寻找新能源

能源是人类生存与发展的生物基础,传统的能源有水、木材、石油、天然气和煤炭等.但是随着全球经济的发展,能源的过量消耗,石油、煤炭等目前大量使用的能源正面临枯竭的危机,同时新的能源生产供应系统又未建立,由此产生了在交通运输、金融等方面的一系列问题.

光合作用为包括人类在内的几乎所有生物的生存提供物质来源和能量来源.据估计,地球上的绿色植物每年大约制造五千亿吨有机物,远远超过了地球上每年工业产品的总产量.所以,人们把地球上的绿色植物比作庞大的“绿色工厂”.不仅如此,煤炭、石油、天然气等燃料中所含有的能量,归根到底都是古代的绿色植物通过光合作用储存起来的.因此,光合作用对于人类乃至整个生物界都具有非常重要的意义.

然而,诺贝尔化学奖得主哈特穆特·米歇尔却指出,植物光合作用仅有不到1%的太阳能会储存在生物质当中.如果我们完全依赖植物光合作用来生产能源作物,地球上的森林很快就会消失.米歇尔提出,千万不要依赖光合作用作为能源生产的唯一途径.

这揭示了未来能源发展的趋势：寻找新型能源形式将是社会实现可持续发展过程中的永恒话题.

浮游植物,即在海洋、湖泊及河川等水域中,那些自身完全没有移动能力,或者有也非常弱,因而不能逆水流而动,而是浮在水面生活的一类植物的总称.

浮游植物每年通过光合作用可制造高达360亿吨的氧气,在进行光合作用的同时产生大量的能量储存在其体内.浮游植物中的藻类,其数量又占浮游植物数量的60%以上,其生产力占全球总生产力的45%以上,占地球上自养生物年蓄积碳元素量的40%.

无论是从储存能量,还是产生氧气、清除二氧化碳的能力来看,藻类等浮游植物可算是一大型光转化与储存工厂.如果利用基因工程技术对能够进行光合作用的浮游生物包括微生物进行适当的基因工程改造,就能够使得这些生物的有机物合成效率进一步提高,并且能够选择性地为人类合成需要的有机物.

要想实现充分利用浮游生物开发新能源的目的,需要建造新型的浮游生物养殖场,建造全方位透明的饲养池以增加单位面积的光照强度和光合作用的效率.

藻类生物具有光合效率高、生长周期短、速度快、数量庞大等特点,并有其自身独特的结构特点——结构中有一多半是油脂.以这一系列特点为基础,针对其潜在的利用价值,美国制定了1978年至1996年间完成国家可再生能源实验室《水生物种计划——藻类生物柴油》计划以及2007年微型曼哈顿计划——藻类生物原油研究,并于2009年发布了《藻类生物燃料技术路线图》.

微藻制油的原理是利用微藻的光合作用,将化工生产过程中产生的二氧化碳转化为微藻自身的物质从而固定碳元素,再通过诱导反应使微藻自身的碳物质转化为油脂,然后利用物理或化学方法把微藻细胞内的油脂转化到细胞外,再进行提炼加工,从而产出生物柴油.

藻类产油日益受到人们的高度重视,但这一新型能源的开发依然存在问题,如大部分藻类的产油量不超过自身重量的10%.为寻找产油量高的藻类,目前美国的多个科技公司和实验室正在加紧进行转基因超级藻类的研发.现有公司已经测出了藻类的基因序列,拟通过添加和操纵基因造出高油产量的藻类系列,以期藻类的产油量超过自重的40%.

转基因藻类目标是“驯化藻类,把它变成一种作物”,从而生产出藻类生物原油、藻类生物汽油、藻类天然气、藻类氢气等产品,增加自然界光合利用率,缓解能源紧缺问题.在石油大幅上升、粮食短缺问题日渐突出的今天,该产业有着广阔的发展前景.

随着科学技术的进步,微生物在新能源开发应用领域有着光明的前景.

如微生物与生物柴油.微生物油脂是酵母、霉菌、细菌、藻类等微生物在一定条件下,以碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂作为碳源,在菌体内产生的大量油脂,将之规模化生产即可得到生物柴油.此方法污染少、成本低、工艺较为简便,同时充分利用了玉米秸秆等废弃物制造绿色能源.通过基因突变技术手段从而产生高产油菌株,使得生物柴油的生产回报更加丰厚.

再比如,微生物制氢.氢能源具有清洁无污染、能量密度高等特点,被认为是未来经济发展的理想绿色能源之一.生物制氢因其具有低能耗、低成本、无污染和可再生性等优势,一直是国际研究的热点.光合细菌可以使有机物分解产生氢气,且产氢的能量转化率及氢气的纯度均较高.其中,研究较多的是深红红螺菌.它能够以有机废料为原料进行光合产氢.据报道,只要在合适的底物和环境条件下,光合细菌就能进行光照放氢的代谢反应,生产出绿色清洁的能源.

还比如,微生物与燃料酒精.在微生物作用下,将糖类、谷物淀粉和纤维素等物质通过乙醇发酵生产出燃料级乙醇,从而替代石油作为新型燃料,这是微生物在能源领域的又一应用.该技术具有低污染、低成本、燃烧完全等特点,是当前许多国家应对能源危机的举措之一.

微生物与沼气运用也是值得关注的技术.沼气发酵又称为厌氧消化或厌氧发酵,是指有机物质如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等,在一定的水分、温度和厌氧条件下,通过各类微生物的分解代谢,最终形成甲烷和二氧化碳等可燃性混合气体——沼气的过程.该技术的研发与应用,不仅有助于减少目前对矿物燃料的依赖,而且在工业、农业、环境改善等诸多方面都有积极作用.

重要的是,微生物能源是利用纯天然微生物自身发酵产生的能源,其自身燃烧产生的气体对地球环境的影响将比传统能源少很多,且赖于其巨大的数量及快速的繁衍速度,人们不用担心它会迅速枯竭.这些特点预示着这一能源形式将在未来人类发展中具有广阔前景.

清洁能源是指在生产和使用过程中不产生有害物质,或可再生、消耗后可得到恢复的能源.其中,生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式,一种以生物质为载体的能量,它直接或间接地来源于植物的光合作用.

生物能具有许多优点,如提供低硫燃料,在某些条件下提供廉价能源,将有机物转化成燃料从而减少对环境的公害,且与其他非传统性能源相比较,生物能技术上的难题较少.

此外,微藻光合制氢是以太阳能为能源,以水为原料,通过微藻的光合作用及其特有的产氢酶系把水分解为氢气和氧气,其显著特点是生产过程清洁、催化效率高、能量消耗小,是典型的清洁型能源.同样,虽然目前微生物制氢反应机理研究不够透彻,但它毫无疑问是国内外又一生产清洁型能源的方法.

能源枯竭与环境污染已经成了世界头等难题,为缓解常规能源的供给不足,开发安全新型能源、保障能源的可持续供应刻不容缓.有理由相信,浮游藻类、微生物等通过光合作用产生的生物能源,在未来新型能源的发展中,将凭借自身的优势发挥重要作用.