【中國廚房設(shè)備網(wǎng)】  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(fā)第二代生物燃料。那么這些微生物酶是如何被發(fā)現(xiàn)的？以它們?yōu)榛A(chǔ)生產(chǎn)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(fā)前景如何？記者就此采訪了專家。
       A  科學(xué)家在牛的瘤胃中發(fā)現(xiàn)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(yù)處理。
       C  將預(yù)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(fā)現(xiàn)這些科學(xué)界探尋已久的微生物酶的呢？
       李福利：分解植物細胞壁內(nèi)的纖維素等多糖是生產(chǎn)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(yǎng)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(chǎn)生了90種酶，其中多數(shù)的酶對分解纖維素“表現(xiàn)出了極大的興趣”。
       科學(xué)家對這個發(fā)現(xiàn)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(zhì)纖維素，木質(zhì)纖維素由纖維素、木質(zhì)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(chǎn)成本很高，因此生物燃料的生產(chǎn)成本也高。這嚴(yán)重影響其市場競爭力。第二代生物燃料要想大規(guī)模生產(chǎn)，并進入市場與傳統(tǒng)燃料競爭，必須降低纖維酶的生產(chǎn)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(chǎn)生的酶大規(guī)模生產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)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(zhì)纖維素時無論采用何種方式來破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，在木質(zhì)纖維素生物降解過程中起主要作用的還是微生物所產(chǎn)生的木質(zhì)纖維素降解酶系。
       由于木質(zhì)纖維素天然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其生物降解過程則是一個復(fù)雜的酶學(xué)過程，需要多種酶的協(xié)同作用來完成，也就是說是多種酶組成的系統(tǒng)在發(fā)揮作用。
       遼寧日報：纖維素分解之后會產(chǎn)生哪些可被我們利用的物質(zhì)？
       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(fā)揮轉(zhuǎn)化功能，通俗地說就是微生物吃掉葡萄糖，在“體內(nèi)”經(jīng)過轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生生物能源產(chǎn)品，根據(jù)不同微生物的轉(zhuǎn)化能力及特點，可以生產(chǎn)乙醇、丁醇、生物柴油等能源產(chǎn)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(zhuǎn)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(nèi)的內(nèi)含物，這些內(nèi)含物主要是蛋白質(zhì)、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(fā)酵之前，需要預(yù)處理，預(yù)處理過程中這些內(nèi)含物會在物理、化學(xué)作用下分解，所以細胞內(nèi)含物對生產(chǎn)生物燃料貢獻不大。
      
       研發(fā)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(guān)糧食安全的社會問題，大規(guī)模生產(chǎn)可能導(dǎo)致糧價攀升；而第二代生物燃料所用原料為農(nóng)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(fā)展生物能源引發(fā)糧食安全問題。
       此外，在環(huán)境友好方面，第二代生物燃料的表現(xiàn)也比第一代出色。據(jù)美國能源部研究，更注重生態(tài)效應(yīng)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(chǎn)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(fā)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(fā)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(chǎn)第二代生物燃料的原材料植物分布范圍廣、數(shù)量大。
       遼寧日報：既然第二代生物燃料具有諸多優(yōu)勢，而且我們又發(fā)現(xiàn)了牛瘤胃中的酶，那么是否很快就可以替換傳統(tǒng)燃料從而解決能源緊缺問題了？
       李福利：并不是這樣。從技術(shù)層面看，這種酶的大規(guī)模生產(chǎn)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(yù)處理過程會產(chǎn)生大量抑制微生物生長的物質(zhì)，去除這些物質(zhì)花費成本較高。其次，纖維素酶為誘導(dǎo)酶，野生菌只有在一定的條件下才會產(chǎn)生，因此，纖維素酶發(fā)酵過程的調(diào)控具有至關(guān)重要的作用。發(fā)酵過程調(diào)控主要包括營養(yǎng)、誘導(dǎo)物、溫度、PH值等，每一個環(huán)節(jié)都要十分精確才能夠模擬出自然狀態(tài)下纖維素被降解的過程。而且，工程菌產(chǎn)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(zhì)纖維素的降解需要多種纖維素酶的協(xié)同作用，每種組分的配比對于降解效率起著關(guān)鍵作用，單一生產(chǎn)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(tǒng)燃料還有很長的路要走。
      
       能源結(jié)構(gòu)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(chǎn)技術(shù)未來逐漸成熟后，會對我們的生活產(chǎn)生哪些改觀呢？
       李福利：發(fā)展第二代生物燃料的目的之一是可以改變當(dāng)前的能源格局，減少對化石能源的依賴。雖然當(dāng)前生物能源在能源結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中的比例會越來越高。我想，隨著能源結(jié)構(gòu)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(jīng)，生物燃料生產(chǎn)最大的受限因素是土地。在國家禁止占用耕地發(fā)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(fā)展第二代生物燃料時，我們通過創(chuàng)制耐受性和適應(yīng)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(chǎn)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(nóng)業(yè)和林業(yè)剩余物作為原料生產(chǎn)生物燃料。這種利用還可以為農(nóng)業(yè)和林業(yè)部門提供額外的收入，因此對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟和鄉(xiāng)村發(fā)展具有積極意義。
       遼寧日報：面對如此好的開發(fā)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(zhì)能源利用極為重視，已連續(xù)在4個國家5年計劃中將生物質(zhì)能利用技術(shù)的研究與應(yīng)用列為重點科技攻關(guān)項目，開展了生物質(zhì)能利用技術(shù)的研究與開發(fā)，并且在戶用沼氣池、節(jié)柴炕灶、大中型沼氣工程、生物質(zhì)壓塊成型、氣化與氣化發(fā)電、生物質(zhì)液體燃料等，取得了多項優(yōu)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(guān)鍵瓶頸問題。如上面說的，纖維素酶的規(guī)模化生產(chǎn)就是關(guān)鍵瓶頸之一，高效低成本的纖維素酶尚需研發(fā)。具體到產(chǎn)品上，在目前大力發(fā)展的纖維素乙醇、沼氣等能源產(chǎn)品上都存在自身的瓶頸，共性的問題是原料的收集和供應(yīng)問題。另外，對于發(fā)展中國家來說，大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)展與小規(guī)模當(dāng)?shù)貎r值鏈之間的矛盾也是一個現(xiàn)實問題。
       國家在政策和財力上已經(jīng)給予了支持，重點支持科研單位、地方企業(yè)在科研和規(guī)模示范方面開展工作，也通過政府補貼生產(chǎn)纖維素乙醇，進入市場銷售。第二代生物燃料的發(fā)展是個長期過程，還需要國家穩(wěn)定持續(xù)的經(jīng)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(chǎn)技術(shù)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(xué)博士，博士生導(dǎo)師。作為負(fù)責(zé)人或主要參與者，承擔(dān)國家863計劃，國家自然科學(xué)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(nèi)外已發(fā)表科研論文20余篇，其中SCI論文17篇。研究領(lǐng)域，微生物的生理生化。
 

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