柳枝稷 全基因組圖譜測序完成 如何在鹽鹼地上“種石油”

柳枝稷

傳統生物燃料原料——甘蔗

　　2010年7月，柳枝稷的全基因組圖譜測序完成，一篇學術論文低調地刊登《遺傳學》（Genetics）雜誌上。雖然沒有像水稻基因組那樣過多的報道和關注，但這項工作，卻可能是改變人類能量獲取方式的浩大工程的一個開端。

　　傳統生物能源前進的絆腳石

　　使用生物能源並不是什麼新鮮事，世界上的第一輛汽車的油箱裏就裝滿了酒精，只是後來人們發現了石油這種豐富並且價格低廉、並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，在經歷了歷次石油危機、大規模環境污染事故之後，酒精再次在汽車發動機裏找到了發揮熱度的空間。

　　汽油裏面加乙醇已經不是什麼新鮮事了，越來越多的加油站可以提供。在巴西有50%以上的燃料是生物乙醇，美國汽油中的乙醇添加量標準為10%，我國汽油中的乙醇添加量也在日益提高，已經有9個省市的添加量達到10%。

　　目前獲取乙醇燃料，最常用的原料還是糖和澱粉。沒辦法，誰讓人類用糖（葡萄）製作的酒精有6000年曆史，而用澱粉（穀物）來釀酒也有2000以上的歷史了。完整的工藝，成熟的發酵微生物，對各生産環節的清晰認識，讓建設一座讓供汽車喝的特供酒廠，變得輕車熟路。

　　首先，你得考慮種出這些能做成酒精的農作物。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。截止到2007年，我國的人均耕地面積已經下降到了1.4畝，連世界人均耕地面積的1/3都夠不上。即便是最合理的使用生物乙醇，不造成任何浪費，也會造成對糧食供給的巨大壓力。根據聯合國糧農組織的統計，2006年的農産品價格指數增幅為8%，2007年增幅為24%，而2008年首季度已經高達53%。雖然，糧價還受到氣候等因素的影響，但是燃料用糧食比率的增大，對於糧價的上漲無疑起了巨大地推動作用。

　　只使用作物的中的澱粉、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中，這些物質只佔10%到20%。如果是只滿足我們的飯碗，倒還可以去粗取精，但是要灌滿油箱，這樣的粗放收穫顯然是不現實的。2006年全球種植玉米、甘蔗和油菜這些主要的能源的耕地面積約為193萬公頃，按照每公頃生物燃料的平均産量，我們可以從這些農田裏收穫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，因為這些燃料只相當於2007年世界原油産量的8%和同期世界能源消費的2.3%。

　　不僅如此，在生物乙醇的生産中也需要消耗巨大的能源，運輸原料、處理、純化都需要能源。曾經有估算，在生産生物燃料中。在巴西，乙醇工廠用燃燒壓榨後甘蔗廢料的形式來減少化石燃料用量，不過即便如此，恐怕是象徵意義大於實際。

　　看來，用糧食喂汽車的方案幾乎已經走到了盡頭，新的能源供給方式呼之欲出。

　　把支撐植物的纖維加進油箱

　　就像上面提到的，如果只利用植物中澱粉和糖類的話，我們就只能利用所有植物生産的能量的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。這也是目前新興的第二代生物燃料的開發方向。

　　除了種子、中的澱粉，從化學成分上來講，纖維素和澱粉也是親兄弟，它們都是由葡萄糖合成的，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，但是如此緊密的結構也給能量被加上了封印。

　　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，作為植物的支撐系統的重要構件，纖維素就像鋼筋。它們的外側還覆蓋著木質素、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，這是生産纖維素乙醇的第一步，也是目前技術的瓶頸所在。

　　目前最常用的使用氫氧化鈉等鹼液、或者稀酸來處理，還有報道是説將上述手段結合高壓來處理，會取得更好的效果，而這個過程被形象地成為“爆破”。可是問題在於這樣的處理條件對設備的要求很高，畢竟耐酸鹼、耐高壓的容器需要一筆不菲的投資。目前的纖維素乙醇工廠，要運轉百年才能收回投資。

　　只要獲得了純凈的纖維素，那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，這點人類是從在自然界中早有高效的處理設備——白蟻的那裏學來的。這些啃木頭，消化纖維素的機器已經存在了上億年，人類正是模倣白蟻腸道中纖維素酶的運作程序，將大量的纖維素轉化成葡萄糖。這之後，就可以像釀造葡萄酒那樣“釀製”工業乙醇了。

　　由於氧元素的存在，乙醇的能量密度要比汽油的低得多，燃燒的實質就是燃料中的碳元素和氫元素同空氣中的氧元素結合併放出能量的過程，如果燃料分子中已經摻雜了氧元素，那釋放出的熱量勢必會打折扣。雖然現在的乙醇發動機可以驅動汽車，但是與汽油發動機比起來，同樣大小油箱提供的續航能力仍舊稍遜一籌。科研人員正試圖纖維素如何變汽油，催化裂解就是這樣的方法。將纖維素拆分成，水、二氧化碳、芳香烴和小分子烷烴，而後兩者正是汽油的主要成份，通過適當的催化劑和高溫高壓處理，就能把草變成汽油了。雖然，在草變成油魔幻之旅已經開啟，但是其中也有很多問題亟待解決，比如預處理中産生的廢液就是個大問題，目前，這些或酸或鹼，且摻雜了木質素的液體處理起來需要不菲的成本。

　　其實對於纖維素最直接的應用方式，就是燃燒。在工業化時代之前，燃燒纖維素一直是人類獲取熱能的主要方式，鍋灶、火炕都離不開熊熊燃燒的秸稈和木柴。通過分揀、壓縮等預處理，同樣可以滿足火力電站發電站的需求。

　　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”等優越性，只是如果僅以農作物秸稈作為原料，必然受到工廠周邊區域，以及季節性供應的限制，正是因為如此，專門提供纖維素的、性能皮實的能源植物納入了開發日程。

　　柳枝稷的真功夫

　　文章開頭提到的柳枝稷就是這樣的能源工程植物。之所以選這種禾本科植物（雖然跟玉米、水稻是一家但是沒有可以做麵包的籽粒），首要的一點就是它們對生活環境不挑不撿，不管是貧瘠、鹽鹼、乾旱都不會影響它們的生活，甚至可以在礫石遍佈的荒灘上紮根。並且這些傢伙的生長期很長，大有野草“割”不盡，春風吹又生的架勢。一般來説，一次種植，可以連續收穫10年，其間也不需要可以的打理，只要掌握好收割時間就好了。

　　不僅如此，柳枝稷還是C4植物。簡單來説，就是有個二氧化碳“濃縮器”。作為植物光合作用的重要原料的二氧化碳的濃度是制約能源生産的一個關鍵因素，可惜正常大氣中的二氧化碳濃度是極低的（僅有0.03%），而C4植物收集空氣中的二氧化碳，然後再將其濃縮後傳輸到維管束鞘附近，維持光合作用的高效運轉。

　　除了收集能量的效率高，柳枝稷還有著能量容易被處理的優點，通常的木質素含量僅為6%-9%，遠低於玉米秸稈和甘蔗。相對的，其纖維素豐富。這樣就使得在生産中提取純凈纖維素的麻煩事。不排除將來以轉基因手段，來降低木質素和半纖維素含量。而柳枝稷全基因組測序完成，無疑給這項工作打下了堅實基礎。

　　不確定的用量

　　1公斤幹能源草的熱值大多高於14.5MJ，相當於同等重量的煤炭的70%-80%（1公斤原煤的熱值平均為20.9 MJ）。目前，能源草的能量利用方式主要還是直接燃燒，這種方式對生物能的利用率比較低。據報道，在火力發電中，1畝地一年産出的能源草相當於4噸煤。乍一看，這些草還是不錯的燃料。但是稍微計算一下，我們就會發現其中的問題。目前，一個熱電廠每天最少要消耗2000噸煤，一年就是72萬噸。那麼，要填飽一個中小型電廠的肚子，一年至要種18萬畝能源草，這個面積幾乎相當於一個中等規模縣的耕地總面積的10%-30%。如果將影響能源草産量的因素（乾旱、鹽鹼化）考慮在內，需要的種植面積可能會更大。大規模的生産能源草，很可能會擠佔耕地。如果能從基因組中解讀出關於生長的特殊信息，使産量得以保證，將是一個一勞永逸的方法。

　　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，它已經成為生物能源開發的樣板植物。我們有理由相信，人類會像馴化水稻、玉米這些糧食作物一樣，馴化像柳枝稷這樣的能源植物，綠色的清潔能源就生長在今天被我們認為是不毛之地的地方。

　　(本文來源：網易探索 )