基因工程在生物能源中的应用

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前言：纤维素占全球植物总干重的30%~50%，
是地球上分布最广、含量最丰富的碳水化合物。 利用植物木质纤维资源发酵生产乙醇越来越受 到人们的重视, 但要实现工业化生产仍然存在 很多难题。基因工程的出现和发展，使很多问 题迎刃而解啦。它的应用主要表现在对植物性 状的改善和基因工程菌的开发。
1.利用植物基因工程技术改善植 物自身性状
能源菌种的培育和高效能源利用
应用中面临的问题
虽然转基因农作物用作生产生物燃料具有明显的 优势和巨大前景，一些环保人士还是提出了他们 的质疑，这些被改变了基因的农作物将会交叉感 染其它野生植物，导致森林中其它野生植物因木 质素含量降低从而缺乏硬度而逐渐枯萎。一些人 还反对说，仅仅为了满足现代人对汽车的嗜好而 改变农作物的基因完全没有必要，对于食用这些 农作物的人们来说，他们并不愿意科学家们为了 提高农作物生产生物能源的产量而向农作物中加 入额外的酶。
• 最近,利用植物基因工程技术,改善植物自 身性状,包括减少植物自身细胞壁中木质 素含量、细胞中积累表达纤维素酶和木 聚糖酶等方法,使自生产生的生物质更利 于降解利用。目前,对这种新的能源转基 因植物的研究取得了一定进展。
• 改 善 植 物 细 胞 壁 的 结 构 与 组 成
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由于产生淀粉酶的基因来源于嗜热性 微生物，乙醇厂家这种转基因玉米后 可以将生产条件的温度和酸度大大提 高，从而大大提高了生产效率。
其 他 玉 米 高 2% 到 5%
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二.促进采收后纤维素的降解
基因工程在生物能源中的应用
Genetic engineering applications in the bio-energy
生物能源的简介及其发展

简介：“万物生长靠太阳”，生物能源是从太阳能转
化而来的，只要太阳不熄灭，生物能源就取之不尽。 其转化的过程是通过绿色植物的光合作用将二氧化碳 和水合成生物质，生物能的使用过程又生成二氧化碳 和水，形成一个物质的循环，理论上二氧化碳的净排 放为零。生物能源是一种可再生的清洁能源，开发和 使用生物能源，符合可持续的科学发展观和循环经济 的理念。因此，利用高新技术手段开发生物能源，已 成为当今世界发达国家能源战略的重要内容。
光 能 产 物 的 积 累 • 时年 受 要 水 使 间中 低 使 的 能 。光 温 这 环 源 能、些境植 转增植中物 化加物生在 的一耐长缺 ， •
• 促 进 生 物 质 作 物
素促 的进 降采 解收 后 纤 维
一· 促进生物质作物光能产物的积累
1.生物质能源作物：

生物质能资源种类繁多，利用技术多样。生物质能 包括农作物秸秆、林业剩余物、油料植物、能源作物、 生活垃圾和其它有机废弃物。常见品种如玉米、高粱、 甘蔗、植物油作物，等等。 每年可作为能源使用的农作物秸秆资源量约为1．5亿吨 标准煤，林业剩余物资源量约2亿吨标准煤，小桐子(麻 疯树)、油菜籽、蓖麻、漆树、黄连木和甜高梁等油料植 物和能源作物潜在种植面积可满足年产5000万吨生物液 体燃料的原料需求。

生物能源的开发与生物技 术、基因工程密不可分。 其中包括促进光能产物的 积累，促进采收后纤维素 的降解，以及要使能源植 物在缺水的环境中生长， 要使这些植物耐受低温、 增加一年中光能转化的时 间。这些都是可以通过基 因操作技术来实现。这些 工作正是我们这一代人明 天要做的事情。
基因工程对生物能源的应用表现：

2.转基因能源作物
过去的农业生物学家通过改变基因，主要 是改善农作物抵抗害虫和恶劣天气以及提 高农作物的产量和营养成分的含量 ，如大 量的抗虫抗旱小麦、玉米、高粱。但这样 效果并不是很显著，特别对一些土地资源 少的国家。


现在科学家们开始了转变农作物基因的另一研究：对 农作物进行特殊的基因改变，使这些转基因作物能够 专门用于生产燃料乙醇和其他生物燃料，在油价飙升 和环境污染越来越严重的今天，生物技术开辟了又一 个新的产业领域，美国的各大种子公司和生物技术公 司也相继加大了该领域的研究投入。 Syngenta公司加在玉米中的酶是淀粉酶，通常乙醇 生产厂家利用大量细菌来获得这种酶，然后将其加入 到玉米中，淀粉酶能催化玉米中的淀粉分解成糖类， 糖再继续被发酵分解生成乙醇。而Syngenta公司向玉 米中导入一种特殊的基因，这种基因来源于生活在海 洋热水口附近名叫archaea的微生物中，这种基因是 由3种淀粉酶基因组成的复合基因。被引入这种基因 后，玉米能够自己生产淀粉酶，从而减少了乙醇生产 的工艺步骤。
控制纤维素酶合成的基因在这些菌体中表达，就可望利用它
们直接以纤维素为原料合成乙醇。 基因工程菌———E· coli
基因工程菌大部分工作都集中 在E· coli上,这是一种良好的宿主 菌,因其生理学、基因学和代谢 机理已清楚,DNA重组操作技术 在E· coli中比较容易和稳定。通 过基因工程的手段,Bram等人首 次将pdc基因导入到E· coli中,可 以不可逆地将以戊糖和己糖为 原料生成的丙酮酸转化成乙醇, 结果发现重组菌产乙醇的量是 空载质粒产乙醇量的6倍,同时 对乙醇的耐受力下降。

基因工程菌——— S· cerecisiae
方法为将多拷贝的外源DNA导 入宿主细胞,用复制/整合型载体 转化细胞,然后将细胞在选择性 压力下复制多次以促进载体在 子代中的保留,这样通过复制/选 择阶段被复制的载体就将拷贝 的外源DNA整合进宿主细胞。 此酵母菌1400株可产生高浓度 的乙醇,发酵速率快,可耐高温。 在1∶1的木糖和葡萄糖的混合 液中可产生47g/L的乙醇,为最大 理论值的84%。
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生 物 能 源 的 发 展 利 用
基因工程与生物能源的联系
植 物 体 内 表 达 木 质 纤 维 素 水 解 酶

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2.降解纤维素基因工程菌
目前：纤维素生物转化与利用的研究距实际应用仍然
有一定距离，这主要是因为纤维素分子本身难以分 解的特点以及菌种产酶能力有限、纤维素酶比活力 低、酶组分比例不协调等原因。另外一个关键的原 因是纤维素酶是诱导酶，受纤维素等物质诱导，但 如果同时有葡萄糖等易被利用的物质存在时，纤维 素酶的合成受到阻遏。利用基因工程方法可改善纤 维素酶的性能、降低糖化生物质底物所需的酶量。