生微燃料不再與糧爭地

致遠

2012年，美國中西部遭遇的創紀錄高溫以及多年來最為嚴重的旱災，嚴重影響到了糧食產量，國際糧食政策研究所（IFPR I）警告，糧食價格暴漲，短期可能即將引爆一場全球糧食危機。而與之相隨的，是將生物燃料再次推上風口浪尖。

世界最大玉米生產國美國大約40%的玉米產量被用來制造乙醇，去年的美國大旱重啟了食品與生物燃料之間的斗爭，本已飽受詬病的生物能源再次引發關注。那么，除了要遭遇與人爭糧、與糧爭地的爭議，生物燃料未來的出路在哪里呢？隨著生物技術的不斷發展，最不起眼的微生物或許將解決這些難題。

生物燃料第三代

奧地利SAT公司巴西分公司宣布，全球首座以海藻為原料工業化生產生物燃料的工廠將于今年在巴西建成。這家企業將以藻類為原料生產生物燃料，利用生產乙醇過程釋放的二氧化碳加速藻類光合作用，整套設備耗資980萬美元，每年預計生產120萬升，目前這一項目有待巴西國家石油管理局批準。

藻類是一種浮游植物，幾乎在全球各種水體中都能見到它們的身影。藻類是一個大通稱，旗下種類豐富，類群繁多。按大小通常分為大藻和微藻，用于制備生物燃料的主要是微藻，其單細胞或絲狀體的直徑小于1毫米。在生態系統中，微藻作為能量轉化和碳元素循環中的關鍵一環，其作用舉足輕重。

微藻是一種初級生產者，像幾乎所有植物一樣，通過光合作用，生成產物，并將其轉化成小油滴在細胞內儲存起來。這一儲存效率還是相當高的，其中的一些微藻在某些特定條件下，積累油脂的能力令人刮目相看，甚至含油量能夠達到70%以上。而這部分油脂就是我們發展生物燃料的一個來源——科學家通過萃取、熱裂解等理化方法獲取微藻中的油脂成分，再通過化學反應轉酯化將其轉變為脂肪酸甲酯，這就是我們通常說的生物柴油了。因此，不論是理論還是實際操作，微藻確實是生產生物能源的一大原料。

早在1978年，美國能源部國家可再生能源實驗室（NREL）便極有遠見地啟動了利用微藻生產生物柴油的水生生物種計劃。后來，多國注意到了這一資源的巨大經濟意義和戰略重要性，紛紛加入其中。到了新世紀，隨著石油價格的一路大幅上揚，世界各國都在摩拳擦掌，期待利用小小的微藻來取代化石燃料，如日本在2009年就再次啟動了利用微藻生產生物能源的計劃。目前各國的總投入達到數百億美元。

利用微藻生產生物能源的優勢顯而易見，微藻生物量大，對生長的環境要求較低，像是大多數植物都無法生長的灘涂、鹽堿地、荒漠等極端惡劣的環境都可以進行大規模培養，而所需的水源也可以使用海水、鹽堿水和荒漠地區地下水等非耕地用水，這對于當前生物能源備受指責的主要問題——與農作物爭地、爭水來說，是一個很好的解決方案。

而且，微藻培養還可利用工業廢氣中的二氧化碳和氮氧化合物，有效緩解溫室氣體的排放，減少環境污染。因此微藻生產生物能源具有高效、清潔、環保等優勢，符合新能源的特點，具有廣闊的發展潛力和優勢。

合成生物學大有作為

近年來，合成生物學在新能源領域同樣是風生水起。《自然通訊》雜志報道，美國能源部下屬的聯合生物能源研究所（JBEI）的代謝工程項目團隊，使用合成生物學方法改造了大腸桿菌和一個釀酒酵母的菌株，使之可以生產沒藥烷的前體物沒藥烯。這一物質有潛力替代D2柴油，成為一種“綠色”的生物燃料。

項目相關負責人介紹，沒藥烷作為燃料使用有很多優點，因為其不僅具有與D2生物柴油幾乎相同的屬性，而且由于其特別的分支和循環化學結構得以具有更低的凍結點和濁點。以往，這一原料主要來源于植物，而且液態生物燃料也一直被認為有潛力替代汽油、柴油和航空煤油，但如今，對細菌進行修改使之大規模制造高級生物燃料成為更方便且性價比最高的方法。

與此同時，大名鼎鼎的克萊格·文特爾合成基因組公司與美國著名埃克森美孚公司簽訂了高達6億美元的合作協議，用于大面積商業化生產海藻燃料。文特爾計劃在海藻中加入使微生物產油最優化的基因，來生產物美價廉的可循環利用的燃料。

不過，傳統的生物燃料生產方式都有一個關鍵的限速步驟，那就是光合作用。無論是一代還是二代生物能源技術，大多數生物燃料能量都是源自植物通過光合作用所轉化的太陽能。像是初期玉米和甘蔗中的糖類物質，以及后來的秸稈中的纖維素，說到底，都是由植物本身進行光合作用將太陽能轉化為化學能而來的。光合作用對于植物本身來說必不可少，但遺憾的是，光合作用相對來說較為低效，這就導致了原料生產周期較長；想要獲取儲存在植物中能量物質來生成生物燃料，需要大量的加工步驟。

目前，美國加州勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家研發出一種高效的生產液體燃料的方法——電燃料。顧名思義，就是細菌等微生物直接利用電能而獲取能量生長，產生物燃料。

他們采用一種叫做Ralstonia eutropha的細菌，通過對細菌進行基因工程改造，讓其改變了自然狀態下的產能方式——自然界中的細菌以氫為能量來源，通過轉化二氧化碳合成有機物。科學家從工程大腸桿菌等其他細菌中引入生產中鏈甲基酮的代謝途徑，最終的代謝終產物十六烷就非常接近于傳統柴油了。不過這一研究目前尚處于實驗室階段，離應用還有一定距離。

改變爭糧窘境

生物燃料一直面臨著與人爭糧的爭議，似乎從誕生之日起就天然存在這樣一個致命的問題。最初是因為糧食作物用于生產生物燃料，也就是第一代生物燃料，如玉米和大豆等原料都是傳統的農產品，與人爭糧，與糧爭地，耗費了大面積土地并推動了食品價格，導致了人們對生物燃料的批評。

隨著第二代生物燃料的崛起，主要原料來源于非糧食作物，比如麥稈、草和木材等，這種燃料相對于第一代更高效更持續，對土地、肥料與水的需求都較小。但是這些優點也悄悄掩蓋了其潛在的危害。

當人們越發對生物能源重視，它也就越可能對土地資源和水資源產生更大的壓力，世界糧農組織對能源作物與糧食作物的爭地風險深感憂慮。而且，第二代生物能源退出田地后，可能在“環保”的光環下對脆弱的生態系統和生物多樣性產生巨大的影響——因為大量種植速生樹種對物種多樣的天然生態森林造成破壞。

近日世界自然基金會發布了題為《生物能源的潛在風險和潛在效益并存》的報告，稱如無適當的行動、目標和政策，發展生物能源就會演變出在“環保”名義下繼續破壞地球生態的惡果。這也難怪在英國推出“地溝油航班”時，有多名環保人士到機場舉行抗議。而且，種植玉米生產乙醇等生物燃料產生的溫室氣體，相對于化石燃料也不見得有顯著降低。另外，在作物的種植、能源的提煉和運輸等環節都需要消耗能源。

2012年的美國大旱重啟了食品與生物燃料之間的斗爭——今年美國玉米產量與僅僅一個月前的預測相比下降了17%，與去年的產量水平相比下降了13%，每公頃產量可能是17年以來新低。玉米價格已經達到了創紀錄的水平。而且玉米也是動物飼料的主要組成部分，因此，肉類、牛奶和雞蛋價格也有望攀升。

如今美國玉米產量的至少四分之一被制成了乙醇，作為燃料使用。這已成為政府的強制要求并有所增強。但糧農組織負責人何塞·格拉齊亞諾·達·席爾瓦在《金融時報》上撰文呼吁“立即暫時中止”這一政府強制要求。席爾瓦表示，這樣更多的美國玉米產量就能用于食品或飼養牲畜。美國畜牧行業也督促國會暫停要求在汽油中添加乙醇的法律。

可以說，生物燃料一直處于爭論的漩渦當中，不過，隨著新技術的研發，生物燃料面臨的窘境或許將得以解決，甚至真正迎來商業化的春天。