研究顯示，美國2011年排放的670萬噸二氧化碳中，轎車、卡車、輪船和航空器的排放量占據(jù)了28%，僅次于其發(fā)電廠的33%。為了減少碳污染，美國總統(tǒng)奧巴馬2011年就曾推出一項(xiàng)計(jì)劃，希望在2025年之前將汽車的燃油效率提高一倍。

陽光和水分制造新燃料

來自美國加利福尼亞州理工學(xué)院人工光合作用聯(lián)合中心的科學(xué)家們正在研究的一種新的“點(diǎn)金術(shù)”最近走進(jìn)了媒體的眼球：模仿植物將二氧化碳轉(zhuǎn)化為能量和氧氣的過程，只利用水分和陽光來制造汽車所需的燃料。

這一項(xiàng)目目前得到美國能源部1.2億美元的資金支持，吸引了來自加州理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室等多家研究機(jī)構(gòu)120位杰出科學(xué)家參與其中。負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的加州理工學(xué)院教授、太陽能研究學(xué)者內(nèi)特·路易斯（Nate Lewis）制定了兩個步驟。第一步，研究人員準(zhǔn)備開發(fā)一個系統(tǒng)，利用類似太陽能電池板等廉價裝置生產(chǎn)大量的氫——?dú)涑四軌驗(yàn)闈崈舻娜剂想姵靥峁﹦恿χ猓€可以供給化工廠和煉油廠使用。第二步，將氫燃料與空氣中的二氧化碳混合，生產(chǎn)能夠驅(qū)動轎車、卡車、輪船或航空器的液體燃料。

值得一提的是，大多數(shù)情況下，依靠私營資本或風(fēng)險資本的企業(yè)都需要在三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)其研究項(xiàng)目的商業(yè)化，否則研究項(xiàng)目很可能因資金鏈斷裂而被迫叫停。但美國能源部卻對人工光合作用聯(lián)合中心非?？粗?，將其作為三大能源創(chuàng)新中心之一，有了政府資金的支持，路易斯就可以有條不紊地尋求突破。路易斯表示，在第一個五年內(nèi)，人工光合作用聯(lián)合中心的目標(biāo)是建設(shè)一個人工光合作用系統(tǒng)；之后五年，利用“更快、更好、更便宜”的燃料制造技術(shù)，人工光合作用聯(lián)合中心將視乎其研究的進(jìn)展陸續(xù)注冊其系統(tǒng)許可給石油和能源企業(yè)使用。

計(jì)劃的第一部分需要利用新的方式生產(chǎn)大量的清潔氫燃料。在2020年之前，人工光合作用聯(lián)合中心就可以提供化工廠和煉油廠所需的大量氫燃料。劉易斯表示，新燃料在燃燒之后，只會釋放出其最初使用的二氧化碳，“因此完全是零碳的?！?/p>

微生物或可推動未來生物燃料突破

美國一直以來都是燃料乙醇的消費(fèi)大國。車用乙醇汽油在不進(jìn)行發(fā)動機(jī)改造的前提下，動力性能基本不變，尾氣排放的CO和HC化合物平均減少30%以上，能夠有效降低和減少有害尾氣排放。

長期以來，科學(xué)家利用玉米淀粉制造乙醇，然而由于這些原料是人類主要的食物來源，因此增加這些作物的需求會推動其價格的上漲。相比之下，如果可以轉(zhuǎn)化纖維素，那么人們只需要利用玉米外皮、甘蔗渣、廢木頭以及落葉等廢物就可以制造生物燃料。然而，目前纖維素分解非常復(fù)雜，且成本較高，如何提高這一過程的經(jīng)濟(jì)性也一直困擾著許多科學(xué)家。

不過，一直專注于開發(fā)具有經(jīng)濟(jì)效益生物燃料的美國杜蘭大學(xué)分子生物學(xué)教授大衛(wèi)·穆林（David.Mullin），最近又就微生物分解植物纖維素的能力及將其轉(zhuǎn)化為生物燃料的可能性開展研究。

“研究重點(diǎn)是把纖維素轉(zhuǎn)化成丁醇。因?yàn)槎〈加伤膫€碳原子組成，其化學(xué)鍵的能量較乙醇更高。與乙醇不同的是，丁醇可提供足夠的能量單獨(dú)驅(qū)動汽車，而無需與石油混合使用?！蹦铝终f道，由于丁醇在運(yùn)輸過程中也不會像乙醇那樣消耗水份，因此丁醇完全可以使用輸油管道和油桶等其他化石能源的基礎(chǔ)設(shè)施。

事實(shí)上，有許多種途徑可以實(shí)現(xiàn)纖維素的轉(zhuǎn)化，如一些動物的消化系統(tǒng)就可以利用纖維素酶來分解纖維素。然而，雖然這些酶目前已經(jīng)可從市場買到，但價格極高，因此穆林決定自行尋找一種合適的微生物。在他看來，微生物應(yīng)滿足以下三個條件：直接將纖維素轉(zhuǎn)化為丁醇、在空氣中完成催化反應(yīng)并且能夠在一般溫度條件下大量生產(chǎn)。

穆林通過收集分析反芻動物的糞便，成功從一種非洲斑馬的排泄物中提取到了TU-103細(xì)菌，該細(xì)菌可以在廢棉花、甘蔗渣和報(bào)紙屑中生長。“只要將這些東西切碎，在碾碎器中用水充分均勻攪拌，微生物就可以很好地的存活下來”穆林介紹道：“雖然該細(xì)菌并不完美，例如，它在產(chǎn)生丁醇的同時還會產(chǎn)生一些較難分離的物質(zhì)，丁醇濃度過高將導(dǎo)致該細(xì)菌死亡等?！?/p>

微生物“相互合作”提高生物燃料產(chǎn)量

無獨(dú)有偶，美國密歇根大學(xué)的研究人員日前宣布，他們發(fā)明出一種生產(chǎn)高品質(zhì)生物燃料的方法，通過將大腸桿菌和里氏木霉配對，從而把玉米秸稈、葉子等農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為生物燃料。這是目前為止植物轉(zhuǎn)化生物燃料達(dá)到的最高水平，每升液體中可含生物燃料異丁醇1.88克。

研究人員之所以選擇了異丁醇而非常見的乙醇作為生物燃料，是因?yàn)樵谕热紵那闆r下，異丁醇釋放的熱量是82%，而乙醇為67%。此外，異丁醇還不容易腐蝕管道和損壞發(fā)動機(jī)。

密歇根大學(xué)化學(xué)工程系助理教授林曉霞（Xiaoxia Nina Lin）說：“之前，人們曾嘗試過很多方法，包括改造某種微生物物種的基因或者盡力通過生物降解、發(fā)酵等方法生產(chǎn)燃料分子。事實(shí)證明，這些嘗試都十分困難，因?yàn)樗鼈儗儆诓煌奈镔|(zhì)，所以出現(xiàn)在不同的有機(jī)體里面是很自然的事，但出現(xiàn)在同一個有機(jī)體中則相當(dāng)困難?！?/p>

而在這次的研究里，研究人員利用里氏木霉將原材料轉(zhuǎn)化為糖，再依靠大腸桿菌將其轉(zhuǎn)換成所需的燃料。由于合成物質(zhì)的脆弱性和不穩(wěn)定特點(diǎn)，使這兩種微生物合作并不是一件容易的事。“成功的關(guān)鍵是找到互相依賴的微生物，或者在一定條件下讓里氏木霉與大腸桿菌合作，進(jìn)而生產(chǎn)出糖類?！绷謺韵嫉馈拔覀円蕾嚧竽c桿菌來生產(chǎn)燃料，但是在系統(tǒng)里面，它的表現(xiàn)就像一個‘騙子’，帶走了里氏木霉所生產(chǎn)的東西?！倍锸夏久谷匀粡倪@個過程中受益，因?yàn)樽鳛槔w維素轉(zhuǎn)化為糖的一部分，它濃縮了圍繞自身周圍的食物。此外，研究人員目前正致力于提高燃料的效率。該系統(tǒng)的另一個優(yōu)點(diǎn)是能夠擴(kuò)大可利用廢棄物的范圍，如森林中的碎木、野草等。

“理論上，使用乙醇，人們可以獲得超過90%的熱量。與其相比，異丁醇仍然較為低級。但這個過程仍然值得嘗試，我們正努力去做。目前來說，這是一個處于實(shí)驗(yàn)室水平的初步論證，但我們更想把這個技術(shù)應(yīng)用到更廣泛的現(xiàn)實(shí)世界，所以還有很多事情值得去做?！绷謺韵颊f道。