生物技術對人類生活能源方面的影響

1、生物技術對人類生活能源方面的影響 夕法尼亞大學研究人員設計出以甲烷等碳氫化合物為燃料的新型電池，其成本大大低于以氫為燃生命科學是研究生命現(xiàn)象、生命活動的本質、特征和發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，以及各種生物之間和生物與環(huán)境之間相互關系的科學。用于有效地控制生命活動，能動地改造生物界，造福人類生命科學與人類生存、人民健康、經濟建設和社會發(fā)展有著密切的關系，是當今在全球范圍內最受關注的基礎自然科學。生物科學對人類有著巨大的影響，包括人類的健康、能源、環(huán)境等方面。以下主要談談生物技術對人類能源方面的影響。隨著人類大量使用礦物燃料帶來的環(huán)境問題日益嚴重，開發(fā)新的能源來代替這些嚴重污染環(huán)境的能源以及開發(fā)一些低成本的低

2、污染能源是時代一個重要的課題。下面是現(xiàn)如今生物技術在開發(fā)新能源方面取得的成就。一、 發(fā)展新型燃料電池燃料電池是使用氣體燃料（如氫、甲烷等）與氧氣直接反應產生電能，其效率高、污染低，是一種很有前途的能源利用方式。傳統(tǒng)的燃料電視使用氫為燃料，氫不僅難以制取，而且還難以存儲。以至于燃料電池的成本居高不下。美國賓料的傳統(tǒng)燃料電池。研究人員曾嘗試用便宜的有關碳氫化合物為燃料，但化學反應的“殘渣”很容易積聚在鎳制的電池正極上導致斷路，而使用銅和陶瓷的混合物制造電池正極，解決了“殘渣”積聚問題。新研制的燃料電池可用甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等5種碳氫化合物做燃料源，可以通過微生物發(fā)酵途徑生產甲烷等碳氫化合

3、物，成為研制新型燃料電池較為豐富而廣泛的原料來源。目前這種新型燃料電池的能量轉換效率還較低，有待進一步研究改進提高。 二、 開發(fā)軍民兩用的生物能源不論軍用的兵器如機動裝備大部分，或是民用的汽車等交通工具均以汽油、柴油為燃料，若用氫氣作燃料更為理想，其特點：（1）潔凈，不污染環(huán)境；（2）熱效率高，約是汽油的3倍；（3）生物制取氫氣有潛力。正因為如此，充分利用生物技術生產氫氣將大有可為。如用一種紅假單胞（Rhodopseudomonassp ）為生產菌，以淀粉為原料生產氫氣取得良好效果，每消耗1克淀粉可產氫氣1毫升。用氫和其他少量燃料混合可替代汽油、柴油。乙醇也是一種潔凈生物燃料，用途廣泛，可用來

4、替代汽油和柴油。日本、加拿大等國家用基因技術建構的“工程酵母”以其高產酶的活力，酶解纖維素制取乙醇；也有建構的“工程大腸桿菌”能將葡萄糖有效地轉化成乙醇；這類乙醇均可替代汽油或柴油使用，隨時為機動裝備提供大量生物燃料。其實，產氫、產乙醇的生物不僅有細菌或“工程菌”，而且某些藻類或其他微生物均有生產氫或乙醇的能力。美國加州大學等研究人員發(fā)現(xiàn)一種叫萊因哈德衣藻（Chlamydomonasreinhadtii ）的綠藻（真核生物）具有持續(xù)大量產氫能力。關鍵在于控制其生長環(huán)境，從生長營養(yǎng)液中去除硫素，在此情況下藻體停止了光合作用、不產氧；在無氧條件下藻體必須以其它途徑產生腺茸三磷酸酯維所需要的能量，利

5、用所貯存的能源以實現(xiàn)其最終產氫的目的。一般說，這種天然藻產氫量很低，為此，一方面控制其生長所必需的或障礙生長的關鍵因素；另一方面，采用分子遺傳技術改造藻的特性，以提高其產氫能力。由此可見，充分利用各種生物開發(fā)軍民兩用的潔凈生物能源是有潛力的。三、 微型綠藻是索取氫能的最廉價途徑上面已提到綠藻和微生物產氫途徑，這里強調微型綠藻制取氫氣的前景，科學家預測，當石油和天然氣耗盡時，氫氣也許是一種較為理想的能源。關鍵在于找到一種廉價產氫的方法。有專家認為，利用普通池塘綠藻的產氫能力或許是個最實際的選擇-經濟實用，分布廣。綠藻這種微型低等植物繁殖快，全世界到處都有它的分布，它在有水、陽光的條件下具有制造氫

6、氣的能力。在人工控制下可迫使綠藻按要求生產氫氣，有實驗研究報告指出，一升綠藻培養(yǎng)液每小時可產氫3毫升，還需進一步提高它的產氫效率。注意兩點：（1）運用基因工程技術改進這種產氫系統(tǒng)，有可能使氫氣產量增加10倍或更高些；（2）細胞固定化技術的應用，有可能提高微型綠藻持續(xù)產氫能力。在德國、加拿大、日本等國家為實現(xiàn)“潔凈氫能源”的開發(fā)計劃，積極建立“產氫藻類農場”，為實現(xiàn)氫能源規(guī)模生產做出巨大努力。加拿大已建成每天生產液態(tài)氫10噸的工廠；日本把產氫藻和光合細菌的高效產氫列為研究重點，將研制用于火箭發(fā)動機使用的冰糕狀“脂膏氫”，以提高火箭發(fā)射推力。美國期望到2030年把氫能源作為美國一種主要能源。看來，

7、微型綠藻和光合微生物生產氫能源將大有開發(fā)之勢。四、 充分利用有機垃圾或有機廢水為原料生產氫能源日本北里大學研究人員用生活垃圾制取氫氣取得良好效果，產率頗高，可將氫氣不僅直接作潔凈能源使用，而且為燃料電池的開發(fā)提供優(yōu)質原料，更為經濟實用，具有潛在的開發(fā)優(yōu)勢。研究人員選用一種厭氧性細菌即一種“梭菌”AM21B菌株，與加水研碎的剩菜、魚骨等生活垃圾混合在一起，于37下發(fā)酵生產氫氣，所得實驗結果表明，每1公斤生活垃圾可獲49升氫氣；制氫后所余下的生活垃圾呈糊狀，無臭味，可進一步實現(xiàn)資源化，使之成為農田有機肥料如堆肥。據稱，日本研究人員為制取氫氣的生活垃圾可循環(huán)利用，還研制新型“發(fā)酵設備”更有利于提高生

8、活垃圾制氫效力。我國哈爾濱建筑大學研究人員已建立以厭氣活性污泥為原料的有機廢水經微生物發(fā)酵法生產氫的技術。有幾個特點：（1）發(fā)酵法未采用純菌種；（2）未用細胞固定化技術可持續(xù)產氫；（3）制氫系統(tǒng)工藝運行穩(wěn)定；（4）所獲氫的純度高；（5）制取氫的產率比國外同類的小試驗高幾十倍。目前已進入中試規(guī)模的連續(xù)產氫，其量可達每立方米產氫為5.7立方米，純度達到99。有望進入工業(yè)化生產，為氫能源的開發(fā)提供一條可行的生物途徑。五、以CO2廢氣為原料開發(fā)新能源來源廣泛的CO2既是重要溫室氣體之一，也是化工原料，當CO2的釋放與吸收未達到動態(tài)平衡時必然給生態(tài)環(huán)境產生不良后果。為此，CO2作為一類廢氣如何進一步轉化

9、，實現(xiàn)資源化的研究有著重要意義。其中將其實現(xiàn)能源化是值得注意的研究課題。至少可采用化學方法和生物方法使CO2轉化能源。（一）、化學方法利用催化劑：用高效催化劑沸石，約99%的活性鋁顆粒表面吸附銠、錳，按CO2與氧的比例為14，300、1個大氣壓條件下，至少90%的CO2可轉化為甲烷，若10個大氣壓時，其轉化率可達100%。當然也有一個降低氫、銠的成本問題。所獲得的甲烷不僅提供能源和化工原料，同時包括CO2在內減輕溫室效應發(fā)生帶來好處。（二）、生物方法利用藻類：前面已提到藻類特別是那些微型單細胞藻不論是原核的或是真核的，它們是吸收CO2進行光合作用生產綠色新能源最有效途徑。大量微型藻增殖過程中充

10、分利用CO2，在光照條件下合成有機物將太陽能儲存起來，其藻體生物量稱得上是個巨大的“儲能庫”，因此，將其制作固體燃料或者說干燥燃料是可行的，英國將它用于發(fā)電；也可用各類藻體包括海藻在內的生物量為原料，通過發(fā)酵途徑制取甲烷及其它能源；微型藻細胞固定化連續(xù)產氫能也是可取的。正因為各種藻類所表現(xiàn)特定功能，既是“儲能庫”，又是“供能庫”，從中可獲取所需要的潔凈能源。因此有專家預計，利用CO2制造生物能源特別是氫能將是本世紀大有希望而較為理想的能源供應。六、微生物發(fā)酵生產乙醇大有可為乙醇俗稱酒精，既用于醫(yī)藥、化工，又是未來要發(fā)展的一類無污染的潔凈能源，也是重要再生能源之一，具有燃料完全、效率高、無污染等

11、特點。用它稀釋汽油所配制成“乙醇汽油”，替代含鉛汽油，功效可提高15左右。據報道，巴西已改裝“乙醇汽油”或酒精為燃料的汽車達幾十萬輛，大大減少大氣污染。既然乙醇用于汽車燃料顯示其優(yōu)越性，那么如何采用最佳途徑來生產乙醇呢？其中采用最經濟而實用的辦法制取乙醇有兩方面值得認真考慮：一是利用廢棄的農業(yè)秸稈為原料生產燃料乙醇；二是培植綠藻生產乙醇。就前者而言，秸稈在全球是一類量大面廣的作物廢棄物，我國每年有6.5億噸秸稈的產出，直接燃燒污染環(huán)境，如果利用這些秸稈哪怕是一部分生產燃料乙醇的話，那是一件利國利民的事，有利于保護生態(tài)環(huán)境。如果利用乙醇作為汽油添加劑來代替現(xiàn)用的含鉛汽油添加劑-甲基叔丁基醚（MT

12、BE ）的話，那么不論是改造汽油提高效率或是保護生態(tài)環(huán)境是非常有益的，很有商業(yè)潛力。2年前在美國燃料用乙醇達413萬-586萬噸，約占美國乙醇消費量的83-87；目前我國燃料乙醇生產及市場都是空白。然而，乙醇作為一種有效的汽油含氧添加成分是有其優(yōu)越性的，在美國，有8的含氧物汽油中所添加的含氧物是乙醇，而現(xiàn)在MTBE 的替代物只有乙醇。有報道指出，美國加州至少有1萬處地下水受到滲漏的MTBE 污染，全美國則有14的飲水井被污染，而MTBE 是動物的致癌物，對人體健康也有潛在的危害。政府一方面禁止汽油中使用MTBE 添加劑；另一方面積極發(fā)展乙醇作為其替代物的生產。美國加州一個州在今后2年每天需要乙

13、醇達3.5萬桶（注：美制1桶315加侖），5年后需求量將為9.5萬桶。為此，美國的乙醇生產商已在擴大乙醇的生產能力；無疑，MTBE 的禁用給乙醇工業(yè)帶來無限商機。從此也可以看出，把握開發(fā)燃料乙醇的商機正是發(fā)展綠色新能源的必需。在我國，有條件，有能力，也有技術充分利用廢棄的各類秸稈實現(xiàn)資源化或能源化是完全可能的。每年只要從6.5億噸秸稈中利用1億噸來生產燃料乙醇的話，那么乙醇產量可達2000萬噸。據有關專家對其經濟評估，認為以秸稈為原料生產乙醇的成本低于用糧食發(fā)酵生產乙醇的成本；而高于煉油廠生產汽油的成本，但與汽油添加劑MTBE 相比更顯示其競爭力。盡管秸稈生產燃料乙醇有它一定特色和優(yōu)越性，但對其生產工藝和效力尚需作進一步探究。至于綠藻制取乙醇與傳統(tǒng)微生物發(fā)酵途徑生產乙醇是大不相同的。綠藻是一類自養(yǎng)型真核生物，其中如單細胞小球藻用來開發(fā)新能源很有潛力。日本一家公司的研究小組從表層海水中獲得一種叫Tit 1的海藻新品種，類似小球藻（直徑約10m ），白天它與普通植物一樣在光照條件下將CO2轉化為淀粉貯藏起來，還能在弱光或厭氧條件下將淀粉轉化為乙醇，有其特點：不會造成環(huán)境污染，能吸收大氣中CO2，大大減輕