基因工程與能源的可持續(xù)生產(chǎn).docx

基因工程與能源的可持續(xù)生產(chǎn)第一部分 背景介紹世界能源結(jié)構(gòu)演變歷程可以發(fā)現(xiàn)：兩次工業(yè)革命以來能源消耗總量越來越大，化石能源煤、石油和天然氣在成為主要能源。從世界能源比例演變歷程可以發(fā)現(xiàn)植物作為能源在總能源中不斷下降，隨著不可再生的化石能源的不斷消耗，可再生能源植物、太陽能的比例增大。從2008年世界六大地區(qū)的能源消耗格局可以發(fā)現(xiàn)，煤、石油、天然氣在能源結(jié)構(gòu)中扮演著重要的角色。BP公司2010年世界能源年度統(tǒng)計(jì)報告顯示，至2009年底的探明石油儲藏量為13331億桶，包括加拿大正在積極開發(fā)的油砂和委內(nèi)瑞拉上調(diào)的儲量。全球儲藏量足以可滿足按2009年生產(chǎn)量開采45.7年。按照同樣的基準(zhǔn)，天然氣儲量足夠可開采62.8年，煤炭為119年?；茉吹牟豢稍偕?，化石能源帶來的酸雨、溫室效應(yīng)等環(huán)境和生態(tài)問題，以及能源在人類的生存和發(fā)展中的重要作用，都告訴我們開發(fā)可再生能源迫在眉睫?？稍偕茉窗ㄌ柲堋L(fēng)能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能等。我們將向大家介紹來自生物界的可再生能源，以及基因工程在改造生物能源方面的應(yīng)用。第二部分 可再生能源之生物質(zhì)能生物質(zhì)是指通過光合作用而形成的各種有機(jī)體，包括所有的動植物和微生物。生物質(zhì)能（biomass energy ）(又名生物能源)是利用有機(jī)物質(zhì)(例如植物等)作為燃料，通過氣體收集、氣化(化固體為氣體)、燃燒和消化作用(只限濕潤廢物)等技術(shù)產(chǎn)生能源。生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，即以生物質(zhì)為載體的能量。生物質(zhì)能分為固體生物質(zhì)、木炭、城市固體廢棄物、生物液態(tài)燃料和沼氣等，其直接或間接地來源于綠色植物的光合作用，可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固體燃料、液體燃料和氣體燃料。分類：依據(jù)是否能大規(guī)模代替常規(guī)化石能源，而將生物質(zhì)能分為傳統(tǒng)生物質(zhì)能和現(xiàn)代生物質(zhì)能。傳統(tǒng)生物質(zhì)能主要包括農(nóng)村生活用途：薪柴、秸稈、稻草、稻殼和其它農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物和畜禽糞便等；傳統(tǒng)生物質(zhì)能主要限于發(fā)展中國家，廣義來說它包括所有小規(guī)模使用的生物質(zhì)能?，F(xiàn)代生物質(zhì)能是指那些可以大規(guī)模用于代替常規(guī)能源即礦物類固體、液體和氣體燃料的各種生物能。1 生物質(zhì)能的特點(diǎn)及優(yōu)勢生物質(zhì)資源具有總量大，低污染，分布廣，可儲存運(yùn)輸，易燃的特點(diǎn)。1）總量大。全球生物質(zhì)能消耗量僅次于煤、石油、天然氣，位居第4 位。地球上每年生物質(zhì)能總量約1400-1800億噸(干重），相當(dāng)于目前每年總能耗的10倍。2）低污染。它是通過碳、氫、氧循環(huán)利用太陽能的過程，理論上不產(chǎn)生溫室氣體，低含量的N，S化合物，可以大量減少SOx等有毒氣體排放，被稱為綠色石油。每利用一萬噸椐桿代替燃煤，可以減少CO2排放.4t，SO2 40t，煙塵100t。3）分布廣。生物質(zhì)能存在于世界上所有國家和地區(qū) 4）可儲存運(yùn)輸。在可再生能源中，生物質(zhì)能是唯一可以儲存與運(yùn)輸?shù)哪茉?，對其加工轉(zhuǎn)換與連續(xù)使用提供方便。5）易燃。利用現(xiàn)代技術(shù)可以將生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化成可替代化石燃料的生物質(zhì)成型燃料、生物質(zhì)可燃?xì)?、生物質(zhì)液體燃料等。2 生物質(zhì)的利用技術(shù)生物質(zhì)利用主要分為物理轉(zhuǎn)變、化學(xué)轉(zhuǎn)變和生物轉(zhuǎn)變?nèi)悾瘜W(xué)轉(zhuǎn)變可分為直接燃燒、液化、氣化和熱解。這些化學(xué)轉(zhuǎn)變技術(shù)中直接燃燒的能源利用效率最低，熱解、裂解獲取氣體或液體的能源利用效率最高。生物轉(zhuǎn)變技術(shù)將在后面介紹。從這幅圖可以看出生物質(zhì)經(jīng)過裂解或氣化處理可以得到糖類、合成氣和生物油，在經(jīng)過進(jìn)一步的處理可以得到汽油、柴油等燃料油?？傊镔|(zhì)能是很有發(fā)展前景的能源。3 基因工程與能源植物能源植物是生產(chǎn)生物質(zhì)能的重要原料?？梢苑譃椋?） 糖類、淀粉含量高的植物, 還包括一些生長周期短、生長迅速的草本和木本植物, 可以通過發(fā)酵轉(zhuǎn)化為燃料酒精;2） 油脂和石油類似物含量高的植物, 可以轉(zhuǎn)化為生物柴油;3） 直接產(chǎn)烴、氫氣等的藻類。基因工程在能源植物上的應(yīng)用主要為三個方面：1） 乙醇發(fā)酵為目的的生物質(zhì)能開發(fā)；2） 利用基因工程技術(shù)提高植物總的生物量；3） 生物柴油為目的的生物質(zhì)能開發(fā)，利用基因工程使作物產(chǎn)油量增加。第三部分 基因工程與能源微生物能源微生物是指能夠?qū)⑸镔|(zhì)轉(zhuǎn)化為液體或氣體燃料，以及與生物質(zhì)轉(zhuǎn)化密切相關(guān)的微生物的總稱，包括木質(zhì)纖維素乙醇轉(zhuǎn)化、產(chǎn)甲烷、產(chǎn)氫或產(chǎn)脂等相關(guān)微生物。 可以分為產(chǎn)甲烷微生物、產(chǎn)乙醇微生物、產(chǎn)氫微生物、產(chǎn)油微生物和生物電池微生物五類。下面兩幅圖分別為產(chǎn)油微生物-微藻和產(chǎn)氫微生物-大腸桿菌。圖1 微藻 圖2大腸桿菌1 產(chǎn)油微生物微藻1.1 生物柴油在介紹微藻之前，先來了解一下生物柴油。生物柴油是一種可再生，無毒可降解的新能源，它是由油酸、亞油酸等長鏈飽和或不飽和脂肪酸，同甲醇或乙醇形成的脂肪酸甲酯（FAMEs）或脂肪酸乙酯（FAEEs）類化合物。其合成路徑如圖所示?，F(xiàn)在世界上95%的生物柴油原料來自動植物油脂，使得生物柴油價格是石化柴油的1.5倍，需要尋求新的廉價易得的原料降低生物柴油的成本。利用微生物合成生物柴油，不僅比工業(yè)化生產(chǎn)生物柴油的化學(xué)催化法的生產(chǎn)過程更加清潔，且可以通過對微生物進(jìn)行基因工程改造，使其合成更符合人類需要的生物柴油成分。微藻具有以下幾個特點(diǎn)：1） 光合效率最高、生長最快的原始植物；2） 可以生長在高鹽、高堿的水中；3） 微藻干細(xì)胞的含油量高達(dá)70%最有前景的產(chǎn)油生物；4） 對微藻的培養(yǎng)可以利用工業(yè)廢氣中的二氧化碳，還能吸收工業(yè)廢氣中的氮氧化物；5） 生產(chǎn)微藻生物柴油的同時，還能生產(chǎn)出蛋白質(zhì)、多糖等高價值產(chǎn)品，降低成本。1.2 基因工程的應(yīng)用生物柴油原料的油脂含量是制約生物柴油發(fā)展的一大瓶頸，運(yùn)用基因工程技術(shù)，克隆并特異性表達(dá)調(diào)控脂類合成相關(guān)酶的基因，提高生物脂肪酸含量并改變其組分以適應(yīng)生物柴油發(fā)展的需要?！肮こ涛⒃濉敝兄|(zhì)含量的提高主要由于乙酰輔酶A羧化酶（ACC）基因在微藻細(xì)胞中的高效表達(dá)，在控制脂質(zhì)積累水平方面起到了重要作用。為得到更高效的表達(dá)：1、研究選擇合適的分子載體，使ACC基因在細(xì)菌、酵母和植物中充分表達(dá)；2、進(jìn)一步將修飾的ACC基因引入微藻中以獲得更高效表達(dá)。乙酰輔酶A羧化酶（ACCase）是脂肪酸生物合成的關(guān)鍵酶，催化脂肪酸合成的第一步反應(yīng)。有研究表明，植物脂肪酸含量與ACCase的活性呈正相關(guān)，為提高含油植物的脂肪酸含量，許多研究者進(jìn)行了超量表達(dá)ACCase的實(shí)驗(yàn)，例如，Roesler等將一個葉綠體轉(zhuǎn)移肽和napin啟動子與擬南芥同質(zhì)型ACC1基因融合，然后轉(zhuǎn)化甘藍(lán)型油菜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因油菜的T1代成熟種子中ACCase活性增加了1.7-1.9倍，總含油量約增加了5%。1.3 微藻基因工程發(fā)展的瓶頸與解決措施 微藻基因工程發(fā)展的瓶頸：1） 微藻生長速率和規(guī)模培養(yǎng)曾長期以來是選用藻類作轉(zhuǎn)基因受體時的主要障礙。2） 藻類中外源基因表達(dá)效率問題。國內(nèi)外所得的外源基因表達(dá)效率多為宿主細(xì)胞可溶性蛋白的0.1%0.9%。解決措施：1） 通過海水培養(yǎng)馴化含油微藻，降低培養(yǎng)成本；控制培養(yǎng)液中C/N比例、延長細(xì)胞營養(yǎng)生長階段等調(diào)控改良手段，提高轉(zhuǎn)基因微藻細(xì)胞的總脂含量。2） 加強(qiáng)對高郵微藻的基因工程改良，立足現(xiàn)有的成熟技術(shù)與積累的知識，采用如克隆與脂類代謝有關(guān)的基因、分析新的調(diào)節(jié)元件、構(gòu)建新的受體轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，是脂類基因在微藻中的表達(dá)效率有較大提高。2 大腸桿菌柳枝稷是美國本土的一種多年生植物。它在平原上生長迅速、易于存活，可分為低地型和高地型兩種生態(tài)型。柳枝稷生命力極其頑強(qiáng)，在某些地方甚至被認(rèn)為是有害的野草。分布於美國德克薩斯州草原地區(qū)至加拿大?？捎糜谔釤捯掖既剂?。2011年美國聯(lián)合生物能源研究所（JBEI)的研究人員將柳枝稷樣品置于牛的瘤胃中培養(yǎng)72小時，然后對附著在柳枝稷樣品上的所有微生物進(jìn)行基因組分析。研究人員確定了超過2.7萬個糖類活性基因。他們將上述部分基因植入細(xì)菌，首次制造出了能消化柳枝稷生物質(zhì)的大腸桿菌（Escherichiacolibacteria），這些細(xì)菌產(chǎn)生了90種蛋白質(zhì)酶。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多數(shù)蛋白酶對植物中的纖維素顯示出活性，屬于可分解纖維素的酶。能將其中的糖轉(zhuǎn)化為可代替汽油、柴油和航空燃料3種運(yùn)輸燃料的先進(jìn)生物能源，而且無需添加任何酶生物燃料的生產(chǎn)過程添加酶使成本居高不下的主要原因。此外，由于植物中的纖維素、半纖維素很難提取，研究人員用了一種離子液（熔化的鹽）預(yù)處理的方法使生物質(zhì)溶解，然后讓大腸桿菌消化溶解后的生物質(zhì)。用離子液預(yù)處理柳枝稷必不可少，他們是通過將離子液預(yù)處理和轉(zhuǎn)基因大腸桿菌結(jié)合來進(jìn)行能源生產(chǎn)的。研究小組還在進(jìn)一步研究如何提高合成燃料的產(chǎn)量。他們需要找到一種能由大腸桿菌分泌更高效的酶，從而消化更多經(jīng)離子液處理后的生物質(zhì)，或改良離子液預(yù)處理步驟，讓其更容易被消化。雖然經(jīng)離子液處理，能使柳枝稷更易被消化，然而離子液對微生物卻有一定的毒害作用。2012年美國聯(lián)合生物能源研究所（JBEI）通過新的實(shí)驗(yàn)方法和基因測序分析，發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌耐受有毒鹽溶液的生理機(jī)制，有望大大提高微生物抵抗生物燃料生產(chǎn)過程中所使用的鹽溶液毒性的能力。研究人員指出，該研究可作為耐離子液微生物基因工程的基礎(chǔ)，帶來更高效的生物燃料生產(chǎn)工藝。由非糧食作物和農(nóng)業(yè)廢棄物纖維素加工的先進(jìn)燃料，被認(rèn)為是最好的可再生液態(tài)運(yùn)輸燃料，可用于目前的發(fā)動機(jī)和基礎(chǔ)設(shè)施，但最大障礙是成本太高，難以和其他燃料競爭。美國聯(lián)合生物能源研究所（JBEI）的研究為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)該類燃料的可能性大大增加了。3 微生物在能源生產(chǎn)上的優(yōu)勢隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)氫氣的微生物也可能產(chǎn)生物柴油，微生物只是作為一種特殊的載體，更具體的說是一種酶的載體，而這種酶的具體作用就是催化有機(jī)物一般為植物纖維轉(zhuǎn)化為所需能源物質(zhì)。微生物做為酶的生產(chǎn)者所具有的優(yōu)勢與微生物的特性相關(guān)，即1）體積小，面積大，因而微生物必然有一個巨大的營養(yǎng)物質(zhì)吸面，代謝廢物排泄面和環(huán)境信息交換面，由此又使微生物具備以下幾個適合作為酶生產(chǎn)者的優(yōu)勢。2）吸收多，轉(zhuǎn)化快。3）生長旺，繁殖快；這兩個特性有當(dāng)今世界對于能源的迫切需求相契合。4）分布廣，種類多，為選擇高轉(zhuǎn)化效率的微生物品種提供基礎(chǔ)。微生物在能源生產(chǎn)上的優(yōu)勢在于相比石油天然氣為代表的傳統(tǒng)能源具有可再生性且生成周期短，但是微生物作為生物個體存在對生活環(huán)境的要求在一定程度限制了它的推廣應(yīng)用。但是隨著對能源微生物的深入研究，未來微生物在能源生產(chǎn)中將扮演越來越重要的作用。能源微生物生產(chǎn)能源需要物質(zhì)基礎(chǔ)，一般為植物，也就是說微生物也是在利用光合作用產(chǎn)物進(jìn)行能源生產(chǎn)，將太陽能轉(zhuǎn)化成我們需要的能源形勢。生物在生長期的天然光合作用對碳的吸收，所以當(dāng)微生物將之轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)燃料后，生物燃料燃燒時向大氣會釋放同等量的碳，最終表現(xiàn)出幾乎等于零的碳排放，使生物質(zhì)燃料成為所謂的碳中性燃料。可見微生物在環(huán)境生態(tài)平衡上的重要作用。4 微生物在能源領(lǐng)域的發(fā)展前景限制微生物在能源領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵因素可歸納為成本和生產(chǎn)原料的獲取。由于微生物進(jìn)行能源生產(chǎn)需要特制的反應(yīng)器、對反應(yīng)條件的嚴(yán)格控制以及生產(chǎn)原料收集處理等都是導(dǎo)致成本較高的原因。第二代生物燃料在原料獲取上相比第一代在很大程度上解決了在原材料獲取問題，其中微藻本身作為第二代生物能源的原料更是極大地解決了原料獲取問題，因而更具市場前景和優(yōu)勢。一旦微生物在生物能源領(lǐng)域的技術(shù)成熟，使得成本降低。考慮到全世界僅中國，鹽堿荒地和鹽堿障礙耕地總面積超過5億畝,占中國耕地總面積的10%以上。如果在這些不適宜種植糧食的土地上種植對環(huán)境適應(yīng)能力