上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称： 生物技术与人类课程号：B1913班级号：F1511003 姓名： 傅璟 学号： 515111910060 专业：应用化学 课程小论文 题目 化解能源危机的的微生物 得分 化解能源危机的的微生物 傅璟 (上海交通大学化学化工学院，上海200240) 摘要：当今，能源与环境问题仍旧是全世界极为关注的热点问题之一。无论发达国 家还是发展中国家，都将可再生能源资源的开发是看作是政府部门的重大战略。随 着生物学科的发展，采用生物质燃料可以缓解能源短缺，保护生态环境。而微生 物在其中有着杰出的表现，本文主要介绍微生物在生物质能源中的应用。 关键词：能源危机：生物质燃料：微生物 Microorganism in biomass energy:solve the energy crisis Fu Jing (school of chemistry and chemical engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China) Abstract:Today,energy and environmental issue remains one of the important problems in the world.Whether in developed or developing countries,the development of renewable energy resources is regarded as a major strategy of government departments.With the development of biology technology,biomass fuel can alleviate energy shortage and protect the ecological environment to some extent.The microorganism has outstanding performance in this area.This paper mainly introduces
上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称： 生物技术与人类 课程号： BI913 班级号： F1511003 姓名： 傅璟 学号： 515111910060 专业： 应用化学 课程小论文 题目 化解能源危机的的微生物 得分 化解能源危机的的微生物 傅璟 （上海交通大学化学化工学院，上海 200240） 摘要：当今,能源与环境问题仍旧是全世界极为关注的热点问题之一。无论发达国 家还是发展中国家,都将可再生能源资源的开发是看作是政府部门的重大战略。随 着生物学科的发展，采用生物质燃料可以缓解能源短缺，保护生态环境。而微生 物在其中有着杰出的表现，本文主要介绍微生物在生物质能源中的应用。 关键词：能源危机；生物质燃料；微生物 Microorganism in biomass energy：solve the energy crisis Fu Jing (school of chemistry and chemical engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) Abstract: Today, energy and environmental issue remains one of the important problems in the world. Whether in developed or developing countries, the development of renewable energy resources is regarded as a major strategy of government departments. With the development of biology technology, biomass fuel can alleviate energy shortage and protect the ecological environment to some extent. The microorganism has outstanding performance in this area. This paper mainly introduces
the application of microorganism in biomass energy. Key Words:energy crisis;biomass fuel;microorganism 引言 一直以来煤炭、石油和天然气被认为是支撑人类社会生存发展的三大能源支 柱，随着自1973年以来不断因石油短缺引发的能源危机和国际石油价格大幅上 涨，使我们认识到能源并不是取之不尽、用之不竭，按消费量推算，世界石油资 源在今后50年到80年间将最终消耗殆尽。[同时由于传统三大能源的过度消耗 而带来的环境污染问题也使人类社会发展面临着极大的压力。生物质能是由植物 的光合作用固定于地球上的太阳能，生物质燃料是指将生物质材料燃烧作为燃料， 一般主要是农林废弃物（如秸秆、锯末、甘蔗渣、稻糠等）2②。通过生物质能转换 技术可以高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭、石油和天然气 等燃料。从而减少对传统矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给 环境造成的污染。而发展生物质能源离不开微生物，微生物在能源生产中可以起 到巨大的作用。 1微生物在能源生产中的应用 能源微生物生产能源需要物质基础，一般为植物，也就是说微生物也是在利 用光合作用产物进行能源生产，将太阳能转化成我们需要的能源形势。生物在生 长期的天然光合作用对碳的吸收，所以当微生物将之转化为生物质燃料后，生物 燃料燃烧时向大气会释放同等量的碳，最终表现出几乎等于零的碳排放，使生物 质燃料成为所谓的碳中性燃料。可见微生物在环境生态平衡上的重要作用。 能源性微生物的主要种类有： 1、甲烷产生菌主要种类有甲烷杆菌属、甲烷八叠菌属、甲烷球菌属等。 2、乙醇产生菌的主要种类有酵母菌属、裂殖酵母菌属、假丝酵母属、球拟酵 母属、酒香酵母属、汉逊氏酵母属、克鲁伯氏酵母属、毕赤氏酵母属、隐球酵母 属、德巴利氏酵母属、卵孢酵母属、曲霉属等。乙醇产生菌主要是酵母。 3、氢气产生菌的主种类有红螺菌属、红假单胞菌属、红微菌属、荚硫菌属、 硫螺菌属、闪囊菌属、网硫菌属、板硫菌属、外硫红螺菌属、梭杆菌属、埃希氏 菌属、蓝细菌类等。 从种类可见，主要是通过利用微生物发酵等作用，发展沼气资源、乙醇汽油、 生物制氢等以开辟能源的新途径
the application of microorganism in biomass energy. Key Words: energy crisis; biomass fuel; microorganism 引言 一直以来煤炭、石油和天然气被认为是支撑人类社会生存发展的三大能源支 柱，随着自 1973 年以来不断因石油短缺引发的能源危机和国际石油价格大幅上 涨，使我们认识到能源并不是取之不尽、用之不竭，按消费量推算，世界石油资 源在今后 50 年到 80 年间将最终消耗殆尽。[1]同时由于传统三大能源的过度消耗 而带来的环境污染问题也使人类社会发展面临着极大的压力。生物质能是由植物 的光合作用固定于地球上的太阳能，生物质燃料是指将生物质材料燃烧作为燃料， 一般主要是农林废弃物（如秸秆、锯末、甘蔗渣、稻糠等）[2]。通过生物质能转换 技术可以高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭、石油和天然气 等燃料。从而减少对传统矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给 环境造成的污染。而发展生物质能源离不开微生物，微生物在能源生产中可以起 到巨大的作用。 1 微生物在能源生产中的应用 能源微生物生产能源需要物质基础，一般为植物，也就是说微生物也是在利 用光合作用产物进行能源生产，将太阳能转化成我们需要的能源形势。生物在生 长期的天然光合作用对碳的吸收，所以当微生物将之转化为生物质燃料后，生物 燃料燃烧时向大气会释放同等量的碳，最终表现出几乎等于零的碳排放，使生物 质燃料成为所谓的碳中性燃料。可见微生物在环境生态平衡上的重要作用。 能源性微生物的主要种类有 [3]： 1、甲烷产生菌主要种类有甲烷杆菌属、甲烷八叠菌属、甲烷球菌属等。 2、乙醇产生菌的主要种类有酵母菌属、裂殖酵母菌属、假丝酵母属、球拟酵 母属、酒香酵母属、汉逊氏酵母属、克鲁伯氏酵母属、毕赤氏酵母属、隐球酵母 属、德巴利氏酵母属、卵孢酵母属、曲霉属等。乙醇产生菌主要是酵母。 3、氢气产生菌的主种类有红螺菌属、红假单胞菌属、红微菌属、荚硫菌属、 硫螺菌属、闪囊菌属、网硫菌属、板硫菌属、外硫红螺菌属、梭杆菌属、埃希氏 菌属、蓝细菌类等。 从种类可见，主要是通过利用微生物发酵等作用，发展沼气资源、乙醇汽油、 生物制氢等以开辟能源的新途径
2微生物与沼气 沼气的生产和使用是最早的通过微生物转化提供能量的过程。沼气主要成分 甲烷，是由甲烷产气菌在厌氧条件下将有机物分解转化而成。它们对碳能源的类 型有特殊的要求，可利用的基质分为三类：(1)含有1~6个炭原子的短链脂肪 酸：(2)含1~5个碳原子的正或异醇类；(3)三种气体：H2、C0和C02。由于 这种特殊的底物要求给甲烷的大规模生产提出了技术和经济上的问题。现在沼气 发酵是利用农业生产剩余物、食品加工和工业生产等废弃物进行厌氧发酵，实现 物质资源化再利用，保持生态平衡并改善环境卫生。沼气发酵微生物种类繁多， 大体可分为产甲烷菌群和不产甲烷菌群两类。产甲烷微生物菌群，通常称为产甲 烷茵。在厌氧条件下，产甲烷菌可利用不产甲烷菌的中间代谢物和最终代谢产物 作为其营养和能源物质，以此进行生长繁殖并最终产生甲烷。不产甲烷菌群主要 是一大类兼性厌氧菌，从生理功能上又可分为挥发酸生成菌群和基质分解菌群。 其中以细菌种类居多，目前己知的有18个属51个种，随着研究的深入和分离方 法的改进，还有新种不断被发现。它们具备水解和发酵大分子有机物并产酸的能 力，在满足自身生长的同时，为产甲烷菌提供能量和物质。田 3微生物与乙醇汽油 在国际市场上，生物乙醇主要由糖和玉米淀粉制得。糖或多糖（可解聚成发酵 糖)发酵的主要代谢产物是乙醇.酿酒酵母可用于己糖发酵，而赤毕酵母或念球菌 可用于戊糖发酵。在最佳条件下，酿酒酵母对糖发酵5d可产生10%~12%体积 的乙醇，这种高浓度会减慢酵母的生长并使其停止发酵。对特殊的酵母菌。当酒 精浓度为20%体积时发酵还可以继续进行，不过这个浓度在发酵数月或数年后才 可以达到。目前，所有含酒精的饮料都是由发酵制得，工业酒精主要是由发酵制 得。一份酿酒酵母发酵糖得乙醇的清单如下：蔗糖96h内产量97g/L,甘蔗糖 蜜30h内产量70g/L.甜菜蜜糖192h内产量53g/L。由于玉米等的供应有 限和基础设施限制，导致生产能力不能无限的扩大。从而使玉米等产乙醇量有一 个上限，并不能真正解决未来的能源问题。 有关可再生原料的问题，将生物燃料部门的视野从粮食和谷类作物转移到非 食品木质纤维素生物质上是非常重要的。另外，纤维素乙醇在能源平衡方面比玉 米乙醇好5倍，并且生产生物质乙醇所需能量比其提供能量的10%还要低。且木 质纤维素乙醇的温室气体排放量约减少80%，而玉米乙醇只减少了20%一30%。 向早有研究对大肠杆菌和克雷伯氏菌进行重组DNA,将混合酸的生产转化成了乙醇
2 微生物与沼气 沼气的生产和使用是最早的通过微生物转化提供能量的过程。沼气主要成分 甲烷，是由甲烷产气菌在厌氧条件下将有机物分解转化而成。它们对碳能源的类 型有特殊的要求，可利用的基质分为三类：(1) 含有 1～6 个炭原子的短链脂肪 酸；(2)含 1～5 个碳原子的正或异醇类；(3) 三种气体：H2 、CO 和 CO2 。由于 这种特殊的底物要求给甲烷的大规模生产提出了技术和经济上的问题。现在沼气 发酵是利用农业生产剩余物、食品加工和工业生产等废弃物进行厌氧发酵，实现 物质资源化再利用，保持生态平衡并改善环境卫生。沼气发酵微生物种类繁多， 大体可分为产甲烷菌群和不产甲烷菌群两类。产甲烷微生物菌群，通常称为产甲 烷茵。在厌氧条件下，产甲烷菌可利用不产甲烷菌的中间代谢物和最终代谢产物 作为其营养和能源物质，以此进行生长繁殖并最终产生甲烷。不产甲烷菌群主要 是一大类兼性厌氧菌，从生理功能上又可分为挥发酸生成菌群和基质分解菌群。 其中以细菌种类居多，目前已知的有 18 个属 51 个种，随着研究的深入和分离方 法的改进，还有新种不断被发现。它们具备水解和发酵大分子有机物并产酸的能 力，在满足自身生长的同时，为产甲烷菌提供能量和物质。 [4] 3 微生物与乙醇汽油 在国际市场上，生物乙醇主要由糖和玉米淀粉制得。糖或多糖(可解聚成发酵 糖)发酵的主要代谢产物是乙醇．酿酒酵母可用于己糖发酵，而赤毕酵母或念球菌 可用于戊糖发酵。在最佳条件下，酿酒酵母对糖发酵 5 d 可产生 10％～12％体积 的乙醇，这种高浓度会减慢酵母的生长并使其停止发酵。对特殊的酵母菌。当酒 精浓度为 20％体积时发酵还可以继续进行，不过这个浓度在发酵数月或数年后才 可以达到。目前，所有含酒精的饮料都是由发酵制得，工业酒精主要是由发酵制 得。一份酿酒酵母发酵糖得乙醇的清单如下：蔗糖 96 h 内产量 97 g／L，甘蔗糖 蜜 30h 内产量 70 g／L．甜菜蜜糖 192 h 内产量 53 g／L。 [5]由于玉米等的供应有 限和基础设施限制，导致生产能力不能无限的扩大。从而使玉米等产乙醇量有一 个上限，并不能真正解决未来的能源问题。 有关可再生原料的问题，将生物燃料部门的视野从粮食和谷类作物转移到非 食品木质纤维素生物质上是非常重要的。另外，纤维素乙醇在能源平衡方面比玉 米乙醇好 5 倍，并且生产生物质乙醇所需能量比其提供能量的 10％还要低。且木 质纤维素乙醇的温室气体排放量约减少 80％，而玉米乙醇只减少了 20％一 30％。 [6]早有研究对大肠杆菌和克雷伯氏菌进行重组 DNA，将混合酸的生产转化成了乙醇
的生产。通过克隆和表达雷伯氏菌的乙醇脱氢酶和丙酮酸脱羧酶基因，重组菌株 能够在真菌纤维素增加时高效率转化结晶纤维索成为乙醇。其中100g/L的纤维 素可得到乙醇的最大理论产量是81%~89%，乙醇滴定度高达47g/L。) 4生物制氢 化石能源制氢和电解水制氢两种途径，但成本昂贵。前者需要消耗大量的石 油、天然气和煤炭等宝贵的不可再生资源：后者则以消耗大量的电能为代价，每 生产13的氢需要消耗4~5千瓦时的电能。相比之下，微生物产氢是一条反应条 件温和、能够利用可再生资源、环境友好的途径。]生物制氢包括发酵制氢和光合 作用制氢。前者利用异养型的厌氧菌或固氮菌分解小分子的有机物制氧。而后者 则利用光合细菌或微藻直接转化太阳能为氯能，特别是微藻制氢的底物是水，来 源丰富，是目前国际上生物制氢领域的研究热点。Mils等人发现硫饥饿对绿藻制 氢有极大的促进作用，这已成为微藻制氢研究的最大热点。其采用“间接生物光 解”法，首先正常培养绿藻细胞，使之靠光合作用累积自身所需的碳水化合物；然 后将收获的绿藻细胞培养在缺硫的培养基中，此后线粒体的呼吸作用几乎不受影 响，导致培养基中的O2逐渐被呼吸作用消耗掉，氢酶活性达到最大，从而得到了 较高的产氢量。他们用这种方法得到的产氢速率为2.0~2.5mLH2·L1.h1.9虽 然此方法还不足以规模化产氢，但是表明藻类制氢的巨大可能性。 5结语 微生物在能源生产上的优势在于相比石油天然气为代表的传统能源具有可再 生性且生成周期短，但是微生物作为生物个体存在对培养环境有一定要求，生产 原料的获取和技术成本仍旧限制了它的推广应用。像微藻等作为第二代生物能源 的原料虽一定程度上解决了原料获取问题，但目前的技术仍不能大规模生产。不 过随着对能源微生物的深入研究，未来微生物在能源生产中将会扮演越来越重要 的作用。 参考文献 [1]吴根，白丽梅，于洋，等.生物质转化能源技术的发展现状及趋势探讨[J刀.环境科学 与管理，2008,33(1)：166-168. [2]高玉姜.生物质燃料检测的基本要求及误差控制[J].低碳世界，2015(15)：3-4. [3]敬一兵.微生物与能源[J].《生物学通报》，1996，(2)
的生产。通过克隆和表达雷伯氏菌的乙醇脱氢酶和丙酮酸脱羧酶基因，重组菌株 能够在真菌纤维素增加时高效率转化结晶纤维索成为乙醇。其中 100 g／L 的纤维 素可得到乙醇的最大理论产量是 81％~89％，乙醇滴定度高达 47 g／L。 [7] 4 生物制氢 化石能源制氢和电解水制氢两种途径，但成本昂贵。前者需要消耗大量的石 油、天然气和煤炭等宝贵的不可再生资源：后者则以消耗大量的电能为代价，每 生产 1 m3的氢需要消耗 4～5 千瓦时的电能。相比之下，微生物产氢是一条反应条 件温和、能够利用可再生资源、环境友好的途径。[8]生物制氢包括发酵制氢和光合 作用制氢。前者利用异养型的厌氧菌或固氮菌分解小分子的有机物制氧。而后者 则利用光合细菌或微藻直接转化太阳能为氯能，特别是微藻制氢的底物是水，来 源丰富，是目前国际上生物制氢领域的研究热点。Meils 等人发现硫饥饿对绿藻制 氢有极大的促进作用，这已成为微藻制氢研究的最大热点。其采用“间接生物光 解”法，首先正常培养绿藻细胞, 使之靠光合作用累积自身所需的碳水化合物; 然 后将收获的绿藻细胞培养在缺硫的培养基中，此后线粒体的呼吸作用几乎不受影 响，导致培养基中的 O2逐渐被呼吸作用消耗掉，氢酶活性达到最大, 从而得到了 较高的产氢量。他们用这种方法得到的产氢速率为 2.0~ 2.5 mL H2·L -1·h -1。[9] 虽 然此方法还不足以规模化产氢，但是表明藻类制氢的巨大可能性。 5 结语 微生物在能源生产上的优势在于相比石油天然气为代表的传统能源具有可再 生性且生成周期短，但是微生物作为生物个体存在对培养环境有一定要求，生产 原料的获取和技术成本仍旧限制了它的推广应用。像微藻等作为第二代生物能源 的原料虽一定程度上解决了原料获取问题，但目前的技术仍不能大规模生产。不 过随着对能源微生物的深入研究，未来微生物在能源生产中将会扮演越来越重要 的作用。 参考文献 [1] 吴根, 白丽梅, 于洋,等. 生物质转化能源技术的发展现状及趋势探讨[J]. 环境科学 与管理, 2008, 33(1):166-168. [2] 高玉姜. 生物质燃料检测的基本要求及误差控制[J]. 低碳世界, 2015(15):3-4. [3] 敬一兵. 微生物与能源[J]. 《生物学通报》, 1996, (2)
[4)虞方伯，罗锡平，管莉菠，等.沼气发酵微生物研究进展U.安微农业科学，2008， 36(35):392-394 [5]Lin Y,Tanaka S.Ethanol fermentation from biomass resources:current stale and prospects[J].Appl Microbiol Biotechnol,2006,69:627-642. [6]谢敬，冯鑫.能源短缺的生物解决途径[J].浙江化工，2011,42(3)：20-24. [7]Doran J B,Ingram LO.Fermentation of crystalline cellulose to ethanol by Klebsiella oxytoca containing chromosomaaly integrated Zymontonas mobilis genes[J].Biotechnol Prog,1993,9: 533-538 [8]韩志国，李爱芬，龙敏南，等.微藻光合作用制氢一能源危机的最终出路？.生态科学， 2003,22(2:104-108 [9]Melis A.Green alga hydrogen production:progress,challenges and prospects[J].International Journal of Hydrogen Energy,2002,27(11):1217-1228
[4] 虞方伯, 罗锡平, 管莉菠,等. 沼气发酵微生物研究进展[J]. 安徽农业科学, 2008, 36(35):392-394. [5] Lin Y，Tanaka S．Ethanol fermentation from biomass resources：current stale and prospects[J]．Appl Microbiol Biotechnol，2006，69：627-642． [6] 谢敬, 冯鑫. 能源短缺的生物解决途径[J]. 浙江化工, 2011, 42(3):20-24． [7] Doran J B，Ingram L O．Fermentation of crystalline cellulose to ethanol by Klebsiella oxytoca containing chromosomaaly integrated Zymontonas mobilis genes[J]．Biotechnol Prog，1993，9： 533—538 [8] 韩志国, 李爱芬, 龙敏南,等. 微藻光合作用制氢——能源危机的最终出路?[J]. 生态科学, 2003, 22(2):104-108. [9] Melis A. Green alga hydrogen production: progress, challenges and prospects[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2002, 27(11):1217-1228
