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1、5 能源生物技术与材料生物技术微生物与石油开采未来石油的替代物乙醇植物“石油”甲烷与燃料源未来新能源 生物材料能源是人类赖于生存的物质基础之一 ，是地球演化及生物进化的动力，它与社 会经济的发展和人类的进步及生存息息相 关。如何合理地利用现有的能源资源，始 终贯穿于社会文明发展的整个过程。能源的人均占有量及使用量，是衡量 一个国家现代化的重要标记之一，但同时 也是给予一个民族对这美好的绿色大自然 留下难以恢复的“创伤”的最好评价。 能源分不可再生能源和可再生能源 不可再生能源: 煤、天然气和石油（包括 核能）； 可再生能源:太阳能、风能、地热能、生 物质能、海洋能和水电能。 煤、天然气和石油的
2、可使用年限分别为 100-120年、30-50年和18-30年。 整个人类发展和工农业生产，几乎都是 依赖于有限的化石能源 寻找、改善及提高可再生能源的利用率 和发明创造新技术，以最大限度地开采 不可再生能源 设法利用新技术创造更多的能源并代替 不可再生的化石燃料5.1 微生物与石油开采一、微生物勘探石油 1937年发现地表底土中存在能利用气态烃为碳源的 微生物，这些菌在土壤中的含量与底土中的烃浓度 存在对应关系。这些菌可作为地下油气田的指示菌 。 1957年，用微生物勘探确认的16个油矿中，有10个 油气田，3个无开采价值油气田。二、微生物二次采油 微生物采油的基本要点是： 利用微生物能在油
3、层中发酵并产生大量的酸性 物质以及H2、CO2、及CH4 气体的生理特点， 微生物产生可增加地层压力，提高采油率， 如产酸性物质可溶于原油中，降低原油的粘度 。此外，还可产生表面活性剂，降低油水中的 表面张力，把高分子碳氢化合物分解成短链化 合物，使之更加容易流动，避免堵住油井输油 管道。三、微生物三次采油 利用分子生物学技术，来构建能产生大量CO2 和甲烷等气体的基因工程菌株或选育产气量高 的活性菌株 这些工程菌能在油层中不仅产生气体增加井压 ，而且还能分泌高聚物、糖酯等表面活性剂， 降低油层表面张力，使原油从岩石中、沙土中 松开，粘度降低，从而提高采油率。5.2 未来石油的替代物乙醇一、生
4、产乙醇燃料的意义及生化机理 乙醇作为燃料的益处 产能效率高； 在燃烧期间不生成有毒的CO； 可通过微生物大量发酵生产，成本相对 较低生化机理 乙醇发酵的原材料可用蔗糖和淀粉 发酵微生物主要是酵母菌。 酵母菌含有丰富的蔗糖水解酶和酒化酶。 蔗糖水解酶是胞外酶，能将蔗糖水解为单糖（葡 萄糖、果糖）。 酒化酶是参与乙醇发酵的多种酶的总称，酒化酶 是胞内酶，单糖必须通过细胞膜进入细胞内，在 酒化酶的作用下进行厌氧发酵反应并转化成乙醇 及CO2，然后通过细胞膜将这些产物排出体外。二、乙醇代替石油的典例 第二次世界大战期间，欧洲曾用混有少量的乙醇作为摩托车 的燃油。 亨特福特设计了可用乙醇、汽油或两者混合
5、的燃料的汽车。 从1940年起，微生物生产乙醇的规模及产量也随着石油生产 乙醇的产量大幅度递增而减少 发酵法生产的乙醇仅仅供应于加工市场所需的饮料产品。 近20年来，全球石油的采油量急剧下降，发达国家采用化学 法生产乙醇。 发展中国家采用传统的发酵工艺为工业需求提供乙醇。太阳能转化为化学能的生物材料中最理想的 是甘蔗。 巴西是盛产甘蔗，利用发酵工艺生产乙醇替代部分 石油 乌拉圭种植甜高梁用于发酵生产酒精，其产量可替 代大约45%的石油 非洲的马拉维杜瓜酒厂早在1982年就投产生产乙醇 并用于燃料 发达国家也种植一些适合其本国气候的燃料农作物三、乙醇代替石油所用的原料和所面临的困难 乙醇生产要规
6、模化生产，需投入可观资 金，成本较高，价格明显高于石油。 如何解决乙醇发酵所需的原材料与人类 生存粮食供需矛盾是评价发展生产乙醇 代替石油的最基本依据之一。表1 生产乙醇燃料的原材料淀粉类 纤维素类 糖类 其他禾谷类 木材 蔗糖 菜花转化糖甜高梁 玉米 木屑 糖蜜 高梁 废纸 糖甜菜 葡萄干 小麦 森林残留物 饲料甜菜 香蕉 大麦 农业残留物 糖蔗 压榨产品 固体废料 乳肉乳浆 面粉饲料 产品废料 葡萄糖 碎玉米饲料 硫化废物四、纤维素发酵生产乙醇 国内外许多生产乙醇的高活性菌株均不能直接 利用纤维素作为发酵过程中所需的糖类物质。 酸碱法不适合于水解纤维素供给微生物发酵生 产乙醇燃料。酶法也存
7、在酶耗量大，生产周期 过长，生产效率低等缺陷，而直接利用能降解 纤维素的真菌进行发酵，所需设备简单、成本 低，但乙醇产量不高。 混合发酵法可避免用酸碱法和酶法处理纤 维素转化为糖是所引发的部分问题。 例如：热纤梭菌能分解纤维素，但乙醇产 量低 （50%），而热硫化氢梭菌不能利用 纤维素，但所产出的乙醇量相当高。因此 ，如把两种微生物进行混合直接发酵，其 产率可达75%以上。基因工程技术： 把能水解纤维素的一个葡聚糖内切酶基 因和一个-葡萄糖苷酶基因，可克隆在 能产生乙醇的菌株中，并研究该菌株利 用纤维素做原料的情况。 把能产生乙醇的基因克隆到能降解纤维 素，但不能生产乙醇的细胞中。 例如：把运
8、动发酵单细胞菌的丙酮酸脱 羧酶基因和乙醇脱氢酶基因转移到不能 生产乙醇的克雷伯氏氧化杆菌中就能直 接发酵纤维素产生乙醇。5.3 植物“石油”一、能产“石油”的灌木树 为橡胶树的近缘种，含丰富的汁液，有较高比例的碳氢化合 物，其液汁加工后，可与汽油混合物作为动力机的燃料。 美国选育的牛奶树和三角大戟，均为灌木树，乳汁丰富。 野生产油灌木树具遗传变异的特性，通过常规遗传育种技术 有可能培育出抗寒、高产及抗病虫害的“石油”树。 石油树抗逆性极强，抗恶劣气候，可种植在沙漠或旱地。二、油料植物 从许多植物中均能提取出植物油。 例如：向日葵、棕榈、椰子、花生、油 菜子和巴巴苏坚果等。 在欧洲用改良的油菜种
9、子油，作为一种 内燃机燃料的替代物。 油楠（豆科）：产在我国海南尖峰岭，树干砍伤或钻洞后， 从伤口流出淡黄色或淡棕色的油状液体。当地群众很早就习 惯用此油代替煤油点灯照明。 柴油树：又称古巴树，每株成年树可抽提2030升燃料油， 可直接用于柴油机使用。 续随子（大戟科）：原产欧洲，我国栽培已久，通过简单的 加工就可获得原油，每公顷续随子可产油10桶（1500升）。 宽叶香蒲（香蒲科）：分布于东北、华北、四川、陕西、甘 肃、新疆等地。宽叶香蒲是迄今已知转化太阳能最有效的植 物，可以代替煤炭、石油、天然气使用。 桉属（桃金娘科）：桉属植物有600多种，多集中澳大利 亚及其附近岛屿。我国引入栽培约6
10、0种，西南至东南部 都有栽培。一般每公顷桉树可生产2030吨桉树油。桉树 油的主要成分为十碳烯酸，为无色或淡黄色透明液体， 可作为内燃机燃料。 麻疯科（大戟科）：又名黑皂树，此树可能原产美洲， 后引种东南亚各国。黑皂树可代替柴油使用。 橄榄（橄榄科）：该种产于广东、广西、台湾、福建、 四川、云南等地。橄榄种子提取食用油后的残渣，再用 溶剂油提取获得橄榄脚油，含油酸79.26%，经脂化反应 处理后的单脂可以与柴油混在一起作为发动机燃料。三、藻类产油 藻类能产生大量的脂类，可用来制造柴油及汽油。 美国设在科罗拉多州的太阳能研究所用一个直径 20m的池塘养殖藻类，年产藻4吨多，可产油3000多 升。
11、 目前，这个研究组正从分子生物学角度，开发能产 更多的油脂类的藻类，研究目标是想在2010年前， 用藻类生产的汽油能提供美国机动车所用燃料总量 的8%10%。 用植物油或植物油与柴油混合作为燃料具有极 大的潜力，但也存在一些问题，如粘性过高， 气缸和游嘴里的碳沉积过多等等。 植物是世界上最丰富的可再生能源资源，最直 接的利用是进行燃料取能。 目前人们仅用其产量的确1%3%作为能源， 提供了大约世界能耗的15%。 中国每年消耗的柴草可折成2.5103亿千克标准 煤,如能合理利用,将发挥更好的效益。 生物能的核心问题是气化和液化。5.4 甲烷与燃料源 甲烷气可产生机械能，电能及热能。 甲烷已作为一
12、种燃料源 天然气气源是由远古时代的生物群体衍变而来， 是一种不可再生的能源。 在地表也存在甲烷，它主要来自于天然的湿地， 稻根及动物的肠内发酵而释放的。家养的牲畜是 动物释放甲烷的主要来源，大约占所有动物释放 甲烷量的75%。而人类仅占0.4%。 甲烷被是起着温室效应的主要气体之一。一、生产甲烷的生化机理 厌氧微生物可通过厌氧发酵途径生产甲烷。 整个发酵过程分三个主要步骤： 初步反应 利用芽孢杆菌属、假单胞菌属及变形杆菌属等微生物 把纤维素、脂肪和蛋白质等很粗糙的有机物转化成可 溶性的混合组分。 微生物发酵过程 低分子量的可溶性组分通过微生物厌氧发酵作用转化 成有机酸。 甲烷形成： 通过甲烷菌
13、把这些有机酸转化为甲烷及CO2。沼 气表2 农村常用发酵生产甲烷的原料及沼气产量 原料名称 每吨干物质产沼气量（m3） 甲烷含量（%）猪粪 600 55 牲畜粪便 300 60 酒厂废水 500 48 废物污泥 400 50麦秆 300 60青草 630 70 二、应用举例 中国是沼气生产量最大的国家，其中生产量高达 7106生物气单位，相当于22 106吨煤的能量。 印度现有沼气池近百万个。 在美国加州，采用牛粪生产甲烷能给一个工厂提 供20000h的电能 日本曾研究开发了一套“本地能源综合利用机械 系统”。 系统有沼气发酵反应器、发电设备、废物预处理 器及有机肥料制作设备组成。5.5 未来新能源一、氢能 1、产氢的微生物 在未来新能源中，氢气能源是可燃气中最理想的 气体燃料之一，被称为绿色燃料。 氢是导弹和新型航天飞机的燃料。 生物光化学家能利用太阳光和生物体产氢。 1942年Gafron和Rubin发现珊列藻可产氢。 许多光合微生物及非光合微生物也能产氢。 把产氢基因克隆到水生藻类中能使之大幅度地提 高产氢量。2、产氢生化机理 利用太阳光、叶绿体膜、电子供体、电子载体、 氢化酶等组分进行混合反应能产氢。二、生物燃料电池 微生物电池就是
