現(xiàn)代生物技術(shù)與能源.doc

現(xiàn)代生物技術(shù)與能源2008231221 黃芳芳21世紀(jì)所面臨的最大難題及困境可能不是戰(zhàn)爭(zhēng)及食品，而是能源。因?yàn)槟壳罢麄€(gè)人類發(fā)展和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，幾乎都是依賴于這些很有限的化石能源。隨著地球上化石能源的不斷耗盡，尋找、改善及提高可再生能源利用率和發(fā)明創(chuàng)造新技術(shù)以最大限度地開采不可再生能源的做法很可能是今后幾十年內(nèi)人類從地球上獲取能源的有效舉措。雖然以水力、潮汐、風(fēng)力為動(dòng)力的發(fā)電設(shè)備及太陽(yáng)能捕獲器、地?zé)嵋褳槿祟愄峁┮欢ǖ哪茉矗x人類對(duì)能源的需求還相差甚遠(yuǎn)。設(shè)法利用新技術(shù)創(chuàng)造更多的能源并代替不可再生的化石燃料，用于滿足人類生存的需求，也將是人類尋找新能源惟一明智的做法。然而，這種新技術(shù)實(shí)際上已被和正在被人類所利用，即生物技術(shù)創(chuàng)造能源。 一、 微生物技術(shù)與石油開采1、1 微生物培養(yǎng)技術(shù)在勘探石油上的運(yùn)用 1937年，地質(zhì)科學(xué)工作者在進(jìn)行直接分析底土(原生風(fēng)化土)中的烴含量(氣測(cè)法)，并用于判斷地下油氣的儲(chǔ)存量時(shí)，發(fā)現(xiàn)油區(qū)底土中的重?zé)N含量與季節(jié)變化存在一定聯(lián)系。這種依季節(jié)而變的起因是由于微生物活動(dòng)引起的。因而提出了油氣田中的氣態(tài)烴可借擴(kuò)散方式抵達(dá)地面，及地表底土中存在能利用氣態(tài)烴為碳源的微生物等看法。此外，這些菌在土壤中的含量與底土中的烴濃度存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所以可作為勘探地下油氣田的指示菌。從20世紀(jì)40年代到60年代期間，隨著微生物培養(yǎng)技術(shù)及菌數(shù)測(cè)定方法的不斷改進(jìn)，利用微生物勘探石油這項(xiàng)技術(shù)得到迅速發(fā)展。美國(guó)、前蘇聯(lián)、捷克斯洛伐克、波蘭、匈牙利和日本等國(guó)家都用。1957年有人報(bào)道，用微生物勘探確認(rèn)的16個(gè)油礦中，其中有13個(gè)有開采價(jià)值的油氣田及3個(gè)無(wú)開采價(jià)值的油氣田，油氣區(qū)準(zhǔn)確率100%。近十幾年來(lái)，雖然隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及和先進(jìn)的分析技術(shù)不斷地涌現(xiàn)，勘探石油的技術(shù)也隨之日益更新且準(zhǔn)確率不斷地提高，但利用微生物勘探石油這一項(xiàng)生物工程技術(shù)仍是一項(xiàng)行之有效的輔助性并具有科學(xué)性的技術(shù)。 12 微生物發(fā)酵工程在二次采油中的運(yùn)用 利用微生物采油也是二次采油的重要技術(shù)之一。微生物采油的目的是利用微生物發(fā)酵工程技術(shù)進(jìn)一步獲得更多的石油開采量，其開采的基本要點(diǎn)是：利用微生物能在油層中發(fā)酵并產(chǎn)生大量的酸性物質(zhì)及H2、C02及CH4等氣體的生理特點(diǎn)。微生物產(chǎn)氣可增加地層壓力，提高采油率。而且微生物產(chǎn)生的酸性物質(zhì)可溶于原油中，降低原油的黏度，使原油能從巖層縫隙中流出而聚集，便于開采。此外，微生物還可產(chǎn)生表面活性劑，降低油水的表面張力，把高分子碳?xì)浠衔锓纸獬啥替溁衔铮怪尤菀琢鲃?dòng)，避免堵住油井輸油通道。例如，磺弧菌屬和梭狀芽胞桿菌屬中的許多微生物能在油層上生長(zhǎng)繁殖，它能代謝產(chǎn)生一定量的酸及H2、C02等氣體，改善油層的黏度及增加氣壓，從而使油田中剩余的油繼續(xù)向上噴。試驗(yàn)結(jié)果表明，微生物技術(shù)處理后的采油量可提高20 25，有時(shí)甚至高達(dá)3034。 美國(guó)德克薩斯州一口40年井齡的油井中，加入蜜糖和微生物混合物，然后封閉，經(jīng)細(xì)菌發(fā)酵后，井內(nèi)壓力增加，出油量提高近5倍。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)研究院和工業(yè)研究所組織的地學(xué)勘探部也曾利用細(xì)菌發(fā)酵工藝使油井產(chǎn)量提高近50，并使增產(chǎn)率保持了一年。英國(guó)某公司也曾在英格蘭南部的石油開發(fā)區(qū)中用細(xì)菌發(fā)酵技術(shù)使產(chǎn)油率提高近20。 13 微生物分子生物學(xué)在三次采油中的運(yùn)用 在三次采油工藝中，主要是利用微生物分子生物學(xué)技術(shù)，來(lái)構(gòu)建能產(chǎn)生大量C02和甲烷等氣體的基因工程菌株或選育能提高產(chǎn)氣量的高活性菌株，把這些菌體連同它們所需的培養(yǎng)基一起注入到油層中，目的是讓這些工程菌能在油層中不僅產(chǎn)生氣體增加井壓，而且還能分泌高聚物，糖酯等表面活性劑，降低油層表面張力，使原油從巖石中、沙土中松開，黏度減低，從而提高采油量。據(jù)資料報(bào)道，英國(guó)科學(xué)家已獲得一株能在92的H2、C02環(huán)境下生存的厭氧菌。這種細(xì)菌能夠在油層深部、溫度較高、壓力較大的原油中生長(zhǎng)，為進(jìn)一步開采油田深部區(qū)域的原油提供新的技術(shù)。 二、未來(lái)石油的替代物乙醇（發(fā)酵工程的運(yùn)用）乙醇替代汽油的例子并不是一件新鮮事。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，歐洲就曾用混有少量甲醇的乙醇作為摩托車的燃油。一些發(fā)達(dá)國(guó)家也種植一些適合其本國(guó)氣候的燃料農(nóng)作物。像澳大利亞、美國(guó)、瑞士和法國(guó)，也開始利用大量農(nóng)作物剩余物及森林的廢棄物發(fā)酵乙醇。1987年，美國(guó)用玉米作原料發(fā)酵生產(chǎn)大約3萬(wàn)億升的乙醇，到1989年已達(dá)到32萬(wàn)億升乙醇產(chǎn)量。此外，根據(jù)有關(guān)研究報(bào)道，用乙醇來(lái)代替汽油的作法還有許多間接好處。如把乙醇加入到汽油中，可消除對(duì)十四乙基化合物的需求，這種做法很顯然對(duì)減緩地球升溫起到積極的作用。此外，用乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力機(jī)，消耗的乙醇燃料所排出的CO、碳?xì)浠衔锖脱趸浚仁褂闷桶l(fā)動(dòng)機(jī)所排放出的量分別減少57、64及13。因而可知，使用乙醇燃料不僅僅起著替代石油的作用，而且對(duì)環(huán)境保護(hù)也起到積極的作用。 乙醇發(fā)酵和操作實(shí)際上是一種相當(dāng)傳統(tǒng)的工藝，因而一直被人們認(rèn)為是人類首次從事微生物發(fā)酵工藝的典例之一。乙醇發(fā)酵所需的原材料可選用蔗糖或淀粉，發(fā)酵所需的微生物主要是酵母菌。酵母菌含有豐富蔗糖水解酶和酒化酶。蔗糖水解酶是胞外酶，能將蔗糖水解為單糖(葡萄糖、果糖)。酒化酶是胞內(nèi)參與乙醇發(fā)酵的多種酶的總稱，單糖必須透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，在酒化酶的作用下進(jìn)行厭氧發(fā)酵并轉(zhuǎn)化成乙醇及C02，而后乙醇及C02通過細(xì)胞膜被排出體外。通常乙醇發(fā)酵所需的原料依所使用的菌株而定。己糖發(fā)酵所用的菌株主要是酵母菌，可進(jìn)行發(fā)酵的己糖是葡萄糖，另外果糖、甘露糖及半乳糖也能被利用。一般認(rèn)為半乳糖比另外三種糖更難發(fā)酵。如果是用淀粉類的多糖，則必須先水解成單糖后才能被發(fā)酵。淀粉的糖化通常是利用米曲霉或黑曲霉，糖化后再接種酵母菌進(jìn)行酒精發(fā)酵。酵母菌發(fā)酵乙醇的生化過程是采用厭氧途徑。在工業(yè)發(fā)酵上常用的菌株有：啤酒酵母(Scereuisiae)中的德國(guó)1號(hào)和12號(hào)及臺(tái)灣3號(hào)、葡萄汁酵母(Suvarum)等。三、植物石油植物界中有許多能產(chǎn)“石油”的植物。這些植物都是橡膠樹的近緣，所含的汁液不僅豐富，而且有較高比例的碳?xì)浠衔?，如?duì)這些液汁進(jìn)行適當(dāng)?shù)丶庸ず?，可與汽油混合作為動(dòng)力機(jī)的燃料。據(jù)有關(guān)專家推論，假如全球的1/3沙漠和旱地都種上“石油樹”，則所生產(chǎn)的“石油”就可完全滿足人類對(duì)能源的需求。如美洲的牛奶樹、三角大戟、巴西的比巴、律賓和馬來(lái)西亞的銀合歡樹。此外，一些油類植物和藻類植物也可用來(lái)生產(chǎn)汽油。近期，在歐洲用改良的油菜種子油作為一種內(nèi)燃機(jī)燃料的替代物，并獲得相當(dāng)可觀的利潤(rùn)。法國(guó)、意大利是使用以植物油料為燃料的內(nèi)燃機(jī)的先驅(qū)，法國(guó)側(cè)重于使用該內(nèi)燃機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而意大利側(cè)重于使用該內(nèi)燃機(jī)在環(huán)境保護(hù)方面，德國(guó)則對(duì)上述兩方面的使用均采納并相當(dāng)重視。早期，英國(guó)新科學(xué)家曾報(bào)道，美國(guó)設(shè)在科羅拉多州的太陽(yáng)能研究所用一個(gè)直徑20m的池塘養(yǎng)殖藻類，年產(chǎn)藻4噸多，可產(chǎn)油3000多升。目前，這個(gè)研究組正從分子生物學(xué)角度，開發(fā)能產(chǎn)更多的油脂類的藻類，研究目標(biāo)是想在2010年前，用藻類生產(chǎn)的汽油能提供美國(guó)機(jī)動(dòng)車所用燃料總量的810。 甲烷的使用已不再新鮮，它主要來(lái)自于天然的濕地、稻根及動(dòng)物的腸道內(nèi)發(fā)酵