5-能源生物技术与材料生物技术2010

5能源生物技术与材料生物技术微生物与石油开采未来石油的替代物—乙醇植物“石油”甲烷与燃料源未来新能源生物材料

◆能源是人类赖于生存的物质基础之一，是地球演化及生物进化的动力，它与社会经济的发展和人类的进步及生存息息相关。

◆如何合理地利用现有的能源资源，始终贯穿于社会文明发展的整个过程。

◆能源的人均占有量及使用量，是衡量一个国家现代化的重要标记之一，但同时也是给予一个民族对这美好的绿色大自然留下难以恢复的“创伤”的最好评价。能源分不可再生能源和可再生能源不可再生能源:煤、天然气和石油（包括核能）；可再生能源:太阳能、风能、地热能、生物质能、海洋能和水电能。煤、天然气和石油的可使用年限分别为100-120年、30-50年和18-30年。整个人类发展和工农业生产，几乎都是依赖于有限的化石能源寻找、改善及提高可再生能源的利用率和发明创造新技术，以最大限度地开采不可再生能源设法利用新技术创造更多的能源并代替不可再生的化石燃料5.1微生物与石油开采一、微生物勘探石油1937年发现地表底土中存在能利用气态烃为碳源的微生物，这些菌在土壤中的含量与底土中的烃浓度存在对应关系。这些菌可作为地下油气田的指示菌。1957年，用微生物勘探确认的16个油矿中，有10个油气田，3个无开采价值油气田。二、微生物二次采油微生物采油的基本要点是：利用微生物能在油层中发酵并产生大量的酸性物质以及H2、CO2、及CH4

气体的生理特点，微生物产生可增加地层压力，提高采油率，如产酸性物质可溶于原油中，降低原油的粘度。此外，还可产生表面活性剂，降低油水中的表面张力，把高分子碳氢化合物分解成短链化合物，使之更加容易流动，避免堵住油井输油管道。三、微生物三次采油利用分子生物学技术，来构建能产生大量CO2和甲烷等气体的基因工程菌株或选育产气量高的活性菌株这些工程菌能在油层中不仅产生气体增加井压，而且还能分泌高聚物、糖酯等表面活性剂，降低油层表面张力，使原油从岩石中、沙土中松开，粘度降低，从而提高采油率。5.2未来石油的替代物—乙醇一、生产乙醇燃料的意义及生化机理乙醇作为燃料的益处产能效率高；在燃烧期间不生成有毒的CO；可通过微生物大量发酵生产，成本相对较低生化机理乙醇发酵的原材料可用蔗糖和淀粉发酵微生物主要是酵母菌。酵母菌含有丰富的蔗糖水解酶和酒化酶。蔗糖水解酶是胞外酶，能将蔗糖水解为单糖（葡萄糖、果糖）。酒化酶是参与乙醇发酵的多种酶的总称，酒化酶是胞内酶，单糖必须通过细胞膜进入细胞内，在酒化酶的作用下进行厌氧发酵反应并转化成乙醇及CO2，然后通过细胞膜将这些产物排出体外。二、乙醇代替石油的典例第二次世界大战期间，欧洲曾用混有少量的乙醇作为摩托车的燃油。亨特福特设计了可用乙醇、汽油或两者混合的燃料的汽车。从1940年起，微生物生产乙醇的规模及产量也随着石油生产乙醇的产量大幅度递增而减少发酵法生产的乙醇仅仅供应于加工市场所需的饮料产品。近20年来，全球石油的采油量急剧下降，发达国家采用化学法生产乙醇。发展中国家采用传统的发酵工艺为工业需求提供乙醇。太阳能转化为化学能的生物材料中最理想的是甘蔗。巴西是盛产甘蔗，利用发酵工艺生产乙醇替代部分石油乌拉圭种植甜高梁用于发酵生产酒精，其产量可替代大约45%的石油非洲的马拉维杜瓜酒厂早在1982年就投产生产乙醇并用于燃料发达国家也种植一些适合其本国气候的燃料农作物三、乙醇代替石油所用的原料和所面临的困难乙醇生产要规模化生产，需投入可观资金，成本较高，价格明显高于石油。如何解决乙醇发酵所需的原材料与人类生存粮食供需矛盾是评价发展生产乙醇代替石油的最基本依据之一。

表1生产乙醇燃料的原材料

淀粉类纤维素类糖类其他禾谷类木材蔗糖菜花转化糖甜高梁玉米木屑糖蜜高梁废纸糖甜菜葡萄干小麦森林残留物饲料甜菜香蕉大麦农业残留物糖蔗压榨产品固体废料乳肉乳浆面粉饲料产品废料葡萄糖碎玉米饲料硫化废物四、纤维素发酵生产乙醇国内外许多生产乙醇的高活性菌株均不能直接利用纤维素作为发酵过程中所需的糖类物质。酸碱法不适合于水解纤维素供给微生物发酵生产乙醇燃料。酶法也存在酶耗量大，生产周期过长，生产效率低等缺陷，而直接利用能降解纤维素的真菌进行发酵，所需设备简单、成本低，但乙醇产量不高。混合发酵法可避免用酸碱法和酶法处理纤维素转化为糖是所引发的部分问题。例如：热纤梭菌能分解纤维素，但乙醇产量低（50%），而热硫化氢梭菌不能利用纤维素，但所产出的乙醇量相当高。因此，如把两种微生物进行混合直接发酵，其产率可达75%以上。基因工程技术：把能水解纤维素的一个葡聚糖内切酶基因和一个β-葡萄糖苷酶基因，可克隆在能产生乙醇的菌株中，并研究该菌株利用纤维素做原料的情况。把能产生乙醇的基因克隆到能降解纤维素，但不能生产乙醇的细胞中。例如：把运动发酵单细胞菌的丙酮酸脱羧酶基因和乙醇脱氢酶基因转移到不能生产乙醇的克雷伯氏氧化杆菌中就能直接发酵纤维素产生乙醇。5.3

植物“石油”一、能产“石油”的灌木树为橡胶树的近缘种，含丰富的汁液，有较高比例的碳氢化合物，其液汁加工后，可与汽油混合物作为动力机的燃料。美国选育的牛奶树和三角大戟，均为灌木树，乳汁丰富。野生产油灌木树具遗传变异的特性，通过常规遗传育种技术有可能培育出抗寒、高产及抗病虫害的“石油”树。石油树抗逆性极强，抗恶劣气候，可种植在沙漠或旱地。二、油料植物从许多植物中均能提取出植物油。例如：向日葵、棕榈、椰子、花生、油菜子和巴巴苏坚果等。在欧洲用改良的油菜种子油，作为一种内燃机燃料的替代物。油楠（豆科）：产在我国海南尖峰岭，树干砍伤或钻洞后，从伤口流出淡黄色或淡棕色的油状液体。当地群众很早就习惯用此油代替煤油点灯照明。柴油树：又称古巴树，每株成年树可抽提20~30升燃料油，可直接用于柴油机使用。续随子（大戟科）：原产欧洲，我国栽培已久，通过简单的加工就可获得原油，每公顷续随子可产油10桶（1500升）。宽叶香蒲（香蒲科）：分布于东北、华北、四川、陕西、甘肃、新疆等地。宽叶香蒲是迄今已知转化太阳能最有效的植物，可以代替煤炭、石油、天然气使用。桉属（桃金娘科）：桉属植物有600多种，多集中澳大利亚及其附近岛屿。我国引入栽培约60种，西南至东南部都有栽培。一般每公顷桉树可生产20~30吨桉树油。桉树油的主要成分为十碳烯酸，为无色或淡黄色透明液体，可作为内燃机燃料。麻疯科（大戟科）：又名黑皂树，此树可能原产美洲，后引种东南亚各国。黑皂树可代替柴油使用。橄榄（橄榄科）：该种产于广东、广西、台湾、福建、四川、云南等地。橄榄种子提取食用油后的残渣，再用溶剂油提取获得橄榄脚油，含油酸79.26%，经脂化反应处理后的单脂可以与柴油混在一起作为发动机燃料。三、藻类产油藻类能产生大量的脂类，可用来制造柴油及汽油。美国设在科罗拉多州的太阳能研究所用一个直径20m的池塘养殖藻类，年产藻4吨多，可产油3000多升。目前，这个研究组正从分子生物学角度，开发能产更多的油脂类的藻类，研究目标是想在2010年前，用藻类生产的汽油能提供美国机动车所用燃料总量的8%~10%。用植物油或植物油与柴油混合作为燃料具有极大的潜力，但也存在一些问题，如粘性过高，气缸和游嘴里的碳沉积过多等等。植物是世界上最丰富的可再生能源资源，最直接的利用是进行燃料取能。目前人们仅用其产量的确1%~3%作为能源，提供了大约世界能耗的15%。中国每年消耗的柴草可折成2.5×103亿千克标准煤,如能合理利用,将发挥更好的效益。生物能的核心问题是气化和液化。5.4甲烷与燃料源甲烷气可产生机械能，电能及热能。甲烷已作为一种燃料源天然气气源是由远古时代的生物群体衍变而来，是一种不可再生的能源。在地表也存在甲烷，它主要来自于天然的湿地，稻根及动物的肠内发酵而释放的。家养的牲畜是动物释放甲烷的主要来源，大约占所有动物释放甲烷量的75%。而人类仅占0.4%。甲烷被是起着温室效应的主要气体之一。一、生产甲烷的生化机理厌氧微生物可通过厌氧发酵途径生产甲烷。整个发酵过程分三个主要步骤：初步反应利用芽孢杆菌属、假单胞菌属及变形杆菌属等微生物把纤维素、脂肪和蛋白质等很粗糙的有机物转化成可溶性的混合组分。微生物发酵过程低分子量的可溶性组分通过微生物厌氧发酵作用转化成有机酸。甲烷形成：通过甲烷菌把这些有机酸转化为甲烷及CO2。沼气

表2农村常用发酵生产甲烷的原料及沼气产量原料名称每吨干物质产沼气量（m3）甲烷含量（%）猪粪

60055牲畜粪便30060酒厂废水50048废物污泥40050

麦秆30060

青草63070二、应用举例中国是沼气生产量最大的国家，其中生产量高达7×106生物气单位，相当于22×106吨煤的能量。印度现有沼气池近百万个。在美国加州，采用牛粪生产甲烷能给一个工厂提供20000h的电能日本曾研究开发了一套“本地能源综合利用机械系统”。系统有沼气发酵反应器、发电设备、废物预处理器及有机肥料制作设备组成。5.5未来新能源一、氢能1、产氢的微生物在未来新能源中，氢气能源是可燃气中最理想的气体燃料之一，被称为绿色燃料。氢是导弹和新型航天飞机的燃料。生物光化学家能利用太阳光和生物体产氢。1942年Gafron和Rubin发现珊列藻可产氢。许多光合微生物及非光合微生物也能产氢。把产氢基因克隆到水生藻类中能使之大幅度地提高产氢量。2、产氢生化机理利用太阳光、叶绿体膜、电子供体、电子载体、氢化酶等组分进行混合反应能产氢。二、生物燃料电池微生物电池就是利用微生物的代谢产物作为物理电极活性物质，引起原物理电极的电极电位偏移，增加电位差，从而获得电能的装置。按生物燃料电池的构造不同可分为三类：产物生物燃料电池是利用微生物体发酵并分泌出具有电极活性的代谢产物（例如H2）来构成不同的电极电位，并提供电能。去极化生物燃料电池是利用分别固定在电极上的微生物、酶、组织、细胞及抗体等生物组分，参与电化学反应并提供的电压和电能。再生生物燃料电池是利用生物组分可将原有的电化学活性的化合物再生，这些再生的化合物再与电极反应相互作用并产生一定的电压和电流。产物生物燃料电池11972年，Allen等利用大肠杆菌能产生氢的生理特性，构建了氢氧（空气）型电池。他们把大肠杆菌导入电池的阴极室中，反应温度为37℃，结果获得电压0.7V。电流密度4~7μA/cm2。把能产生氢的微生物固定在含酒精工厂废水（2kg）的反应器中，使菌体利用废水的碳源进行发酵并连续产氢，随后把氢输送到氢氧燃料电池中。美国宇航局曾为了解决宇航飞船中宇航员排泄物的处理问题，采用芽孢杆菌处理尿，使尿酸分解而生成尿素。然后用尿素酶分解尿素成氨，氨能使铂电极产生电流。粗估22g尿液能获得47W的电能。用100g分子重量的椰子汁作产气单胞菌发酵的原料并产生甲酸的代谢产物，其产物可产生10mA的电流，相应的电流可使半导体晶体管收音机连续工作2天时间。2、去极化生物燃料电池酶、微生物及其他生物材料固定化技术是构建去极化生物燃料电池的关键性步骤之一。采用固定化技术把微生物固定到电极上，可获得较长反复使用微生物的生理功能及利用固定化维持菌体燃料生产达到高水平，这样就能进一步提高燃料电池的效率。把能产氢的大肠杆菌菌体与丙烯酰胺溶液混合并在铂黑电极上聚合，作为阳极，碳电极为阴极。这种方式的微生物电池能获得较稳定的电流。据报道，该电池能在两星期内连续提供1.0~1.2mA的电流。

利用微生物、酶及组织等生物材料均能制作出各种类型的电池。生物燃料电池产电能较低，持续时间短，大多数研究报导都是处于实验阶段，离实用阶段差距较远；生物燃料电池一定会给人类带来可喜的电能。5.6生物材料生物材料学是生命科学与材料科学的交叉科学，在医学和工程学中得到广泛应用。其研究的主要目的是在分析天然生物材料的组装、生物功能及形成机理的基础上，发展新型医用材料及仿生高性能工程材料。生物材料分为三种天然生物材料是一类在生物过程中形成的材料，如麻、棉、蚕丝、贝壳等生物医用材料指置入活体内能有某种生物学功能的材料，如制作各种人工器官的材料仿生和组织工程材料它是生物材料与工程学交叉的部分，包括各种仿生材料、智能材料和组织工程材料。图富集在昆虫消化管细胞中的铁蛋白晶体（放大约10000倍）铁是一种普遍的微量元素，它使许多动物的血液呈现红色。铁必须溶解，并与生物分子结合才能被吸收。人工生物医学材料一、天然生物材料的研究应用贝壳是一种具有极高韧性的天然矿化材料。有人研制出的Al2O3-芳纶纤维增强环氧树脂叠层仿珍珠复合材料，其断裂功已接近天然珍珠材料。蜘蛛丝是一种优良的天然纤维，属于强度最大、弹性最好的材料之一，被美名为“生物钢”。目前，研究人员已经分离得到蛛丝蛋白基因，并试图用基因工程的方法生产这种生物钢。有人还期望用蛋白质工程的方法修饰蛛丝蛋白基因获得更高性能的材料，用于制造航空、航天装备。生物胶粘剂和防污涂料:海洋贻贝能分泌出强力粘胶，黏附在礁石上，那怕是巨浪冲刷，照样黏附在礁石上，目前正在进行基因工程分离此基因。海藻等生物表面长期累积的沉积物，像骨骼一样坚硬的组织结构，具有多空形态，可用于研制假牙、骨骼材料等。优异吸水性生物材料：由一种肥大产碱杆菌分泌的一种物质具有强大的吸水力，可吸自身重量的1000-3500倍的水，吸水速度快，保水性能好，可用来改良土壤和蓄水抗旱、改造沙漠。比空气轻的生物材料：从海藻中提取一种琼脂，用水溶解，加入有机溶剂和凝固剂，干燥后可制得固态混合材料，其密度只有空气的十分之一，能在空气中漂浮。可替代泡沫塑料。生物建筑材料:研制弹性混凝土，适应地震的需求生物陶瓷(bioceramics)与生物体或生物化学有关的新型陶瓷。包括精细陶瓷、多孔陶瓷、某些玻璃和单晶。生物陶瓷根据使用分为植入陶瓷和生物工艺学陶瓷。植入陶瓷植入生物体内，用以恢复和增强生物体机能。常用的植入陶瓷有氧化铝陶瓷和单晶氧化铝、磷酸钙系陶瓷、微晶玻璃、氧化锆烧结体等，它们在临床上用作人造牙、人造骨、人造心脏瓣膜、人造血管和其他医用人造气管穿皮接头等。生物工艺学陶瓷用于分离细菌和病毒，用作固定化酶载体，以及作为生物化学反应的催化剂，使用时不直接与生物体接触。常用的有多孔玻璃和多孔陶瓷。前者不易被细菌侵入，环境溶液中溶媒的种类、pH值和温度不易引起孔径变化，材质坚硬、强度高，多用作固定化酶载体。后者耐碱性能好，价格低，主要用作固定化酶载体，使固定化酶能长时间发挥高效催化作用。此外，控制多孔陶瓷的孔径，可用于细菌、病毒、各种核酸、氨基酸等的分离和提纯。生物陶瓷目前的生物陶瓷是利用生物技术将多种天然矿物质提纯、加工，并结合先进的陶瓷技术用高达1250℃烧制而成的，产品中的低温远红外线以及产品，通过与空气、水、光能、热能等介质的接触而不断产生的负离子，均具有超强的抗菌、保健功能，被广泛运用于食品保鲜、水质处理、烟酒类的杂质去除以及节能行业。生物杯中王水杯是将生化陶瓷技术与不锈钢口杯技术相结合的产物，具备了改善水质、杀菌保健和饮水等多种功能；烟煲、酒（茶）煲则利用了生物技术中的相乘或相杀作用，可直接将香烟尼古丁、焦油里的有害物质净化和剔除，或直接平衡和调节酒中甲醇、甲醛与乙醇等物质间的相互关系，剔除对人体有害的多余物质，从而减少酒精对人体的毒害。微生物塑料有些微生物能够产生在自然环境中容易完全降解的与塑料类似的聚酯，如：聚β-羟丁酸，即甲基侧链聚羟基丁酯(PHB)和聚羟基烷酯(PHA)及乙基侧链聚羟基戊酯(PHV)，可以用来生产完全生物降解塑料，这类塑料可称为微生物塑料。微生物塑料例如：洋葱伯克霍尔德氏菌(Burkholderia

cepacia，即洋葱假单胞菌)，利用木糖和少量氮，能发酵生产大量的PHB，该菌积累的PHB可达其细胞的干重60%；另一种杆菌，可以利用甲醇和戊醇为原料，发酵生成PHB和PHV的共聚物；还有人用乳酸菌以马铃薯为原料，生产大量L-乳酸，再制成称为"交酯"的聚乳酸塑料。微生物功能材料自然界各种各样的环境，生物经长期进化，适者生存，从而也导致生物大分子蛋白质、核酸、多糖、脂类等具有广泛而各式各样的功能，例如：能量转换、信息处理、分子识别、抗辐射、抗氧化、自我组装和自我修复等功能。人们利用这些大分子或对其修饰、改造或改装，能制成各种生物功能材料。微生物功能材料最具代表性的是对盐生盐杆菌(Halobacterium

halobium)产生的紫膜蛋白质--细菌视紫红质(Bacteriorhodopsin,bR)的研究。bR在光照射循环时，会按一定的顺序发生结构变化，结构变化过程中的不同状态，就能起到光开关的作用，可以分别表示信息"0"或"1"，用来记录数字信息。例如用激光照射bR时，它结构变化显示二进制的"0"，再次照射，它结构变化成为二进制的"1"。bR作为电子器件材料与现代微电子技术的根本材料硅半导体相比，具有显著的优点：

密集度高其密集度可以达到现有半导体超大规模集成电路的10万倍。开关速度快它的开关速度比目前的半导体元件开关速度高出1000倍以上。稳定又可靠

bR分子能够自我组装和自我修复，排除集成电路可能出现的故障。耗能量少

bR分子是生化反应开关，阻扰低，能耗小，较好地解决了散热问题。生物计算机

用生物大分子作元件制造的计算机叫生物计算机，或称为分子计算机。bR分子作为计算机元件是当前研究得最多、最深入的。而DNA作为元件的DNA计算机，则是一种全新概念的计算机，DNA计算机的原理

DNA分子中的大量密码相当于存储的数据，某些酶对DNA分子作用，瞬间就能完成其生化反应，从一种基因代码变成另一种基因代码。反应前的基因代码可以作为输入的数据，反应后的基因代码则作为运算结果，如果这种反应控制得当，就能制成DNA计算机。有人预计DNA计算机运算速度快得惊人，其几天的运算量，可相当于现在计算机问世以来世界上所有计算机的总运算量。其存储容量也非常巨大，1立方米的DNA溶液可存储1万亿亿二进位的数据，超过目前所有计算机的存储容量。但其耗能量仅一台普通电子计算机的十亿分之一。二、生物医用材料的研究应用1、用于制造人工血管的生物医学材料

1897年有人用象牙管子制作人工血管，但因接入人体后很快发生凝血而失败；用涂有石蜡的玻璃管和各种金属管制作过人工血管，也因其在体内很快凝血而失败。目前使用的人工血管大都是用聚酯纤维或聚四氟乙烯纤维编织成的具有一定孔隙的皱状空腔管子。近来有人建议用密集纤维胶原基质。2、表面包敷的磁性纳米粒子在药物上的应用纳米材料在生物医学的应用有着非常广阔的前景。例如医生可以用纳米机器人直接打通脑血栓，清洁心脏动脉脂肪沉积物；也可以把纳米机器注入血管内，进行人体全身检查和治疗；药物也可研制成纳米尺寸，直接注入到病变部位，而大大提高医疗效果减少副作用。表面包敷的磁性纳米粒子是在磁性纳米粒子涂敷高分子，在外部再与蛋白结合并可以注入生物体中的一种材料，这种载有高分子和蛋白的磁性纳米粒子可以作为药物的载体，然后静脉注入到动物体内，在外加磁场的作用下，通过纳米微粒的磁性导航，使其移向病变部位，达到定向治疗的目的。磁性纳米粒子在分离癌细胞和正常细胞方面经动物临床试验已获成功。三、仿生和组织工程材料人们试图仿制天然生物材料，制备出具有生物功能，甚至生物活性的材料成为生物材料学极为活跃的领域。它涉及细胞调控的生物矿化，基因调控的纤维蛋白，以及仿珍珠层材料、人工酶、仿生物膜、智能材料等。分为应用于工程学的仿生材料和应用于医学的组织工程材料。1、仿生智能材料智能材料应具备感知、处理和驱动三个基本要素。它将高技术的传感器、执行元件与传统材料结合起来，赋予材料新的性能，使无生命的材料具有越来越多的生物属性。如变色玻璃、形状记忆合金、增韧氧化锆陶瓷、正温度系数热敏陶瓷等。仿生智能材料在航空、舰艇、建筑、机器人、医药等领域都具有