核心提示：2010年7月，柳枝稷的全基因組圖譜測(cè)序完成，一篇學(xué)術(shù)論文低調(diào)地刊登《遺傳學(xué)》（Genetics）雜志上。雖然沒有像水稻基因組那樣過多的報(bào)道和關(guān)注，但這項(xiàng)工作，卻可能是改變?nèi)祟惸芰揩@取方式的浩大工程的一個(gè)開端。
柳枝稷
傳統(tǒng)生物燃料原料——甘蔗
2010年7月，柳枝稷的全基因組圖譜測(cè)序完成，一篇學(xué)術(shù)論文低調(diào)地刊登《遺傳學(xué)》（Genetics）雜志上。雖然沒有像水稻基因組那樣過多的報(bào)道和關(guān)注，但這項(xiàng)工作，卻可能是改變?nèi)祟惸芰揩@取方式的浩大工程的一個(gè)開端。
傳統(tǒng)生物能源前進(jìn)的絆腳石
使用生物能源并不是什么新鮮事，世界上的第一輛汽車的油箱里就裝滿了酒精，只是后來人們發(fā)現(xiàn)了石油這種豐富并且價(jià)格低廉、并且可以提供強(qiáng)勁動(dòng)力的燃料，酒精才無奈地離開了汽車油箱。如今，在經(jīng)歷了歷次石油危機(jī)、大規(guī)模環(huán)境污染事故之后，酒精再次在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)里找到了發(fā)揮熱度的空間。
汽油里面加乙醇已經(jīng)不是什么新鮮事了，越來越多的加油站可以提供。在巴西有50%以上的燃料是生物乙醇，美國汽油中的乙醇添加量標(biāo)準(zhǔn)為10%，我國汽油中的乙醇添加量也在日益提高，已經(jīng)有9個(gè)省市的添加量達(dá)到10%。
目前獲取乙醇燃料，最常用的原料還是糖和淀粉。沒辦法，誰讓人類用糖（葡萄）制作的酒精有6000年歷史，而用淀粉（谷物）來釀酒也有2000以上的歷史了。完整的工藝，成熟的發(fā)酵微生物，對(duì)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的清晰認(rèn)識(shí)，讓建設(shè)一座讓供汽車喝的特供酒廠，變得輕車熟路。
首先，你得考慮種出這些能做成酒精的農(nóng)作物。前提是需要有充足的耕地，這在我國目前人口眾多的情況下，就像飄渺的美夢(mèng)。截止到2007年，我國的人均耕地面積已經(jīng)下降到了1.4畝，連世界人均耕地面積的1/3都?jí)虿簧稀＜幢闶亲詈侠淼氖褂蒙镆掖迹辉斐扇魏卫速M(fèi)，也會(huì)造成對(duì)糧食供給的巨大壓力。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的統(tǒng)計(jì)，2006年的農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格指數(shù)增幅為8%，2007年增幅為24%，而2008年首季度已經(jīng)高達(dá)53%。雖然，糧價(jià)還受到氣候等因素的影響，但是燃料用糧食比率的增大，對(duì)于糧價(jià)的上漲無疑起了巨大地推動(dòng)作用。
只使用作物的中的淀粉、蔗糖和油脂也是件奢侈的事情，畢竟在植物固定的能量物質(zhì)中，這些物質(zhì)只占10%到20%。如果是只滿足我們的飯碗，倒還可以去粗取精，但是要灌滿油箱，這樣的粗放收獲顯然是不現(xiàn)實(shí)的。2006年全球種植玉米、甘蔗和油菜這些主要的能源的耕地面積約為193萬公頃，按照每公頃生物燃料的平均產(chǎn)量，我們可以從這些農(nóng)田里收獲3.3億噸的生物燃料，不過這些在世界能源的餐桌上只能勉強(qiáng)地算作一道甜點(diǎn)，因?yàn)檫@些燃料只相當(dāng)于2007年世界原油產(chǎn)量的8%和同期世界能源消費(fèi)的2.3%。
不僅如此，在生物乙醇的生產(chǎn)中也需要消耗巨大的能源，運(yùn)輸原料、處理、純化都需要能源。曾經(jīng)有估算，在生產(chǎn)生物燃料中。在巴西，乙醇工廠用燃燒壓榨后甘蔗廢料的形式來減少化石燃料用量，不過即便如此，恐怕是象征意義大于實(shí)際。
看來，用糧食喂汽車的方案幾乎已經(jīng)走到了盡頭，新的能源供給方式呼之欲出。
把支撐植物的纖維加進(jìn)油箱
就像上面提到的，如果只利用植物中淀粉和糖類的話，我們就只能利用所有植物生產(chǎn)的能量的10%-20%。儲(chǔ)存著超過80%能量的秸稈、莖葉部分都得不到有效利用。這也是目前新興的第二代生物燃料的開發(fā)方向。
除了種子、中的淀粉，從化學(xué)成分上來講，纖維素和淀粉也是親兄弟，它們都是由葡萄糖合成的，不過纖維素長鏈糾纏在一起形成緊密的植物纖維，這些纖維給植物枝葉提供了強(qiáng)力支撐，但是如此緊密的結(jié)構(gòu)也給能量被加上了封印。
要想獲得纖維素乙醇，第一步就需要獲得純凈的纖維素。如果把植物比作鋼筋混凝土大廈，作為植物的支撐系統(tǒng)的重要構(gòu)件，纖維素就像鋼筋。它們的外側(cè)還覆蓋著木質(zhì)素、半纖維這樣的混凝土。要想將纖維素抽出來使用，就需要將這些附屬物都去掉，這是生產(chǎn)纖維素乙醇的第一步，也是目前技術(shù)的瓶頸所在。
目前最常用的使用氫氧化鈉等堿液、或者稀酸來處理，還有報(bào)道是說將上述手段結(jié)合高壓來處理，會(huì)取得更好的效果，而這個(gè)過程被形象地成為“爆破”?？墒菃栴}在于這樣的處理?xiàng)l件對(duì)設(shè)備的要求很高，畢竟耐酸堿、耐高壓的容器需要一筆不菲的投資。目前的纖維素乙醇工廠，要運(yùn)轉(zhuǎn)百年才能收回投資。
只要獲得了純凈的纖維素，那接下來的事情就比較簡單了。用纖維素酶將纖維素分解成葡萄糖，這點(diǎn)人類是從在自然界中早有高效的處理設(shè)備——白蟻的那里學(xué)來的。這些啃木頭，消化纖維素的機(jī)器已經(jīng)存在了上億年，人類正是模仿白蟻腸道中纖維素酶的運(yùn)作程序，將大量的纖維素轉(zhuǎn)化成葡萄糖。這之后，就可以像釀造葡萄酒那樣“釀制”工業(yè)乙醇了。
由于氧元素的存在，乙醇的能量密度要比汽油的低得多，燃燒的實(shí)質(zhì)就是燃料中的碳元素和氫元素同空氣中的氧元素結(jié)合并放出能量的過程，如果燃料分子中已經(jīng)摻雜了氧元素，那釋放出的熱量勢(shì)必會(huì)打折扣。雖然現(xiàn)在的乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)可以驅(qū)動(dòng)汽車，但是與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)比起來，同樣大小油箱提供的續(xù)航能力仍舊稍遜一籌?？蒲腥藛T正試圖纖維素如何變汽油，催化裂解就是這樣的方法。將纖維素拆分成，水、二氧化碳、芳香烴和小分子烷烴，而后兩者正是汽油的主要成份，通過適當(dāng)?shù)拇呋瘎┖?a title="高溫" target="_blank">高溫高壓處理，就能把草變成汽油了。雖然，在草變成油魔幻之旅已經(jīng)開啟，但是其中也有很多問題亟待解決，比如預(yù)處理中產(chǎn)生的廢液就是個(gè)大問題，目前，這些或酸或堿，且摻雜了木質(zhì)素的液體處理起來需要不菲的成本。
其實(shí)對(duì)于纖維素最直接的應(yīng)用方式，就是燃燒。在工業(yè)化時(shí)代之前，燃燒纖維素一直是人類獲取熱能的主要方式，鍋灶、火炕都離不開熊熊燃燒的秸稈和木柴。通過分揀、壓縮等預(yù)處理，同樣可以滿足火力電站發(fā)電站的需求。
雖然困難重重，但是纖維素乙醇還是顯示出了“不爭奪口糧、有效利用植物能源”等優(yōu)越性，只是如果僅以農(nóng)作物秸稈作為原料，必然受到工廠周邊區(qū)域，以及季節(jié)性供應(yīng)的限制，正是因?yàn)槿绱?，專門提供纖維素的、性能皮實(shí)的能源植物納入了開發(fā)日程。
柳枝稷的真功夫
文章開頭提到的柳枝稷就是這樣的能源工程植物。之所以選這種禾本科植物（雖然跟玉米、水稻是一家但是沒有可以做面包的籽粒），首要的一點(diǎn)就是它們對(duì)生活環(huán)境不挑不撿，不管是貧瘠、鹽堿、干旱都不會(huì)影響它們的生活，甚至可以在礫石遍布的荒灘上扎根。并且這些家伙的生長期很長，大有野草“割”不盡，春風(fēng)吹又生的架勢(shì)。一般來說，一次種植，可以連續(xù)收獲10年，其間也不需要可以的打理，只要掌握好收割時(shí)間就好了。
不僅如此，柳枝稷還是C4植物。簡單來說，就是有個(gè)二氧化碳“濃縮器”。作為植物光合作用的重要原料的二氧化碳的濃度是制約能源生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵因素，可惜正常大氣中的二氧化碳濃度是極低的（僅有0.03%），而C4植物收集空氣中的二氧化碳，然后再將其濃縮后傳輸?shù)骄S管束鞘附近，維持光合作用的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。
除了收集能量的效率高，柳枝稷還有著能量容易被處理的優(yōu)點(diǎn)，通常的木質(zhì)素含量僅為6%-9%，遠(yuǎn)低于玉米秸稈和甘蔗。相對(duì)的，其纖維素豐富。這樣就使得在生產(chǎn)中提取純凈纖維素的麻煩事。不排除將來以轉(zhuǎn)基因手段，來降低木質(zhì)素和半纖維素含量。而柳枝稷全基因組測(cè)序完成，無疑給這項(xiàng)工作打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
不確定的用量
1公斤干能源草的熱值大多高于14.5MJ，相當(dāng)于同等重量的煤炭的70%-80%（1公斤原煤的熱值平均為20.9 MJ）。目前，能源草的能量利用方式主要還是直接燃燒，這種方式對(duì)生物能的利用率比較低。據(jù)報(bào)道，在火力發(fā)電中，1畝地一年產(chǎn)出的能源草相當(dāng)于4噸煤。乍一看，這些草還是不錯(cuò)的燃料。但是稍微計(jì)算一下，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)其中的問題。目前，一個(gè)熱電廠每天最少要消耗2000噸煤，一年就是72萬噸。那么，要填飽一個(gè)中小型電廠的肚子，一年至要種18萬畝能源草，這個(gè)面積幾乎相當(dāng)于一個(gè)中等規(guī)?？h的耕地總面積的10%-30%。如果將影響能源草產(chǎn)量的因素（干旱、鹽堿化）考慮在內(nèi)，需要的種植面積可能會(huì)更大。大規(guī)模的生產(chǎn)能源草，很可能會(huì)擠占耕地。如果能從基因組中解讀出關(guān)于生長的特殊信息，使產(chǎn)量得以保證，將是一個(gè)一勞永逸的方法。
就在十多年前，柳枝稷還是生長在北美荒原上的野草，而今天，它已經(jīng)成為生物能源開發(fā)的樣板植物。我們有理由相信，人類會(huì)像馴化水稻、玉米這些糧食作物一樣，馴化像柳枝稷這樣的能源植物，綠色的清潔能源就生長在今天被我們認(rèn)為是不毛之地的地方。
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