微生物在能源领域的发展

微生物在生物质能源领域的发展

摘要：由于不可再生的化石能源正面临枯竭的危险以及因大量消费化石燃料导致的生态环境破坏问题，使得生物质能源的发展越来越受到重视。当前，生物质能源已经发展到了第二代，能源植物柳枝稷、芒草等中取代油籽类粮食作物成为未来的主要生物质能源来源。美国联合生物能源研究所（JBEI）已通过基因工程获得了能消化柳枝稷的埃希氏菌（Escherichia coli bacteria），且随后通过基因测序发现了细菌的毒盐耐受机制，有望提高微生物抵抗生物燃料生产过程中所使用的盐溶液毒性的能力。微藻作为第二代生物质能源在生物柴油领域的发展前景广阔，但目前尚处在研发阶段，存在较多的技术瓶颈。全球存在较多土地不适宜种植粮食，如果将能源植物种植上去，将提高土地利用率，同时解决能源问题。关键词：生物质能源；微生物；柳枝稷；微藻；综述

当前全世界的主要能源仍然是石油天然气和煤，石油天然气资源将在2050年前被罄尽的看法已被公认。由于对煤的利用技术的良莠不齐，煤对环境的影响巨大。核能发电凭借碳零排放和生产成本低廉被认为是理想的未来能源，不久前一直呈增长趋势，但其安全性和经受自然灾害的能力，最近又受到人们质疑，这样的质疑从1986年4月26日前苏联切尔诺贝利核电站发生的世界上最严重的核事故开始。日本福岛核电站发生的核泄漏事故，直至到今天，事故可能造成危害还难以完全预知。最近伊朗的巨鼠，不少人将之归因于核辐射，不管事实如何，人们对核能源的担忧开始加剧。就目前的技术，核能的安全性还有待提高。生物质能源被认为是未来能源发展的趋势。发展生物质能源离不开微生物，微生物在自然世界中起到的巨大作用在能源生产中也不可小觑。

微生物做为在自然界广泛存在且数量巨大的生物，其巨大潜在价值还尚未完全被人们挖掘，很多具有巨大市场的重大发现都还只存在于实验室，或者是小规模运用，排除石油天然气等传统能源已经形成的市场优势，更重要的是微生物在能源领域的发展遇到的技术瓶颈，但近来在能源微生物领域的新发现，使人类在罄尽石油天然气等不可再生能源之前找到理想的替代品充满可能。

1 能源微生物简介

根据安斯沃思（Ainsworth 1971，1973）的分类系统，运用世界上主要依据的伯杰（Bergey’s 1923～1957）细菌鉴定法和洛德（Lodder 1970）的酵母菌等鉴定法分类鉴定表明，能源性微生物的主要种类是：

甲烷产生菌主要种类有甲烷杆菌属（Methanobacterium）、甲烷八叠菌属（Methanosarcina）、甲烷球菌属（Methanoccus）等。

乙醇产生菌的主要种类有酵母菌属（Saccharomyces）、裂殖酵母菌属（Schizosaccharomyces）、假丝酵母属（Candida）、球拟酵母属（Torulopsis）、酒香酵母属（Brettanomyces）、汉逊氏酵母属（Hansenula）、克鲁弗氏酵母属（Kluveromyces）、毕赤氏酵母属（Pichia）、隐球酵母属（Cryptococcus）、德巴利氏酵母属（Debaryomyces）、卵孢酵母属（Oosporium）、曲霉属（Aspengillus）等。可见乙醇产生菌主要是酵母，酵母菌通过

氢气产生菌的主种类有红螺菌属（Rhodospirillum）、红假单胞菌属（Rhodopseudomonas）、红微菌属（Rhodomicrobium）、荚硫菌属（Thiocapsa）、硫螺菌属（Thiospirillum）、闪囊菌属（Lamprocystis）、网硫菌属（Thiodictyon）、板硫菌属（Thiopedia）、外硫红螺菌属（Ectothiorhodospira）、梭杆菌属（Fusobacterium）、埃希氏菌属（Escherichia）、蓝细菌类等。

2 微生物在能源生产上的优势

但是随着基因工程技术的发展，产氢气的微生物也可能产生物柴油，微生物只是作为一种特殊的载体，更具体的说是一种酶的载体，而这种酶的具体作用就是催化有机物一般为植物纤维转化为所需能源物质。微生物做为酶的生产者所具有的优势与微生物的特性相关，即（一）体积小，面积大，因而微生物必然有一个巨大的营养物质吸面，代谢废物排泄面和环境信息交换面，由此又使微生物具备以下几个适合作为酶生产者的优势：（二）吸收多，转化快；（三）生长旺，繁殖快；这两个特性有当今世界对于能源的迫切需求相契合。（四）分布广，种类多，为选择高转化效率的微生物品种提供基础。

微生物在能源生产上的优势在于相比石油天然气为代表的传统能源具有可再生性且生成周期短，但是微生物作为生物个体存在对生活环境的要求在一定程度限制了它的推广应用。但是随着对能源微生物的深入研究，未来微生物在能源生产中将扮演越来越重要的作用。

能源微生物生产能源需要物质基础，一般为植物，也就是说微生物也是在利用光合作用产物进行能源生产，将太阳能转化成我们需要的能源形势。生物在生长期的天然光合作用对碳的吸收，所以当微生物将之转化为生物质燃料后，生物燃料燃烧时向大气会释放同等量的碳，最终表现出几乎等于零的碳排放，使生物质燃料成为所谓的碳中性燃料。可见微生物在环境生态平衡上的重要作用。

3 微生物在生物燃料领域的发展

生物燃料目前已经发展到了第二代，第一代与第二代生物燃料的主要区别在于原料，第一代生物燃料一般使用玉米等粮食作物为原料，而第二代生物燃料一般使用秸秆，草和木材为原料，摆脱了利用玉米等粮食作物为原料转化为生物燃料的应用模式。生物燃料作为一种环保清洁能源没有被广泛推广的原因也恰恰是因为原料问题，当然根本是成本问题。

第一代生物燃料主要以玉米等粮食作物为原料生产燃料通过微生物发酵生成乙醇或生物柴油。但是大规模使用生物燃料可能带来使农业及生态遭受重大影响的风险。能源作物种植渗入自然景观会导致栖息地破坏和割裂，直接造成生物多样性的丧失。更关键的是对粮食安全的影响，联合国在《可持续能源：决策者框架》报告指出，生物燃料的生产会通过占用土地和其他所需资源，进而影响粮食足量供给。

第二代生物燃料比起第一代更加经济环保，并且不占用耕地。然而，如何分解秸秆、草和木材等植物原料细胞壁内的纤维素或者说如何低成本的将这些原料变成燃料，这是开发第二代生物燃料所面临的难题。

2010年7月，柳枝稷（Panicum virgatum）（第二代生物燃料的一种原料）的全基因组图谱测序完成，这是改变人类能源获取方式的浩大工程的一个开端。

2011年美国联合生物能源研究所（JBEI)的研究人员将柳枝稷样品置于牛的瘤胃中培养72小时，然后对附着在柳枝稷样品上的所有微生物进行基因组分析。研究人员确定了超过2.7万个糖类活性基因。他们将上述部分基因植入细菌，首次制造出了能消化柳枝稷生物质的埃希氏菌（Escherichia coli bacteria），这些细菌产生了90种蛋白质酶。结果发现，多数蛋白酶对植物中的纤维素显示出活性，属于可分解纤维素的酶。能将其中的糖转化为可代替汽油、柴油和航空燃料3种运输燃料的先进生物能源，而且无需添加任何酶——生物燃料的生产过程添加