鹽堿地上“種”石油

2010年7月，柳枝稷的全基因組圖譜測(cè)序完成，一篇學(xué)術(shù)論文低調(diào)地刊登在《遺傳學(xué)》（Genetics）雜志上。雖然沒有像水稻基因組那樣受到過多的關(guān)注，但這項(xiàng)工作卻可能是改變?nèi)祟惸芰揩@取方式浩大工程的一個(gè)開端。

農(nóng)作物提純酒精：消耗＞產(chǎn)出

使用生物能源并不是件新鮮事，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)了石油這種儲(chǔ)量豐富且價(jià)格低廉、又可以提供強(qiáng)勁動(dòng)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(jī)、大規(guī)模環(huán)境污染事故之后，酒精再次在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)里找到了發(fā)揮熱度的空間。如今，已經(jīng)有越來越多的加油站可提供汽油里加入乙醇的服務(wù)。比如在巴西就有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，目前已有9個(gè)省市的乙醇添加量達(dá)到了10%。

目前獲取乙醇燃料的最常用的原料還仍以糖和淀粉為主。沒辦法，誰讓人類用葡萄糖制作酒精有長達(dá)6000年多年的歷史呢？相比之下，用淀粉（谷物）釀酒則僅僅只有2000多年的歷史。在科技發(fā)展日新月異的今天，完整的工藝，成熟的發(fā)酵微生物，對(duì)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的清晰認(rèn)識(shí)，已經(jīng)讓建設(shè)一座“專供汽車飲用的特供酒廠”變得輕車熟路。

首先，你需要考慮如何種出這些能制作出酒精的農(nóng)作物。據(jù)了解，截止到2007年，我國人均耕地面積已下降至1.4畝，此數(shù)字甚至還不及世界人均耕地面積的三分之一。即便人們采用最經(jīng)濟(jì)、最合理的方法制造乙醇，也會(huì)對(duì)糧食供給造成巨大的壓力。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的統(tǒng)計(jì)，2006年的農(nóng)產(chǎn)品價(jià)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%。目前糧價(jià)雖然也會(huì)受到氣候等因素的影響，但隨著燃料用糧食比率的逐年增大，將在不遠(yuǎn)的將來迅速推動(dòng)糧價(jià)的大幅度上漲。

既然種植制作酒精的農(nóng)作物可以推高糧食價(jià)格，那如果只使用糧食作物的中的淀粉、蔗糖和油脂是否可以緩解催高糧價(jià)帶來的危機(jī)呢？事實(shí)證明，作物的中的淀粉、蔗糖和油脂只占農(nóng)作物固定能量物質(zhì)的10%-20%。采用依靠微薄的糧食作物提取物來裝滿車輛的油箱的粗放式提取方式，顯然是不劃算的。2006年全球種植玉米、甘蔗和油菜這些主要能源的耕地面積約為193萬公頃，如果按照每公頃生物燃料的平均產(chǎn)量計(jì)算，我們可從這些農(nóng)田里收獲3.3億噸的生物燃料，不過區(qū)區(qū)3.3億噸只能算是世界能源餐桌上的一道甜點(diǎn)，因?yàn)檫@些燃料收獲量只相當(dāng)于2007年世界原油產(chǎn)量的8%和同期世界能源消費(fèi)的2.3%。

不僅如此，在生物乙醇的生產(chǎn)過程中也需要消耗巨大的能源，此外，運(yùn)輸原料及處理、純化環(huán)節(jié)也需要能源供給。巴西乙醇工廠曾采用以燃燒壓榨后的甘蔗廢料來代替消耗化石能源的方式以降低生產(chǎn)過程中的能耗率，但實(shí)際效果卻收效甚微。由此看來，用糧食“喂”汽車的能源供給方案已走到了盡頭，業(yè)界迫切呼喚出現(xiàn)一種創(chuàng)新型能源供給方式。

纖維素乙醇：不爭口糧的新興生物燃料

如果只利用植物中的淀粉和糖類來生產(chǎn)纖維素，那人們只能利用植物生產(chǎn)能量的10%-20%，而儲(chǔ)存著超過80%能量的秸稈、莖葉部分均不能得到有效利用。為此，人們提出了第二代生物燃料開發(fā)方向以最大限度地提高植物能源利用率。

從化學(xué)成分上講，纖維素和淀粉也是一對(duì)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了緊密的植物纖維，這些纖維為植物枝葉提供了強(qiáng)力支撐。眾所周知，在秸稈、植物莖葉中含有大量的植物纖維，而要在以上物質(zhì)中提取纖維素乙醇，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，那么纖維素就如鋼筋一樣充當(dāng)了植物支撐系統(tǒng)的重要構(gòu)件，在它們外側(cè)還覆蓋著木質(zhì)素、半纖維這樣的“混凝土”。人們要提取植物中的纖維素，就必須把這些充當(dāng)混凝土作用的附屬物質(zhì)去掉，這便是生產(chǎn)纖維素乙醇的第一步，也是目前技術(shù)的瓶頸所在。

坊間流傳著使用氫氧化鈉堿溶液來提取植物纖維素的秘方，這個(gè)過程被人們形象地稱為“爆破”，此方法往往對(duì)處理?xiàng)l件與處理設(shè)備要求甚高，畢竟引入耐酸堿、耐高壓的容器也需要一筆不菲的投資，但目前的纖維素乙醇工廠的前期投資也要在運(yùn)轉(zhuǎn)百年以后才能收回投資。即便如此，斥巨資試水“纖維素乙醇工廠”的投資者也大有人在，他們只要獲得了純凈的纖維素，接下來的方法就簡便易行了：他們采用纖維素酶將纖維素分解為葡萄糖，據(jù)說此竅門是人類從在自然界中最高效的處理設(shè)備——白蟻那里學(xué)來的。白蟻?zhàn)鳛榭心绢^、消耗纖維素的機(jī)器已經(jīng)在世界上存活了上億年，人們正是在模仿了白蟻腸道中纖維素酶的運(yùn)作程序后，才將大量的纖維素轉(zhuǎn)化成葡萄糖。

在此之后，投資者就可以像釀造葡萄酒那樣“釀制”工業(yè)乙醇了。由于氧元素的存在，乙醇的能量密度要比汽油低得多，燃燒的實(shí)質(zhì)就是燃料中的碳元素和氫元素同空氣中的氧元素結(jié)合并放出能量的過程，如果燃料分子中已經(jīng)摻雜了氧元素，那釋放出的熱量勢(shì)必會(huì)大打折扣。雖然現(xiàn)在的乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)可以驅(qū)動(dòng)汽車，但是與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，同樣大小油箱提供的續(xù)航能力仍舊稍遜一籌。為提高汽車的續(xù)航能力，研究人員將纖維素拆分成水、二氧化碳、芳香烴和小分子烷烴，而后兩者正是汽油的主要成分。最后，通過適當(dāng)?shù)拇呋瘎┖透邷馗邏禾幚恚w維素便可以變?yōu)槭土恕?/p>

事實(shí)證明，纖維素乙醇在生產(chǎn)實(shí)踐中已明顯顯示出“不爭奪口糧、有效利用植物能源”等諸多優(yōu)越性。但僅以農(nóng)作物秸稈為原來提取纖維素乙醇，必定會(huì)受到工廠周邊區(qū)域及季節(jié)性供應(yīng)等限制，由此，人們又開始繼續(xù)尋找可專門提供纖維素的的能源植物。

柳枝稷：可收集CO2D的智能型植物

文章開頭提到的柳枝稷就是這樣的能源工程植物。之所以選取此種禾本科植物（雖然跟玉米、水稻是一家，但是沒有可以做面包的籽粒），是因?yàn)樗鼈儚牟惶籼奚L環(huán)境，即便是貧瘠的鹽堿地也不會(huì)影響它們的茁壯成長。據(jù)了解，這些其貌不揚(yáng)的柳枝稷生長周期超長，大有野草“割”不盡，春風(fēng)吹又生的架勢(shì)。一般來說，柳枝稷可以一次種植連續(xù)收割10年，其間也不需要對(duì)其進(jìn)行任何施肥、修剪，只要掌握正常的收割時(shí)間即可。

不僅如此，柳枝稷還是C4植物，即可充當(dāng)二氧化碳“濃縮器”的智能型植物。眾所周知，作為植物光合作用重要原料的二氧化碳的濃度是制約能源生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵因素，可惜大氣中二氧化碳的濃度只有0.03%，而C4植物恰恰可廣泛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(yùn)轉(zhuǎn)。

據(jù)報(bào)道，在火力發(fā)電中，1畝地一年產(chǎn)出的能源草相當(dāng)于4噸煤。乍一看，這些草還是不錯(cuò)的燃料。但是稍微計(jì)算一下，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)其中的問題：目前，一個(gè)熱電廠每天最少要消耗2000噸煤，一年就是72萬噸。那么，要填飽一個(gè)中小型電廠的肚子，一年至少要種18萬畝能源草。如果將影響能源草產(chǎn)量的因素（干旱、鹽堿化）考慮在內(nèi)，需要的種植面積可能會(huì)更大。此時(shí)此刻，柳枝稷憑借其超長的生長周期及可再干旱、鹽堿化土地生存的超強(qiáng)適應(yīng)性，理所當(dāng)然地充當(dāng)了生物能源開發(fā)的樣板植物。筆者相信，如果人們可從柳枝稷基因組中準(zhǔn)確解讀出其生長的特殊信息，人們將會(huì)像馴化水稻、玉米等糧食作物那樣，馴化像柳枝稷這樣的能源植物。這意味著在不遠(yuǎn)的將來，珍貴的清潔型能源真的可以生長在不毛之地上。