生物技术对人类生活能源方面的影响

生物技术对人类生活能源方面的影响

生物科学对人类有着巨大的影响 包括人类的健康、能源、环境等方面。以下主要谈谈生物技术对人类能源方面的影响。随着人类大量使用矿物燃料带来的环境问题日益严重 开发新的能源来代替这些严重污染环境的能源以及开发一些低成本的低污染能源是时代一个重要的课题。下面是现如今生物技术在开发新能源方面取得的成就。

第一.发展新型燃料电池燃料电池是使用气体燃料 如氢、甲烷等 与氧气直接反应产生电能 其效率高、污染低 是一种很有前途的能源利用方式。传统的燃料电视使用氢为燃料 氢不仅难以制取 而且还难以存储。以至于燃料电池的成本居高不下。美国宾料的传统燃料电池。研究人员曾尝试用便宜的有关碳氢化合物为燃料 但化学反应的“残渣”很容易积聚在镍制的电池正极上导致断路 而使用铜和陶瓷的混合物制造电池正极 解决了“残渣”积聚问题。新研制的燃料电池可用甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等5种碳氢化合物做燃料源 可以通过微生物发酵途径生产甲烷等碳氢化合物 成为研制新型燃料电池较为丰富而广泛的原料来源。目前这种新型燃料电池的能量转换效率还较低 有待进一步研究改进提高。

第二.开发军民两用的生物能源不论军用的兵器如机动装备大部分 或是民用的汽车等交通工具均以汽油、柴油为燃料 若用氢气作燃料更为理想 其特点是1.洁净 不污染环境 2.热效率高 约是汽油的3倍 3.生物制取氢气有潜力。正因为如此 充分利用生物技术生产氢气将大有可为。如用一种红假单胞 Rhodopseudomonassp 为生产菌 以淀粉为原料生产氢气取得良好效果 每消耗1克淀粉可产氢气1毫升。用氢和其他少量燃料混合可替代汽油、柴油。乙醇也是一种洁净生物燃料 用途广泛 可用来替代汽油和柴油。日本、加拿大等国家用基因技术建构的“工程酵母”以其高产酶的活力 酶解纤维素制取乙醇 也有建构的“工程大肠杆菌”能将葡萄糖有效地转化成乙醇 这类乙醇均可替代汽油或柴油使用 随时为机动装备提供大量生物燃料。其实 产氢、产乙醇的生物不仅有细菌或“工程菌” 而且某些藻类或其他微生物均有生产氢或乙醇的能力。美国加州大学等研究人员发现一种叫莱因哈德衣藻 Chlamydomonasreinhadtii 的绿藻 真核生物 具有持续大量产氢能力。关键

在于控制其生长环境 从生长营养液中去除硫素 在此情况下藻体停止了光合作用、不产氧 在无氧条件下藻体必须以其它途径产生腺茸三磷酸酯维所需要的能量 利用所贮存的能源以实现其最终产氢的目的。一般说 这种天然藻产氢量很低 为此 一方面控制其生长所必需的或障碍生长的关键因素 另一方面 采用分子遗传技术改造藻的特性 以提高其产氢能力。由此可见 充分利用各种生物开发军民两用的洁净生物能源是有潜力的。

第三.微型绿藻是索取氢能的最廉价途径上面已提到绿藻和微生物产氢途径 这里强调微型绿藻制取氢气的前景 科学家预测 当石油和天然气耗尽时 氢气也许是一种较为理想的能源。关键在于找到一种廉价产氢的方法。有专家认为利用普通池塘绿藻的产氢能力或许是个最实际的选择---经济实用 分布广。绿藻这种微型低等植物繁殖快 全世界到处都有它的分布 它在有水、阳光的条件下具有制造氢气的能力。在人工控制下可迫使绿藻按要求生产氢气 有实验研究报告指出 一升绿藻培养液每小时可产氢3毫升 还需进一步提高它的产氢效率。注意两点：

1 运用基因工程技术改进这种产氢系统 有可能使氢气产量增加10倍或更高些

2 细胞固定化技术的应用 有可能提高微型绿藻持续产氢能力。

在德国、加拿大、日本等国家为实现“洁净氢能源”的开发计划 积极建立“产氢藻类农场” 为实现氢能源规模生产做出巨大努力。加拿大已建成每天生产液态氢10吨的工厂 日本把产氢藻和光合细菌的高效产氢列为研究重点 将研制用于火箭发动机使用的冰糕状“脂膏氢” 以提高火箭发射推力。美国期望到2030年把氢能源作为美国一种主要能源。看来 微型绿藻和光合微生物生产氢能源将大有开发之势。

第四.充分利用有机垃圾或有机废水为原料生产氢能源日本北里大学研究人员用生活垃圾制取氢气取得良好效果 产率颇高 可将氢气不仅直接作洁净能源使用 而且为燃料电池的开发提供优质原料 更为经济实用 具有潜在的开发优势。研究人员选用一种厌氧性细菌即一种“梭菌”AM21B菌株 与加水研碎的剩菜、鱼骨等生活垃圾混合在一起 于37℃下发酵生产氢气 所得实验结果表明 每1公斤生活垃圾可获49升氢气 制氢后所余下的生活垃圾呈糊状

无臭味 可进一步实现资源化 使之成为农田有机肥料如堆肥。据称 日本研究人员为制取氢气的生活垃圾可循环利用 还研制新型“发酵设备”更有利于提高生活垃圾制氢效力。我国哈尔滨建筑大学研究人员已建立以厌气活性污泥为原料的有机废水经微生物发酵法生产氢的技术。有几个特点：

1 发酵法未采用纯菌种

2 未用细胞固定化技术可持续产氢

3 制氢系统工艺运行稳定

4 所获氢的纯度高

5 制取氢的产率比国外同类的小试验高几十倍。

目前已进入中试规模的连续产氢 其量可达每立方米产氢为5.7立方米 纯度达到99 。有望进入工业化生产 为氢能源的开发提供一条可行的生物途径。

第五.以CO2废气为原料开发新能源来源广泛的CO2既是重要温室气体之一 也是化工原料 当CO2的释放与吸收未达到动态平衡时必然给生态环境产生不良后果。为此 CO2作为一类废气如何进一步转化 实现资源化的研究有着重要意义。其中将其实现能源化是值得注意的研究课题。至少可采用化学方法和生物方法使CO2转化能源。

化学方法利用催化剂 用高效催化剂沸石 约99%的活性铝颗粒表面吸附铑、锰 按CO2与氧的比例为1∶4 300℃、1个大气压条件下 至少90%的CO2可转化为甲烷 若10个大气压时 其转化率可达100%。当然也有一个降低氢、铑的成本问题。所获得的甲烷不仅提供能源和化工原料 同时包括CO2在内减轻温室效应发生带来好处。

生物方法利用藻类 前面已提到藻类特别是那些微型单细胞藻不论是原核的或是真核的 它们是吸收CO2进行光合作用生产绿色新能源最有效途径。大量微型藻增殖过程中充分利用CO2 在光照条件下合成有机物将太阳能储存起来 其藻体生物量称得上是个巨大的“储能库” 因此 将其制作固体燃料或者说干燥燃料是可行的 英国将它用于发电 也可用各类藻体包括海藻在内的生物量为原料 通过发酵途径制取甲烷及其它能源 微型藻细胞固定化连续产氢能也是可取的。正因为各种藻类所表现特定功能 既是“储能库” 又是“供能库” 从中可获取所需要的洁净能源。因此有专家预计 利用CO2制造生物能源