从细菌炼油到马桶电站

　　进入12月，国际油价再次站上了每桶100美元的高位。紧张的中东局势，让人不得不担心未来的石油供应问题。机票的燃油附加费又提高了，与此同时，电价正逐步抬高，电荒问题也还没有解决的曙光。在这个寒冷的季节里，能源危机的寒风似乎要吹进每一个人的骨头缝里。

　　大家都寄希望于新能源的出现能一劳永逸地解决这些问题，可惜新能源就像躲在阁楼上的“小家碧玉”，在热炒多年之后，却“只听楼梯响，不见人下来”。就在两年前，各地的生物乙醇项目还被炒得火热的，而如今，这种新兴的能源产业却显得有些疲软，这究竟是怎么回事？生物能源究竟有没有出路？

　　生物乙醇不给力

　　在汽油中添加乙醇已经不是什么新鲜事了。乙醇已经是产量和消费最多的生物燃料，仅2008年美国就消耗了90亿加仑的生物乙醇。不过，把乙醇当做燃料添加到油箱中，并非21世纪的新生事物，要知道，世界上第一台内燃机汽车就是以乙醇作为燃料的。虽然乙醇身上可以贴着无污染、可再生的优质标签，可这并不能掩饰它作为能源的短板。

　　乙醇的能量密度要低于汽油，说直白点就是乙醇的力气不够大。1升乙醇能释放出的能量(22.3兆焦/升)只有同样体积汽油的70%。把乙醇用作汽车燃料尚可，但是无法满足柴油机和航空燃料的需求。另外，乙醇具有很强的腐蚀性，对目前使用的钢制油罐、输油管道以及发动机都不那么友好。如果将其当做大规模使用的燃料，就需要更新目前的所有加油站的基础设施，并且设计和制造新的运输车辆。这可不像我们家里把煤气灶换成电磁炉那样简单，不菲的投资和浩大的工程都让人望而却步。另外，乙醇与水有很强的亲和性，而生物发酵过程又离不开水，将水分除去就很不容易了，但乙醇还会把空气中的水再吸回来，而发动机可不喜欢水。这样一来，如何让乙醇燃料保持干爽又是个浩大的工程。

　　正是由于乙醇存在这样的缺陷，所以在汽油被发现之后，乙醇与汽车油箱绝缘了很长时间。不过还好，微生物能够加工出来的不仅仅是乙醇。

　　真正的微型炼油厂

　　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。

　　实际上，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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　马桶电站是新的希望吗

　　微生物除了可以炼油，还可以发电，如果你觉得不可思议，那你肯定觉得西英格兰大学的研究人员简直是异想天开他们正尝试用尿液当燃料，建起能提供强大电能的“细菌电站”。而且，他们的实验工作已经取得了很大的进展。实验中，初始状态的微生物燃料电池可产生0.9毫安/每平方米的电能，在注入25毫升尿液之后1个小时，点产量达到了2.9毫安/每平方米，并且在3天之内能持续输出电能，发电强度逐渐恢复到3天之前的水平。虽然，这样的一块尿液电池的电能略显微弱，但是考虑到全球每年有6.4万亿升尿液冲进马桶，“燃料”自然不是问题，如果电池的发电效能再加以提高，这样马桶电站所提供的能量自然不可小觑。

　　实际上，微生物电站的原理并不复杂。在阳极通过微生物的分解将有机物中的电子和质子拆解开来。之后，电子通过导线传到阴极，而质子则通过特殊的质子交换膜，钻进阴极区域，在阴极跑过来的电子、质子和氧气结合成水。而在电子流动的过程中就将能量交了工作的手机、电脑等用电设备了。简单来说，就是将有机物和氧气的燃烧反应拆分来，以更平缓的形式将能量转化成电能。从原理上看，跟目前已经实用化的氢氧燃料电池并没有区别。

　　不过，微生物燃料电池有其特有的优势，比如，发电过程可以跟发酵过程结合在一起，只要像电池里投入有机物(甚至是尿液)，经过细菌的处理就可以生产出可以供发电细菌使用的葡萄糖等小分子有机物，这就省去了制造电池原料的工作，也将能源和环保紧密地结合在了一起。

　　也许不用多久，卫生间照明和通风设备就会用上尿液电池。各种有机物中的能源宝库还要借助微生物来帮我们发掘。