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2012年，美国中西部遭遇的创纪录高温以及多年来最为严重的旱灾，严重影响到了粮食产量，国际粮食政策研究所（IFPR I）警告，粮食价格暴涨，短期可能即将引爆一场全球粮食危机。而与之相随的，是将生物燃料再次推上风口浪尖。
世界最大玉米生产国美国大约40%的玉米产量被用来制造乙醇，去年的美国大旱重启了食品与生物燃料之间的斗争，本已饱受诟病的生物能源再次引发关注。那么，除了要遭遇与人争粮、与粮争地的争议，生物燃料未来的出路在哪里呢？随着生物技术的不断发展，最不起眼的微生物或许将解决这些难题。
生物燃料第三代
奥地利SAT公司巴西分公司宣布，全球首座以海藻为原料工业化生产生物燃料的工厂将于今年在巴西建成。这家企业将以藻类为原料生产生物燃料，利用生产乙醇过程释放的二氧化碳加速藻类光合作用，整套设备耗资980万美元，每年预计生产120万升，目前这一项目有待巴西国家石油管理局批准。
藻类是一种浮游植物，几乎在全球各种水体中都能见到它们的身影。藻类是一个大通称，旗下种类丰富，类群繁多。按大小通常分为大藻和微藻，用于制备生物燃料的主要是微藻，其单细胞或丝状体的直径小于1毫米。在生态系统中，微藻作为能量转化和碳元素循环中的关键一环，其作用举足轻重。
微藻是一种初级生产者，像几乎所有植物一样，通过光合作用，生成产物，并将其转化成小油滴在细胞内储存起来。这一储存效率还是相当高的，其中的一些微藻在某些特定条件下，积累油脂的能力令人刮目相看，甚至含油量能够达到70%以上。而这部分油脂就是我们发展生物燃料的一个来源——科学家通过萃取、热裂解等理化方法获取微藻中的油脂成分，再通过化学反应转酯化将其转变为脂肪酸甲酯，这就是我们通常说的生物柴油了。因此，不论是理论还是实际操作，微藻确实是生产生物能源的一大原料。
早在1978年，美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）便极有远见地启动了利用微藻生产生物柴油的水生生物种计划。后来，多国注意到了这一资源的巨大经济意义和战略重要性，纷纷加入其中。到了新世纪，随着石油价格的一路大幅上扬，世界各国都在摩拳擦掌，期待利用小小的微藻来取代化石燃料，如日本在2009年就再次启动了利用微藻生产生物能源的计划。目前各国的总投入达到数百亿美元。
利用微藻生产生物能源的优势显而易见，微藻生物量大，对生长的环境要求较低，像是大多数植物都无法生长的滩涂、盐碱地、荒漠等极端恶劣的环境都可以进行大规模培养，而所需的水源也可以使用海水、盐碱水和荒漠地区地下水等非耕地用水，这对于当前生物能源备受指责的主要问题——与农作物争地、争水来说，是一个很好的解决方案。
而且，微藻培养还可利用工业废气中的二氧化碳和氮氧化合物，有效缓解温室气体的排放，减少环境污染。因此微藻生产生物能源具有高效、清洁、环保等优势，符合新能源的特点，具有广阔的发展潜力和优势。
合成生物学大有作为
近年来，合成生物学在新能源领域同样是风生水起。《自然通讯》杂志报道，美国能源部下属的联合生物能源研究所（JBEI）的代谢工程项目团队，使用合成生物学方法改造了大肠杆菌和一个酿酒酵母的菌株，使之可以生产没药烷的前体物没药烯。这一物质有潜力替代D2柴油，成为一种“绿色”的生物燃料。
项目相关负责人介绍，没药烷作为燃料使用有很多优点，因为其不仅具有与D2生物柴油几乎相同的属性，而且由于其特别的分支和循环化学结构得以具有更低的冻结点和浊点。以往，这一原料主要来源于植物，而且液态生物燃料也一直被认为有潜力替代汽油、柴油和航空煤油，但如今，对细菌进行修改使之大规模制造高级生物燃料成为更方便且性价比最高的方法。
与此同时，大名鼎鼎的克莱格·文特尔合成基因组公司与美国著名埃克森美孚公司签订了高达6亿美元的合作协议，用于大面积商业化生产海藻燃料。文特尔计划在海藻中加入使微生物产油最优化的基因，来生产物美价廉的可循环利用的燃料。
不过，传统的生物燃料生产方式都有一个关键的限速步骤，那就是光合作用。无论是一代还是二代生物能源技术，大多数生物燃料能量都是源自植物通过光合作用所转化的太阳能。像是初期玉米和甘蔗中的糖类物质，以及后来的秸秆中的纤维素，说到底，都是由植物本身进行光合作用将太阳能转化为化学能而来的。光合作用对于植物本身来说必不可少，但遗憾的是，光合作用相对来说较为低效，这就导致了原料生产周期较长；想要获取储存在植物中能量物质来生成生物燃料，需要大量的加工步骤。
目前，美国加州劳伦斯伯克利国家实验室的科学家研发出一种高效的生产液体燃料的方法——电燃料。顾名思义，就是细菌等微生物直接利用电能而获取能量生长，产生物燃料。
他们采用一种叫做Ralstonia eutropha的细菌，通过对细菌进行基因工程改造，让其改变了自然状态下的产能方式——自然界中的细菌以氢为能量来源，通过转化二氧化碳合成有机物。科学家从工程大肠杆菌等其他细菌中引入生产中链甲基酮的代谢途径，最终的代谢终产物十六烷就非常接近于传统柴油了。不过这一研究目前尚处于实验室阶段，离应用还有一定距离。
改变争粮窘境
生物燃料一直面临着与人争粮的争议，似乎从诞生之日起就天然存在这样一个致命的问题。最初是因为粮食作物用于生产生物燃料，也就是第一代生物燃料，如玉米和大豆等原料都是传统的农产品，与人争粮，与粮争地，耗费了大面积土地并推动了食品价格，导致了人们对生物燃料的批评。
随着第二代生物燃料的崛起，主要原料来源于非粮食作物，比如麦秆、草和木材等，这种燃料相对于第一代更高效更持续，对土地、肥料与水的需求都较小。但是这些优点也悄悄掩盖了其潜在的危害。
当人们越发对生物能源重视，它也就越可能对土地资源和水资源产生更大的压力，世界粮农组织对能源作物与粮食作物的争地风险深感忧虑。而且，第二代生物能源退出田地后，可能在“环保”的光环下对脆弱的生态系统和生物多样性产生巨大的影响——因为大量种植速生树种对物种多样的天然生态森林造成破坏。
近日世界自然基金会发布了题为《生物能源的潜在风险和潜在效益并存》的报告，称如无适当的行动、目标和政策，发展生物能源就会演变出在“环保”名义下继续破坏地球生态的恶果。这也难怪在英国推出“地沟油航班”时，有多名环保人士到机场举行抗议。而且，种植玉米生产乙醇等生物燃料产生的温室气体，相对于化石燃料也不见得有显著降低。另外，在作物的种植、能源的提炼和运输等环节都需要消耗能源。
2012年的美国大旱重启了食品与生物燃料之间的斗争——今年美国玉米产量与仅仅一个月前的预测相比下降了17%，与去年的产量水平相比下降了13%，每公顷产量可能是17年以来新低。玉米价格已经达到了创纪录的水平。而且玉米也是动物饲料的主要组成部分，因此，肉类、牛奶和鸡蛋价格也有望攀升。
如今美国玉米产量的至少四分之一被制成了乙醇，作为燃料使用。这已成为政府的强制要求并有所增强。但粮农组织负责人何塞·格拉齐亚诺·达·席尔瓦在《金融时报》上撰文呼吁“立即暂时中止”这一政府强制要求。席尔瓦表示，这样更多的美国玉米产量就能用于食品或饲养牲畜。美国畜牧行业也督促国会暂停要求在汽油中添加乙醇的法律。
可以说，生物燃料一直处于争论的漩涡当中，不过，随着新技术的研发，生物燃料面临的窘境或许将得以解决，甚至真正迎来商业化的春天。
世界最大玉米生产国美国大约40%的玉米产量被用来制造乙醇，去年的美国大旱重启了食品与生物燃料之间的斗争，本已饱受诟病的生物能源再次引发关注。那么，除了要遭遇与人争粮、与粮争地的争议，生物燃料未来的出路在哪里呢？随着生物技术的不断发展，最不起眼的微生物或许将解决这些难题。
生物燃料第三代
奥地利SAT公司巴西分公司宣布，全球首座以海藻为原料工业化生产生物燃料的工厂将于今年在巴西建成。这家企业将以藻类为原料生产生物燃料，利用生产乙醇过程释放的二氧化碳加速藻类光合作用，整套设备耗资980万美元，每年预计生产120万升，目前这一项目有待巴西国家石油管理局批准。
藻类是一种浮游植物，几乎在全球各种水体中都能见到它们的身影。藻类是一个大通称，旗下种类丰富，类群繁多。按大小通常分为大藻和微藻，用于制备生物燃料的主要是微藻，其单细胞或丝状体的直径小于1毫米。在生态系统中，微藻作为能量转化和碳元素循环中的关键一环，其作用举足轻重。
微藻是一种初级生产者，像几乎所有植物一样，通过光合作用，生成产物，并将其转化成小油滴在细胞内储存起来。这一储存效率还是相当高的，其中的一些微藻在某些特定条件下，积累油脂的能力令人刮目相看，甚至含油量能够达到70%以上。而这部分油脂就是我们发展生物燃料的一个来源——科学家通过萃取、热裂解等理化方法获取微藻中的油脂成分，再通过化学反应转酯化将其转变为脂肪酸甲酯，这就是我们通常说的生物柴油了。因此，不论是理论还是实际操作，微藻确实是生产生物能源的一大原料。
早在1978年，美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）便极有远见地启动了利用微藻生产生物柴油的水生生物种计划。后来，多国注意到了这一资源的巨大经济意义和战略重要性，纷纷加入其中。到了新世纪，随着石油价格的一路大幅上扬，世界各国都在摩拳擦掌，期待利用小小的微藻来取代化石燃料，如日本在2009年就再次启动了利用微藻生产生物能源的计划。目前各国的总投入达到数百亿美元。
利用微藻生产生物能源的优势显而易见，微藻生物量大，对生长的环境要求较低，像是大多数植物都无法生长的滩涂、盐碱地、荒漠等极端恶劣的环境都可以进行大规模培养，而所需的水源也可以使用海水、盐碱水和荒漠地区地下水等非耕地用水，这对于当前生物能源备受指责的主要问题——与农作物争地、争水来说，是一个很好的解决方案。
而且，微藻培养还可利用工业废气中的二氧化碳和氮氧化合物，有效缓解温室气体的排放，减少环境污染。因此微藻生产生物能源具有高效、清洁、环保等优势，符合新能源的特点，具有广阔的发展潜力和优势。
合成生物学大有作为
近年来，合成生物学在新能源领域同样是风生水起。《自然通讯》杂志报道，美国能源部下属的联合生物能源研究所（JBEI）的代谢工程项目团队，使用合成生物学方法改造了大肠杆菌和一个酿酒酵母的菌株，使之可以生产没药烷的前体物没药烯。这一物质有潜力替代D2柴油，成为一种“绿色”的生物燃料。
项目相关负责人介绍，没药烷作为燃料使用有很多优点，因为其不仅具有与D2生物柴油几乎相同的属性，而且由于其特别的分支和循环化学结构得以具有更低的冻结点和浊点。以往，这一原料主要来源于植物，而且液态生物燃料也一直被认为有潜力替代汽油、柴油和航空煤油，但如今，对细菌进行修改使之大规模制造高级生物燃料成为更方便且性价比最高的方法。
与此同时，大名鼎鼎的克莱格·文特尔合成基因组公司与美国著名埃克森美孚公司签订了高达6亿美元的合作协议，用于大面积商业化生产海藻燃料。文特尔计划在海藻中加入使微生物产油最优化的基因，来生产物美价廉的可循环利用的燃料。
不过，传统的生物燃料生产方式都有一个关键的限速步骤，那就是光合作用。无论是一代还是二代生物能源技术，大多数生物燃料能量都是源自植物通过光合作用所转化的太阳能。像是初期玉米和甘蔗中的糖类物质，以及后来的秸秆中的纤维素，说到底，都是由植物本身进行光合作用将太阳能转化为化学能而来的。光合作用对于植物本身来说必不可少，但遗憾的是，光合作用相对来说较为低效，这就导致了原料生产周期较长；想要获取储存在植物中能量物质来生成生物燃料，需要大量的加工步骤。
目前，美国加州劳伦斯伯克利国家实验室的科学家研发出一种高效的生产液体燃料的方法——电燃料。顾名思义，就是细菌等微生物直接利用电能而获取能量生长，产生物燃料。
他们采用一种叫做Ralstonia eutropha的细菌，通过对细菌进行基因工程改造，让其改变了自然状态下的产能方式——自然界中的细菌以氢为能量来源，通过转化二氧化碳合成有机物。科学家从工程大肠杆菌等其他细菌中引入生产中链甲基酮的代谢途径，最终的代谢终产物十六烷就非常接近于传统柴油了。不过这一研究目前尚处于实验室阶段，离应用还有一定距离。
改变争粮窘境
生物燃料一直面临着与人争粮的争议，似乎从诞生之日起就天然存在这样一个致命的问题。最初是因为粮食作物用于生产生物燃料，也就是第一代生物燃料，如玉米和大豆等原料都是传统的农产品，与人争粮，与粮争地，耗费了大面积土地并推动了食品价格，导致了人们对生物燃料的批评。
随着第二代生物燃料的崛起，主要原料来源于非粮食作物，比如麦秆、草和木材等，这种燃料相对于第一代更高效更持续，对土地、肥料与水的需求都较小。但是这些优点也悄悄掩盖了其潜在的危害。
当人们越发对生物能源重视，它也就越可能对土地资源和水资源产生更大的压力，世界粮农组织对能源作物与粮食作物的争地风险深感忧虑。而且，第二代生物能源退出田地后，可能在“环保”的光环下对脆弱的生态系统和生物多样性产生巨大的影响——因为大量种植速生树种对物种多样的天然生态森林造成破坏。
近日世界自然基金会发布了题为《生物能源的潜在风险和潜在效益并存》的报告，称如无适当的行动、目标和政策，发展生物能源就会演变出在“环保”名义下继续破坏地球生态的恶果。这也难怪在英国推出“地沟油航班”时，有多名环保人士到机场举行抗议。而且，种植玉米生产乙醇等生物燃料产生的温室气体，相对于化石燃料也不见得有显著降低。另外，在作物的种植、能源的提炼和运输等环节都需要消耗能源。
2012年的美国大旱重启了食品与生物燃料之间的斗争——今年美国玉米产量与仅仅一个月前的预测相比下降了17%，与去年的产量水平相比下降了13%，每公顷产量可能是17年以来新低。玉米价格已经达到了创纪录的水平。而且玉米也是动物饲料的主要组成部分，因此，肉类、牛奶和鸡蛋价格也有望攀升。
如今美国玉米产量的至少四分之一被制成了乙醇，作为燃料使用。这已成为政府的强制要求并有所增强。但粮农组织负责人何塞·格拉齐亚诺·达·席尔瓦在《金融时报》上撰文呼吁“立即暂时中止”这一政府强制要求。席尔瓦表示，这样更多的美国玉米产量就能用于食品或饲养牲畜。美国畜牧行业也督促国会暂停要求在汽油中添加乙醇的法律。
可以说，生物燃料一直处于争论的漩涡当中，不过，随着新技术的研发，生物燃料面临的窘境或许将得以解决，甚至真正迎来商业化的春天。