概论生物技术对能源开发的影响

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1运用生物技术将植物及其废弃物转化为能源

世界能源统计资料说明：植物是一种能源巨大而且可恢复性能源，在地球上，每年绿色生物量的增加约为1070亿t，其中800亿t分布在森林中，180亿t分布在草原及荒原上，90亿t分布在田野、沼泽及荒漠中，他们所拥有的能量值为1.75×1021J，相当于400亿t石油。据专家估计，现在地球上植物生物总储存量为18000多亿t，相当于6400亿t石油，这是一项巨大的可进一步开发的能源资源。现在正在研究开发并已取得初步成效的基因工程成果是将真菌淀粉生产酒精，即进一步法生产酒精；将木质素解聚酶基因和纤维素酶基因克隆移到酵母内，使之可直接利用稻草、草皮等做原料生产酒精作为替代能源。在英国每年就有600万t秸秆，研究人员利用遗传工程细菌“嗜热脂肪芽孢杆菌”分解半纤维素（这是一种酵母不能分解的糖），已将30％的纤维物质转化成乙醇。专家们在评审这些研究成果时指出，不可小看这一点点能源开发研究进展，其意义是深远的，因为生物质现存量是巨大的，他们特别谈到，随着生物技术的不断完善，常见的植物废弃物转化成能源的效率必然会进一步提高，其开发潜力是巨大的，包括小麦、玉米、甜菜等秸秆以及稻壳等植物废弃物（垃圾）都可以转化成能源。

2运用生物技术培育高能源作物

光合作用机制的揭示是分子生物学取得的新成果，研究表明，绿色植物利用太阳能把吸收的水和CO2同化为碳水化合物，把太阳能转变成能够储存的化学能。一般植物把太阳能转化成化学能的效率很低，平均值约为0.1％。而根据分子生物学研究的结果，转换率可达5.2％，这个看似小小的数字差却预示着光合转化太阳能的巨大潜力。培育转化能力强的作物必须以光合机制的研究为基础。植物生理学研究表明植物在弱光和中度光照条件下太阳能的转化率较高，强光下转化效率较低。其作用机制是强光下不能发挥最大转化效率的原因是光量子捕获系统（叶绿素和光合系统Ⅰ、Ⅱ）与光合电子传递系统之间能力的不平衡。根据揭示的这一机理，在适当时机增加酶的活性，或减少前叶绿素的量就能调整系统的不平衡性，提高强光下的光合效率。生命科学的酶工程学者正在为此进行探索并已取得了重要进展。研究表明，C4植物（如玉米、甘蔗、高粱等作物）的光合能力高于C3植物（如小麦、水稻、大豆、棉花等作物），玉米等C4作物在CO2浓度极低时也能进行光合作用。因此，利用现代生物技术的细胞工程、酶工程、基因工程来吸收C4植物的优良生物特性培育高效的能量作物，并给小麦、水稻等C3作物增加新的固氮机能，将会极大地提高植物转换太阳能的效率，为获取更多的新能源奠定物质基础。

3利用基因工程改良微生物

以催化H2的释放氢气是效率高且无毒无害的燃料。氢气在燃烧过程中会释放出能量，而形成的废物只有水，不会造成任何环境污染，因而被普遍认为是理想的清洁能源资源。目前已经发现许多能代谢分子态氢的细菌和藻类。还从分子水平上找到了与能代谢分子态氢有直接关系的酶，这就是氢化酶（绿藻）、固化酶（蓝藻和光合细菌），他们均能催化氢气的释放。生物的这种作用机制，是由其结构基础决定的，这就是功能基因。当今世界基因组测序工作的国际科技界的公关行动，对功能基因的快速开发创造了极好的条件。研究者认为，生物体的生理特性（如产氢化酶的绿藻、能产固定酶的蓝藻和光合细菌）必然会有其功能基因存在起支配作用。一旦我们找到了这种功能基因并成功分离出，再利用当代已相当成熟的基因重组技术就可以大批量培育能生产出优质能源氢的新物种，这个目标的实现是相当诱人的，而且是可以实现的。正是基于这种指导思想，生命科学工作者借助于当代新开发出的高新技术———基因工程，利用微生物来完成水的分解反应。这些在水中生长的微生物在光照条件下，会不断地实施水的分解过程产生氢气，然后用容器将氢气收集起来，供作能源。近几十年来人们已经查明有16种绿藻和3种红藻有生产氢气的能力。还发现有4种类型的细菌具有生产氢气的能力。藻类产氢气的机制主要是通过自身产生的脱氢酶，利用大自然丰富的水源和无偿的太阳能来生产的。4种类型细菌产氢有以下几种机制：一是依靠发酵过程生长的严格厌氧细菌；二是能在通气条件下发酵和呼吸的兼性厌氧细菌；三是能进行厌氧呼吸的严格厌氧细菌；四是光合细菌。前3种都能够利用有机物，从而获得生命活动所需要的能量，他们均属于“化能厌氧菌”。光合细菌则是利用太阳能提供的能量，被称为“自养细菌”。近年来，科学家们发现了30种化能异养菌可以发酵糖类、醇类、有机酸等产生氢气。在光合细菌中已发现13种紫色硫细菌和紫色非硫细菌能生产氢气。专家在评审能产氢机制被揭示的研究成果时指出，产氢机制的揭示，可以此为依据，发现并分离出功能基因，再以基因重组技术改良微生物，以大幅度地提高微生物生产氢气的能力，氢气生产原料是水，未来，当水运用生物工程技术变成燃料时，能源危机将不存在。

4运用基因重组技术培育出能产油的植物

美国加利福尼亚大学的梅尔文•卡尔文经过探索培育出一种叫“可佩费拉”的树，每株“可佩费拉”树一年中能收获37.85L与柴油相似的燃料。另外，还有一种适宜在美国北部的气候条件下生长的类似仙人掌的植物，也能生产燃料油，但是油的质量不够理想。进一步研究发现是因为这种植物中缺少前一种产油树所具有的酶。专家们在评审这项新能源开发成果时认为，运用“科佩费拉”树的产油酶功能基因，不仅能使类似仙人掌的植物产出理想的油，而且可使多种植物产出油来，这是因为人类已掌握了基因重组技术。5能产生石油的细菌已被发现日本大阪大学工作系的科学工作者不久前发现了一种细菌。这种细菌有一种特性：只要改变其培养条件，它就能分解石油或者产生石油。据《日本经济新闻》报道，这种细菌在有石油的环境中可以分解石油，在没有石油的环境中能利用CO2和氢反应产生石油。科学工作者在研究其作用机制时发现，这种细菌在分解石油时不需要氧气，在产生石油时不需要光能。查阅资料显示，在过去的研究中已经发现有一种藻类能够利用光合作用产生石油，然而发现在没有光的环境中也能产生石油的细菌还是第一次。研究报告称，这种细菌是在日本静冈县的一个小油田中发现的，细菌直径0.5μm，长1.5μm。研究者认为，只要给这种细菌以大量氢便可以产出石油。专家们在评审这项新发现时指出，这对于未来能源开发很有价值，而问题在于需要大量的氢，但现在还不能廉价地大量取氢，实用化还有难度。不过，可以通过改变遗传基因的办法培养。他们提示到，若利用目前已论述的能产出氢的绿藻和光合细菌结合起来，投入实际生产将是可行的。

作者：孙毅单位：信阳师范学院生命科学学院