2014年,一些美国的工厂开始以作物为原料制备汽车燃料,是标志性的一年。然而,生产这种纤维素乙醇的成本仍然远高于直接利用汽油。所以研究人员一直在在寻找削减成本的新方案。现在,他们发现了一种奇妙的微生物,这种微生物可以利用富余的氮气作为肥料去生产乙醇。
steven ricke 是一名来自fayetteville的arkansas大学的微生物学家,并且著有一本关于生物燃料生产的专著,他对这项发现的评论是,“生物燃料方面的一项重大商业成就”,尽管他并未参与其中。
由于生物燃料的环保和可持续性,长久以来,科学家们将生物燃料视为传统化石燃料的有效替代品。为了从植物中得到乙醇,研究人员收割类似于木薯和甘蔗的庄稼,然后磨碎,利用相关的霉去降解,并且撒上酵母。酵母发酵植物中的糖分来产出乙醇。这样生产的乙醇目前一般会和汽油一起,用于世界各地的轿车或者巴士燃料。
但事物总有两面性,生物燃料也不例外。多数的生物燃料是来自于像玉米一样的食用作物的。批评家由此认为生物燃料的需求上升会引起食物价格的上涨。此外,尽管生物燃料燃烧后产生的二氧化碳直接排放量相对于化石燃料会少一些,但是一些科学家们却声称如果考虑进生产过程中的土地使用等因素造成的二氧化碳间接排放,其总排放量实际更高。
所以近些年来,研究人员将目光放在了树木和竹子之类的非食用作物上,希望将它们作为生物燃料的原料。因为这些作物所需的肥料更少,而且它们对土地的伤害更小。理想状态下,生物燃料将由这些不能食用的植物作为原料来生产,例如树木和收割食用作物之后的杂草。
然而问题仍然存在。第一、这些植物的基本组成结构是纤维素和半纤维素,进一步降解为简单糖类的过程中需要的酶类却是价格不菲。第二、发酵简单糖类的微生物需要氮气来生长和繁殖,这就需要在发酵罐中加入肥料来提高乙醇产量。据估计,一座乙醇生产工厂每年需要为后者花费一百万美金。
最近的新发现无疑给第二个问题带来了伟博体育的解决方案。来自印第安纳大学伯明顿校区的微生物学家开始利用一种芒草作为原料。这种高大的木本热带草类能够在那些食用作物不能生长的地方快速生长。而且,他们采用了一种叫做zymomonas mobilis 的细菌来进行发酵工作。这种细菌需要在高氮环境中生长,而该芒草无法提供。
通过控制氮肥供给的有无,研究人员观察了上述体系的乙醇产量,结果发现,没有供给时乙醇产量反而更高。这正说明该细菌能利用大气中的氮气,或者说具有“固氮”作用。
这项研究发表在近日的proceedings of the national academy of sciences上,除了上述结论,它还表明当这种细菌利用氮气而不是从肥料中获得氮时,它能更快速地进行发酵。论文作者认为,如果这一现象在工厂生产中仍然存在,那么生物燃料生产的成本将得到控制;这一生产过程也将是环境友好的,因为生产氮肥料的过程中难免会有温室气体排放。
不过,这一过程在大型的工业生产中能否实现也是问题的所在。来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的分子生物技术专家 yong-su jin以一个局外人的身份发表观点:虽然使用z. mobilis可能会因为使用了廉价的非食用作物而降低成本,但是却有额外的成本和问题,比如说,注入净化的氮气就会提高成本。他还说,(注入氮气的过程)也可能引入污染。
总的环境效益可能是微乎其微的。即使在发酵过程中不再需要氮肥了,作物生长却不可避免的需要。而且这项研究进展也没有强调其他方面的环境影响,比如生长,收割和运输作物过程中的温室气体排放。据西北大学的化学工程师 fengqi you说,进一步的研究会围绕工业级别的细菌发酵展开,综合考虑环境和经济的成本收益,最终和现有的生产体系进行对比。