现代生物技术与能源

现代生物技术与能源2008231221黄芳芳21世纪所面临的最大难题及困境可能不是战争及食品，而是能源。因为目前整个人类发展和工农业生产，几乎都是依赖于这些很有限的化石能源。随着地球上化石能源的不断耗尽，寻找、改善及提高可再生能源利用率和发明创造新技术以最大限度地开采不可再生能源的做法很可能是今后几十年内人类从地球上获取能源的有效举措。虽然以水力、潮汐、风力为动力的发电设备及太阳能捕获器、地热已为人类提供一定的能源，但离人类对能源的需求还相差甚远。设法利用新技术创造更多的能源并代替不可再生的化石燃料，用于满足人类生存的需求，也将是人类寻找新能源惟一明智的做法。然而，这种新技术实际上已被和正在被人类所利用，即生物技术创造能源。一、微生物技术与石油开采1、1微生物培养技术在勘探石油上的运用1937年，地质科学工作者在进行直接分析底土(原生风化土)中的烃含量(气测法)，并用于判断地下油气的储存量时，发现油区底土中的重烃含量与季节变化存在一定联系。这种依季节而变的起因是由于微生物活动引起的。因而提出了油气田中的气态烃可借扩散方式抵达地面，及地表底土中存在能利用气态烃为碳源的微生物等看法。此外，这些菌在土壤中的含量与底土中的烃浓度存在对应的关系，所以可作为勘探地下油气田的指示菌。从20世纪40年代到60年代期间，随着微生物培养技术及菌数测定方法的不断改进，利用微生物勘探石油这项技术得到迅速发展。美国、前苏联、捷克斯洛伐克、波兰、匈牙利和日本等国家都用。1957年有人报道，用微生物勘探确认的16个油矿中，其中有13个有开采价值的油气田及3个无开采价值的油气田，油气区准确率100%。近十几年来，虽然随着计算机应用的普及和先进的分析技术不断地涌现，勘探石油的技术也随之日益更新且准确率不断地提高，但利用微生物勘探石油这一项生物工程技术仍是一项行之有效的辅助性并具有科学性的技术。1．2微生物发酵工程在二次采油中的运用利用微生物采油也是二次采油的重要技术之一。微生物采油的目的是利用微生物发酵工程技术进一步获得更多的石油开采量，其开采的基本要点是：利用微生物能在油层中发酵并产生大量的酸性物质及H2、C02及CH4等气体的生理特点。微生物产气可增加地层压力，提高采油率。而且微生物产生的酸性物质可溶于原油中，降低原油的黏度，使原油能从岩层缝隙中流出而聚集，便于开采。此外，微生物还可产生表面活性剂，降低油水的表面张力，把高分子碳氢化合物分解成短链化合物，使之更加容易流动，避免堵住油井输油通道。例如，磺弧菌属和梭状芽胞杆菌属中的许多微生物能在油层上生长繁殖，它能代谢产生一定量的酸及H2、C02等气体，改善油层的黏度及增加气压，从而使油田中剩余的油继续向上喷。试验结果表明，微生物技术处理后的采油量可提高20％～25％，有时甚至高达30％～34％。美国德克萨斯州一口40年井龄的油井中，加入蜜糖和微生物混合物，然后封闭，经细菌发酵后，井内压力增加，出油量提高近5倍。澳大利亚联邦科学研究院和工业研究所组织的地学勘探部也曾利用细菌发酵工艺使油井产量提高近50％，并使增产率保持了一年。英国某公司也曾在英格兰南部的石油开发区中用细菌发酵技术使产油率提高近20％。 1．3微生物分子生物学在三次采油中的运用在三次采油工艺中，主要是利用微生物分子生物学技术，来构建能产生大量C02和甲烷等气体的基因工程菌株或选育能提高产气量的高活性菌株，把这些菌体连同它们所需的培养基一起注入到油层中，目的是让这些工程菌能在油层中不仅产生气体增加井压，而且还能分泌高聚物，糖酯等表面活性剂，降低油层表面张力，使原油从岩石中、沙土中松开，黏度减低，从而提高采油量。据资料报道，英国科学家已获得一株能在92℃的H2、C02环境下生存的厌氧菌。这种细菌能够在油层深部、温度较高、压力较大的原油中生长，为进一步开采油田深部区域的原油提供新的技术。二、未来石油的替代物—乙醇（发酵工程的运用）乙醇替代汽油的例子并不是一件新鲜事。早在第二次世界大战期间，欧洲就曾用混有少量甲醇的乙醇作为摩托车的燃油。一些发达国家也种植一些适合其本国气候的燃料农作物。像澳大利亚、美国、瑞士和法国，也开始利用大量农作物剩余物及森林的废弃物发酵乙醇。1987年，美国用玉米作原料发酵生产大约3万亿升的乙醇，到1989年已达到32万亿升乙醇产量。此外，根据有关研究报道，用乙醇来代替汽油的作法还有许多间接好处。如把乙醇加入到汽油中，可消除对十四乙基化合物的需求，这种做法很显然对减缓地球升温起到积极的作用。此外，用乙醇发动机作为动力机，消耗的乙醇燃料所排出的CO、碳氢化合物和氧化氮含量，比使用汽油发动机所排放出的量分别减少57％、64％及13％。因而可知，使用乙醇燃料不仅仅起着替代石油的作用，而且对环境保护也起到积极的作用。乙醇发酵和操作实际上是一种相当传统的工艺，因而一直被人们认为是人类首次从事微生物发酵工艺的典例之一。乙醇发酵所需的原材料可选用蔗糖或淀粉，发酵所需的微生物主要是酵母菌。酵母菌含有丰富蔗糖水解酶和酒化酶。蔗糖水解酶是胞外酶，能将蔗糖水解为单糖(葡萄糖、果糖)。酒化酶是胞内参与乙醇发酵的多种酶的总称，单糖必须透过细胞膜进入细胞内，在酒化酶的作用下进行厌氧发酵并转化成乙醇及C02，而后乙醇及C02通过细胞膜被排出体外。通常乙醇发酵所需的原料依所使用的菌株而定。己糖发酵所用的菌株主要是酵母菌，可进行发酵的己糖是葡萄糖，另外果糖、甘露糖及半乳糖也能被利用。一般认为半乳糖比另外三种糖更难发酵。如果是用淀粉类的多糖，则必须先水解成单糖后才能被发酵。淀粉的糖化通常是利用米曲霉或黑曲霉，糖化后再接种酵母菌进行酒精发酵。酵母菌发酵乙醇的生化过程是采用厌氧途径。在工业发酵上常用的菌株有：啤酒酵母(S．cereuisiae)中的德国1号和12号及台湾3％号、葡萄汁酵母(S．uvarum)等。三、植物石油植物界中有许多能产“石油”的植物。这些植物都是橡胶树的近缘，所含的汁液不仅丰富，而且有较高比例的碳氢化合物，如对这些液汁进行适当地加工后，可与汽油混合作为动力机的燃料。据有关专家推论，假如全球的1/3沙漠和旱地都种上“石油树”，则所生产的“石油”就可完全满足人类对能源的需求。如美洲的牛奶树、三角大戟、巴西的比巴、律宾和马来西亚的银合欢树。此外，一些油类植物和藻类植物也可用来生产汽油。 近期，在欧洲用改良的油菜种子油作为一种内燃机燃料的替代物，并获得相当可观的利润。法国、意大利是使用以植物油料为燃料的内燃机的先驱，法国侧重于使用该内燃机在农业生产，而意大利侧重于使用该内燃机在环境保护方面，德国则对上述两方面的使用均采纳并相当重视。早期，英国《新科学家》曾报道，美国设在科罗拉多州的太阳能研究所用一个直径20m的池塘养殖藻类，年产藻4吨多，可产油3000多升。目前，这个研究组正从分子生物学角度，开发能产更多的油脂类的藻类，研究目标是想在2010年前，用藻类生产的汽油能提供美国机动车所用燃料总量的8％～10％。甲烷的使用已不再新鲜，它主要来自于天然的湿地、稻根及动物的肠道内发酵而释放的，家养的牲畜是动物释放甲烷的主要来源。我国是沼气生产量最大的国家，生产量高达7X106生物气单位，相当于2．2X107吨煤的能量。如按目前国内物价分析，在农村建造一个粪便发酵池来生产沼气供家庭使用的造价，很可能会低于一辆自行车的价格。据报道国内农村正在使用的厌氧发酵反应器(沼气池)超过500万个。