2010年7月,柳枝稷的全基因組圖譜測序完成,一篇學(xué)術(shù)論文低調(diào)地刊登在《科學(xué)》雜志上。雖然沒有像水稻基因組那樣的大量媒體報道和關(guān)注,但這項工作,卻可能是改變?nèi)祟惸芰揩@取方式的浩大工程的一個開端。
　　要糧食,還是要乙醇?
　　使用生物能源并不是什么新鮮事,世界上第一輛汽車的油箱里就裝滿了酒精。只是后來人們發(fā)現(xiàn)了石油,有了石油這種產(chǎn)量豐富、價格低廉并且可以提供強勁動力的燃料,酒精才無奈地離開了汽車油箱。如今,在經(jīng)歷了歷次石油危機和大規(guī)模環(huán)境污染事故之后,酒精再次在汽車發(fā)動機里找到了發(fā)揮熱度的空間。
　　汽油里面加乙醇也不是什么新鮮事了,越來越多的加油站開始提供乙醇。巴西有50%以上的燃料是生物乙醇,美國汽油中的乙醇添加量標(biāo)準(zhǔn)為10%,我國汽油中的乙醇添加量也在日益提高,已經(jīng)有9個省市的添加量達(dá)到了10%。
　　目前,獲取乙醇燃料,最常用的原料還是糖和淀粉。沒辦法,誰讓人類用糖(葡萄)制作的酒精有6000年歷史,而用淀粉(谷物)來釀酒也有2000年以上的歷史了。完整的工藝、成熟的發(fā)酵微生物、對各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的清晰認(rèn)識,使得建設(shè)一座供汽車喝的特供酒廠,變得輕車熟路。
　　但要種出能做成酒精的農(nóng)作物,前提是需要有充足的耕地,這在我國目前人口眾多的情況下,就像飄渺的美夢。截至2007年,我國的人均耕地面積已經(jīng)下降到了1.4畝,連世界人均耕地面積的1/3都夠不上。即便是最合理地使用生物乙醇,不造成任何浪費,也會造成對糧食供給的巨大壓力。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的統(tǒng)計,2006年農(nóng)產(chǎn)品價格指數(shù)增幅為8%,2007年增幅為24%,而2008年首季度已經(jīng)高達(dá)53%。雖然氣候等因素對這幾年糧價上漲起了一定作用,但燃料用糧食比率的增大,對于糧價的上漲無疑起了巨大的推動作用。
　　另外,只使用作物中的淀粉、蔗糖和油脂也是件奢侈的事情,畢竟在植物固定的能量物質(zhì)中,這些物質(zhì)只占10%-20%。如果是只滿足我們的飯碗,倒還可以去粗取精,但現(xiàn)在要灌滿油箱,這樣的粗放收獲顯然是不現(xiàn)實的。2006年全球種植玉米、甘蔗和油菜的耕地面積約為193萬公頃,按照每公頃生物燃料的平均產(chǎn)量,我們可以從這些農(nóng)田里收獲3.3億噸的生物燃料,不過這些在世界能源的餐桌上只能勉強地算作一道甜點,因為這只相當(dāng)于2007年世界原油產(chǎn)量的8%和同期世界能源消費的2.3%。
　　不僅如此,生物乙醇的生產(chǎn)也需要消耗大量能源,原料運輸、處理、純化都需要能源�？磥�,用糧食喂汽車的方案幾乎已經(jīng)走到了盡頭,我們必須尋找新的能源供給方式。
　　放棄淀粉吧,我們有纖維素
　　如果只利用植物中的淀粉和糖類,我們只能利用所有植物生產(chǎn)的能量的10%-20%,儲存著超過80%能量的秸稈、莖葉部分都得不到有效利用。因此,這也是目前新興的第二代生物燃料的開發(fā)方向。
　　植物秸稈、莖葉中的有效成分是纖維素。從化學(xué)成分上來講,纖維素和淀粉也是親兄弟,它們都是由葡萄糖合成,不過纖維素長鏈糾纏在一起形成緊密的植物纖維,這些纖維給植物枝葉提供了強力支撐,也給其中的能量打上了封印。
　　要想獲得纖維素乙醇,第一步就需要獲得純凈的纖維素。如果把植物比作鋼筋混凝土大廈,作為植物支撐系統(tǒng)的重要構(gòu)件,纖維素就像鋼筋。它們的外側(cè)還覆蓋著木質(zhì)素、半纖維這樣的混凝土。要想將纖維素抽出來使用,就需要將這些附屬物都去掉,這是生產(chǎn)纖維素乙醇的第一步,也是目前技術(shù)的瓶頸所在。
　　目前最常用的方法是用氫氧化鈉等堿液、或者稀酸來進行預(yù)處理,為了取得更好的效果,有些地方還將預(yù)處理在高壓下進行――這個過程被形象地稱為“爆破”。可是問題在于這樣的處理條件對設(shè)備的要求很高,畢竟,耐酸堿、耐高壓的容器需要一筆不菲的投資。通常,目前的纖維素乙醇工廠,要運轉(zhuǎn)百年才能收回投資。
　　只要獲得了純凈的纖維素,接下來的事情就比較簡單了。用纖維素酶將纖維素分解成葡萄糖,這種技術(shù)人類是從天然的高效處理設(shè)備――白蟻那里學(xué)來的。那些昆蟲是存在了上億年的啃木頭、消化纖維素的天然機器,人類正是模仿白蟻腸道中纖維素酶的運作程序,將大量纖維素轉(zhuǎn)化成了葡萄糖。在這之后,就可以像釀造葡萄酒那樣“釀制”工業(yè)乙醇了。
　　雖然困難重重,但是纖維素乙醇還是顯示出了“不爭奪口糧、有效利用植物能源”等優(yōu)越性,只是,如果僅以農(nóng)作物秸稈作為原料,必然受到季節(jié)性供應(yīng)的限制。正因如此,專門提供纖維素的、四季均可收割且產(chǎn)量相對穩(wěn)定的能源植物被納入了開發(fā)日程。
　　柳枝稷的真功夫
　　柳枝稷就是這樣的能源工程植物。就在十多年前,柳枝稷還是生長在北美荒原上的野草,而今天,它已經(jīng)成為生物能源開發(fā)的樣板植物。
　　之所以選這種禾本科植物(柳枝稷與玉米、水稻是一家,同屬禾本科,但它沒有可以做面包的籽粒),首要的一點就是它們對生活環(huán)境不挑不撿,不管是貧瘠、鹽堿、干旱都不會影響它們的生活,它甚至能在礫石遍布的荒灘上扎根。另外,柳枝稷的生長期很長,大有野草“割”不盡、春風(fēng)吹又生的架勢。一般來講,一次種植,可以連續(xù)收獲10年,其間也不需要刻意打理,只要掌握好收割時間就好了。
　　不僅如此,柳枝稷還是生產(chǎn)能量效率極高的C4植物。植物光合作用的重要原料是二氧化碳,二氧化碳的濃度是制約能源生產(chǎn)的一個關(guān)鍵因素,可惜正常大氣中的二氧化碳濃度是極低的(僅有約0.03%)。而C4植物能夠收集空氣中的二氧化碳,然后再將其濃縮后傳輸?shù)骄S管束鞘附近,維持光合作用的高效運轉(zhuǎn)。
　　除了收集能量的效率高,柳枝稷的另一個優(yōu)點是能量容易被處理。柳枝稷體內(nèi),需要處理掉的雜質(zhì)――木質(zhì)素的含量僅為6%-9%,遠(yuǎn)低于玉米秸稈和甘蔗,相對的,其纖維素豐富。目前,柳枝稷全基因組測序已完成,如果能從基因組中解讀出信息,以轉(zhuǎn)基因手段來降低木質(zhì)素和半纖維素含量,也許,這棵能源草就是打開鹽堿地能量寶藏大門的鑰匙。
　　(本文作者為植物學(xué)博士)

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