盐碱地上的芝麻开门

　　特约撰稿 史军

　　2010年7月，柳枝稷的全基因组图谱测序完成，一篇学术论文低调地刊登在《科学》杂志上。虽然没有像水稻基因组那样的大量媒体报道和关注，但这项工作，却可能是改变人类能量获取方式的浩大工程的一个开端。

　　要粮食，还是要乙醇？

　　使用生物能源并不是什么新鲜事，世界上第一辆汽车的油箱里就装满了酒精。只是后来人们发现了石油,有了石油这种产量丰富、价格低廉并且可以提供强劲动力的燃料，酒精才无奈地离开了汽车油箱。如今，在经历了历次石油危机和大规模环境污染事故之后，酒精再次在汽车发动机里找到了发挥热度的空间。

　　汽油里面加乙醇也不是什么新鲜事了，越来越多的加油站开始提供乙醇。巴西有50%以上的燃料是生物乙醇，美国汽油中的乙醇添加量标准为10%，我国汽油中的乙醇添加量也在日益提高，已经有9个省市的添加量达到了10%。

　　目前，获取乙醇燃料，最常用的原料还是糖和淀粉。没办法，谁让人类用糖（葡萄）制作的酒精有6000年历史，而用淀粉（谷物）来酿酒也有2000年以上的历史了。完整的工艺、成熟的发酵微生物、对各生产环节的清晰认识，使得建设一座供汽车喝的特供酒厂，变得轻车熟路。

　　但要种出能做成酒精的农作物，前提是需要有充足的耕地，这在我国目前人口众多的情况下，就像飘渺的美梦。截至2007年，我国的人均耕地面积已经下降到了1.4亩，连世界人均耕地面积的1/3都够不上。即便是最合理地使用生物乙醇，不造成任何浪费，也会造成对粮食供给的巨大压力。根据联合国粮农组织的统计，2006年农产品价格指数增幅为8%，2007年增幅为24%，而2008年首季度已经高达53%。虽然气候等因素对这几年粮价上涨起了一定作用，但燃料用粮食比率的增大，对于粮价的上涨无疑起了巨大的推动作用。

　　另外，只使用作物中的淀粉、蔗糖和油脂也是件奢侈的事情，毕竟在植物固定的能量物质中，这些物质只占10%-20%。如果是只满足我们的饭碗，倒还可以去粗取精，但现在要灌满油箱，这样的粗放收获显然是不现实的。2006年全球种植玉米、甘蔗和油菜的耕地面积约为193万公顷，按照每公顷生物燃料的平均产量，我们可以从这些农田里收获3.3亿吨的生物燃料，不过这些在世界能源的餐桌上只能勉强地算作一道甜点，因为这只相当于2007年世界原油产量的8%和同期世界能源消费的2.3%。

　　不仅如此，生物乙醇的生产也需要消耗大量能源，原料运输、处理、纯化都需要能源。看来，用粮食喂汽车的方案几乎已经走到了尽头，我们必须寻找新的能源供给方式。

　　放弃淀粉吧，我们有纤维素

　　如果只利用植物中的淀粉和糖类，我们只能利用所有植物生产的能量的10%-20%，储存着超过80%能量的秸秆、茎叶部分都得不到有效利用。因此，这也是目前新兴的第二代生物燃料的开发方向。

　　植物秸秆、茎叶中的有效成分是纤维素。从化学成分上来讲，纤维素和淀粉也是亲兄弟，它们都是由葡萄糖合成，不过纤维素长链纠缠在一起形成紧密的植物纤维，这些纤维给植物枝叶提供了强力支撑，也给其中的能量打上了封印。

　　要想获得纤维素乙醇，第一步就需要获得纯净的纤维素。如果把植物比作钢筋混凝土大厦，作为植物支撑系统的重要构件，纤维素就像钢筋。它们的外侧还覆盖着木质素、半纤维这样的混凝土。要想将纤维素抽出来使用，就需要将这些附属物都去掉，这是生产纤维素乙醇的第一步，也是目前技术的瓶颈所在。

　　目前最常用的方法是用氢氧化钠等碱液、或者稀酸来进行预处理，为了取得更好的效果，有些地方还将预处理在高压下进行——这个过程被形象地称为“爆破”。可是问题在于这样的处理条件对设备的要求很高，毕竟，耐酸碱、耐高压的容器需要一笔不菲的投资。通常，目前的纤维素乙醇工厂，要运转百年才能收回投资。

　　只要获得了纯净的纤维素，接下来的事情就比较简单了。用纤维素酶将纤维素分解成葡萄糖，这种技术人类是从天然的高效处理设备——白蚁那里学来的。那些昆虫是存在了上亿年的啃木头、消化纤维素的天然机器，人类正是模仿白蚁肠道中纤维素酶的运作程序，将大量纤维素转化成了葡萄糖。在这之后，就可以像酿造葡萄酒那样“酿制”工业乙醇了。

　　虽然困难重重，但是纤维素乙醇还是显示出了“不争夺口粮、有效利用植物能源”等优越性，只是，如果仅以农作物秸秆作为原料，必然受到季节性供应的限制。正因如此，专门提供纤维素的、四季均可收割且产量相对稳定的能源植物被纳入了开发日程。

　　柳枝稷的真功夫

　　柳枝稷就是这样的能源工程植物。就在十多年前，柳枝稷还是生长在北美荒原上的野草，而今天，它已经成为生物能源开发的样板植物。

　　之所以选这种禾本科植物（柳枝稷与玉米、水稻是一家，同属禾本科，但它没有可以做面包的籽粒），首要的一点就是它们对生活环境不挑不捡，不管是贫瘠、盐碱、干旱都不会影响它们的生活，它甚至能在砾石遍布的荒滩上扎根。另外，柳枝稷的生长期很长，大有野草“割”不尽、春风吹又生的架势。一般来讲，一次种植，可以连续收获10年，其间也不需要刻意打理，只要掌握好收割时间就好了。

　　不仅如此，柳枝稷还是生产能量效率极高的C4植物。植物光合作用的重要原料是二氧化碳，二氧化碳的浓度是制约能源生产的一个关键因素，可惜正常大气中的二氧化碳浓度是极低的（仅有约0.03%）。而C4植物能够收集空气中的二氧化碳，然后再将其浓缩后传输到维管束鞘附近，维持光合作用的高效运转。

　　除了收集能量的效率高，柳枝稷的另一个优点是能量容易被处理。柳枝稷体内，需要处理掉的杂质——木质素的含量仅为6%-9%，远低于玉米秸秆和甘蔗，相对的，其纤维素丰富。目前，柳枝稷全基因组测序已完成，如果能从基因组中解读出信息，以转基因手段来降低木质素和半纤维素含量，也许，这棵能源草就是打开盐碱地能量宝藏大门的钥匙。

　　（本文作者为植物学博士）