進入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，讓人不得不擔心未來的石油供應問題。機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。在這個寒冷的季節裏，能源危機的寒風似乎要吹進每一個人的骨頭縫裏。
大家都寄希望於新能源的出現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”，在熱炒多年之後，卻“隻聽樓梯響，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，這種新興的能源產業卻顯得有些疲軟，這究竟是怎麽回事？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不是什麽新鮮事了。乙醇已經是產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，把乙醇當做燃料添加到油箱中，並非21世紀的新生事物，要知道，世界上第一台內燃機汽車就是以乙醇作為燃料的。雖然乙醇身上可以貼著無汙染、可再生的優質標簽，可這並不能掩飾它作為能源的短板。
乙醇的能量密度要低於汽油，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)隻有同樣體積汽油的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，對目前使用的鋼製油罐、輸油管道以及發動機都不那麽友好。如果將其當做大規模使用的燃料，就需要更新目前的所有加油站的基礎設施，並且設計和製造新的運輸車輛。這可不像我們家裏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，而發動機可不喜歡水。這樣一來，如何讓乙醇燃料保持幹爽又是個浩大的工程。
正是由於乙醇存在這樣的缺陷，所以在汽油被發現之後，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、內燃機車和飛機的發動機都是通過直接燃燒燃料。像乙醇、汽油這樣的化學物質主要是由碳原子、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後，同氧原子結合，形成二氧化碳和水，不過後麵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，乙醇分子內部已經有碳和氧結合的化學鍵，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的不僅僅是乙醇，含有碳原子數量較多的長鏈醇類，以及脂肪酸都是它們的產品。
實際上，科研人員很早就注意到梭菌屬(Clostridium)的可以生產異丙醇和正丁醇，這是兩種比乙醇都優秀的燃料。異丙醇的能量密度可以達到每升23.9兆焦，而正丁醇的能量密度甚至可以達到每升29.2兆焦，這已經相當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，它可以與現有的汽油燃料以任意比例調配。更重要的是，正丁醇具有很強的疏水性，它們並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有的設施來生產運輸正丁醇。更有誘惑性的是，每升梭菌培養液中可以積累的正丁醇可以達到19.6克。梭菌看起來就是一個完美的新興生物能源生產器，可事實並非如此，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，但是同大腸杆菌約20分鍾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線搬到繁殖快、易培養的細菌中去，大腸杆菌就是這樣的一種細菌。另外，經過數十年的研究，科學家已經把大腸杆菌的細胞結構和基因組成了解得一清二楚，這就相當於為我們提供了一個良好的多功能廠房，隻要安裝上合適的“生產線”就可以產出我們想要的產品。目前，研究人員已經把合成丁醇的相關基因導入到大腸杆菌的基因組裏麵去了，並且都能夠較為順暢的運作。通過不同基因(酶)的協同作用，將葡萄糖轉化為丁醇。
當然，丁醇同乙醇一樣，能量密度並不能滿足航空發動機的需求，因此，我們還需要更強的工程菌株來生產出能量密度更高的燃料——隻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合生物能源研究所的科學家宣布，他們通過改造大腸杆菌和釀酒酵母的基因，製造出了沒藥烷的前體物沒藥烯。隻要將沒藥烯進行簡單的催化加氫反應，就可以製成一種“綠色”的生物燃料——沒藥烷，這種高能量密度、低汙染的新燃料完全有可能替代D2柴油。這無疑是尋找高質量生物燃料道路上的堅實一步。
不過，細菌煉油廠並非是十全十美的。目前我們還無法完全掌控大腸杆菌運作的過程，從實驗室到實際生產還有一些瓶頸需要突破。例如，理論上每升大腸杆菌產丁醇的上限為10克，但是目前所有的實驗產量都沒有突破“克”級大關。從細菌培養基中“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，還可以發電，如果你覺得不可思議，那你肯定覺得西英格蘭大學的研究人員簡直是異想天開——他們正嚐試用尿液當燃料，建起能提供強大電能的“細菌電站”。而且，他們的實驗工作已經取得了很大的進展。實驗中，初始狀態的微生物燃料電池可產生0.9毫安/每平方米的電能，在注入25毫升尿液之後1個小時，點產量達到了2.9毫安/每平方米，並且在3天之內能持續輸出電能，發電強度逐漸恢複到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6.4萬億升尿液衝進馬桶，“燃料”自然不是問題，如果電池的發電效能再加以提高，這樣馬桶電站所提供的能量自然不可小覷。
實際上，微生物電站的原理並不複雜。在陽極通過微生物的分解將有機物中的電子和質子拆解開來。之後，電子通過導線傳到陰極，而質子則通過特殊的質子交換膜，鑽進陰極區域，在陰極跑過來的電子、質子和氧氣結合成水。而在電子流動的過程中就將能量交了工作的手機、電腦等用電設備了。簡單來說，就是將有機物和氧氣的燃燒反應拆分來，以更平緩的形式將能量轉化成電能。從原理上看，跟目前已經實用化的氫氧燃料電池並沒有區別。
不過，微生物燃料電池有其特有的優勢，比如，發電過程可以跟發酵過程結合在一起，隻要像電池裏投入有機物(甚至是尿液)，經過細菌的處理就可以生產出可以供發電細菌使用的葡萄糖等小分子有機物，這就省去了製造電池原料的工作，也將能源和環保緊密地結合在了一起。
也許不用多久，衛生間照明和通風設備就會用上尿液電池。各種有機物中的能源寶庫還要借助微生物來幫我們發掘。
（來源：南方人物周刊）
上一篇：微生物汙染是食品安全重中之重
下一篇：熒光豬肉或感染了熒光菌
