周志剛，畢燕會

（上海海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院，上海高校水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)E-研究院，上海 201306）

當(dāng)今，人類社會的發(fā)展正面臨著由能源使用所引起的三個嚴(yán)重問題：一是環(huán)境惡化，即人類活動排放大量溫室氣體如CO2等，引起全球氣候變暖，正在威脅人類自身生存；二是能源危機(jī)，即隨著礦物能源如石油、煤炭、天然氣的大規(guī)模開采利用，這些不可再生的能源資源正日益短缺，價格不斷高漲，甚至供不應(yīng)求；三是糧食短缺，世界人口不斷增長，而工業(yè)化日益導(dǎo)致耕地減少、退化、沙化，從而造成糧食減產(chǎn)、甚至短缺。可再生能源的開發(fā)利用是解決這3個問題的有效途徑，因此，它已成為關(guān)系各國、各民族可持續(xù)發(fā)展的大計。我國也頒布并于2006年1月1日開始實施《中華人民共和國可再生能源法》。

為了更好地貫徹《可再生能源法》，我國政府于2007年8月又制定了目標(biāo)明確、遠(yuǎn)見卓識且可操作的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，提出了明確的發(fā)展目標(biāo)：力爭到2010年使可再生能源消費量達(dá)到能源消費總量的10%，到2020年達(dá)到15%。鑒于生物質(zhì)能開發(fā)利用還可以促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、增加農(nóng)民收入，對解決“三農(nóng)”問題十分有利，該規(guī)劃認(rèn)為以燃料乙醇和生物柴油為代表的生物液體燃料是重要的石油替代產(chǎn)品?？紤]到我國人口眾多、土地及淡水資源嚴(yán)重缺乏等基本國情，該規(guī)劃建議不再增加以糧食為原料的燃料乙醇生產(chǎn)能力，應(yīng)合理選育和科學(xué)種植能源植物，利用非糧生物質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇。到2010年，計劃增加非糧原料燃料乙醇年利用量200萬t；到2020年，生物燃料乙醇年利用量達(dá)到1 000萬t。那時我國燃料乙醇的年產(chǎn)量相當(dāng)于替代石油約800萬t，對改善我國能源結(jié)構(gòu)、節(jié)約能源資源、CO2減排等將起到非常重要的作用。

1 大型海藻作為能源植物的優(yōu)勢

就我國生物質(zhì)能源資源來說，120萬km2耕地生產(chǎn)的糧食、400萬km2山林草場生產(chǎn)的樹木雜草、300萬km2海域生產(chǎn)的海藻大致各占三分之一[1]。長期以來，人們最關(guān)注的是糧食與樹木雜草的能源化，而具有獨特優(yōu)勢的海藻在很長時間內(nèi)一直被遺忘。

大型海藻作為能源植物的研究與開發(fā)，具有下列不可忽視的優(yōu)勢：

（1）海藻養(yǎng)殖可以在廣闊的海面上進(jìn)行，不與陸地糧食、飼料等農(nóng)作物搶耕地、淡水、肥料等生產(chǎn)資源。耕地與淡水水源是未來限制生物質(zhì)能源化的“瓶頸”[2]。同時由于海流等作用，海藻養(yǎng)殖不易出現(xiàn)像陸地植物那樣耕作后所表現(xiàn)出地力不足等問題。

（2）海藻是一個非常理想的生物質(zhì)原料。海藻被認(rèn)為是最有可能用于能源加工的候選大型藻類之一，其最大優(yōu)點是不含有木質(zhì)素或其含量非常低，海藻的能量轉(zhuǎn)化效率高[3，4]。其中海帶中可轉(zhuǎn)化為乙醇的褐藻淀粉及甘露醇總含量達(dá)到藻體干重的55%[5]，目前這些物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇的效率為43%[6]，也就是說1 kg干海帶可以轉(zhuǎn)化為250 g乙醇。海藻單位面積的乙醇潛在產(chǎn)量是玉米的10倍以上。

（3）我國可以用來養(yǎng)殖海藻的海面，據(jù)估計，超過1.5×106km2[7]。根據(jù)《2010年中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》，2008年我國海帶養(yǎng)殖面積僅為335 km2，不足可養(yǎng)殖水面的萬分之三。因此，我國可養(yǎng)殖海帶的藍(lán)色國土面積潛力巨大。

（4）我國海藻養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)及技術(shù)世界領(lǐng)先。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）的統(tǒng)計，中國海帶養(yǎng)殖產(chǎn)量占世界的70%以上[8]。自20世紀(jì)50年代以來，以曾呈奎為首的我國藻類學(xué)工作者解決了一系列海藻養(yǎng)殖理論性問題，并在此基礎(chǔ)上發(fā)明了海藻養(yǎng)殖的關(guān)鍵性技術(shù)，形成規(guī)模巨大的海藻養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)[9]。

（5）海藻單位面積的產(chǎn)量高。藻類的光合作用效率為6%～8%，遠(yuǎn)高于陸地植物（1.8%～2.2%）[10]。天然狀態(tài)下，大型褐藻如海帶（Laminaria sp.）、裙帶菜（Undaria sp.）、馬尾藻等（Sargassum sp.）等的生產(chǎn)力是3 300至11 300 g干物質(zhì)·m-2·a-1。而養(yǎng)殖條件下海藻的生產(chǎn)力則更高。例如，海帶在7個月的養(yǎng)殖時間內(nèi)每m2海面可生產(chǎn)15 000 g干物質(zhì)（相當(dāng)于150 t·hm-2），美國種植甘蔗的生產(chǎn)力是61～95 t鮮重·hm-2·a-1。當(dāng)把海藻與甘蔗最大生產(chǎn)力進(jìn)行比較時，發(fā)現(xiàn)前者是后者的2.8倍[11]。另外，藻體形態(tài)簡單，全株都可以吸收營養(yǎng)元素。因此，藻類的生長速度快、光合作用效率高、單位面積生物量大。

（6）養(yǎng)殖海藻具有巨大的環(huán)境效應(yīng)。如果利用我國海面的百分之一養(yǎng)殖海藻，按海藻干物質(zhì)的碳含量為30%來計算，每年就能生產(chǎn)相當(dāng)于7.5×108億J的燃料，可固定0.9億t的CO2[12]。這個數(shù)據(jù)就是2008年我國CO2的排放量（65.5億t）[13]的七十二分之一。因此，海藻的生長可以吸收大氣及海水中的CO2，協(xié)助解決地球變暖、海水酸化等問題。未來隨著碳稅的開征，還可以出售可觀的CO2配額。同時，由于工農(nóng)業(yè)及生活廢水等排放入海造成近海嚴(yán)重的富營養(yǎng)化，引發(fā)“赤潮”、“綠潮”等生態(tài)災(zāi)難，影響海洋經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，養(yǎng)殖海藻可以減輕海水的富營養(yǎng)化，維持海洋生態(tài)平衡以及物質(zhì)再循環(huán)[14]。

（7）海藻能源化的發(fā)展，促進(jìn)了漁民、漁村及漁業(yè)的和諧發(fā)展。海藻能源化必然促進(jìn)海藻養(yǎng)殖規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)展，這樣在可能不按規(guī)模比例增加成本投入的情況下，就可以絕對地增加了海藻的產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)收入；養(yǎng)殖生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施的投入，也必然拉動了內(nèi)需，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使得整個產(chǎn)業(yè)鏈都增加了就業(yè)的崗位，有助于解決“三漁”問題。

2 大型海藻能源化利用的國際動態(tài)

美國是第一個試圖利用栽培海藻作為能源資源的國家，并在20世紀(jì)70和80年代開始實施名為“Marine Biomass Program”的計劃，將離岸養(yǎng)殖的巨藻（Macrocystis pyrifera）收集后經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，從而得出把海藻轉(zhuǎn)化為甲烷是可行的結(jié)論[3]。

在荷蘭附近的北海（the North Sea），Reith et al.利用風(fēng)能發(fā)電廠風(fēng)葉的支柱以及鉆油平臺等設(shè)施作為固定物，進(jìn)行滸苔（Ulva sp.）、海帶（Laminaria sp.）以及紅皮藻（Palmaria sp.）等海藻的離岸養(yǎng)殖實驗，為大型海藻離岸養(yǎng)殖以擴(kuò)大養(yǎng)殖規(guī)模并獲取生物質(zhì)能源資源奠定了基礎(chǔ)[15]。

日本也在進(jìn)行一個名叫“OceanSunriseProject”的計劃，利用日本經(jīng)濟(jì)專屬區(qū)未被利用的4.47×106km2海區(qū)養(yǎng)殖并收獲150×106t銅藻（Sargassum horneri）以生產(chǎn)5×106L藻類生物乙醇[16]。

愛爾蘭計劃到2020年，在700hm2海區(qū)進(jìn)行海帶等褐藻的養(yǎng)殖，已獲取447萬億J的藻類能源[17]。同時，英國[18]、意大利[19]、德國[20]也在進(jìn)行藻類生物能源研究與開發(fā)的論證。

在亞洲，除日本外，菲律賓政府也將規(guī)劃100 hm2土地，并投資500萬美元，進(jìn)行海藻乙醇燃料研究。印度尼西亞與韓國達(dá)成協(xié)議，利用韓國在海藻能源方面的先進(jìn)技術(shù)與印度尼西亞海域進(jìn)行海藻生物燃料的開發(fā)[3]。另據(jù)韓國能源部門官員證實，韓國將在未來10年內(nèi)開發(fā)8.6萬英畝海藻種植區(qū)域進(jìn)行海藻乙醇研究，計劃到2020年使海藻生物乙醇替代韓國13%的石油。

總之，F(xiàn)AO（2009）通過對培養(yǎng)系統(tǒng)及設(shè)施、所含能量物質(zhì)、經(jīng)濟(jì)性以及目前藻類的能源化技術(shù)等多角度的綜合比較分析后，認(rèn)為最適合作為生物質(zhì)能資源的是藻類，藻類中最明智的選擇是大型海藻[14]。

3 大型海藻轉(zhuǎn)化成生物燃料的潛能

大型海藻主要包括紅藻、綠藻和褐藻等[21]。紅藻主要用于提取瓊膠、卡拉膠等化工原料，也可作為食品直接食用（如紫菜），規(guī)模養(yǎng)殖的產(chǎn)量較小。綠藻與紅藻類似，藻體也較小，不易形成巨大的生物量。盡管像滸苔等海洋綠藻時而因環(huán)境變異導(dǎo)致其生物量爆發(fā)性增加，但因規(guī)?；B(yǎng)殖程度較低，難以持續(xù)性地提供資源。褐藻包括海帶、裙帶菜、巨藻等，其生長的主要特點是在短時間內(nèi)可形成巨大的生物量，同時褐藻還富含褐藻膠（alginate）、甘露醇（mannitol）、褐藻淀粉（laminarin或laminaran）等碳水化合物，而甘露醇與褐藻淀粉含量可高達(dá)藻體干重的55%[5]，可以通過目前掌握的技術(shù)轉(zhuǎn)化為燃料乙醇。

自海帶（L.hyperborea）提取的褐藻淀粉和甘露醇可被畢赤酵母（Pichia angophorae）發(fā)酵成乙醇，每g底物可生產(chǎn)0.43 g乙醇，轉(zhuǎn)化效率達(dá)到40%以上[6]。甘露醇還可被棕櫚發(fā)酵細(xì)菌（Zymobacter palmae）發(fā)酵[22]，或在甘露醇脫氫酶的作用下首先被氧化成果糖，然后被釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）發(fā)酵成乙醇。海帶也可無需進(jìn)行物質(zhì)提取等預(yù)處理，其藻體直接經(jīng)過釀酒酵母發(fā)酵也可產(chǎn)生乙醇[5]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對海帶發(fā)酵生產(chǎn)乙醇開展了一些初步探索，但其乙醇得率不盡相同，轉(zhuǎn)化效率有待進(jìn)一步穩(wěn)定與提高。另外，海帶另一類碳水化合物——海藻纖維在添加纖維素酶的條件下，也可以被釀酒酵母發(fā)酵而成乙醇[23]。海帶等褐藻中的褐藻淀粉及甘露醇等物質(zhì)雖然可被釀酒酵母利用并轉(zhuǎn)化為乙醇，但其轉(zhuǎn)化效率有待提高。但是與經(jīng)濟(jì)作物等比較（表1），這些大型海藻仍然具有單位面積產(chǎn)量高、乙醇潛在產(chǎn)量大等優(yōu)點。其單位時間、單位面積的乙醇產(chǎn)量分別是甘蔗、甜菜、玉米（谷粒）及小麥（谷粒）的3.46、4.54、11.6及23.2倍。結(jié)合海帶養(yǎng)殖可利用廣袤的藍(lán)色國土等優(yōu)勢，我們認(rèn)為利用海帶等褐藻生產(chǎn)乙醇具有誘人的開發(fā)前景。

此外，海帶等褐藻可以通過厭氧發(fā)酵制取沼氣和氫氣。早在20世紀(jì)70年代中葉，糖海帶（L.saccharina）就被厭氧發(fā)酵以實驗性地制取燃料沼氣[24]。當(dāng)使用春季或秋季的糖海帶來進(jìn)行半連續(xù)發(fā)酵，每克原料分別能產(chǎn)生0.22 L或0.27 L甲烷氣（CH4）[25]。若在發(fā)酵中添加廢棄的牛奶時，甲烷氣的產(chǎn)量隨加料的比例而改變，但其產(chǎn)量與化學(xué)耗氧量（COD）的比值較穩(wěn)定地保持在0.2～0.3 m3/kg COD范圍內(nèi)[26]。其實，早在二十世紀(jì)70年代第1次能源危機(jī)的時候，美國就開始養(yǎng)殖巨藻（Macrocystis pyrifera）并利用它發(fā)酵工業(yè)化生產(chǎn)沼氣供國民使用[27]。

表1 主要農(nóng)作物與大型藻類生物乙醇產(chǎn)量的比較[5]Tab.1 A comparison between major bioethanol crops and macroalgae

海帶、石莼（Ulva lactuca）、甘 紫 菜（Porphyra tenera）及裙帶菜（U.pinnatifida）等海藻也可以進(jìn)行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)氫氣。在利用海帶發(fā)酵產(chǎn)氫所接種的活化污泥中，檢測到梭菌屬（Clostridium）（占 54%）及芽孢桿菌屬（Bacillus）（占46%）等微生物，其優(yōu)勢種為C.beijierinckii（34%）[28]。Park et al.經(jīng)過比較實驗認(rèn)為海帶是產(chǎn)氫的最好基質(zhì)[29]；在優(yōu)化的反應(yīng)條件下，50 g干藻·L-1的4 L發(fā)酵液中，50 h內(nèi)可產(chǎn)生氫氣4 164 mL。Jung et al.認(rèn)為可能因為海帶等褐藻含有褐藻淀粉及褐藻酸，使其發(fā)酵產(chǎn)氫的效率達(dá)到69.1 mL·g-1CODadded[30]。鑒于當(dāng)前生物制氫的技術(shù)與工藝水平及使用安全性等問題，我們認(rèn)為利用海帶等褐藻進(jìn)行生物制氫應(yīng)是未來大型海藻能源化的發(fā)展方向之一。

海帶等褐藻還可以通過在完全沒有氧或缺氧條件下熱裂解（pyrolysis）。從反應(yīng)進(jìn)程來看，與其他生物質(zhì)一樣也表現(xiàn)出水汽蒸發(fā)、初級揮發(fā)及剩余物降解等3個階段[31]。每kg海帶的凈產(chǎn)熱值為6.57×106J，雖然只有陸生能源作物的一半或三分之一，但其燃燒指數(shù)好于木質(zhì)生物[32]。在熱裂解過程中，海帶可產(chǎn)生37.5%（濕重）成分復(fù)雜的生物油，可用于生物發(fā)電及化工原料[33]。但海帶等褐藻的灰分及K、Na等堿金屬元素的含量高，在直接燃燒或氣化后將產(chǎn)生大量殘渣并對設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重污損[10]，另外海藻還含有大量的氯化物，具有90%的含水量等[4]，這些都使得通過熱裂解等物理方式自海帶中獲取能量的經(jīng)濟(jì)性受到較大的限制。

4 思考與展望

生物能源可以緩解國家能源供給的危機(jī)，是未來能源發(fā)展的趨勢。我國可用來養(yǎng)殖海藻的海面廣袤，且海藻養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)及技術(shù)世界領(lǐng)先，這就為生物燃料植物來源提供了堅實的保障。另外，海藻養(yǎng)殖不與陸地植物爭搶生產(chǎn)資源，具有巨大的環(huán)境效應(yīng)；可以吸收大氣及海水中的CO2，協(xié)助解決地球變暖、海水酸化等問題；未來隨著碳稅的開征，還可以出售可觀的CO2配額；可以減輕海水的富營養(yǎng)化，維持海洋生態(tài)平衡以及物質(zhì)再循環(huán)[14]，因此我們認(rèn)為利用海帶等褐藻生產(chǎn)生物燃料具有誘人的開發(fā)前景。

不過，作為生物能源，海帶等褐藻本身也存在著一些問題，例如海帶中可乙醇化能源物質(zhì)的合成與積累機(jī)制仍不清楚；沒有高甘露醇/高褐藻淀粉等可適用能源生產(chǎn)的海藻新品種；海藻整細(xì)胞生物轉(zhuǎn)化以生產(chǎn)燃料乙醇的效率難以穩(wěn)定等。為了達(dá)到我國《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》所制定的目標(biāo)，確保國家能源供給安全和社會與經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、穩(wěn)步發(fā)展，在海帶等褐藻基礎(chǔ)生物學(xué)及我國海藻成熟養(yǎng)殖技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開拓海藻的加工與利用渠道，借鑒國內(nèi)外海藻能源研究與開發(fā)的成果經(jīng)驗，從能源物質(zhì)的生物合成與調(diào)控著手，探討其分子遺傳基礎(chǔ)及能源物質(zhì)與生長季節(jié)、環(huán)境條件等關(guān)系；進(jìn)行分子育種以選育出含高能密度的海藻新品種；研發(fā)適合能源海藻的規(guī)模化離岸養(yǎng)殖技術(shù)，研制自動化采收設(shè)備，實現(xiàn)大型海藻生物質(zhì)的農(nóng)牧化生產(chǎn)；同時針對這些物質(zhì)篩選理想的微生物菌種，優(yōu)化發(fā)酵反應(yīng)并進(jìn)行能源化的技術(shù)集成，以最終建立一個大型海藻能源化的可行性模式。

綜上所述，進(jìn)行大型海藻能源化的研究與開發(fā)，不僅順應(yīng)世界藻類能源研發(fā)的潮流，也為生物質(zhì)能資源的提供拓展了渠道，將緩解國家能源供給的危機(jī)。同時可以解決生物質(zhì)能開發(fā)與人類爭糧食、與糧食爭奪土地和淡水等資源的問題，實現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)，減輕環(huán)境污染，從而促進(jìn)社會與經(jīng)濟(jì)的和諧與可持續(xù)發(fā)展。

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