未來(lái)的能源來(lái)自“牛胃”？

科學(xué)家根據(jù)蝙蝠的超聲定位原理發(fā)明了雷達(dá)，根據(jù)螢火蟲(chóng)的發(fā)光原理發(fā)明了人工冷光，人類在仿生學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)取得了一系列成果。同樣，基于瘤胃消化系統(tǒng)，我們照樣可以開(kāi)發(fā)出高效厭氧反應(yīng)器。

近年來(lái)，隨著能源危機(jī)與環(huán)境污染的日益加劇，以生物天然氣為代表的可再生能源無(wú)疑是未來(lái)能源發(fā)展的趨勢(shì)。德國(guó)計(jì)劃在2020年將徹底關(guān)閉其境內(nèi)的全部核電站，進(jìn)行能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)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(chǎn)量100億立方米。我國(guó)對(duì)生物天然氣的發(fā)展也提出了明確的中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，到2020年，生物天然氣年利用量達(dá)到440億立方米，到2030年達(dá)到500億立方米。

生物天然氣，也稱生物燃?xì)?，是指由生物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來(lái)的燃?xì)?，包括沼氣、合成氣和氫氣。目前只有沼氣生產(chǎn)具有成本優(yōu)勢(shì)，所以一般意義上所說(shuō)的生物燃?xì)庵饕侵刚託?。沼氣的生產(chǎn)過(guò)程并不復(fù)雜，有機(jī)物在隔絕氧氣的條件下，經(jīng)過(guò)微生物厭氧發(fā)酵，最終可轉(zhuǎn)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(shí)厭氧發(fā)酵技術(shù)的歷史在我國(guó)源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，從杜康釀酒算起，已經(jīng)有幾千年的歷史了，但真正將其應(yīng)用到工程領(lǐng)域，還不到200年。目前厭氧技術(shù)在污水處理領(lǐng)域已經(jīng)取得巨大成功，但在秸稈等有機(jī)廢物領(lǐng)域依然進(jìn)展緩慢，單位容積單位時(shí)間的處理能力還不及污水處理的10%。

當(dāng)科學(xué)技術(shù)遇到瓶頸時(shí)，大自然往往能給出開(kāi)創(chuàng)性的啟發(fā)，反芻動(dòng)物的瘤胃就是其中之一。反芻動(dòng)物的瘤胃是自然界中一種針對(duì)有機(jī)物料的高效厭氧反應(yīng)器，其單位容積單位時(shí)間的處理能力是現(xiàn)有技術(shù)的20倍以上。以牛的瘤胃為例，秸稈等飼料在牛體內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)，短短幾個(gè)小時(shí)就可發(fā)生降解，被牛體吸收，最終轉(zhuǎn)化為牛肉、牛奶等產(chǎn)品，因此基于瘤胃消化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一種高效的瘤胃仿生反應(yīng)器具有重大意義。

眾所周知，人類一般只能以糖類、蛋白質(zhì)、脂肪含量較高的食物為食，無(wú)法對(duì)纖維素、半纖維素進(jìn)行消化，而牛等反芻動(dòng)物則可以以纖維素、半纖維素含量較高的秸稈為食，這是因?yàn)槎呦到y(tǒng)存在巨大的差異。人類只有一個(gè)胃，而牛有四個(gè)，分別為瘤胃、網(wǎng)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(nèi)的消化主要靠消化腺分泌各種消化酶并發(fā)生相應(yīng)的酶促反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為可吸收的小分子有機(jī)物；而在牛體內(nèi)，飼料是在瘤胃微生物的作用下進(jìn)行厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)酸進(jìn)而被牛體吸收的，這些瘤胃微生物與牛體形成了一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的互利共生關(guān)系。

科學(xué)家根據(jù)蝙蝠的超聲定位原理發(fā)明了雷達(dá)，根據(jù)螢火蟲(chóng)的發(fā)光原理發(fā)明了人工冷光，人類在仿生學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)取得了一系列成果。同樣，基于瘤胃消化系統(tǒng)，我們照樣可以開(kāi)發(fā)出高效厭氧反應(yīng)器。

瘤胃中真正起發(fā)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(yǎng)就可以實(shí)現(xiàn)高效發(fā)酵了呢？其實(shí)不然，許多科學(xué)家已經(jīng)做過(guò)這樣的嘗試，接種初期發(fā)酵效果確實(shí)較好，但隨著時(shí)間的推移，發(fā)酵效果越來(lái)越差，這是因?yàn)轶w外培養(yǎng)環(huán)境不適合瘤胃微生物的生長(zhǎng)，微生物群落開(kāi)始退化，活性開(kāi)始降低。由此，進(jìn)行瘤胃仿生研究的關(guān)鍵不是接種瘤胃微生物進(jìn)行體外培養(yǎng)，而是建立類似于瘤胃內(nèi)環(huán)境的外界環(huán)境與反應(yīng)條件，從而形成類似于瘤胃微生物的微生物群落，進(jìn)而表現(xiàn)出瘤胃微生物的高活性。

傳統(tǒng)發(fā)酵過(guò)程中，pH一般處于相對(duì)恒定的狀態(tài)，而瘤胃內(nèi)的pH長(zhǎng)期處于5.5～6.8左右的酸性-中性動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)。在中性條件下，纖維素等物質(zhì)的水解率相對(duì)較高，但是產(chǎn)物揮發(fā)酸消耗速率也相對(duì)較高；在酸性條件下，產(chǎn)物揮發(fā)酸消耗速率會(huì)下降，但是纖維素等物質(zhì)的水解率也會(huì)降低。因此在恒定pH條件下，無(wú)法解決高水解率與高產(chǎn)物揮發(fā)酸消耗速率這一不可調(diào)和的矛盾。但是在瘤胃中這種動(dòng)態(tài)變化的pH條件下，飼料水解率不會(huì)受到明顯影響，同時(shí)產(chǎn)物消耗速率可大幅度降低，進(jìn)而提高了揮發(fā)酸產(chǎn)率。

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

傳統(tǒng)發(fā)酵過(guò)程中，厭氧反應(yīng)器內(nèi)容易出現(xiàn)酸積累現(xiàn)象，過(guò)多的酸積累會(huì)對(duì)水解、產(chǎn)甲烷過(guò)程產(chǎn)生一定的抑制作用，如不及時(shí)解除酸抑制，輕者影響正常生產(chǎn)進(jìn)度，重者需要清理反應(yīng)器重新發(fā)酵。令人稱奇的是，盡管瘤胃在遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器的負(fù)荷條件下工作，但是很少出現(xiàn)酸抑制的現(xiàn)象，這是因?yàn)榕ｓw擁有精確的自我調(diào)控系統(tǒng)。當(dāng)瘤胃中酸濃度升高、pH下降時(shí)，一方面瘤胃通過(guò)上皮細(xì)胞加大對(duì)酸的吸收，及時(shí)排出瘤胃中過(guò)量的酸；另一方面牛體會(huì)分泌大量的具有較強(qiáng)緩沖作用的中性唾液進(jìn)入瘤胃，從而提高瘤胃內(nèi)pH、解除酸抑制。

反芻是牛等反芻動(dòng)物的一種特殊生理現(xiàn)象。反芻對(duì)發(fā)酵有兩個(gè)好處：一方面通過(guò)再次咀嚼將食物破碎，方便后續(xù)微生物的發(fā)酵；另一方面經(jīng)過(guò)初步發(fā)酵的食物再次逆嘔到口腔中接觸空氣，使發(fā)酵處于微氧的環(huán)境。傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器一般采用完全厭氧的環(huán)境，這有利于產(chǎn)甲烷，但是不一定有利于水解過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，微量的氧氣可強(qiáng)化水解過(guò)程，發(fā)酵中間通入一定量的氧氣可提高發(fā)酵效率。

傳統(tǒng)發(fā)酵過(guò)程一般分為干發(fā)酵與濕發(fā)酵，瘤胃中的發(fā)酵長(zhǎng)期處于干濕交替的狀態(tài)，該狀態(tài)是通過(guò)瘤胃的蠕動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。隨著瘤胃有節(jié)率地蠕動(dòng)，收縮時(shí)，食糜中的瘤胃液被擠壓出去，食糜處于相對(duì)“干”的狀態(tài)（含固率>20%），而舒張時(shí)，瘤胃液又回到食糜中，食糜處于相對(duì)“濕”的狀態(tài)（含固率<10%）。這樣干濕交替的狀態(tài)既保證了傳質(zhì)效率，又節(jié)省了反應(yīng)空間，兼顧了干發(fā)酵與濕發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)。

與傳統(tǒng)發(fā)酵工藝相比，基于瘤胃消化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的瘤胃仿生反應(yīng)器極大地提高了發(fā)酵效率與速率，可以充分實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器小型化，減少占地面積與投資運(yùn)營(yíng)成本。

目前，瘤胃仿生反應(yīng)器在青貯玉米、玉米秸稈、小麥秸稈等物料的發(fā)酵過(guò)程中已經(jīng)取得了不錯(cuò)的效果。牛等反芻動(dòng)物的飼料包括谷物、牧草、秸稈等，那是不是瘤胃仿生反應(yīng)器也只能用于這些物料的發(fā)酵呢？當(dāng)然不是。瘤胃仿生反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)思路源于瘤胃消化系統(tǒng)，但其應(yīng)用領(lǐng)域卻不局限于牛的飼料。對(duì)于其他有機(jī)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(duì)反應(yīng)器的工藝參數(shù)進(jìn)行一些調(diào)整，都可以得到較好的應(yīng)用。

在未來(lái)，“牛胃”為人類提供能源，將不再是夢(mèng)。

（孟堯系清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院博士，王凱軍系清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院副院長(zhǎng)）