創新求實 探索生物質能源突破口——記中國科學院大連化學物理研究所趙宗保研究員

本刊記者 石麗云

創新求實 探索生物質能源突破口
——記中國科學院大連化學物理研究所趙宗保研究員

本刊記者 石麗云

專家簡介：

趙宗保，1968年生，中國科學院大連化學物理研究所研究員，博士生導師，“生物質高效轉化研究組”組長。2004年中國科學院“引進國外杰出人才”，美國化學會、美國微生物學會、中國化學會和中國生物工程學會會員，中國可再生能源學會生物質能專業委員會理事，中國化學會化學生物學專業委員會委員。至今已發表學術論文120余篇，被引用700余次。

1990年、1995年先后在湖南師范大學化學系獲學士學位和碩士學位。1998年在中科院上海有機化學研究所獲理學博士學位。1998年至2003年先后在美國明尼蘇達大學和德克薩斯大學奧斯汀從事博士后研究。2003年11月應聘到中科院大連化物所生物技術部工作，主要研究方向為生物轉化技術、分子微生物學和化學生物學。

隨著傳統能源資源的日益枯竭，很多能源專家已經把目光瞄準了生物質能源。目前，很多國家都在積極研究和開發利用生物質能。

眾所周知，生物質能蘊藏在植物、動物和微生物等可以生長的有機物中，它是由太陽能轉化而來的。有機物中除礦物燃料以外的所有來源于動植物的能源物質均屬于生物質能，通常包括木材、森林廢棄物、農業廢棄物、水生植物、油料植物、城市和工業有機廢棄物、動物糞便等等。由此可見，地球上的生物質能資源較為豐富。地球每年經光合作用產生的生物質約1730億噸，其中蘊含的能量相當于全世界能源消耗總量的10-20倍，但是目前的利用率還不到3%。

在中國科學院大連化學物理研究所，趙宗保研究員帶領著“生物質高效轉化研究組”已經奮戰了八個春秋。八個寒來暑往，八個冬去春來，他們瞄準生物質制生物柴油等領域，邊摸索邊前進，努力推動著我國生物質能源事業的發展。

要敢想，更要敢做

2003年非典肆虐，遠在美國從事博士后研究的趙宗保果斷地選擇了回國，進入中科院大連化物所生物技術研究部工作。

“由于本身的學術背景，我對生物質能源的化學本質和發展方向進行了深入思考，認為生物質能源是非常具有前景的發展方向，是國家和社會發展的需求所在；通過綜合分析認為，燃料性能優良的生物柴油非常值得研究，這正好和研究所招聘人才的方向一致。”趙宗保這樣解釋當初選擇大連化物所的原因。

新世紀初，國內生物質能源領域的發展才剛剛起步，其挑戰性不言而喻。人們當時對生物柴油發展寄予了厚望，然而其規模化應用面臨植物油脂原料短缺的瓶頸問題。能否利用生物技術為生物柴油產業提供一種可持續的原料供給方式？趙宗保提出了“生物質制生物柴油”的新思路，但這對于其化學系科班出身的背景來說，無疑是一種挑戰。

然而，趙宗保對生物學一直懷著濃厚的興趣，善于學習的能力和經驗給了他信心。回首成長歷程，我們看到，他先后在湖南師范大學化學系和中科院上海有機化學研究所學習化學，并獲有機化學專業博士學位。直到1998年遠赴美國明尼蘇達大學開展生物有機化學方向博士后工作，他才有幸真正接觸到生物學研究。2003年，他繼續向生物學進發，開始在德克薩斯大學奧斯汀從事微生物代謝工程方向博士后研究。因此，如何讓化學與生物完美結合，并為這個世界發展貢獻力量，一直是他的追求與夢想。

中科院大連化學物理研究所恰好為趙宗保提供了一個良好的平臺。進入研究所后，他積極組建了科研團隊，圍繞高效利用生物質資源獲取生物質能源產品和生物基化學品的目標，在生物轉化技術、分子微生物學和化學生物學三個方向，開展了前瞻性、創新性工作，并取得了重要進展。

善創新，才能突破

“創新是科研的生命線，特別是戰略性和前瞻性的研究，更需要創新。”為不斷推動科研進展，趙宗保一直努力保持著創造力，不斷地奮力向前。他先后承擔或完成自然科學基金項目3項、863項目1項、中科院重要方向項目3項；參與973項目4項。回國以來，他已在國內外刊物上發表論文90余篇，被引用500次以上；申請發明專利30余件，其中PCT專利1件，已授權發明專利6件。

事實上，生物質主要由纖維素、半纖維素和木質素組成。如何高效、低成本地實現生物質解聚，釋放出碳水化合物，是生物質利用和生物能源發展的關鍵。趙宗保和他的小組在國際上率先利用離子液體為介質，水解和轉化生物質，變傳統的非均相過程轉化為均相過程，大大加快了生物質水解進程，研究成果在Green Chem.和Bioresource Technology等刊物上發表，受到同行高度關注。

生物質水解產物具有葡萄糖和木糖并存的基本特點。然而，多數微生物在葡萄糖和木糖共存的條件下優先利用葡萄糖，造成木糖利用效率低甚至利用不完全，顯著降低過程的技術經濟性。因此，獲得能夠同步且高效利用葡萄糖和木糖的菌株，是克服該共性難點問題的關鍵。前不久，經過大量的研究與試驗，趙宗保和研究小組首次發現一株能夠同步利用葡萄糖和木糖生產油脂的產油酵母。在3-L發酵罐中，以質量比為2:1的葡萄糖和木糖為碳源培養該酵母，細胞油脂含量達到59%，脂肪得率系數達到0.17g/g。如果直接利用玉米秸稈水解液來“喂養”這個酵母，油脂含量也可達39%，表現出良好應用前景。該研究成果對發展混合糖同步生物轉化新技術、降低生物柴油的原料成本，具有重要意義。

生物質水解產物另一基本特點是存在抑制生物轉化的非糖成份。對于這一點，研究人員也在篩選高抗逆性產油酵母菌株和揭示其耐受抑制因子的機制等方面取得了重要成果。

“生物能源的化學本質是對生物質進行脫氧還原。因此，必須為生物轉化系統提供充足的還原力。”趙宗保這樣告訴記者。近年來，趙宗保和研究小組致力于微生物細胞內氧化還原輔酶及其代謝過程的設計，取得了一些原創性研究成果，發表于J. Am. Chem. Soc.和Appl. Environ. Microbial.等刊物上。

產業化是最終目標

趙宗保研究小組多年專注于將生物質轉化為生物柴油的研究。“今后，我們的主要發展目標是實現微生物代謝性狀的理性設計。同時，掌握和發展一些新的改造微生物的新方法和新技術，并篩選出具有科學或工業應用價值的菌株。”面向未來，趙宗保和研究小組保持著積極的態度，并致力于將其推向產業化，真正為國家經濟社會發展服務。

趙宗保帶出了一支優秀的團隊。20余人的隊伍，包括工作人員7人（含副研究員2人），博士后2人，在讀博士生12名，人人互助互愛，形成了良好的團隊氛圍。這一切，都讓趙宗保對未來的科研之路充滿信心。目前，他們正在開展生物質制生物柴油、生物質化學轉化、產油酵母的系統生物學研究、輔酶化學改造及輔酶工程，以及合成生物學等方面的探索性工作。

“如果生物質制生物柴油能夠實現，它將是一種不依賴于耕地的、可以控制的工業化規模的操作，對緩解能源危機具有積極意義。盡管目前的技術還不是很完善，但是我們將一直專注地做下去！”趙宗保和他的研究小組一直在奮進的路上。