現(xiàn)代生物技術與能源.doc

現(xiàn)代生物技術與能源2008231221 黃芳芳21世紀所面臨的最大難題及困境可能不是戰(zhàn)爭及食品，而是能源。因為目前整個人類發(fā)展和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，幾乎都是依賴于這些很有限的化石能源。隨著地球上化石能源的不斷耗盡，尋找、改善及提高可再生能源利用率和發(fā)明創(chuàng)造新技術以最大限度地開采不可再生能源的做法很可能是今后幾十年內(nèi)人類從地球上獲取能源的有效舉措。雖然以水力、潮汐、風力為動力的發(fā)電設備及太陽能捕獲器、地熱已為人類提供一定的能源，但離人類對能源的需求還相差甚遠。設法利用新技術創(chuàng)造更多的能源并代替不可再生的化石燃料，用于滿足人類生存的需求，也將是人類尋找新能源惟一明智的做法。然而，這種新技術實際上已被和正在被人類所利用，即生物技術創(chuàng)造能源。 一、 微生物技術與石油開采1、1 微生物培養(yǎng)技術在勘探石油上的運用 1937年，地質(zhì)科學工作者在進行直接分析底土(原生風化土)中的烴含量(氣測法)，并用于判斷地下油氣的儲存量時，發(fā)現(xiàn)油區(qū)底土中的重烴含量與季節(jié)變化存在一定聯(lián)系。這種依季節(jié)而變的起因是由于微生物活動引起的。因而提出了油氣田中的氣態(tài)烴可借擴散方式抵達地面，及地表底土中存在能利用氣態(tài)烴為碳源的微生物等看法。此外，這些菌在土壤中的含量與底土中的烴濃度存在對應的關系，所以可作為勘探地下油氣田的指示菌。從20世紀40年代到60年代期間，隨著微生物培養(yǎng)技術及菌數(shù)測定方法的不斷改進，利用微生物勘探石油這項技術得到迅速發(fā)展。美國、前蘇聯(lián)、捷克斯洛伐克、波蘭、匈牙利和日本等國家都用。1957年有人報道，用微生物勘探確認的16個油礦中，其中有13個有開采價值的油氣田及3個無開采價值的油氣田，油氣區(qū)準確率100%。近十幾年來，雖然隨著計算機應用的普及和先進的分析技術不斷地涌現(xiàn)，勘探石油的技術也隨之日益更新且準確率不斷地提高，但利用微生物勘探石油這一項生物工程技術仍是一項行之有效的輔助性并具有科學性的技術。 12 微生物發(fā)酵工程在二次采油中的運用 利用微生物采油也是二次采油的重要技術之一。微生物采油的目的是利用微生物發(fā)酵工程技術進一步獲得更多的石油開采量，其開采的基本要點是：利用微生物能在油層中發(fā)酵并產(chǎn)生大量的酸性物質(zhì)及H2、C02及CH4等氣體的生理特點。微生物產(chǎn)氣可增加地層壓力，提高采油率。而且微生物產(chǎn)生的酸性物質(zhì)可溶于原油中，降低原油的黏度，使原油能從巖層縫隙中流出而聚集，便于開采。此外，微生物還可產(chǎn)生表面活性劑，降低油水的表面張力，把高分子碳氫化合物分解成短鏈化合物，使之更加容易流動，避免堵住油井輸油通道。例如，磺弧菌屬和梭狀芽胞桿菌屬中的許多微生物能在油層上生長繁殖，它能代謝產(chǎn)生一定量的酸及H2、C02等氣體，改善油層的黏度及增加氣壓，從而使油田中剩余的油繼續(xù)向上噴。試驗結(jié)果表明，微生物技術處理后的采油量可提高20 25，有時甚至高達3034。 美國德克薩斯州一口40年井齡的油井中，加入蜜糖和微生物混合物，然后封閉，經(jīng)細菌發(fā)酵后，井內(nèi)壓力增加，出油量提高近5倍。澳大利亞聯(lián)邦科學研究院和工業(yè)研究所組織的地學勘探部也曾利用細菌發(fā)酵工藝使油井產(chǎn)量提高近50，并使增產(chǎn)率保持了一年。英國某公司也曾在英格蘭南部的石油開發(fā)區(qū)中用細菌發(fā)酵技術使產(chǎn)油率提高近20。 13 微生物分子生物學在三次采油中的運用 在三次采油工藝中，主要是利用微生物分子生物學技術，來構(gòu)建能產(chǎn)生大量C02和甲烷等氣體的基因工程菌株或選育能提高產(chǎn)氣量的高活性菌株，把這些菌體連同它們所需的培養(yǎng)基一起注入到油層中，目的是讓這些工程菌能在油層中不僅產(chǎn)生氣體增加井壓，而且還能分泌高聚物，糖酯等表面活性劑，降低油層表面張力，使原油從巖石中、沙土中松開，黏度減低，從而提高采油量。據(jù)資料報道，英國科學家已獲得一株能在92的H2、C02環(huán)境下生存的厭氧菌。這種細菌能夠在油層深部、溫度較高、壓力較大的原油中生長，為進一步開采油田深部區(qū)域的原油提供新的技術。 二、未來石油的替代物乙醇（發(fā)酵工程的運用）乙醇替代汽油的例子并不是一件新鮮事。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，歐洲就曾用混有少量甲醇的乙醇作為摩托車的燃油。一些發(fā)達國家也種植一些適合其本國氣候的燃料農(nóng)作物。像澳大利亞、美國、瑞士和法國，也開始利用大量農(nóng)作物剩余物及森林的廢棄物發(fā)酵乙醇。1987年，美國用玉米作原料發(fā)酵生產(chǎn)大約3萬億升的乙醇，到1989年已達到32萬億升乙醇產(chǎn)量。此外，根據(jù)有關研究報道，用乙醇來代替汽油的作法還有許多間接好處。如把乙醇加入到汽油中，可消除對十四乙基化合物的需求，這種做法很顯然對減緩地球升溫起到積極的作用。此外，用乙醇發(fā)動機作為動力機，消耗的乙醇燃料所排出的CO、碳氫化合物和氧化氮含量，比使用汽油發(fā)動機所排放出的量分別減少57、64及13。因而可知，使用乙醇燃料不僅僅起著替代石油的作用，而且對環(huán)境保護也起到積極的作用。 乙醇發(fā)酵和操作實際上是一種相當傳統(tǒng)的工藝，因而一直被人們認為是人類首次從事微生物發(fā)酵工藝的典例之一。乙醇發(fā)酵所需的原材料可選用蔗糖或淀粉，發(fā)酵所需的微生物主要是酵母菌。酵母菌含有豐富蔗糖水解酶和酒化酶。蔗糖水解酶是胞外酶，能將蔗糖水解為單糖(葡萄糖、果糖)。酒化酶是胞內(nèi)參與乙醇發(fā)酵的多種酶的總稱，單糖必須透過細胞膜進入細胞內(nèi)，在酒化酶的作用下進行厭氧發(fā)酵并轉(zhuǎn)化成乙醇及C02，而后乙醇及C02通過細胞膜被排出體外。通常乙醇發(fā)酵所需的原料依所使用的菌株而定。己糖發(fā)酵所用的菌株主要是酵母菌，可進行發(fā)酵的己糖是葡萄糖，另外果糖、甘露糖及半乳糖也能被利用。一般認為半乳糖比另外三種糖更難發(fā)酵。如果是用淀粉類的多糖，則必須先水解成單糖后才能被發(fā)酵。淀粉的糖化通常是利用米曲霉或黑曲霉，糖化后再接種酵母菌進行酒精發(fā)酵。酵母菌發(fā)酵乙醇的生化過程是采用厭氧途徑。在工業(yè)發(fā)酵上常用的菌株有：啤酒酵母(Scereuisiae)中的德國1號和12號及臺灣3號、葡萄汁酵母(Suvarum)等。三、植物石油植物界中有許多能產(chǎn)“石油”的植物。這些植物都是橡膠樹的近緣，所含的汁液不僅豐富，而且有較高比例的碳氫化合物，如對這些液汁進行適當?shù)丶庸ず螅膳c汽油混合作為動力機的燃料。據(jù)有關專家推論，假如全球的1/3沙漠和旱地都種上“石油樹”，則所生產(chǎn)的“石油”就可完全滿足人類對能源的需求。如美洲的牛奶樹、三角大戟、巴西的比巴、律賓和馬來西亞的銀合歡樹。此外，一些油類植物和藻類植物也可用來生產(chǎn)汽油。近期，在歐洲用改良的油菜種子油作為一種內(nèi)燃機燃料的替代物，并獲得相當可觀的利潤。法國、意大利是使用以植物油料為燃料的內(nèi)燃機的先驅(qū)，法國側(cè)重于使用該內(nèi)燃機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而意大利側(cè)重于使用該內(nèi)燃機在環(huán)境保護方面，德國則對上述兩方面的使用均采納并相當重視。早期，英國新科學家曾報道，美國設在科羅拉多州的太陽能研究所用一個直徑20m的池塘養(yǎng)殖藻類，年產(chǎn)藻4噸多，可產(chǎn)油3000多升。目前，這個研究組正從分子生物學角度，開發(fā)能產(chǎn)更多的油脂類的藻類，研究目標是想在2010年前，用藻類生產(chǎn)的汽油能提供美國機動車所用燃料總量的810。 甲烷的使用已不再新鮮，它主要來自于天然的濕地、稻根及動物的腸道內(nèi)發(fā)酵