牛胃：能源危机新救星

【中国厨房设备网】  日前，美国研究人员从牛的瘤胃中找到大量此前未知的微生物酶，这些酶可用于开发第二代生物燃料。那么这些微生物酶是如何被发现的？以它们为基础生产出的第二代生物燃料比前一代又有哪些进步？我国目前第二代生物燃料的开发前景如何？记者就此采访了专家。
       A  科学家在牛的瘤胃中发现可分解能源植物纤维素的微生物酶。
       B  能源植物在被微生物酶分解前需进行预处理。
       C  将预处理后的能源植物与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刍过程中
       辽宁日报：李教授您好！在全球能源危机不断加深的今天，这则消息无疑使人欣喜。那么，美国研究人员是怎么样发现这些科学界探寻已久的微生物酶的呢？
       李福利：分解植物细胞壁内的纤维素等多糖是生产第二代生物燃料的重要步骤，实际上这也是千百年来大自然中牛在反刍过程中所做的事情。因此美国科研人员研究了牛的消化机制后，先将柳枝稷(第二代生物燃料的一种原料植物)放在牛的瘤胃中培养72小时，然后将柳枝稷取出并对附着在上面的所有微生物进行基因组分析。随后，他们将筛选出的基因植入细菌中，细菌按照基因的“指示”产生了90种酶，其中多数的酶对分解纤维素“表现出了极大的兴趣”。
       科学家对这个发现很兴奋是因为目前第二代生物燃料原材料的主要成分是木质纤维素，木质纤维素由纤维素、木质素和半纤维素组成，其中纤维素是最主要的有效成分。分解纤维素要用到纤维素酶，但纤维素酶的生产成本很高，因此生物燃料的生产成本也高。这严重影响其市场竞争力。第二代生物燃料要想大规模生产，并进入市场与传统燃料竞争，必须降低纤维酶的生产成本。
       而这项研究表明，牛的瘤胃中的微生物是分解纤维素等多糖的酶的重要来源，这意味着未来人们有希望能够利用这种微生物产生的酶大规模生产第二代生物燃料。
       辽宁日报：大自然总是启迪人类科技进步最好的老师。您能告诉我们在自然界中，微生物产生的酶是如何分解纤维素的吗？
       李福利：好的。微生物降解纤维素要从植物的木质纤维素结构着手。微生物“进攻”木制纤维素主要有从外向里、从里向外两种方式。
       微生物降解木质纤维素时无论采用何种方式来破坏木质纤维素结构，在木质纤维素生物降解过程中起主要作用的还是微生物所产生的木质纤维素降解酶系。
       由于木质纤维素天然结构复杂，其生物降解过程则是一个复杂的酶学过程，需要多种酶的协同作用来完成，也就是说是多种酶组成的系统在发挥作用。
       辽宁日报：纤维素分解之后会产生哪些可被我们利用的物质？
       李福利：纤维素完全分解后的主要成分是葡萄糖，葡萄糖是一种小分子的单糖，几乎可以很容易地被所有微生物利用。由葡萄糖到能源的过程，需要微生物发挥转化功能，通俗地说就是微生物吃掉葡萄糖，在“体内”经过转化，产生生物能源产品，根据不同微生物的转化能力及特点，可以生产乙醇、丁醇、生物柴油等能源产品。
       辽宁日报：除细胞壁外，组成植物细胞的还有其他重要成分，它们是否可以与细胞壁一样被转化为燃料呢？
       李福利：植物细胞除细胞壁外，其他成分主要是细胞内的内含物，这些内含物主要是蛋白质、脂类和少量糖，第二代生物燃料的原材料进行酶解和微生物发酵之前，需要预处理，预处理过程中这些内含物会在物理、化学作用下分解，所以细胞内含物对生产生物燃料贡献不大。
      
       研发二代生物燃料还要迈过两道坎儿
       辽宁日报：通过您的讲解我们知道了第二代生物燃料所用原料的主要成分为纤维素，也就是说第二生物燃料对原材料的选择范围更广阔，也更廉价？
       李福利：是的。第一代生物燃料存在与人争粮、与粮争地等有关粮食安全的社会问题，大规模生产可能导致粮价攀升；而第二代生物燃料所用原料为农林废弃物，即使使用人工种植的能源植物，也必须在非耕土地上种植，如盐碱地、荒漠、滩涂等，避免因发展生物能源引发粮食安全问题。
       此外，在环境友好方面，第二代生物燃料的表现也比第一代出色。据美国能源部研究，更注重生态效应的第二代生物燃料有望减少最高达96%的温室气体排放；而第一代以玉米为原料的燃料乙醇，平均仅可以减少约20%的温室气体排放。
       辽宁日报：我国可用于生产第二代生物燃料的能源植物多吗？
       李福利：因地制宜是开展生物燃料研发的重要原则，我们一直在积极探索适合自己国情的能源植物品种。目前研发的植物主要包括中国芒、象草、蒿柳、高枝柳、芦竹以及柳枝稷等。这些植物在中国都有适合的生长地域。所以，适合我国生产第二代生物燃料的原材料植物分布范围广、数量大。
       辽宁日报：既然第二代生物燃料具有诸多优势，而且我们又发现了牛瘤胃中的酶，那么是否很快就可以替换传统燃料从而解决能源紧缺问题了？
       李福利：并不是这样。从技术层面看，这种酶的大规模生产虽有光明的前途，但是同样存在着一些目前还没有克服的问题。
       首先，纤维素预处理过程会产生大量抑制微生物生长的物质，去除这些物质花费成本较高。其次，纤维素酶为诱导酶，野生菌只有在一定的条件下才会产生，因此，纤维素酶发酵过程的调控具有至关重要的作用。发酵过程调控主要包括营养、诱导物、温度、PH值等，每一个环节都要十分精确才能够模拟出自然状态下纤维素被降解的过程。而且，工程菌产出的纤维素酶虽然量大，但是往往活性不高。还有，自然界中木质纤维素的降解需要多种纤维素酶的协同作用，每种组分的配比对于降解效率起着关键作用，单一生产某种纤维素酶意义不大。
       所以，以第二代生物燃料完全替代传统燃料还有很长的路要走。
      
       能源结构多元化后价格会令百姓更满意
       辽宁日报：第二代生物燃料生产技术未来逐渐成熟后，会对我们的生活产生哪些改观呢？
       李福利：发展第二代生物燃料的目的之一是可以改变当前的能源格局，减少对化石能源的依赖。虽然当前生物能源在能源结构中的比例不足以改变目前的能源格局，但是未来生物能源在整个能源结构中的比例会越来越高。我想，随着能源结构的多元化，未来生活中大家得到的最大实惠之一就是燃料价格会令百姓更满意。此外，由能源价格上涨引起的物价浮动也会减小。
       曾经，生物燃料生产最大的受限因素是土地。在国家禁止占用耕地发展生物能源的政策下，生物能源的原料来源势必要依靠非耕土地。而发展第二代生物燃料时，我们通过创制耐受性和适应性强的能源植物品种，在盐碱地、荒漠等种植、收获能源植物。这就减少了能源生产与土地的矛盾，使土地可以被更加有效的利用。
       另外，可以利用农业和林业剩余物作为原料生产生物燃料。这种利用还可以为农业和林业部门提供额外的收入，因此对当地经济和乡村发展具有积极意义。
       辽宁日报：面对如此好的开发前景，我们很希望知道我国第二代生物燃料研究进展情况如何？
       李福利：我国对生物质能源利用极为重视，已连续在4个国家5年计划中将生物质能利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目，开展了生物质能利用技术的研究与开发，并且在户用沼气池、节柴炕灶、大中型沼气工程、生物质压块成型、气化与气化发电、生物质液体燃料等，取得了多项优秀成果。
       然而生物燃料目前成本较高，市场竞争力弱，存在需要解决的关键瓶颈问题。如上面说的，纤维素酶的规模化生产就是关键瓶颈之一，高效低成本的纤维素酶尚需研发。具体到产品上，在目前大力发展的纤维素乙醇、沼气等能源产品上都存在自身的瓶颈，共性的问题是原料的收集和供应问题。另外，对于发展中国家来说，大规模生产发展与小规模当地价值链之间的矛盾也是一个现实问题。
       国家在政策和财力上已经给予了支持，重点支持科研单位、地方企业在科研和规模示范方面开展工作，也通过政府补贴生产纤维素乙醇，进入市场销售。第二代生物燃料的发展是个长期过程，还需要国家稳定持续的经济和政策支持。
       辽宁日报：感谢李教授的讲解。让我们期望第二代生物燃料生产技术更快的成熟起来，使其早日走近寻常百姓的生活。
       李福利：谢谢大家。
      
       专家档案
       李福利中科院青岛生物能源与过程研究所研究员，理学博士，博士生导师。作为负责人或主要参与者，承担国家863计划，国家自然科学基金重大项目及面上项目，省部级10余项科研项目。近5年来在国内外已发表科研论文20余篇，其中SCI论文17篇。研究领域，微生物的生理生化。
 

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