文/北京大學(xué) 林忠平
利用高新生物技術(shù)促進(jìn)生物能源開發(fā)
文/北京大學(xué) 林忠平
考察一種耐旱的沙漠植物
人類與自然的和諧發(fā)展離不開綠色植物。綠色植物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為人類所需的食物和各種原材料,包括能源材料。
由于人類社會的發(fā)展,對于能源資源的需求日益迫切,古代植物積累的能源趨于枯竭。同時,人類大量侵占和破壞原有的綠色空間,導(dǎo)致生物資源短缺。為了獲得可再生能源,人們還期望種植高產(chǎn)糖分、淀粉、脂肪酸的能源植物。在耕地十分有限的情況下,只好開發(fā)貧瘠的土地,使植物在惡劣的環(huán)境下生長,并制造便于轉(zhuǎn)化成能源的產(chǎn)品。這就需要提高能源植物的抗逆性。
在農(nóng)業(yè)史上,人類培育農(nóng)作物往往因地制宜,而忽視了植物抗逆性的增強(qiáng),許多高產(chǎn)作物往往抗逆性較差。誠然,要增強(qiáng)植物的抗低溫、抗干旱、抗鹽堿等能力,還要關(guān)注某些特殊基因功能的發(fā)揮。如今,植物抗逆性基因研究已經(jīng)引起廣泛重視。本人在研究中發(fā)現(xiàn),從野生物種中獲得的基因,包括WRKY家族的基因,對于提高植物對不良環(huán)境的適應(yīng)性有很大作用。
從轉(zhuǎn)化光能和積累生物量總體來說,人們愿意選擇光能轉(zhuǎn)化效率高的植物。
例如,巴西廣泛種植甘蔗。人們把蔗糖轉(zhuǎn)化成酒精,在替代石油方面發(fā)揮了很大作用。美國對swich grass等高光效的能源植物有很多研究。在我國,大家十分關(guān)注甜高粱和芒草一類的植物。這些都屬于光能轉(zhuǎn)化率高的碳四植物。雖然人們對于提高植物能量轉(zhuǎn)化率方面做了有益嘗試,但是對目前植物中的主要成分纖維素如何進(jìn)行降解和利用依然存在問題。
我們看到吃野草的耕牛在田間辛苦勞作,啃食木頭的白蟻卻能旺盛繁殖,這些生物轉(zhuǎn)化纖維素的過程很值得我們探討。人類應(yīng)該深入研究反芻動物牛胃里和白蟻腸道中的微生物作用,研究其中纖維素酶的活力,探討它們在常溫、常壓下高效工作的原理,從中或許能得到有益啟示。
沼氣池里的微生物能夠?qū)⒗w維素轉(zhuǎn)化成可燃的氣體,可能到了寒冬它們的活力就大大降低。因而,培育耐低溫的高效菌株,就十分必要。
人類用大量的能源來制造各種化學(xué)產(chǎn)物,如塑料。人類健康所需的各種藥物多由植物制造。目前利用生物能源的一個比較方便的途徑是生物柴油的生成。蓖麻、麻風(fēng)樹、油茶都是很好的生成生物柴油的植物。然而目前對這類植物的選育還存在不足,不同品系的植株產(chǎn)量和積累脂肪酸的效率差別很大。能源植物的思路應(yīng)當(dāng)拓寬,能否通過植物吸收光能直接轉(zhuǎn)化出各類產(chǎn)物呢?
有一種珍稀物種叫四合木,有高含量的脂肪酸,這是自然的恩賜。我們要保護(hù)這個物種,研究其合成脂肪酸的機(jī)制,研究其基因功能,利用別的植物生物反應(yīng)器來制造脂肪酸。
橡膠樹能夠流出橡膠,橡膠草也會生成類似的成分。目前已經(jīng)開始研究生物塑料的合成過程。使高等植物或藻類通過phbB基因先合成聚-3-羥基鏈烷酸酯(polyhydroxyalkanoate, PHA),而最終合成生物可降解的塑料。這是一項對環(huán)境保護(hù)非常有益的技術(shù)。
藻類是單細(xì)胞的綠色植物。它的優(yōu)點是光能轉(zhuǎn)化效率高,繁殖快,不占用耕地,而且脂肪酸含量高,有的接近50%,人稱“未來的綠色石油”。誠然,藻體的收集方式等還有許多需要探索的地方。
人類的需求是多樣的,如果我們借助綠色植物獲得能量,借助這種綠色的生物反應(yīng)器來制造各種復(fù)雜的產(chǎn)品,應(yīng)是很好的辦法。有人稱這種基因操控技術(shù)為分子耕作(molecular farming)。
目前我們對生物能源的利用還處在低水平階段。其實,生物能源的利用除了政策因素之外,還受技術(shù)發(fā)展水平的制約。從這個意義上說,亟待發(fā)展高新生物技術(shù),而基因工程在生物能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用前景是十分廣闊的。
責(zé)編/龐貝
book=55,ebook=18