)為，利用普通池塘綠藻的產(chǎn)氫能力或許是個(gè)最實(shí)際的選擇---經(jīng)濟(jì)實(shí)用，分布廣。綠藻這種微型低等植物繁殖快，全世界到處都有它的分布，它在有水、陽光的條件下具有制造氫氣的能力。在人工控制下可迫使綠藻按要求生產(chǎn)氫氣，有實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告指出，一升綠藻培養(yǎng)液每小時(shí)可產(chǎn)氫3毫升，還需進(jìn)一步提高產(chǎn)氫效率。注意兩點(diǎn)：（1）運(yùn)用基因工程技術(shù)改進(jìn)這種產(chǎn)氫系統(tǒng)，有可能使氫氣產(chǎn)量增加10倍或更高些；（2）細(xì)胞固定化技術(shù)的應(yīng)用，有可能提高微型綠藻持續(xù)產(chǎn)氫能力。在德國、加拿大、日本等國家為實(shí)現(xiàn)“潔凈氫能源”的開發(fā)計(jì)劃，積極建立“產(chǎn)氫藻類農(nóng)場”，為實(shí)現(xiàn)氫能源規(guī)模生產(chǎn)做出巨大努力。加拿大已建成每天生產(chǎn)液態(tài)氫10噸的工廠；日本把產(chǎn)氫藻和光合細(xì)菌的高效產(chǎn)氫列為研究重點(diǎn)，將研制用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用的冰糕狀“脂膏氫”，以提高火箭發(fā)射推力。美國期望到2030年把氫能源作為美國一種主要能源。看來，微型綠藻和光合微生物生產(chǎn)氫能源將大有開發(fā)之勢。
　　四、充分利用有機(jī)垃圾或有機(jī)廢水為原料生產(chǎn)氫能源
　　日本北里大學(xué)研究人員用生活垃圾制取氫氣取得良好效果，產(chǎn)率頗高，可將氫氣不僅直接作潔凈能源使用，而且為燃料電池的開發(fā)提供優(yōu)質(zhì)原料，更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有潛在的開發(fā)優(yōu)勢。研究人員選用一種厭氧性細(xì)菌即一種“梭菌”am21b菌株，與加水研碎的剩菜、魚骨等生活垃圾混合在一起，于37℃下發(fā)酵生產(chǎn)氫氣，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，每1公斤生活垃圾可獲49升氫氣；制氫后所余下的生活垃圾呈糊狀，無臭味，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)資源化，使之成為農(nóng)田有機(jī)肥料如堆肥。據(jù)稱，日本研究人員為制取氫氣的生活垃圾可循環(huán)利用，還研制新型“發(fā)酵設(shè)備”更有利于提高生活垃圾制氫效力。我國哈爾濱建筑大學(xué)研究人員已建立以厭氣活性污泥為原料的有機(jī)廢水經(jīng)微生物發(fā)酵法生產(chǎn)氫的技術(shù)。有幾個(gè)特點(diǎn)：（1）發(fā)酵法未采用純菌種；（2）未用細(xì)胞固定化技術(shù)可持續(xù)產(chǎn)氫；（3）制氫系統(tǒng)工藝運(yùn)行穩(wěn)定；（4）所獲氫的純度高；（5）制取氫的產(chǎn)率比國外同類小試驗(yàn)高幾十倍。目前已進(jìn)入中試規(guī)模的連續(xù)產(chǎn)氫，其量可達(dá)每立方米產(chǎn)氫5.7立方米，純度達(dá)到99％。有望進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)，為氫能源的開發(fā)提供一條可行的生物途徑。
　　五、以co2廢氣為原料開發(fā)新能源
　　來源廣泛的co2既是重要溫室氣體之一，也是化工原料，當(dāng)co2的釋放與吸收未達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)必然給生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良后果。為此，co2作為一類廢氣如何進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)資源化的研究有著重要意義。其中將其實(shí)現(xiàn)能源化是值得注意的研究課題。至少可采用化學(xué)方法和生物方法使co2轉(zhuǎn)化能源。
　　（一）、化學(xué)方法利用催化劑：用高效催化劑沸石，約99%的活性鋁顆粒表面吸附銠、錳，按co2與氧的比例為1∶4,300℃、1個(gè)大氣壓條件下，至少90%的co2可轉(zhuǎn)化為甲烷，若10個(gè)大氣壓時(shí)，其轉(zhuǎn)化率可達(dá)100%。當(dāng)然也有一個(gè)降低氫、銠的成本問題。所獲得的甲烷不僅提供能源和化工原料，同時(shí)包括co2在內(nèi)減輕溫室效應(yīng)發(fā)生帶來好處。
　　（二）、生物方法利用藻類：前面已提到藻類特別是那些微型單胞藻不論是原核的或是真核的，它們是吸收co2進(jìn)行光合作用生產(chǎn)綠色新能源最有效途徑。大量微型藻增殖過程中充分利用co2，在光照條件下合成有機(jī)物將太陽能儲(chǔ)存起來，其藻體生物量稱得上是個(gè)巨大的“儲(chǔ)能庫”，因此，將其制作固體燃料或者說干燥燃料是可行的，英國將它用于發(fā)電；也可用各類藻體包括海藻在內(nèi)的生物量為原料，通過發(fā)酵途徑制取甲烷及其它能源；微型藻細(xì)胞固定化連續(xù)產(chǎn)氫能也是可取的。正因?yàn)楦鞣N藻類所表現(xiàn)特定功能，既是“儲(chǔ)能庫”，又是“供能庫”，從中可獲取所需要的潔凈能源。因此有專家預(yù)計(jì)，利用co2制造生物能源特別是氫能將是本世紀(jì)大有希望而較為理想的能源供應(yīng)。
　　六、微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇大有可為
　　乙醇俗稱酒精，既用于醫(yī)藥、化工，又是未來要發(fā)展的一類無污染的潔凈能源，也是重要再生能源之一，具有燃料完全、效率高、無污染等特點(diǎn)。用它稀釋汽油所配制成“乙醇汽油”，替代含鉛汽油，功效可提高15％左右。據(jù)報(bào)道，巴西已改裝“乙醇汽油”或酒精為燃料的汽車達(dá)幾十萬輛，大大減少大氣污染。既然乙醇用于汽車燃料顯示其優(yōu)越性，那么如何采用最佳途徑來生產(chǎn)乙醇呢？其中采用最經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的辦法制取乙醇有兩方面值得認(rèn)真考慮：一是利用廢棄的農(nóng)業(yè)秸稈為原料生產(chǎn)燃料乙醇；二是培植綠藻生產(chǎn)乙醇。就前者而言，秸稈在全球是一類量大面廣的作物廢棄物，我國每年有6.5億噸秸稈的產(chǎn)出，直接燃燒污染環(huán)境，如果利用這些秸稈哪怕是一部分生產(chǎn)燃料乙醇的話，那是一件利國利民的事，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境。如果利用乙醇作為汽油添加劑來代替現(xiàn)用的含鉛汽油添加劑---甲基叔丁基醚（mtbe）的話，那么不論是改造汽油提高效率或是保護(hù)生態(tài)環(huán)境是非常有益的，很有商業(yè)潛力。2年前在美國燃料用乙醇達(dá)413萬--586萬噸，約占美國乙醇消費(fèi)量的83％-87％；目前我國燃料乙醇生產(chǎn)及市場都是空白。然而，乙醇作為一種有效的汽油含氧添加成分是有其優(yōu)越性的，在美國，有8％的含氧物汽油中所添加的含氧物是乙醇，而現(xiàn)在mtbe的替代物只有乙醇。有報(bào)道指出，美國加州至少有1萬處地下水受到滲漏的mtbe污染，全美國則有14％的飲水井被污染，而mtbe是動(dòng)物的致癌物，對人體健康也有潛在的危害。政府一方面禁止汽油中使用mtbe添加劑；另一方面積極發(fā)展乙醇作為其替代物的生產(chǎn)。美國加州一個(gè)州今后2年每天需要乙醇達(dá)3.5萬桶（注：美制1桶＝31．5加侖），5年后需求量將為9.5萬桶。為此，美國的乙醇生產(chǎn)商已在擴(kuò)大乙醇的生產(chǎn)能力；無疑，mtbe的禁用給乙醇工業(yè)帶來無限商機(jī)。從此也可以看出，把握開發(fā)燃料乙醇的商機(jī)正是發(fā)展綠色新能源的必需。在我國，有條件，有能力，也有技術(shù)充分利用廢棄的各類秸稈實(shí)現(xiàn)資源化或能源化是完全可能的。每年只要從6.5億噸秸稈中利用1億噸來生產(chǎn)燃料乙醇的話，那么乙醇產(chǎn)量可達(dá)2000萬噸。據(jù)有關(guān)專家對其經(jīng)濟(jì)評(píng)估，認(rèn)為以秸稈為原料生產(chǎn)乙醇的成本低于用糧食發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的成本；而高于煉油廠生產(chǎn)汽油的成本，但與汽油添加劑mtbe相比更顯示其競爭力。盡管秸稈生產(chǎn)燃料乙醇有它一定特色和優(yōu)越性，但對其生產(chǎn)工藝和效力尚需作進(jìn)一步探究。至于綠藻制取乙醇與傳統(tǒng)微生物發(fā)醇途徑生產(chǎn)乙醇是大不相同的。綠藻是一類自養(yǎng)型真核生物，其中如單細(xì)胞小球藻用來開發(fā)新能源很有潛力。日本一家公司的研究小組從表層海水中獲得一種叫tit－1的海藻新品種，類似小球藻（直徑約10μm），白天它與普通植物一樣在光照條件下將co2轉(zhuǎn)化為淀粉貯藏起來，還能在弱光或厭氧條件下將淀粉轉(zhuǎn)化為乙醇，有其特點(diǎn)：不會(huì)造成環(huán)境污染，能吸收大氣中co2，大大減輕溫室效應(yīng)，并獲得乙醇產(chǎn)品。這種自養(yǎng)型與異養(yǎng)型的有機(jī)結(jié)合生產(chǎn)乙醇是個(gè)典型實(shí)例，具有獨(dú)特的優(yōu)越性。
　　總之，上面提到的六個(gè)方面不論以何種形式獲得各種不同的燃料或能源，作為一類不污染環(huán)境的一代潔凈生物燃料或生物能源均有“綠色能源”之稱，是未來能源建設(shè)的發(fā)展方向?，F(xiàn)代文明進(jìn)步，人類的生存與發(fā)展，迫切需要潔凈新能源和無污染的生態(tài)環(huán)境，它們彼此之間是緊緊聯(lián)系在一起的?？梢灶A(yù)料，21世紀(jì)隨著各項(xiàng)建設(shè)的需要和科技進(jìn)步，綠色能源必將得到進(jìn)一步發(fā)展。