基因工程与能源的可持续生产.docx

基因工程与能源的可持续生产第一部分 背景介绍世界能源结构演变历程可以发现：两次工业革命以来能源消耗总量越来越大，化石能源煤、石油和天然气在成为主要能源。从世界能源比例演变历程可以发现植物作为能源在总能源中不断下降，随着不可再生的化石能源的不断消耗，可再生能源植物、太阳能的比例增大。从2008年世界六大地区的能源消耗格局可以发现，煤、石油、天然气在能源结构中扮演着重要的角色。BP公司2010年世界能源年度统计报告显示，至2009年底的探明石油储藏量为13331亿桶，包括加拿大正在积极开发的油砂和委内瑞拉上调的储量。全球储藏量足以可满足按2009年生产量开采45.7年。按照同样的基准，天然气储量足够可开采62.8年，煤炭为119年。化石能源的不可再生性，化石能源带来的酸雨、温室效应等环境和生态问题，以及能源在人类的生存和发展中的重要作用，都告诉我们开发可再生能源迫在眉睫。可再生能源包括太阳能、风能、地热能、生物质能等。我们将向大家介绍来自生物界的可再生能源，以及基因工程在改造生物能源方面的应用。第二部分 可再生能源之生物质能生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。生物质能（biomass energy ）(又名生物能源)是利用有机物质(例如植物等)作为燃料，通过气体收集、气化(化固体为气体)、燃烧和消化作用(只限湿润废物)等技术产生能源。生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。生物质能分为固体生物质、木炭、城市固体废弃物、生物液态燃料和沼气等，其直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固体燃料、液体燃料和气体燃料。分类：依据是否能大规模代替常规化石能源，而将生物质能分为传统生物质能和现代生物质能。传统生物质能主要包括农村生活用途：薪柴、秸秆、稻草、稻壳和其它农业生产的废弃物和畜禽粪便等；传统生物质能主要限于发展中国家，广义来说它包括所有小规模使用的生物质能。现代生物质能是指那些可以大规模用于代替常规能源即矿物类固体、液体和气体燃料的各种生物能。1 生物质能的特点及优势生物质资源具有总量大，低污染，分布广，可储存运输，易燃的特点。1）总量大。全球生物质能消耗量仅次于煤、石油、天然气，位居第4 位。地球上每年生物质能总量约1400-1800亿吨(干重），相当于目前每年总能耗的10倍。2）低污染。它是通过碳、氢、氧循环利用太阳能的过程，理论上不产生温室气体，低含量的N，S化合物，可以大量减少SOx等有毒气体排放，被称为绿色石油。每利用一万吨椐杆代替燃煤，可以减少CO2排放.4t，SO2 40t，烟尘100t。3）分布广。生物质能存在于世界上所有国家和地区 4）可储存运输。在可再生能源中，生物质能是唯一可以储存与运输的能源，对其加工转换与连续使用提供方便。5）易燃。利用现代技术可以将生物质能源转化成可替代化石燃料的生物质成型燃料、生物质可燃气、生物质液体燃料等。2 生物质的利用技术生物质利用主要分为物理转变、化学转变和生物转变三类，化学转变可分为直接燃烧、液化、气化和热解。这些化学转变技术中直接燃烧的能源利用效率最低，热解、裂解获取气体或液体的能源利用效率最高。生物转变技术将在后面介绍。从这幅图可以看出生物质经过裂解或气化处理可以得到糖类、合成气和生物油，在经过进一步的处理可以得到汽油、柴油等燃料油。总之生物质能是很有发展前景的能源。3 基因工程与能源植物能源植物是生产生物质能的重要原料。可以分为：1） 糖类、淀粉含量高的植物, 还包括一些生长周期短、生长迅速的草本和木本植物, 可以通过发酵转化为燃料酒精;2） 油脂和石油类似物含量高的植物, 可以转化为生物柴油;3） 直接产烃、氢气等的藻类。基因工程在能源植物上的应用主要为三个方面：1） 乙醇发酵为目的的生物质能开发；2） 利用基因工程技术提高植物总的生物量；3） 生物柴油为目的的生物质能开发，利用基因工程使作物产油量增加。第三部分 基因工程与能源微生物能源微生物是指能够将生物质转化为液体或气体燃料，以及与生物质转化密切相关的微生物的总称，包括木质纤维素乙醇转化、产甲烷、产氢或产脂等相关微生物。 可以分为产甲烷微生物、产乙醇微生物、产氢微生物、产油微生物和生物电池微生物五类。下面两幅图分别为产油微生物-微藻和产氢微生物-大肠杆菌。图1 微藻 图2大肠杆菌1 产油微生物微藻1.1 生物柴油在介绍微藻之前，先来了解一下生物柴油。生物柴油是一种可再生，无毒可降解的新能源，它是由油酸、亚油酸等长链饱和或不饱和脂肪酸，同甲醇或乙醇形成的脂肪酸甲酯（FAMEs）或脂肪酸乙酯（FAEEs）类化合物。其合成路径如图所示。现在世界上95%的生物柴油原料来自动植物油脂，使得生物柴油价格是石化柴油的1.5倍，需要寻求新的廉价易得的原料降低生物柴油的成本。利用微生物合成生物柴油，不仅比工业化生产生物柴油的化学催化法的生产过程更加清洁，且可以通过对微生物进行基因工程改造，使其合成更符合人类需要的生物柴油成分。微藻具有以下几个特点：1） 光合效率最高、生长最快的原始植物；2） 可以生长在高盐、高碱的水中；3） 微藻干细胞的含油量高达70%最有前景的产油生物；4） 对微藻的培养可以利用工业废气中的二氧化碳，还能吸收工业废气中的氮氧化物；5） 生产微藻生物柴油的同时，还能生产出蛋白质、多糖等高价值产品，降低成本。1.2 基因工程的应用生物柴油原料的油脂含量是制约生物柴油发展的一大瓶颈，运用基因工程技术，克隆并特异性表达调控脂类合成相关酶的基因，提高生物脂肪酸含量并改变其组分以适应生物柴油发展的需要。“工程微藻”中脂质含量的提高主要由于乙酰辅酶A羧化酶（ACC）基因在微藻细胞中的高效表达，在控制脂质积累水平方面起到了重要作用。为得到更高效的表达：1、研究选择合适的分子载体，使ACC基因在细菌、酵母和植物中充分表达；2、进一步将修饰的ACC基因引入微藻中以获得更高效表达。乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）是脂肪酸生物合成的关键酶，催化脂肪酸合成的第一步反应。有研究表明，植物脂肪酸含量与ACCase的活性呈正相关，为提高含油植物的脂肪酸含量，许多研究者进行了超量表达ACCase的实验，例如，Roesler等将一个叶绿体转移肽和napin启动子与拟南芥同质型ACC1基因融合，然后转化甘蓝型油菜，结果发现转基因油菜的T1代成熟种子中ACCase活性增加了1.7-1.9倍，总含油量约增加了5%。1.3 微藻基因工程发展的瓶颈与解决措施 微藻基因工程发展的瓶颈：1） 微藻生长速率和规模培养曾长期以来是选用藻类作转基因受体时的主要障碍。2） 藻类中外源基因表达效率问题。国内外所得的外源基因表达效率多为宿主细胞可溶性蛋白的0.1%0.9%。解决措施：1） 通过海水培养驯化含油微藻，降低培养成本；控制培养液中C/N比例、延长细胞营养生长阶段等调控改良手段，提高转基因微藻细胞的总脂含量。2） 加强对高邮微藻的基因工程改良，立足现有的成熟技术与积累的知识，采用如克隆与脂类代谢有关的基因、分析新的调节元件、构建新的受体转化系统，是脂类基因在微藻中的表达效率有较大提高。2 大肠杆菌柳枝稷是美国本土的一种多年生植物。它在平原上生长迅速、易于存活，可分为低地型和高地型两种生态型。柳枝稷生命力极其顽强，在某些地方甚至被认为是有害的野草。分布於美国德克萨斯州草原地区至加拿大。可用于提炼乙醇燃料。2011年美国联合生物能源研究所（JBEI)的研究人员将柳枝稷样品置于牛的瘤胃中培养72小时，然后对附着在柳枝稷样品上的所有微生物进行基因组分析。研究人员确定了超过2.7万个糖类活性基因。他们将上述部分基因植入细菌，首次制造出了能消化柳枝稷生物质的大肠杆菌（Escherichiacolibacteria），这些细菌产生了90种蛋白质酶。结果发现，多数蛋白酶对植物中的纤维素显示出活性，属于可分解纤维素的酶。能将其中的糖转化为可代替汽油、柴油和航空燃料3种运输燃料的先进生物能源，而且无需添加任何酶生物燃料的生产过程添加酶使成本居高不下的主要原因。此外，由于植物中的纤维素、半纤维素很难提取，研究人员用了一种离子液（熔化的盐）预处理的方法使生物质溶解，然后让大肠杆菌消化溶解后的生物质。用离子液预处理柳枝稷必不可少，他们是通过将离子液预处理和转基因大肠杆菌结合来进行能源生产的。研究小组还在进一步研究如何提高合成燃料的产量。他们需要找到一种能由大肠杆菌分泌更高效的酶，从而消化更多经离子液处理后的生物质，或改良离子液预处理步骤，让其更容易被消化。虽然经离子液处理，能使柳枝稷更易被消化，然而离子液对微生物却有一定的毒害作用。2012年美国联合生物能源研究所（JBEI）通过新的实验方法和基因测序分析，发现了细菌耐受有毒盐溶液的生理机制，有望大大提高微生物抵抗生物燃料生产过程中所使用的盐溶液毒性的能力。研究人员指出，该研究可作为耐离子液微生物基因工程的基础，带来更高效的生物燃料生产工艺。由非粮食作物和农业废弃物纤维素加工的先进燃料，被认为是最好的可再生液态运输燃料，可用于目前的发动机和基础设施，但最大障碍是成本太高，难以和其他燃料竞争。美国联合生物能源研究所（JBEI）的研究为实现大规模工业化生产该类燃料的可能性大大增加了。3 微生物在能源生产上的优势随着基因工程技术的发展，产氢气的微生物也可能产生物柴油，微生物只是作为一种特殊的载体，更具体的说是一种酶的载体，而这种酶的具体作用就是催化有机物一般为植物纤维转化为所需能源物质。微生物做为酶的生产者所具有的优势与微生物的特性相关，即1）体积小，面积大，因而微生物必然有一个巨大的营养物质吸面，代谢废物排泄面和环境信息交换面，由此又使微生物具备以下几个适合作为酶生产者的优势。2）吸收多，转化快。3）生长旺，繁殖快；这两个特性有当今世界对于能源的迫切需求相契合。4）分布广，种类多，为选择高转化效率的微生物品种提供基础。微生物在能源生产上的优势在于相比石油天然气为代表的传统能源具有可再生性且生成周期短，但是微生物作为生物个体存在对生活环境的要求在一定程度限制了它的推广应用。但是随着对能源微生物的深入研究，未来微生物在能源生产中将扮演越来越重要的作用。能源微生物生产能源需要物质基础，一般为植物，也就是说微生物也是在利用光合作用产物进行能源生产，将太阳能转化成我们需要的能源形势。生物在生长期的天然光合作用对碳的吸收，所以当微生物将之转化为生物质燃料后，生物燃料燃烧时向大气会释放同等量的碳，最终表现出几乎等于零的碳排放，使生物质燃料成为所谓的碳中性燃料。可见微生物在环境生态平衡上的重要作用。4 微生物在能源领域的发展前景限制微生物在能源领域发展的关键因素可归纳为成本和生产原料的获取。由于微生物进行能源生产需要特制的反应器、对反应条件的严格控制以及生产原料收集处理等都是导致成本较高的原因。第二代生物燃料在原料获取上相比第一代在很大程度上解决了在原材料获取问题，其中微藻本身作为第二代生物能源的原料更是极大地解决了原料获取问题，因而更具市场前景和优势。一旦微生物在生物能源领域的技术成熟，使得成本降低。考虑到全世界仅中国，盐碱荒地和盐碱障碍耕地总面积超过5亿亩,占中国耕地总面积的10%以上。如果在这些不适宜种植粮食的土地上种植对环境适应能力