致遠(yuǎn)

2012年，美國中西部遭遇的創(chuàng)紀(jì)錄高溫以及多年來最為嚴(yán)重的旱災(zāi)，嚴(yán)重影響到了糧食產(chǎn)量，國際糧食政策研究所（IFPR I）警告，糧食價格暴漲，短期可能即將引爆一場全球糧食危機(jī)。而與之相隨的，是將生物燃料再次推上風(fēng)口浪尖。

世界最大玉米生產(chǎn)國美國大約40%的玉米產(chǎn)量被用來制造乙醇，去年的美國大旱重啟了食品與生物燃料之間的斗爭，本已飽受詬病的生物能源再次引發(fā)關(guān)注。那么，除了要遭遇與人爭糧、與糧爭地的爭議，生物燃料未來的出路在哪里呢？隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，最不起眼的微生物或許將解決這些難題。

生物燃料第三代

奧地利SAT公司巴西分公司宣布，全球首座以海藻為原料工業(yè)化生產(chǎn)生物燃料的工廠將于今年在巴西建成。這家企業(yè)將以藻類為原料生產(chǎn)生物燃料，利用生產(chǎn)乙醇過程釋放的二氧化碳加速藻類光合作用，整套設(shè)備耗資980萬美元，每年預(yù)計(jì)生產(chǎn)120萬升，目前這一項(xiàng)目有待巴西國家石油管理局批準(zhǔn)。

藻類是一種浮游植物，幾乎在全球各種水體中都能見到它們的身影。藻類是一個大通稱，旗下種類豐富，類群繁多。按大小通常分為大藻和微藻，用于制備生物燃料的主要是微藻，其單細(xì)胞或絲狀體的直徑小于1毫米。在生態(tài)系統(tǒng)中，微藻作為能量轉(zhuǎn)化和碳元素循環(huán)中的關(guān)鍵一環(huán)，其作用舉足輕重。

微藻是一種初級生產(chǎn)者，像幾乎所有植物一樣，通過光合作用，生成產(chǎn)物，并將其轉(zhuǎn)化成小油滴在細(xì)胞內(nèi)儲存起來。這一儲存效率還是相當(dāng)高的，其中的一些微藻在某些特定條件下，積累油脂的能力令人刮目相看，甚至含油量能夠達(dá)到70%以上。而這部分油脂就是我們發(fā)展生物燃料的一個來源——科學(xué)家通過萃取、熱裂解等理化方法獲取微藻中的油脂成分，再通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)酯化將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹舅峒柞?，這就是我們通常說的生物柴油了。因此，不論是理論還是實(shí)際操作，微藻確實(shí)是生產(chǎn)生物能源的一大原料。

早在1978年，美國能源部國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）便極有遠(yuǎn)見地啟動了利用微藻生產(chǎn)生物柴油的水生生物種計(jì)劃。后來，多國注意到了這一資源的巨大經(jīng)濟(jì)意義和戰(zhàn)略重要性，紛紛加入其中。到了新世紀(jì)，隨著石油價格的一路大幅上揚(yáng)，世界各國都在摩拳擦掌，期待利用小小的微藻來取代化石燃料，如日本在2009年就再次啟動了利用微藻生產(chǎn)生物能源的計(jì)劃。目前各國的總投入達(dá)到數(shù)百億美元。

利用微藻生產(chǎn)生物能源的優(yōu)勢顯而易見，微藻生物量大，對生長的環(huán)境要求較低，像是大多數(shù)植物都無法生長的灘涂、鹽堿地、荒漠等極端惡劣的環(huán)境都可以進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)，而所需的水源也可以使用海水、鹽堿水和荒漠地區(qū)地下水等非耕地用水，這對于當(dāng)前生物能源備受指責(zé)的主要問題——與農(nóng)作物爭地、爭水來說，是一個很好的解決方案。

而且，微藻培養(yǎng)還可利用工業(yè)廢氣中的二氧化碳和氮氧化合物，有效緩解溫室氣體的排放，減少環(huán)境污染。因此微藻生產(chǎn)生物能源具有高效、清潔、環(huán)保等優(yōu)勢，符合新能源的特點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢。

合成生物學(xué)大有作為

近年來，合成生物學(xué)在新能源領(lǐng)域同樣是風(fēng)生水起。《自然通訊》雜志報道，美國能源部下屬的聯(lián)合生物能源研究所（JBEI）的代謝工程項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，使用合成生物學(xué)方法改造了大腸桿菌和一個釀酒酵母的菌株，使之可以生產(chǎn)沒藥烷的前體物沒藥烯。這一物質(zhì)有潛力替代D2柴油，成為一種“綠色”的生物燃料。

項(xiàng)目相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，沒藥烷作為燃料使用有很多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槠洳粌H具有與D2生物柴油幾乎相同的屬性，而且由于其特別的分支和循環(huán)化學(xué)結(jié)構(gòu)得以具有更低的凍結(jié)點(diǎn)和濁點(diǎn)。以往，這一原料主要來源于植物，而且液態(tài)生物燃料也一直被認(rèn)為有潛力替代汽油、柴油和航空煤油，但如今，對細(xì)菌進(jìn)行修改使之大規(guī)模制造高級生物燃料成為更方便且性價比最高的方法。

與此同時，大名鼎鼎的克萊格·文特爾合成基因組公司與美國著名埃克森美孚公司簽訂了高達(dá)6億美元的合作協(xié)議，用于大面積商業(yè)化生產(chǎn)海藻燃料。文特爾計(jì)劃在海藻中加入使微生物產(chǎn)油最優(yōu)化的基因，來生產(chǎn)物美價廉的可循環(huán)利用的燃料。

不過，傳統(tǒng)的生物燃料生產(chǎn)方式都有一個關(guān)鍵的限速步驟，那就是光合作用。無論是一代還是二代生物能源技術(shù)，大多數(shù)生物燃料能量都是源自植物通過光合作用所轉(zhuǎn)化的太陽能。像是初期玉米和甘蔗中的糖類物質(zhì)，以及后來的秸稈中的纖維素，說到底，都是由植物本身進(jìn)行光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而來的。光合作用對于植物本身來說必不可少，但遺憾的是，光合作用相對來說較為低效，這就導(dǎo)致了原料生產(chǎn)周期較長；想要獲取儲存在植物中能量物質(zhì)來生成生物燃料，需要大量的加工步驟。

目前，美國加州勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家研發(fā)出一種高效的生產(chǎn)液體燃料的方法——電燃料。顧名思義，就是細(xì)菌等微生物直接利用電能而獲取能量生長，產(chǎn)生物燃料。

他們采用一種叫做Ralstonia eutropha的細(xì)菌，通過對細(xì)菌進(jìn)行基因工程改造，讓其改變了自然狀態(tài)下的產(chǎn)能方式——自然界中的細(xì)菌以氫為能量來源，通過轉(zhuǎn)化二氧化碳合成有機(jī)物?？茖W(xué)家從工程大腸桿菌等其他細(xì)菌中引入生產(chǎn)中鏈甲基酮的代謝途徑，最終的代謝終產(chǎn)物十六烷就非常接近于傳統(tǒng)柴油了。不過這一研究目前尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，離應(yīng)用還有一定距離。

改變爭糧窘境

生物燃料一直面臨著與人爭糧的爭議，似乎從誕生之日起就天然存在這樣一個致命的問題。最初是因?yàn)榧Z食作物用于生產(chǎn)生物燃料，也就是第一代生物燃料，如玉米和大豆等原料都是傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品，與人爭糧，與糧爭地，耗費(fèi)了大面積土地并推動了食品價格，導(dǎo)致了人們對生物燃料的批評。

隨著第二代生物燃料的崛起，主要原料來源于非糧食作物，比如麥稈、草和木材等，這種燃料相對于第一代更高效更持續(xù)，對土地、肥料與水的需求都較小。但是這些優(yōu)點(diǎn)也悄悄掩蓋了其潛在的危害。

當(dāng)人們越發(fā)對生物能源重視，它也就越可能對土地資源和水資源產(chǎn)生更大的壓力，世界糧農(nóng)組織對能源作物與糧食作物的爭地風(fēng)險深感憂慮。而且，第二代生物能源退出田地后，可能在“環(huán)保”的光環(huán)下對脆弱的生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性產(chǎn)生巨大的影響——因?yàn)榇罅糠N植速生樹種對物種多樣的天然生態(tài)森林造成破壞。

近日世界自然基金會發(fā)布了題為《生物能源的潛在風(fēng)險和潛在效益并存》的報告，稱如無適當(dāng)?shù)男袆?、目?biāo)和政策，發(fā)展生物能源就會演變出在“環(huán)?！泵x下繼續(xù)破壞地球生態(tài)的惡果。這也難怪在英國推出“地溝油航班”時，有多名環(huán)保人士到機(jī)場舉行抗議。而且，種植玉米生產(chǎn)乙醇等生物燃料產(chǎn)生的溫室氣體，相對于化石燃料也不見得有顯著降低。另外，在作物的種植、能源的提煉和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)都需要消耗能源。

2012年的美國大旱重啟了食品與生物燃料之間的斗爭——今年美國玉米產(chǎn)量與僅僅一個月前的預(yù)測相比下降了17%，與去年的產(chǎn)量水平相比下降了13%，每公頃產(chǎn)量可能是17年以來新低。玉米價格已經(jīng)達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的水平。而且玉米也是動物飼料的主要組成部分，因此，肉類、牛奶和雞蛋價格也有望攀升。

如今美國玉米產(chǎn)量的至少四分之一被制成了乙醇，作為燃料使用。這已成為政府的強(qiáng)制要求并有所增強(qiáng)。但糧農(nóng)組織負(fù)責(zé)人何塞·格拉齊亞諾·達(dá)·席爾瓦在《金融時報》上撰文呼吁“立即暫時中止”這一政府強(qiáng)制要求。席爾瓦表示，這樣更多的美國玉米產(chǎn)量就能用于食品或飼養(yǎng)牲畜。美國畜牧行業(yè)也督促國會暫停要求在汽油中添加乙醇的法律。

可以說，生物燃料一直處于爭論的漩渦當(dāng)中，不過，隨著新技術(shù)的研發(fā)，生物燃料面臨的窘境或許將得以解決，甚至真正迎來商業(yè)化的春天。