新能源之细菌炼油

科研人员很早就注意到梭菌属（Clostridium）的可以生产异丙醇和正丁醇，这是两种比乙醇都优秀的燃料。异丙醇的能量密度可以达到每升23.9兆焦，而正丁醇的能量密度甚至可以达到每升29.2兆焦，这已经相当接近汽油的能量密度（32兆焦/升）了。比起乙醇来，丁醇的辛烷值也更高，这意味着，它可以与现有的汽油燃料以任意比例调配。更重要的是，正丁醇具有很强的疏水性，它们并不喜欢与水混在一起。这种燃料看起来跟汽油几乎一样，所以完全可以利用现有的设施来生产运输正丁醇。更有诱惑性的是，每升梭菌培养液中可以积累的正丁醇可以达到19.6克。梭菌看起来就是一个完美的新兴生物能源生产器，可事实并非如此，因为梭菌的生长非常缓慢。一般情况下，梭菌繁殖一代大概需要约8个小时的时间，看似迅速，但是同大肠杆菌约20分钟一代的繁殖速度相比就显得步履蹒跚了。

       目前，几乎所有的汽车、内燃机车和飞机的发动机都是通过直接燃烧燃料。像乙醇、汽油这样的化学物质主要是由碳原子、氢原子组成的。碳原子之间，碳原子和氢原子手拉手形成的组合中（化学键）都蕴含着能量，就像没有打开包装的新电池。而碳原子和氢原子也可以在拆散后，同氧原子结合，形成二氧化碳和水，不过后面形成的这些分子就如同用过的旧电池，所含的能量就要低得多了。这两类原子组合之间的能量差值，就是燃烧时放出的能量了。同汽油这种纯粹由碳和氢组成的化合物不同，乙醇分子内部已经有碳和氧结合的化学键，这样就大大影响了它们释放能量的力度。还好微生物可以生产的不仅仅是乙醇，含有碳原子数量较多的长链醇类，以及脂肪酸都是它们的产品。

       当然，丁醇同乙醇一样，能量密度并不能满足航空发动机的需求，因此，我们还需要更强的工程菌株来生产出能量密度更高的燃料--只含有碳原子和氢原子的烷烃及萜类化合物。11月4日，美国能源部下属的联合生物能源研究所的科学家宣布，他们通过改造大肠杆菌和酿酒酵母的基因，制造出了没药烷的前体物没药烯。只要将没药烯进行简单的催化加氢反应，就可以制成一种“绿色”的生物燃料--没药烷，这种高能量密度、低污染的新燃料完全有可能替代D2柴油。这无疑是寻找高质量生物燃料道路上的坚实一步。

       解决的办法就是将正丁醇的生产线搬到繁殖快、易培养的细菌中去，大肠杆菌就是这样的一种细菌。另外，经过数十年的研究，科学家已经把大肠杆菌的细胞结构和基因组成了解得一清二楚，这就相当于为我们提供了一个良好的多功能厂房，只要安装上合适的“生产线”就可以产出我们想要的产品。目前，研究人员已经把合成丁醇的相关基因导入到大肠杆菌的基因组里面去了，并且都能够较为顺畅的运作。通过不同基因（酶）的协同作用，将葡萄糖转化为丁醇。

      不过，细菌炼油厂并非是十全十美的。目前我们还无法完全掌控大肠杆菌运作的过程，从实验室到实际生产还有一些瓶颈需要突破。例如，理论上每升大肠杆菌产丁醇的上限为10克，但是目前所有的实验产量都没有突破“克”级大关。从细菌培养基中“炼”出燃油，还有很长的路要走。