未來的能源來自“牛胃”？

科學家根據蝙蝠的超聲定位原理發明了雷達，根據螢火蟲的發光原理發明了人工冷光，人類在仿生學領域已經取得了一系列成果。同樣，基于瘤胃消化系統，我們照樣可以開發出高效厭氧反應器。

近年來，隨著能源危機與環境污染的日益加劇，以生物天然氣為代表的可再生能源無疑是未來能源發展的趨勢。德國計劃在2020年將徹底關閉其境內的全部核電站，進行能源戰略轉型，到2050年前，可再生能源使用比例將提高到能源總使用量的80%。瑞典生物天然氣在2050年前后將全部取代天然氣，理論年產量100億立方米。我國對生物天然氣的發展也提出了明確的中長期發展規劃，到2020年，生物天然氣年利用量達到440億立方米，到2030年達到500億立方米。

生物天然氣，也稱生物燃氣，是指由生物質轉化而來的燃氣，包括沼氣、合成氣和氫氣。目前只有沼氣生產具有成本優勢，所以一般意義上所說的生物燃氣主要是指沼氣。沼氣的生產過程并不復雜，有機物在隔絕氧氣的條件下，經過微生物厭氧發酵，最終可轉化為主要含有甲烷與二氧化碳的混合氣體，該混合氣體具有較高的熱值，是一種清潔的可再生能源。

其實厭氧發酵技術的歷史在我國源遠流長，從杜康釀酒算起，已經有幾千年的歷史了，但真正將其應用到工程領域，還不到200年。目前厭氧技術在污水處理領域已經取得巨大成功，但在秸稈等有機廢物領域依然進展緩慢，單位容積單位時間的處理能力還不及污水處理的10%。

當科學技術遇到瓶頸時，大自然往往能給出開創性的啟發，反芻動物的瘤胃就是其中之一。反芻動物的瘤胃是自然界中一種針對有機物料的高效厭氧反應器，其單位容積單位時間的處理能力是現有技術的20倍以上。以牛的瘤胃為例，秸稈等飼料在牛體內經過一系列復雜的生物化學反應，短短幾個小時就可發生降解，被牛體吸收，最終轉化為牛肉、牛奶等產品，因此基于瘤胃消化系統開發一種高效的瘤胃仿生反應器具有重大意義。

眾所周知，人類一般只能以糖類、蛋白質、脂肪含量較高的食物為食，無法對纖維素、半纖維素進行消化，而牛等反芻動物則可以以纖維素、半纖維素含量較高的秸稈為食，這是因為二者消化系統存在巨大的差異。人類只有一個胃，而牛有四個，分別為瘤胃、網胃、瓣胃和皺胃，其中瘤胃中含有大量種類繁多的瘤胃微生物。食物在人體消化道內的消化主要靠消化腺分泌各種消化酶并發生相應的酶促反應，最終轉化為可吸收的小分子有機物；而在牛體內，飼料是在瘤胃微生物的作用下進行厭氧發酵轉化為小分子有機酸進而被牛體吸收的，這些瘤胃微生物與牛體形成了一個長期穩定的互利共生關系。

科學家根據蝙蝠的超聲定位原理發明了雷達，根據螢火蟲的發光原理發明了人工冷光，人類在仿生學領域已經取得了一系列成果。同樣，基于瘤胃消化系統，我們照樣可以開發出高效厭氧反應器。

瘤胃中真正起發酵作用的是瘤胃微生物，那么是不是只要接種瘤胃微生物到體外培養就可以實現高效發酵了呢？其實不然，許多科學家已經做過這樣的嘗試，接種初期發酵效果確實較好，但隨著時間的推移，發酵效果越來越差，這是因為體外培養環境不適合瘤胃微生物的生長，微生物群落開始退化，活性開始降低。由此，進行瘤胃仿生研究的關鍵不是接種瘤胃微生物進行體外培養，而是建立類似于瘤胃內環境的外界環境與反應條件，從而形成類似于瘤胃微生物的微生物群落，進而表現出瘤胃微生物的高活性。

傳統發酵過程中，pH一般處于相對恒定的狀態，而瘤胃內的pH長期處于5.5～6.8左右的酸性-中性動態變化狀態。在中性條件下，纖維素等物質的水解率相對較高，但是產物揮發酸消耗速率也相對較高；在酸性條件下，產物揮發酸消耗速率會下降，但是纖維素等物質的水解率也會降低。因此在恒定pH條件下，無法解決高水解率與高產物揮發酸消耗速率這一不可調和的矛盾。但是在瘤胃中這種動態變化的pH條件下，飼料水解率不會受到明顯影響，同時產物消耗速率可大幅度降低，進而提高了揮發酸產率。

傳統發酵過程中，溫度一般為常溫、中溫（35℃）與高溫（55℃），而瘤胃內的溫度一般為38.5～39.5℃。研究表明，秸稈等木質纖維素化合物發酵過程的限速步驟——水解過程的最適溫度為39℃左右，在39℃時，秸稈等木質纖維素化合物厭氧發酵全過程的速率最高。

傳統發酵過程中，厭氧反應器內容易出現酸積累現象，過多的酸積累會對水解、產甲烷過程產生一定的抑制作用，如不及時解除酸抑制，輕者影響正常生產進度，重者需要清理反應器重新發酵。令人稱奇的是，盡管瘤胃在遠遠高于傳統厭氧反應器的負荷條件下工作，但是很少出現酸抑制的現象，這是因為牛體擁有精確的自我調控系統。當瘤胃中酸濃度升高、pH下降時，一方面瘤胃通過上皮細胞加大對酸的吸收，及時排出瘤胃中過量的酸；另一方面牛體會分泌大量的具有較強緩沖作用的中性唾液進入瘤胃，從而提高瘤胃內pH、解除酸抑制。

反芻是牛等反芻動物的一種特殊生理現象。反芻對發酵有兩個好處：一方面通過再次咀嚼將食物破碎，方便后續微生物的發酵；另一方面經過初步發酵的食物再次逆嘔到口腔中接觸空氣，使發酵處于微氧的環境。傳統厭氧反應器一般采用完全厭氧的環境，這有利于產甲烷，但是不一定有利于水解過程。研究發現，微量的氧氣可強化水解過程，發酵中間通入一定量的氧氣可提高發酵效率。

傳統發酵過程一般分為干發酵與濕發酵，瘤胃中的發酵長期處于干濕交替的狀態，該狀態是通過瘤胃的蠕動實現的。隨著瘤胃有節率地蠕動，收縮時，食糜中的瘤胃液被擠壓出去，食糜處于相對“干”的狀態（含固率>20%），而舒張時，瘤胃液又回到食糜中，食糜處于相對“濕”的狀態（含固率<10%）。這樣干濕交替的狀態既保證了傳質效率，又節省了反應空間，兼顧了干發酵與濕發酵的優點。

與傳統發酵工藝相比，基于瘤胃消化系統開發的瘤胃仿生反應器極大地提高了發酵效率與速率，可以充分實現反應器小型化，減少占地面積與投資運營成本。

目前，瘤胃仿生反應器在青貯玉米、玉米秸稈、小麥秸稈等物料的發酵過程中已經取得了不錯的效果。牛等反芻動物的飼料包括谷物、牧草、秸稈等，那是不是瘤胃仿生反應器也只能用于這些物料的發酵呢？當然不是。瘤胃仿生反應器的開發思路源于瘤胃消化系統，但其應用領域卻不局限于牛的飼料。對于其他有機廢物，比如餐廚垃圾、畜禽糞便、城市污水處理廠剩余污泥等，只要對反應器的工藝參數進行一些調整，都可以得到較好的應用。

在未來，“牛胃”為人類提供能源，將不再是夢。

（孟堯系清華大學環境學院博士，王凱軍系清華大學環境學院副院長）