從細(xì)菌煉油到馬桶電站

　　進(jìn)入12月，國際油價再次站上了每桶100美元的高位。緊張的中東局勢，讓人不得不擔(dān)心未來的石油供應(yīng)問題。機(jī)票的燃油附加費又提高了，與此同時，電價正逐步抬高，電荒問題也還沒有解決的曙光。在這個寒冷的季節(jié)里，能源危機(jī)的寒風(fēng)似乎要吹進(jìn)每一個人的骨頭縫里。
　　大家都寄希望于新能源的出現(xiàn)能一勞永逸地解決這些問題，可惜新能源就像躲在閣樓上的“小家碧玉”，在熱炒多年之后，卻“只聽樓梯響，不見人下來”。就在兩年前，各地的生物乙醇項目還被炒得火熱的，而如今，這種新興的能源產(chǎn)業(yè)卻顯得有些疲軟，這究竟是怎么回事？生物能源究竟有沒有出路？
　　生物乙醇不給力
　　在汽油中添加乙醇已經(jīng)不是什么新鮮事了。乙醇已經(jīng)是產(chǎn)量和消費最多的生物燃料，僅2008年美國就消耗了90億加侖的生物乙醇。不過，把乙醇當(dāng)做燃料添加到油箱中，并非21世紀(jì)的新生事物，要知道，世界上第一臺內(nèi)燃機(jī)汽車就是以乙醇作為燃料的。雖然乙醇身上可以貼著無污染、可再生的優(yōu)質(zhì)標(biāo)簽，可這并不能掩飾它作為能源的短板。
　　乙醇的能量密度要低于汽油，說直白點就是乙醇的力氣不夠大。1升乙醇能釋放出的能量（22.3兆焦/升）只有同樣體積汽油的70%。把乙醇用作汽車燃料尚可，但是無法滿足柴油機(jī)和航空燃料的需求。另外，乙醇具有很強的腐蝕性，對目前使用的鋼制油罐、輸油管道以及發(fā)動機(jī)都不那么友好。如果將其當(dāng)做大規(guī)模使用的燃料，就需要更新目前的所有加油站的基礎(chǔ)設(shè)施，并且設(shè)計和制造新的運輸車輛。這可不像我們家里把煤氣灶換成電磁爐那樣簡單，不菲的投資和浩大的工程都讓人望而卻步。另外，乙醇與水有很強的親和性，而生物發(fā)酵過程又離不開水，將水分除去就很不容易了，但乙醇還會把空氣中的水再吸回來，而發(fā)動機(jī)可不喜歡水。這樣一來，如何讓乙醇燃料保持干爽又是個浩大的工程。
　　正是由于乙醇存在這樣的缺陷，所以在汽油被發(fā)現(xiàn)之后，乙醇與汽車油箱絕緣了很長時間。不過還好，微生物能夠加工出來的不僅僅是乙醇。
　　真正的微型煉油廠
　　目前，幾乎所有的汽車、內(nèi)燃機(jī)車和飛機(jī)的發(fā)動機(jī)都是通過直接燃燒燃料。像乙醇、汽油這樣的化學(xué)物質(zhì)主要是由碳原子、氫原子組成的。碳原子之間，碳原子和氫原子手拉手形成的組合中（化學(xué)鍵）都蘊含著能量，就像沒有打開包裝的新電池。而碳原子和氫原子也可以在拆散后，同氧原子結(jié)合，形成二氧化碳和水，不過后面形成的這些分子就如同用過的舊電池，所含的能量就要低得多了。這兩類原子組合之間的能量差值，就是燃燒時放出的能量了。同汽油這種純粹由碳和氫組成的化合物不同，乙醇分子內(nèi)部已經(jīng)有碳和氧結(jié)合的化學(xué)鍵，這樣就大大影響了它們釋放能量的力度。還好微生物可以生產(chǎn)的不僅僅是乙醇，含有碳原子數(shù)量較多的長鏈醇類，以及脂肪酸都是它們的產(chǎn)品。
　　實際上，科研人員很早就注意到梭菌屬（Clostridium）的可以生產(chǎn)異丙醇和正丁醇，這是兩種比乙醇都優(yōu)秀的燃料。異丙醇的能量密度可以達(dá)到每升23.9兆焦，而正丁醇的能量密度甚至可以達(dá)到每升29.2兆焦，這已經(jīng)相當(dāng)接近汽油的能量密度（32兆焦/升）了。比起乙醇來，丁醇的辛烷值也更高，這意味著，它可以與現(xiàn)有的汽油燃料以任意比例調(diào)配。更重要的是，正丁醇具有很強的疏水性，它們并不喜歡與水混在一起。這種燃料看起來跟汽油幾乎一樣，所以完全可以利用現(xiàn)有的設(shè)施來生產(chǎn)運輸正丁醇。更有誘惑性的是，每升梭菌培養(yǎng)液中可以積累的正丁醇可以達(dá)到19.6克。梭菌看起來就是一個完美的新興生物能源生產(chǎn)器，可事實并非如此，因為梭菌的生長非常緩慢。一般情況下，梭菌繁殖一代大概需要約8個小時的時間，看似迅速，但是同大腸桿菌約20分鐘一代的繁殖速度相比就顯得步履蹣跚了。
　　解決的辦法就是將正丁醇的生產(chǎn)線搬到繁殖快、易培養(yǎng)的細(xì)菌中去，大腸桿菌就是這樣的一種細(xì)菌。另外，經(jīng)過數(shù)十年的研究，科學(xué)家已經(jīng)把大腸桿菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和基因組成了解得一清二楚，這就相當(dāng)于為我們提供了一個良好的多功能廠房，只要安裝上合適的“生產(chǎn)線”就可以產(chǎn)出我們想要的產(chǎn)品。目前，研究人員已經(jīng)把合成丁醇的相關(guān)基因?qū)氲酱竽c桿菌的基因組里面去了，并且都能夠較為順暢的運作。通過不同基因（酶）的協(xié)同作用，將葡萄糖轉(zhuǎn)化為丁醇。
　　當(dāng)然，丁醇同乙醇一樣，能量密度并不能滿足航空發(fā)動機(jī)的需求，因此，我們還需要更強的工程菌株來生產(chǎn)出能量密度更高的燃料——只含有碳原子和氫原子的烷烴及萜類化合物。11月4日，美國能源部下屬的聯(lián)合生物能源研究所的科學(xué)家宣布，他們通過改造大腸桿菌和釀酒酵母的基因，制造出了沒藥烷的前體物沒藥烯。只要將沒藥烯進(jìn)行簡單的催化加氫反應(yīng)，就可以制成一種“綠色”的生物燃料——沒藥烷，這種高能量密度、低污染的新燃料完全有可能替代D2柴油。這無疑是尋找高質(zhì)量生物燃料道路上的堅實一步。
　　不過，細(xì)菌煉油廠并非是十全十美的。目前我們還無法完全掌控大腸桿菌運作的過程，從實驗室到實際生產(chǎn)還有一些瓶頸需要突破。例如，理論上每升大腸桿菌產(chǎn)丁醇的上限為10克，但是目前所有的實驗產(chǎn)量都沒有突破“克”級大關(guān)。從細(xì)菌培養(yǎng)基中“煉”出燃油，還有很長的路要走。
　　馬桶電站是新的希望嗎
　　微生物除了可以煉油，還可以發(fā)電，如果你覺得不可思議，那你肯定覺得西英格蘭大學(xué)的研究人員簡直是異想天開——他們正嘗試用尿液當(dāng)燃料，建起能提供強大電能的“細(xì)菌電站”。而且，他們的實驗工作已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。實驗中，初始狀態(tài)的微生物燃料電池可產(chǎn)生0.9毫安/每平方米的電能，在注入25毫升尿液之后1個小時，點產(chǎn)量達(dá)到了2.9毫安/每平方米，并且在3天之內(nèi)能持續(xù)輸出電能，發(fā)電強度逐漸恢復(fù)到3天之前的水平。雖然，這樣的一塊尿液電池的電能略顯微弱，但是考慮到全球每年有6.4萬億升尿液沖進(jìn)馬桶，“燃料”自然不是問題，如果電池的發(fā)電效能再加以提高，這樣馬桶電站所提供的能量自然不可小覷。
　　實際上，微生物電站的原理并不復(fù)雜。在陽極通過微生物的分解將有機(jī)物中的電子和質(zhì)子拆解開來。之后，電子通過導(dǎo)線傳到陰極，而質(zhì)子則通過特殊的質(zhì)子交換膜，鉆進(jìn)陰極區(qū)域，在陰極跑過來的電子、質(zhì)子和氧氣結(jié)合成水。而在電子流動的過程中就將能量交了工作的手機(jī)、電腦等用電設(shè)備了。簡單來說，就是將有機(jī)物和氧氣的燃燒反應(yīng)拆分來，以更平緩的形式將能量轉(zhuǎn)化成電能。從原理上看，跟目前已經(jīng)實用化的氫氧燃料電池并沒有區(qū)別。
　　不過，微生物燃料電池有其特有的優(yōu)勢，比如，發(fā)電過程可以跟發(fā)酵過程結(jié)合在一起，只要像電池里投入有機(jī)物（甚至是尿液），經(jīng)過細(xì)菌的處理就可以生產(chǎn)出可以供發(fā)電細(xì)菌使用的葡萄糖等小分子有機(jī)物，這就省去了制造電池原料的工作，也將能源和環(huán)保緊密地結(jié)合在了一起。
　　也許不用多久，衛(wèi)生間照明和通風(fēng)設(shè)備就會用上尿液電池。各種有機(jī)物中的能源寶庫還要借助微生物來幫我們發(fā)掘。