概論生物技術(shù)對(duì)能源開發(fā)的影響

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1運(yùn)用生物技術(shù)將植物及其廢棄物轉(zhuǎn)化為能源

世界能源統(tǒng)計(jì)資料說明：植物是一種能源巨大而且可恢復(fù)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(dāng)于400億t石油。據(jù)專家估計(jì)，現(xiàn)在地球上植物生物總儲(chǔ)存量為18000多億t，相當(dāng)于6400億t石油，這是一項(xiàng)巨大的可進(jìn)一步開發(fā)的能源資源?，F(xiàn)在正在研究開發(fā)并已取得初步成效的基因工程成果是將真菌淀粉生產(chǎn)酒精，即進(jìn)一步法生產(chǎn)酒精；將木質(zhì)素解聚酶基因和纖維素酶基因克隆移到酵母內(nèi)，使之可直接利用稻草、草皮等做原料生產(chǎn)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(xì)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(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇。專家們?cè)谠u(píng)審這些研究成果時(shí)指出，不可小看這一點(diǎn)點(diǎn)能源開發(fā)研究進(jìn)展，其意義是深遠(yuǎn)的，因?yàn)樯镔|(zhì)現(xiàn)存量是巨大的，他們特別談到，隨著生物技術(shù)的不斷完善，常見的植物廢棄物轉(zhuǎn)化成能源的效率必然會(huì)進(jìn)一步提高，其開發(fā)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(zhuǎn)化成能源。

2運(yùn)用生物技術(shù)培育高能源作物

光合作用機(jī)制的揭示是分子生物學(xué)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(zhuǎn)變成能夠儲(chǔ)存的化學(xué)能。一般植物把太陽能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的效率很低，平均值約為0.1％。而根據(jù)分子生物學(xué)研究的結(jié)果，轉(zhuǎn)換率可達(dá)5.2％，這個(gè)看似小小的數(shù)字差卻預(yù)示著光合轉(zhuǎn)化太陽能的巨大潛力。培育轉(zhuǎn)化能力強(qiáng)的作物必須以光合機(jī)制的研究為基礎(chǔ)。植物生理學(xué)研究表明植物在弱光和中度光照條件下太陽能的轉(zhuǎn)化率較高，強(qiáng)光下轉(zhuǎn)化效率較低。其作用機(jī)制是強(qiáng)光下不能發(fā)揮最大轉(zhuǎn)化效率的原因是光量子捕獲系統(tǒng)（葉綠素和光合系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ）與光合電子傳遞系統(tǒng)之間能力的不平衡。根據(jù)揭示的這一機(jī)理，在適當(dāng)時(shí)機(jī)增加酶的活性，或減少前葉綠素的量就能調(diào)整系統(tǒng)的不平衡性，提高強(qiáng)光下的光合效率。生命科學(xué)的酶工程學(xué)者正在為此進(jìn)行探索并已取得了重要進(jìn)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(shí)也能進(jìn)行光合作用。因此，利用現(xiàn)代生物技術(shù)的細(xì)胞工程、酶工程、基因工程來吸收C4植物的優(yōu)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(jī)能，將會(huì)極大地提高植物轉(zhuǎn)換太陽能的效率，為獲取更多的新能源奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。

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(huì)釋放出能量，而形成的廢物只有水，不會(huì)造成任何環(huán)境污染，因而被普遍認(rèn)為是理想的清潔能源資源。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多能代謝分子態(tài)氫的細(xì)菌和藻類。還從分子水平上找到了與能代謝分子態(tài)氫有直接關(guān)系的酶，這就是氫化酶（綠藻）、固化酶（藍(lán)藻和光合細(xì)菌），他們均能催化氫氣的釋放。生物的這種作用機(jī)制，是由其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)決定的，這就是功能基因。當(dāng)今世界基因組測序工作的國際科技界的公關(guān)行動(dòng)，對(duì)功能基因的快速開發(fā)創(chuàng)造了極好的條件。研究者認(rèn)為，生物體的生理特性（如產(chǎn)氫化酶的綠藻、能產(chǎn)固定酶的藍(lán)藻和光合細(xì)菌）必然會(huì)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(dāng)代已相當(dāng)成熟的基因重組技術(shù)就可以大批量培育能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)能源氫的新物種，這個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是相當(dāng)誘人的，而且是可以實(shí)現(xiàn)的。正是基于這種指導(dǎo)思想，生命科學(xué)工作者借助于當(dāng)代新開發(fā)出的高新技術(shù)———基因工程，利用微生物來完成水的分解反應(yīng)。這些在水中生長的微生物在光照條件下，會(huì)不斷地實(shí)施水的分解過程產(chǎn)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(jīng)查明有16種綠藻和3種紅藻有生產(chǎn)氫氣的能力。還發(fā)現(xiàn)有4種類型的細(xì)菌具有生產(chǎn)氫氣的能力。藻類產(chǎn)氫氣的機(jī)制主要是通過自身產(chǎn)生的脫氫酶，利用大自然豐富的水源和無償?shù)奶柲軄砩a(chǎn)的。4種類型細(xì)菌產(chǎn)氫有以下幾種機(jī)制：一是依靠發(fā)酵過程生長的嚴(yán)格厭氧細(xì)菌；二是能在通氣條件下發(fā)酵和呼吸的兼性厭氧細(xì)菌；三是能進(jìn)行厭氧呼吸的嚴(yán)格厭氧細(xì)菌；四是光合細(xì)菌。前3種都能夠利用有機(jī)物，從而獲得生命活動(dòng)所需要的能量，他們均屬于“化能厭氧菌”。光合細(xì)菌則是利用太陽能提供的能量，被稱為“自養(yǎng)細(xì)菌”。近年來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了30種化能異養(yǎng)菌可以發(fā)酵糖類、醇類、有機(jī)酸等產(chǎn)生氫氣。在光合細(xì)菌中已發(fā)現(xiàn)13種紫色硫細(xì)菌和紫色非硫細(xì)菌能生產(chǎn)氫氣。專家在評(píng)審能產(chǎn)氫機(jī)制被揭示的研究成果時(shí)指出，產(chǎn)氫機(jī)制的揭示，可以此為依據(jù)，發(fā)現(xiàn)并分離出功能基因，再以基因重組技術(shù)改良微生物，以大幅度地提高微生物生產(chǎn)氫氣的能力，氫氣生產(chǎn)原料是水，未來，當(dāng)水運(yùn)用生物工程技術(shù)變成燃料時(shí)，能源危機(jī)將不存在。

4運(yùn)用基因重組技術(shù)培育出能產(chǎn)油的植物

美國加利福尼亞大學(xué)的梅爾文•卡爾文經(jīng)過探索培育出一種叫“可佩費(fèi)拉”的樹，每株“可佩費(fèi)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(chǎn)燃料油，但是油的質(zhì)量不夠理想。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)是因?yàn)檫@種植物中缺少前一種產(chǎn)油樹所具有的酶。專家們?cè)谠u(píng)審這項(xiàng)新能源開發(fā)成果時(shí)認(rèn)為，運(yùn)用“科佩費(fèi)拉”樹的產(chǎn)油酶功能基因，不僅能使類似仙人掌的植物產(chǎn)出理想的油，而且可使多種植物產(chǎn)出油來，這是因?yàn)槿祟愐颜莆樟嘶蛑亟M技術(shù)。5能產(chǎn)生石油的細(xì)菌已被發(fā)現(xiàn)日本大阪大學(xué)工作系的科學(xué)工作者不久前發(fā)現(xiàn)了一種細(xì)菌。這種細(xì)菌有一種特性：只要改變其培養(yǎng)條件，它就能分解石油或者產(chǎn)生石油。據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》報(bào)道，這種細(xì)菌在有石油的環(huán)境中可以分解石油，在沒有石油的環(huán)境中能利用CO2和氫反應(yīng)產(chǎn)生石油?？茖W(xué)工作者在研究其作用機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種細(xì)菌在分解石油時(shí)不需要氧氣，在產(chǎn)生石油時(shí)不需要光能。查閱資料顯示，在過去的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有一種藻類能夠利用光合作用產(chǎn)生石油，然而發(fā)現(xiàn)在沒有光的環(huán)境中也能產(chǎn)生石油的細(xì)菌還是第一次。研究報(bào)告稱，這種細(xì)菌是在日本靜岡縣的一個(gè)小油田中發(fā)現(xiàn)的，細(xì)菌直徑0.5μm，長1.5μm。研究者認(rèn)為，只要給這種細(xì)菌以大量氫便可以產(chǎn)出石油。專家們?cè)谠u(píng)審這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)時(shí)指出，這對(duì)于未來能源開發(fā)很有價(jià)值，而問題在于需要大量的氫，但現(xiàn)在還不能廉價(jià)地大量取氫，實(shí)用化還有難度。不過，可以通過改變遺傳基因的辦法培養(yǎng)。他們提示到，若利用目前已論述的能產(chǎn)出氫的綠藻和光合細(xì)菌結(jié)合起來，投入實(shí)際生產(chǎn)將是可行的。

作者：孫毅單位：信陽師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院