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1運用生物技術將植物及其廢棄物轉化為能源
世界能源統計資料說明:植物是一種能源巨大而且可恢復性能源,在地球上,每年綠色生物量的增加約為1070億t,其中800億t分布在森林中,180億t分布在草原及荒原上,90億t分布在田野、沼澤及荒漠中,他們所擁有的能量值為1.75×1021J,相當于400億t石油。據專家估計,現在地球上植物生物總儲存量為18000多億t,相當于6400億t石油,這是一項巨大的可進一步開發的能源資源。現在正在研究開發并已取得初步成效的基因工程成果是將真菌淀粉生產酒精,即進一步法生產酒精;將木質素解聚酶基因和纖維素酶基因克隆移到酵母內,使之可直接利用稻草、草皮等做原料生產酒精作為替代能源。在英國每年就有600萬t秸稈,研究人員利用遺傳工程細菌“嗜熱脂肪芽孢桿菌”分解半纖維素(這是一種酵母不能分解的糖),已將30%的纖維物質轉化成乙醇。專家們在評審這些研究成果時指出,不可小看這一點點能源開發研究進展,其意義是深遠的,因為生物質現存量是巨大的,他們特別談到,隨著生物技術的不斷完善,常見的植物廢棄物轉化成能源的效率必然會進一步提高,其開發潛力是巨大的,包括小麥、玉米、甜菜等秸稈以及稻殼等植物廢棄物(垃圾)都可以轉化成能源。
2運用生物技術培育高能源作物
光合作用機制的揭示是分子生物學取得的新成果,研究表明,綠色植物利用太陽能把吸收的水和CO2同化為碳水化合物,把太陽能轉變成能夠儲存的化學能。一般植物把太陽能轉化成化學能的效率很低,平均值約為0.1%。而根據分子生物學研究的結果,轉換率可達5.2%,這個看似小小的數字差卻預示著光合轉化太陽能的巨大潛力。培育轉化能力強的作物必須以光合機制的研究為基礎。植物生理學研究表明植物在弱光和中度光照條件下太陽能的轉化率較高,強光下轉化效率較低。其作用機制是強光下不能發揮最大轉化效率的原因是光量子捕獲系統(葉綠素和光合系統Ⅰ、Ⅱ)與光合電子傳遞系統之間能力的不平衡。根據揭示的這一機理,在適當時機增加酶的活性,或減少前葉綠素的量就能調整系統的不平衡性,提高強光下的光合效率。生命科學的酶工程學者正在為此進行探索并已取得了重要進展。研究表明,C4植物(如玉米、甘蔗、高粱等作物)的光合能力高于C3植物(如小麥、水稻、大豆、棉花等作物),玉米等C4作物在CO2濃度極低時也能進行光合作用。因此,利用現代生物技術的細胞工程、酶工程、基因工程來吸收C4植物的優良生物特性培育高效的能量作物,并給小麥、水稻等C3作物增加新的固氮機能,將會極大地提高植物轉換太陽能的效率,為獲取更多的新能源奠定物質基礎。
3利用基因工程改良微生物
以催化H2的釋放氫氣是效率高且無毒無害的燃料。氫氣在燃燒過程中會釋放出能量,而形成的廢物只有水,不會造成任何環境污染,因而被普遍認為是理想的清潔能源資源。目前已經發現許多能代謝分子態氫的細菌和藻類。還從分子水平上找到了與能代謝分子態氫有直接關系的酶,這就是氫化酶(綠藻)、固化酶(藍藻和光合細菌),他們均能催化氫氣的釋放。生物的這種作用機制,是由其結構基礎決定的,這就是功能基因。當今世界基因組測序工作的國際科技界的公關行動,對功能基因的快速開發創造了極好的條件。研究者認為,生物體的生理特性(如產氫化酶的綠藻、能產固定酶的藍藻和光合細菌)必然會有其功能基因存在起支配作用。一旦我們找到了這種功能基因并成功分離出,再利用當代已相當成熟的基因重組技術就可以大批量培育能生產出優質能源氫的新物種,這個目標的實現是相當誘人的,而且是可以實現的。正是基于這種指導思想,生命科學工作者借助于當代新開發出的高新技術———基因工程,利用微生物來完成水的分解反應。這些在水中生長的微生物在光照條件下,會不斷地實施水的分解過程產生氫氣,然后用容器將氫氣收集起來,供作能源。近幾十年來人們已經查明有16種綠藻和3種紅藻有生產氫氣的能力。還發現有4種類型的細菌具有生產氫氣的能力。藻類產氫氣的機制主要是通過自身產生的脫氫酶,利用大自然豐富的水源和無償的太陽能來生產的。4種類型細菌產氫有以下幾種機制:一是依靠發酵過程生長的嚴格厭氧細菌;二是能在通氣條件下發酵和呼吸的兼性厭氧細菌;三是能進行厭氧呼吸的嚴格厭氧細菌;四是光合細菌。前3種都能夠利用有機物,從而獲得生命活動所需要的能量,他們均屬于“化能厭氧菌”。光合細菌則是利用太陽能提供的能量,被稱為“自養細菌”。近年來,科學家們發現了30種化能異養菌可以發酵糖類、醇類、有機酸等產生氫氣。在光合細菌中已發現13種紫色硫細菌和紫色非硫細菌能生產氫氣。專家在評審能產氫機制被揭示的研究成果時指出,產氫機制的揭示,可以此為依據,發現并分離出功能基因,再以基因重組技術改良微生物,以大幅度地提高微生物生產氫氣的能力,氫氣生產原料是水,未來,當水運用生物工程技術變成燃料時,能源危機將不存在。
4運用基因重組技術培育出能產油的植物
美國加利福尼亞大學的梅爾文•卡爾文經過探索培育出一種叫“可佩費拉”的樹,每株“可佩費拉”樹一年中能收獲37.85L與柴油相似的燃料。另外,還有一種適宜在美國北部的氣候條件下生長的類似仙人掌的植物,也能生產燃料油,但是油的質量不夠理想。進一步研究發現是因為這種植物中缺少前一種產油樹所具有的酶。專家們在評審這項新能源開發成果時認為,運用“科佩費拉”樹的產油酶功能基因,不僅能使類似仙人掌的植物產出理想的油,而且可使多種植物產出油來,這是因為人類已掌握了基因重組技術。5能產生石油的細菌已被發現日本大阪大學工作系的科學工作者不久前發現了一種細菌。這種細菌有一種特性:只要改變其培養條件,它就能分解石油或者產生石油。據《日本經濟新聞》報道,這種細菌在有石油的環境中可以分解石油,在沒有石油的環境中能利用CO2和氫反應產生石油。科學工作者在研究其作用機制時發現,這種細菌在分解石油時不需要氧氣,在產生石油時不需要光能。查閱資料顯示,在過去的研究中已經發現有一種藻類能夠利用光合作用產生石油,然而發現在沒有光的環境中也能產生石油的細菌還是第一次。研究報告稱,這種細菌是在日本靜岡縣的一個小油田中發現的,細菌直徑0.5μm,長1.5μm。研究者認為,只要給這種細菌以大量氫便可以產出石油。專家們在評審這項新發現時指出,這對于未來能源開發很有價值,而問題在于需要大量的氫,但現在還不能廉價地大量取氫,實用化還有難度。不過,可以通過改變遺傳基因的辦法培養。他們提示到,若利用目前已論述的能產出氫的綠藻和光合細菌結合起來,投入實際生產將是可行的。
作者:孫毅單位:信陽師范學院生命科學學院