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两种微生物“相互合作” 生物燃料产量或将提高

时间:2013-08-27 11:30来源:人民网   作者:未知 阅读:


国密歇根大学的研究人员日前在《美国科学院院报》发布文章称,他们发明出一种生产高品质生物燃料的方法,通过将大肠杆菌和里氏木霉配对,从而把玉米秸秆、叶子等农业废弃物转化为生物燃料。这是目前为止植物转化生物燃料达到的最高水平,每升液体中可含生物燃料异丁醇1.88克。

研究人员之所以选择异丁醇而非常见的乙醇作为生物燃料,是因为在同等燃烧的情况下,异丁醇释放的热量是82%,而乙醇为67%。此外,异丁醇还不容易腐蚀管道和损坏发动机。

密歇根大学化学工程系助理教授林晓霞(Xiaoxia Nina Lin)说:“之前,人们曾尝试过很多方法,包括改造某种微生物物种的基因或者尽力通过生物降解、发酵等方法生产燃料分子。事实证明,这些尝试都十分困难,因为它们属于不同的物质,所以出现在不同的有机体里面是很自然的事,但出现同一个有机体中则相当困难。”

本次研究中,研究人员利用里氏木霉将原材料转化为糖,在依靠大肠杆菌将其转换成所需的燃料。由于合成物质的脆弱性和不稳定特点,让这两种微生物合作并不是一件容易的事。然而,成功的关键是找到互相依赖的微生物,或者在一定条件下让里氏木霉与大肠杆菌合作,进而生产出糖类。

林晓霞表示:“我们依赖大肠杆菌来生产燃料,但是在系统里面,它的表现就像一个‘骗子’,带走了里氏木霉所生产的东西。”而里氏木霉仍然从这个过程中受益,因为作为纤维素转化为糖的一部分,它浓缩了围绕自身周围的食物。

该系统的另一个优点是扩大了可利用废弃物的范围,如森林中的碎木、野草等。研究人员目前正致力于提高燃料的效率。目前,理论上的最高产量为62%。

林晓霞说:“理论上,使用乙醇,人们可以获得超过90%的热量。与其相比,异丁醇仍然较为低级。但这个过程仍然值得尝试,我们正努力去做。目前来说,这是一个处于实验室水平的初步论证,但我们更想把这个技术应用到更广泛的现实世界,所以还有很多事情值得去做。”

  美国密歇根大学的研究人员将一种真菌和大肠杆菌联合,把坚硬的、废弃植物材料转化为异丁醇。这种生物燃料比乙醇更适合作为汽油替代品。研究人员指出,原则上也可以使用这种方法生产其他具有价值的化学品,如塑料。但他们希望通过有效地方法生产生物燃料,可以最终取代目前的石油基燃料。该项研究成果已发表于最新一期的美国国家科学院院刊(PNAS)上。 

  在燃烧时,每加仑异丁醇释放的热量为每加仑汽油所提供热量的82%,而相比之下,乙醇为67%。此外,乙醇还会吸收水分,造成管道腐蚀并损坏发动机,但异丁醇不容易与水混合。虽然目前乙醇与汽油混配形成了新型替代能源,但研究人员认为,异丁醇更适合作为汽油替代品。 

  更为重要的是,异丁醇生产可利用非食用植物材料制取,所以燃料的生产不会推高食品成本。该项研究中,科学家们使用玉米秸秆和树叶作为原料,但也可选用其他农业副产品和林业废弃物作为原料。 

  虽然很多之前的研究都集中在创建一种“超级细菌”,使用其加工废弃植物原料为生物燃料,但研究人员表示,微生物专家团队能够更好地胜任这项工作。 

  真菌里氏木霉(Trichoderma reesei)能够分解坚硬的植物材料将其转化为糖。同时,研究人员将大肠杆菌的基因进行修改,使其能够将糖转化为异丁醇。研究人员将这两种微生物放到同一生物反应器中,并为其提供经过预处理的玉米秸秆和树叶。 

  真菌将粗糙的原料转化为糖,其中一部分糖为两种微生物提供食物,其余部分用来生产异丁醇。研究小组在该生态系统中获得了每升流体1.88克的异丁醇,这是迄今报告地将植物原料转化为生物燃料的最高浓度。研究人员还将大量锁定在玉米秸秆和树叶中的相当大比例的能量(最大理论值的62%)转化为异丁醇。该项研究的关键是稳定数量的真菌和细菌的和谐共生。 

  目前,研究人员正在尝试提高能量转化率,改变里氏木霉和大肠杆菌对于异丁醇的耐受性。异丁醇本身具有毒性,但浓度越高就越能降低分离燃料所需的成本。美国每年具有生产10亿吨生物质的潜力,生产的生物燃料足够替代30%以上的石油。因此,通过对细菌基因的修改,研究人员相信该系统可以通过可持续的方式生产出多种石油基化学品。

(责任编辑:泉水)
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