牛胃：能源危機新救星

【中國廚房設備網】  日前，美國研究人員從牛的瘤胃中找到大量此前未知的微生物酶，這些酶可用于開發第二代生物燃料。那么這些微生物酶是如何被發現的？以它們為基礎生產出的第二代生物燃料比前一代又有哪些進步？我國目前第二代生物燃料的開發前景如何？記者就此采訪了專家。
       A  科學家在牛的瘤胃中發現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行預處理。
       C  將預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程中
       遼寧日報：李教授您好！在全球能源危機不斷加深的今天，這則消息無疑使人欣喜。那么，美國研究人員是怎么樣發現這些科學界探尋已久的微生物酶的呢？
       李福利：分解植物細胞壁內的纖維素等多糖是生產第二代生物燃料的重要步驟，實際上這也是千百年來大自然中牛在反芻過程中所做的事情。因此美國科研人員研究了牛的消化機制后，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72小時，然后將柳枝稷取出并對附著在上面的所有微生物進行基因組分析。隨后，他們將篩選出的基因植入細菌中，細菌按照基因的“指示”產生了90種酶，其中多數的酶對分解纖維素“表現出了極大的興趣”。
       科學家對這個發現很興奮是因為目前第二代生物燃料原材料的主要成分是木質纖維素，木質纖維素由纖維素、木質素和半纖維素組成，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，但纖維素酶的生產成本很高，因此生物燃料的生產成本也高。這嚴重影響其市場競爭力。第二代生物燃料要想大規模生產，并進入市場與傳統燃料競爭，必須降低纖維酶的生產成本。
       而這項研究表明，牛的瘤胃中的微生物是分解纖維素等多糖的酶的重要來源，這意味著未來人們有希望能夠利用這種微生物產生的酶大規模生產第二代生物燃料。
       遼寧日報：大自然總是啟迪人類科技進步最好的老師。您能告訴我們在自然界中，微生物產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纖維素結構著手。微生物“進攻”木制纖維素主要有從外向里、從里向外兩種方式。
       微生物降解木質纖維素時無論采用何種方式來破壞木質纖維素結構，在木質纖維素生物降解過程中起主要作用的還是微生物所產生的木質纖維素降解酶系。
       由于木質纖維素天然結構復雜，其生物降解過程則是一個復雜的酶學過程，需要多種酶的協同作用來完成，也就是說是多種酶組成的系統在發揮作用。
       遼寧日報：纖維素分解之后會產生哪些可被我們利用的物質？
       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程，需要微生物發揮轉化功能，通俗地說就是微生物吃掉葡萄糖，在“體內”經過轉化，產生生物能源產品，根據不同微生物的轉化能力及特點，可以生產乙醇、丁醇、生物柴油等能源產品。
       遼寧日報：除細胞壁外，組成植物細胞的還有其他重要成分，它們是否可以與細胞壁一樣被轉化為燃料呢？
       李福利：植物細胞除細胞壁外，其他成分主要是細胞內的內含物，這些內含物主要是蛋白質、脂類和少量糖，第二代生物燃料的原材料進行酶解和微生物發酵之前，需要預處理，預處理過程中這些內含物會在物理、化學作用下分解，所以細胞內含物對生產生物燃料貢獻不大。
      
       研發二代生物燃料還要邁過兩道坎兒
       遼寧日報：通過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，也就是說第二生物燃料對原材料的選擇范圍更廣闊，也更廉價？
       李福利：是的。第一代生物燃料存在與人爭糧、與糧爭地等有關糧食安全的社會問題，大規模生產可能導致糧價攀升；而第二代生物燃料所用原料為農林廢棄物，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，避免因發展生物能源引發糧食安全問題。
       此外，在環境友好方面，第二代生物燃料的表現也比第一代出色。據美國能源部研究，更注重生態效應的第二代生物燃料有望減少最高達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。
       遼寧日報：我國可用于生產第二代生物燃料的能源植物多嗎？
       李福利：因地制宜是開展生物燃料研發的重要原則，我們一直在積極探索適合自己國情的能源植物品種。目前研發的植物主要包括中國芒、象草、蒿柳、高枝柳、蘆竹以及柳枝稷等。這些植物在中國都有適合的生長地域。所以，適合我國生產第二代生物燃料的原材料植物分布范圍廣、數量大。
       遼寧日報：既然第二代生物燃料具有諸多優勢，而且我們又發現了牛瘤胃中的酶，那么是否很快就可以替換傳統燃料從而解決能源緊缺問題了？
       李福利：并不是這樣。從技術層面看，這種酶的大規模生產雖有光明的前途，但是同樣存在著一些目前還沒有克服的問題。
       首先，纖維素預處理過程會產生大量抑制微生物生長的物質，去除這些物質花費成本較高。其次，纖維素酶為誘導酶，野生菌只有在一定的條件下才會產生，因此，纖維素酶發酵過程的調控具有至關重要的作用。發酵過程調控主要包括營養、誘導物、溫度、PH值等，每一個環節都要十分精確才能夠模擬出自然狀態下纖維素被降解的過程。而且，工程菌產出的纖維素酶雖然量大，但是往往活性不高。還有，自然界中木質纖維素的降解需要多種纖維素酶的協同作用，每種組分的配比對于降解效率起著關鍵作用，單一生產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燃料還有很長的路要走。
      
       能源結構多元化后價格會令百姓更滿意
       遼寧日報：第二代生物燃料生產技術未來逐漸成熟后，會對我們的生活產生哪些改觀呢？
       李福利：發展第二代生物燃料的目的之一是可以改變當前的能源格局，減少對化石能源的依賴。雖然當前生物能源在能源結構中的比例不足以改變目前的能源格局，但是未來生物能源在整個能源結構中的比例會越來越高。我想，隨著能源結構的多元化，未來生活中大家得到的最大實惠之一就是燃料價格會令百姓更滿意。此外，由能源價格上漲引起的物價浮動也會減小。
       曾經，生物燃料生產最大的受限因素是土地。在國家禁止占用耕地發展生物能源的政策下，生物能源的原料來源勢必要依靠非耕土地。而發展第二代生物燃料時，我們通過創制耐受性和適應性強的能源植物品種，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，可以利用農業和林業剩余物作為原料生產生物燃料。這種利用還可以為農業和林業部門提供額外的收入，因此對當地經濟和鄉村發展具有積極意義。
       遼寧日報：面對如此好的開發前景，我們很希望知道我國第二代生物燃料研究進展情況如何？
       李福利：我國對生物質能源利用極為重視，已連續在4個國家5年計劃中將生物質能利用技術的研究與應用列為重點科技攻關項目，開展了生物質能利用技術的研究與開發，并且在戶用沼氣池、節柴炕灶、大中型沼氣工程、生物質壓塊成型、氣化與氣化發電、生物質液體燃料等，取得了多項優秀成果。
       然而生物燃料目前成本較高，市場競爭力弱，存在需要解決的關鍵瓶頸問題。如上面說的，纖維素酶的規模化生產就是關鍵瓶頸之一，高效低成本的纖維素酶尚需研發。具體到產品上，在目前大力發展的纖維素乙醇、沼氣等能源產品上都存在自身的瓶頸，共性的問題是原料的收集和供應問題。另外，對于發展中國家來說，大規模生產發展與小規模當地價值鏈之間的矛盾也是一個現實問題。
       國家在政策和財力上已經給予了支持，重點支持科研單位、地方企業在科研和規模示范方面開展工作，也通過政府補貼生產纖維素乙醇，進入市場銷售。第二代生物燃料的發展是個長期過程，還需要國家穩定持續的經濟和政策支持。
       遼寧日報：感謝李教授的講解。讓我們期望第二代生物燃料生產技術更快的成熟起來，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程研究所研究員，理學博士，博士生導師。作為負責人或主要參與者，承擔國家863計劃，國家自然科學基金重大項目及面上項目，省部級10余項科研項目。近5年來在國內外已發表科研論文20余篇，其中SCI論文17篇。研究領域，微生物的生理生化。
 

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