上海交通大学：《生物技术与人类》通识课程教学资源（小论文）化解能源危机的微生物.doc_大学文库

化解能源危机的微生物陶思嘉（上海交通大学材料科学与工程学院，上海200240) 摘要：随着经济快速发展，人们的物质生活水平不断提高，同时对能源需求的增长速度也日益增大。要满足这样的能源需求已经是十分艰巨的任务，自然没有多少余地去挑选能源。不论是高度工业化的发达国家还是处在经济迅速增长期的发展中国家，能源需求量都在与日俱增。另外，我们还得面对能源安全挑战以及燃料价格继续增长等可能出现的问题，这更是增加了能源供应的压力。人类要解决能源危机，其必然趋势是利用可再生的新能源代替不可再生的传统能源。生物技术在传统能源开采和新能源开发中都有不小成果，因此不管在当下还是未来都具有很大的研究意义。关键词：生物技术：微生物资源；能源危机：能源开采；新能源 Microorganisms Resolving the Energy Crisis S.JTao (Department of Industrial Engineering Logistics Management,School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China) Abstract:With the rapid development of economy,people's material life level is improving constantly,at the same time the energy demand growth rate is increasing day by day.To meet this demand for energy is a very difficult task, not much room to select natural energy.Whether in developed countries or in the highly industrialized countries energy demand is increasing every day.In addition,we also have to face the challenge of energy security and fuel prices continue to increase the possible problems,this is an increase of pressure on the energy supply.The trend that Human beings how to solve the energy crisis is to use renewable energy resources to replace the traditional non renewable energy.Biotechnology has achievement in traditional energy exploitation and the development of new energy sources,so whether in the present or the future is of great significance. Key words:Biological technology;microbial resources;energy crisis;energy recovery;new energy

化解能源危机的微生物陶思嘉（上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240）摘要：随着经济快速发展，人们的物质生活水平不断提高，同时对能源需求的增长速度也日益增大。要满足这样的能源需求已经是十分艰巨的任务，自然没有多少余地去挑选能源。不论是高度工业化的发达国家还是处在经济迅速增长期的发展中国家，能源需求量都在与日俱增。另外，我们还得面对能源安全挑战以及燃料价格继续增长等可能出现的问题，这更是增加了能源供应的压力。人类要解决能源危机，其必然趋势是利用可再生的新能源代替不可再生的传统能源。生物技术在传统能源开采和新能源开发中都有不小成果，因此不管在当下还是未来都具有很大的研究意义。关键词：生物技术；微生物资源；能源危机；能源开采；新能源 Microorganisms Resolving the Energy Crisis S.J Tao (Department of Industrial Engineering & Logistics Management, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) Abstract: With the rapid development of economy, people's material life level is improving constantly, at the same time the energy demand growth rate is increasing day by day. To meet this demand for energy is a very difficult task, not much room to select natural energy. Whether in developed countries or in the highly industrialized countries energy demand is increasing every day. In addition, we also have to face the challenge of energy security and fuel prices continue to increase the possible problems, this is an increase of pressure on the energy supply. The trend that Human beings how to solve the energy crisis is to use renewable energy resources to replace the traditional non renewable energy. Biotechnology has achievement in traditional energy exploitation and the development of new energy sources, so whether in the present or the future is of great significance. Key words: Biological technology; microbial resources; energy crisis; energy recovery; new energy

1当今世界及中国的能源状况煤炭、石油、天然气，是当前人类生活中的主要能源。随着人类社会的发展和生活水平的提高，需要消耗的能量日益增多。可是这些大自然恩赐的能源物质是通过千万年的地壳变化而逐渐积累起来的，数量虽大，但毕竞有限。何况由于人类不合理得利用和开采这些资源，使不少的资源白白浪费。石油大战，煤炭争端以使世界的能源局势趋于更加不安定的状态，两伊战争，伊拉克战争这些地区的争端都显现出人类为了生存，为了自身国家的发展对短缺能源的争端越来越明显。而工业需要发展，人类需要进步，当今摆在人类面前的矛盾就是：人类对能源需求日益增加与世界能源日益减少的矛盾。人类生活中的主要能源在日益减少的同时摆在人类面前的还有由其引发地另一大难题：能源燃烧引发的环境污染问题。众所周知，煤炭和石油的燃烧会产生二氧化碳和其他的一些废弃物对环境造成很大的污染，对地球的长久发展造成很大的威胁。工业对燃料的需求越来越大，虽然各国都采取了一系列的措施减少废气物体的排放，但是由于各国经济实力的悬殊，尤其在发展中国家很少能够做到对废弃物体的回收和处理，伴随着工业发展温室效应，工业污染，大气环境污染等问题也越来越严重。能源已成为一个制约我国经济迅速发展的瓶颈。2003年我国已成为仅次于美国的世界第二大能源消耗国。2004年，中国进口原油112亿t。原油进口已成为我国能源安全的重大隐患。预计2010年我国的原油加工量将达到217亿t,而原油产量不会超过117亿t。我国目前己探明的石油储量只够30年开采，煤储量可开采100年左右。因此新型能源的开发不但对我国国民经济的发展有重要推动作用，而且己成为我国国家安全必须考虑的问题。针对世界能源的结构现状以及其引发的一系列环境问题己经引起了世界各国广泛的关注，人类在不断的探索努力，希望可以找到或者研发出一些新的，可以再生的能源来补充人类的能源需求甚至代替原有的传统能源。一场能源改革革命呼之欲出

1 当今世界及中国的能源状况煤炭、石油、天然气，是当前人类生活中的主要能源。随着人类社会的发展和生活水平的提高，需要消耗的能量日益增多。可是这些大自然恩赐的能源物质是通过千万年的地壳变化而逐渐积累起来的，数量虽大，但毕竟有限。何况由于人类不合理得利用和开采这些资源，使不少的资源白白浪费。石油大战，煤炭争端以使世界的能源局势趋于更加不安定的状态，两伊战争，伊拉克战争这些地区的争端都显现出人类为了生存，为了自身国家的发展对短缺能源的争端越来越明显。而工业需要发展，人类需要进步，当今摆在人类面前的矛盾就是：人类对能源需求日益增加与世界能源日益减少的矛盾。人类生活中的主要能源在日益减少的同时摆在人类面前的还有由其引发地另一大难题：能源燃烧引发的环境污染问题。众所周知，煤炭和石油的燃烧会产生二氧化碳和其他的一些废弃物对环境造成很大的污染，对地球的长久发展造成很大的威胁。工业对燃料的需求越来越大，虽然各国都采取了一系列的措施减少废气物体的排放，但是由于各国经济实力的悬殊，尤其在发展中国家很少能够做到对废弃物体的回收和处理，伴随着工业发展温室效应，工业污染，大气环境污染等问题也越来越严重。能源已成为一个制约我国经济迅速发展的瓶颈。2003 年我国已成为仅次于美国的世界第二大能源消耗国。2004 年,中国进口原油112 亿t 。原油进口已成为我国能源安全的重大隐患。预计2010 年我国的原油加工量将达到217亿t ,而原油产量不会超过117 亿t。我国目前已探明的石油储量只够30年开采,煤储量可开采100 年左右。因此新型能源的开发不但对我国国民经济的发展有重要推动作用, 而且已成为我国国家安全必须考虑的问题。针对世界能源的结构现状以及其引发的一系列环境问题已经引起了世界各国广泛的关注，人类在不断的探索努力，希望可以找到或者研发出一些新的，可以再生的能源来补充人类的能源需求甚至代替原有的传统能源。一场能源改革革命呼之欲出

2微生物的主要作用以及其与生物能源的关系微生物和动物、植物一样，是自然界三大物种之一。只是因为微生物个体过于微小，而不像一般动物和植物那样易让人们感知它的存在和功能，这不仅影响了人们对微生物的正确认识，也阻碍了对微生物技术开发的支持和投入。但是随着人类科学的进步，对微生物的研究越来越深入，使微生物更加能为人类所用。当今社会中微生物在工业、农业、医药、食品、能源等领域中所发挥的作用愈来愈令人瞩目。尤其是循环经济的建设，将离不开微生物的参与及其应用技术的发展和创新。微生物在循环经济发展中，还扮演着另一种十分重要的角色一污水和垃圾的处理者。几乎所有的污水处理都是靠微生物的作用完成的。污水和污物处理中既需要微生物分解和除掉各种有害物质，此外，还要靠微生物进行除臭。污水与污物的处理速度、处理效果取决于微生物的种类和功能。因化肥、农药、除草剂过量使用，导致的农田土壤污染已成为重疴沉疾，而土壤污染带给水果、蔬菜、粮食的污染对人类造成的危害更不可低估。净化土壤，也要靠微生物发挥作用。用微生物生产抗菌素、有机酸、氨基酸、多元醇、黄朊胺、多肽、酒类、酱油、醋的历史十分悠久，作为一个生物界别，它的开发前景是不可限量的。生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源，包括生物质能生物液体燃料及利用生物质生产的能源如燃料酒精、生物柴油、生物质气化及液化燃料、生物制氢等。能源微生物是指：以甲烷产生菌、乙醇产生菌和氢气产生菌为代表的能源性微生物。下面对微生物在可再生能源中的应用及开发现状做一下概述。能源微生物作为生物能的主要参与者，其最大特点是清洁、高效、可再生，与石油、煤炭等传统能源相比，有利于环境保护，与太阳能、核能、风能、水能、海洋能等新能源相比，其来源广、成本低、受地理因素影响小。虽然目前存在一些技术问题，但开发潜力巨大，利用前景广阔。随着可再生能源的迅速发展，人们对能源微生物的重视程度日益增加。能源微生物主要包括甲烷产生菌、乙醇产生菌、氢气产生菌、生物柴油产生菌和生物电池微生物5大类，这些微生物分别与沼气、生物乙醇、生物氢气、生物柴油和生物燃料电池等能源的转化有直接的关系。 2.1微生物与柴油开发生物柴油是一种清洁的可再生能源，它是由大豆、油棕、甘蔗渣、工程微藻以及动物油脂、废食用油等与短链醇（甲醇或乙醇）经过酯交换反应得到的各种脂肪酸单酯的混合物，可以作为燃料替代石油，最大优势是可以与传统柴油以任何比例混合，无需改造发动机，直接用于机动车。有证据表明，使用生物柴油对人类健康和全球危害都相对较轻，排放物中多环芳香化合物(PAHs)和亚硝酸多环芳香化合物(PAHs)含量水平低，二氧化碳和一氧化碳排放量仅为石油的10%，具有较好的生物降解性能。美国、欧洲一些国家和地区己把生物柴油作为代用燃料，建立了商品化生产基地，我国于2000年启动了燃料乙醇试点工作，目前己经建成了三大乙醇燃料生产基地，总产能超过了100万吨/年，年产量约5万吨。生物柴油主要用化学法和生物酶法生产，前者工艺复杂、能耗高、醇用量大，生成过程还有废碱液排放：后者虽条件温和、醇用量小、但一氧化氮排放量较高，所含的微量甲醇与甘油还会逐渐降解橡胶零件。开发微生物油旨(Microbial oi1s)生产生物柴油，在降低污染、增加产量方面较前二者有更大的优越性。微生物油脂又称单细胞油旨(Single celloi1,sco),是酵母、霉菌、细菌和藻类等微生物在一定的条件下，以碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂作为碳源，在菌体内产生的大量油脂。将之规模化生产，便可获得生物柴油。开发微生物油脂，不仅微生物发酵周期短，受场地、季节、气候变化影响不大，还可以利用木质纤维素、工业废水、废气等资源丰富、价格低廉的原料进行生产，既能够解决人类资源短缺的问题，又可以保护环境，一举多得，具有巨大发展空间。美国国家可再生能源实验室(NREL)认为，微生物油脂发酵可能是生物柴油产业和生物经济的重要研究方向。从20世纪40年代斯达氏油质酵母

2 微生物的主要作用以及其与生物能源的关系微生物和动物、植物一样，是自然界三大物种之一。只是因为微生物个体过于微小，而不像一般动物和植物那样易让人们感知它的存在和功能，这不仅影响了人们对微生物的正确认识，也阻碍了对微生物技术开发的支持和投入。但是随着人类科学的进步，对微生物的研究越来越深入，使微生物更加能为人类所用。当今社会中微生物在工业、农业、医药、食品、能源等领域中所发挥的作用愈来愈令人瞩目。尤其是循环经济的建设，将离不开微生物的参与及其应用技术的发展和创新。微生物在循环经济发展中，还扮演着另一种十分重要的角色 --污水和垃圾的处理者。几乎所有的污水处理都是靠微生物的作用完成的。污水和污物处理中既需要微生物分解和除掉各种有害物质，此外，还要靠微生物进行除臭。污水与污物的处理速度、处理效果取决于微生物的种类和功能。因化肥、农药、除草剂过量使用，导致的农田土壤污染已成为重疴沉疾，而土壤污染带给水果、蔬菜、粮食的污染对人类造成的危害更不可低估。净化土壤，也要靠微生物发挥作用。用微生物生产抗菌素、有机酸、氨基酸、多元醇、黄朊胺、多肽、酒类、酱油、醋的历史十分悠久，作为一个生物界别，它的开发前景是不可限量的。生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源,包括生物质能生物液体燃料及利用生物质生产的能源如燃料酒精、生物柴油、生物质气化及液化燃料、生物制氢等。能源微生物是指：以甲烷产生菌、乙醇产生菌和氢气产生菌为代表的能源性微生物。下面对微生物在可再生能源中的应用及开发现状做一下概述。能源微生物作为生物能的主要参与者，其最大特点是清洁、高效、可再生，与石油、煤炭等传统能源相比，有利于环境保护，与太阳能、核能、风能、水能、海洋能等新能源相比，其来源广、成本低、受地理因素影响小。虽然目前存在一些技术问题，但开发潜力巨大，利用前景广阔。随着可再生能源的迅速发展，人们对能源微生物的重视程度日益增加。能源微生物主要包括甲烷产生菌、乙醇产生菌、氢气产生菌、生物柴油产生菌和生物电池微生物5大类，这些微生物分别与沼气、生物乙醇、生物氢气、生物柴油和生物燃料电池等能源的转化有直接的关系。 2.1 微生物与柴油开发生物柴油是一种清洁的可再生能源，它是由大豆、油棕、甘蔗渣、工程微藻以及动物油脂、废食用油等与短链醇(甲醇或乙醇)经过酯交换反应得到的各种脂肪酸单酯的混合物，可以作为燃料替代石油，最大优势是可以与传统柴油以任何比例混合，无需改造发动机，直接用于机动车。有证据表明，使用生物柴油对人类健康和全球危害都相对较轻，排放物中多环芳香化合物(PAHs)和亚硝酸多环芳香化合物(nPAHs)含量水平低，二氧化碳和一氧化碳排放量仅为石油的 10％，具有较好的生物降解性能。美国、欧洲一些国家和地区已把生物柴油作为代用燃料，建立了商品化生产基地，我国于 2000 年启动了燃料乙醇试点工作，目前已经建成了三大乙醇燃料生产基地，总产能超过了 100 万吨／年，年产量约 5 万吨。生物柴油主要用化学法和生物酶法生产，前者工艺复杂、能耗高、醇用量大，生成过程还有废碱液排放；后者虽条件温和、醇用量小、但一氧化氮排放量较高，所含的微量甲醇与甘油还会逐渐降解橡胶零件。开发微生物油旨(Microbial oils)生产生物柴油，在降低污染、增加产量方面较前二者有更大的优越性。微生物油脂又称单细胞油旨(Single celloil，sco)，是酵母、霉菌、细菌和藻类等微生物在一定的条件下，以碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂作为碳源，在菌体内产生的大量油脂。将之规模化生产，便可获得生物柴油。开发微生物油脂，不仅微生物发酵周期短，受场地、季节、气候变化影响不大，还可以利用木质纤维素、工业废水、废气等资源丰富、价格低廉的原料进行生产，既能够解决人类资源短缺的问题，又可以保护环境，一举多得，具有巨大发展空间。美国国家可再生能源实验室(NREL)认为，微生物油脂发酵可能是生物柴油产业和生物经济的重要研究方向。从 20 世纪 40 年代斯达氏油质酵母

(Lipomycesstarkeyi)、粘红(Rhodotorula-glutinis)、曲霉属(Aspergillus)等油脂微生物发现至今，人们又陆续开发了多种油脂高产微生物，如希腊学者用高糖培养。基培养深黄色被孢(Mortierellaisabel1ina)发酵生产油脂，产量达l8.1g/L。李永红等‘31筛选到一株丝孢酵(Trichosporon cutaneum)。利用葡萄糖发酵时油脂含量可达菌体干重的65%。此外，用在保健食品、功能饮料、化妆品等领域的功能性油脂的特种微生物菌种开发工作也正在如火如茶地进行中。较之其他技术，微生物油脂生产工艺简单、有利于进行工业化规模生产。同时，廉价的原材料是微生物油脂生产生物柴油的最大优势。有文献报道，微生物利用碳水化合物生产油脂，最高转化率为25%，以玉米秸秆中纤维素和半纤维素含量70%计算，每6吨作物秸秆就可产1吨菌油。我国农林废弃物资源丰富，仅农作物秸秆每年产量近10亿吨，如能充分利用并规模化生产，将大大提高生物柴油的产量。此外，通过对野生菌进行诱变、细胞融合和定向进化等手段，加快对产油微生物菌种改良、代谢调控和发酵工程的研究，可以获得具有更高产油能力突变株，提高产油效率。在当前化石资源日益减少和世界各国能源供应形势日趋严峻形势下，实现社会经济可持续发展的目标。 2.2微生物与氢气制造氢气是最理想的新能源之一。其原因是氢气在燃烧时，除了能量释放是汽油的3倍以外，其他燃烧物均为水，不会造成环境污染，堪称绿色燃料。氢气已成为导弹和航天飞机的主要燃料。过去氢气可通过水的电解法、光电化学反应法、水煤气转化法和甲烷裂解法等方法制造，但无法获得廉价的氢气，因此需要寻找价廉物美的制造氢气的新方法。而利用微生物制造氢气的方法正好满足这方面的要求，这充分显示出它的优越性。 (1)由光合微生物生成氢气光合微生物在光照条件下，其代谢中的固氮酶在缺少氮气或产物时，能还原质子放出氢气。能产氢的光合微生物主要有红螺菌属、红硫细菌属和绿硫细菌属等。 (2)由非光合微生物生成氢气某些非光合微生物能够利用多种代谢产生的有机酸，在无氧条件下发酵转化为2。能产氢的非光合微生物可分为专性厌氧微生物和兼性厌氧微生物。在专性厌氧微生物中，主要有含细胞色素的梭状芽孢杆菌属、微球菌属、产甲烷菌等，不含细胞色素的脱硫脱硫弧菌、大肠埃希氏菌和芽孢杆菌属等。 2.3微生物与石油开采石油常存在于地下的地质沉积岩层中，是一种复杂的烃类混合物。这些烃类可能以气态、液态或沥青质固态存在。气态烃常伴随液态烃存在。气态烃一般是从甲烷到丁烷的小分子饱和烃混合物。液态烃俗称原油，含有上千种化合物。原油和天然气存在于地下沉积岩层中，形成贮油岩层。人们通过多种方法发现油田，开采油田，为人类提供重要的能源。在发现开采油田的过程中，微生物越来越起着重要的作用。 (1)、微生物参与石油的形成石油等许多燃料是在多种微生物长期直接作用下形成的。没有众多微生物的改造、分解作用，古代的生物遗体不可能变成今天巨量的化石能源。 (2)、微生物用于勘探石油常规石油勘深是采取地球物理法和地球化学法等方法进行。由于地球地层结构的复杂性常常对石油勘探的结果产生质凝。为了提高勘探的准确性，在传统方法的基础上，引入了微生物勘探石油的新技术，日益受到人们的重视，并取得良好的效果。人们发现油区底土中的重烃含量与季节变化有很大的联系，而季节变化的起因与微生物活动密切相关。在底土中存在着能利用气态烃为碳源的微生物，这些微生物在土壤中的含量和在底土中的烃浓度存在某种对应的关系，因此可用这些微生物作为勘探地下油气田的指标菌。随着微生物培养技术和测定方法的不断改进，微生物勘探石油技术得到迅速发展，准确率不断提高，在实践中得到很好应用。目前它已成为石油勘探中一项重要的技术。用于石油勘探指标微生物主要是以气

(Lipomycesstarkeyi)、粘红(Rhodotorula- glutinis)、曲霉属(Aspergillus)等油脂微生物发现至今，人们又陆续开发了多种油脂高产微生物，如希腊学者用高糖培养。基培养深黄色被孢(Mortierellaisabellina)发酵生产油脂，产量达 18．1 g／L。李永红等‘31 筛选到一株丝孢酵(Trichosporon cutaneum)。利用葡萄糖发酵时油脂含量可达菌体干重的 65％。此外，用在保健食品、功能饮料、化妆品等领域的功能性油脂的特种微生物菌种开发工作也正在如火如荼地进行中。较之其他技术，微生物油脂生产工艺简单、有利于进行工业化规模生产。同时，廉价的原材料是微生物油脂生产生物柴油的最大优势。有文献报道，微生物利用碳水化合物生产油脂，最高转化率为 25％，以玉米秸秆中纤维素和半纤维素含量 70％计算，每 6 吨作物秸秆就可产 1 吨菌油。我国农林废弃物资源丰富，仅农作物秸秆每年产量近 lO 亿吨，如能充分利用并规模化生产，将大大提高生物柴油的产量。此外，通过对野生菌进行诱变、细胞融合和定向进化等手段，加快对产油微生物菌种改良、代谢调控和发酵工程的研究，可以获得具有更高产油能力突变株，提高产油效率。在当前化石资源日益减少和世界各国能源供应形势日趋严峻形势下，实现社会经济可持续发展的目标。 2.2 微生物与氢气制造氢气是最理想的新能源之一。其原因是氢气在燃烧时，除了能量释放是汽油的3倍以外，其他燃烧物均为水，不会造成环境污染，堪称绿色燃料。氢气已成为导弹和航天飞机的主要燃料。过去氢气可通过水的电解法、光电化学反应法、水煤气转化法和甲烷裂解法等方法制造，但无法获得廉价的氢气，因此需要寻找价廉物美的制造氢气的新方法。而利用微生物制造氢气的方法正好满足这方面的要求，这充分显示出它的优越性。（1）由光合微生物生成氢气光合微生物在光照条件下，其代谢中的固氮酶在缺少氮气或产物时，能还原质子放出氢气。能产氢的光合微生物主要有红螺菌属、红硫细菌属和绿硫细菌属等。（2）由非光合微生物生成氢气某些非光合微生物能够利用多种代谢产生的有机酸，在无氧条件下发酵转化为H2。能产氢的非光合微生物可分为专性厌氧微生物和兼性厌氧微生物。在专性厌氧微生物中，主要有含细胞色素的梭状芽孢杆菌属、微球菌属、产甲烷菌等，不含细胞色素的脱硫脱硫弧菌、大肠埃希氏菌和芽孢杆菌属等。 2.3 微生物与石油开采石油常存在于地下的地质沉积岩层中，是一种复杂的烃类混合物。这些烃类可能以气态、液态或沥青质固态存在。气态烃常伴随液态烃存在。气态烃一般是从甲烷到丁烷的小分子饱和烃混合物。液态烃俗称原油，含有上千种化合物。原油和天然气存在于地下沉积岩层中，形成贮油岩层。人们通过多种方法发现油田，开采油田，为人类提供重要的能源。在发现开采油田的过程中，微生物越来越起着重要的作用。（1）、微生物参与石油的形成石油等许多燃料是在多种微生物长期直接作用下形成的。没有众多微生物的改造、分解作用，古代的生物遗体不可能变成今天巨量的化石能源。（2）、微生物用于勘探石油常规石油勘探是采取地球物理法和地球化学法等方法进行。由于地球地层结构的复杂性常常对石油勘探的结果产生质疑。为了提高勘探的准确性，在传统方法的基础上，引入了微生物勘探石油的新技术，日益受到人们的重视，并取得良好的效果。人们发现油区底土中的重烃含量与季节变化有很大的联系，而季节变化的起因与微生物活动密切相关。在底土中存在着能利用气态烃为碳源的微生物，这些微生物在土壤中的含量和在底土中的烃浓度存在某种对应的关系，因此可用这些微生物作为勘探地下油气田的指标菌。随着微生物培养技术和测定方法的不断改进，微生物勘探石油技术得到迅速发展，准确率不断提高，在实践中得到很好应用。目前它已成为石油勘探中一项重要的技术。用于石油勘探指标微生物主要是以气

态烃为唯一碳源和能源的微生物，如甲基单胞菌属、甲基细菌属和分枝杆菌属的菌种。 (3)、微生物用于二次采油靠地层压力将原油运到地面，称为一次采油。由于地层压力下降，一次采油所得的油量一般只占油田总储量的1/3左右，因而要进行二次采油才能获得更多的石油。通常采用强化注水法，可提高采油量，从30%提高到40%一50%。在二次采油中，利用微生物采油也是一项重要的技术。微生物在油层中生长繁殖，发酵代谢，产生大量酸性物质和2，C02,CH4等气体。产生的气体可增加地层压力，产生的酸性物质溶于原油，降低原油的黏度，可能产生的表面活性剂可降低油水表面张力，把高分子烃类分解成短链化合物，使之更加容易流动，避免堵住油井输油管道，由此而提高石油的开采量。梭状芽孢杆菌属和磺弧菌属中的许多种可用于二次采油，效果明显。 (4)、微生物用于三次采油经过二次采油后，油气田中仍有30%40一%的油田需要进一步开采，即第三次采油。在三次采油中，主要选育产气量大的菌种或利用分子生物学技术构建基因工程菌，连同营养培养液一起注入油层中，通过代谢，产酸产气，分泌表面活性剂，增加地层压力，降低表面张力，消除地层堵塞，从而提高采油量，延长油井的寿命。乳酸杆菌属、肠膜明串珠菌和黄胞杆菌属常用于三次采油中，提高石油开采率。 2.4乙醇一一最具希望的石油替代能源在微生物作用下，将糖类、谷物淀粉和纤维素等物质通过“乙醇发酵”生产出燃料级乙醇，从而替代石油，这也是微生物在能源领域的又一应用。由于具有燃烧完全、无污染、成本低等优点，很多国家都开发了这一工艺。巴西以甘蔗作发酵原料生产的燃料酒精直接用于轿车发动机，目前己形成1000多万吨产能，替代了1/3车用燃料。美国计划2006一2012年间，燃料乙醇年用量要从1200万吨增加到2300万吨。英国、德国、荷兰等农业资源丰富的国家，也在进行燃料酒精的生产。我国是继巴西、美国之后全球第三大燃料乙醇生产和消费国，主要以粮食作物中的玉米为原料进行生产。随着该工业的快速发展，原料问题和国家粮食安全问题日益突出，因此，十一五期间我国政府提出生物乙醇要走非粮路线，即“不与人争粮，不与粮争地”。作为非粮资源中的纤维素、半纤维素是地球上贮量最丰富的有机物，美国、日本、加拿大、瑞典等国在新能源的研发中都给予了足够的重视。我国纤维素资源充足，年产植物秸杆约6×109吨，如果其中的10%经微生物发酵转化，就可生产出乙醇燃料近8×106 吨，其残渣还可用做饲料和肥料I引，因此发展纤维素乙醇前景广阔，目前山东大学、河北农业大学、江南大学等正在开展相关的研究工作。从1980年Wang[91等首次提出木糖可以被一些微生物发酵生成酒精至今，科学家们已发现100多种微生物可以代谢木糖生产酒精，包括细菌、丝状真菌和酵母，如曲霉(Aspergillus)、酵母菌(Saccharomyces)、裂殖酵母菌 (Schizosaccharomyces),、假丝酵母(Candida)、球拟酵母(Torulopsis)、酒香酵母 (Brettanomyces)、汉逊氏酵母(Hansenula)、克鲁弗氏酵母(Kluyveromyces).、毕赤氏酵母 (Pichia),、隐球酵母(Cryptococcus)、德巴利氏酵母(Debaryomyces)、卵孢酵母(Oosporidium), 等。实际应用中也暴露了一些问题，有的对乙醇耐受力低、有的需要在有氧条件下发酵，还有的需将木塘转化为其他可利用的物质后才能进行乙醇发酵，因此生产率普遍较低。随着生物技术的发展，出现了大量可高效转化的基因工程菌。1993年，Ho等将木糖还原酶，木糖醇脱氢酶和木酮糖激酶的基因转入酿酒酵母，首次成功构建出利用葡萄糖和木糖生产乙醇的工程酵母。Sonderegger等。将多个异源基因引入代谢木糖的酵母工程菌，重组酵母不仅降低了副产物木糖醇的量，所得乙醇产量比亲株提高25%。除纤维素外，微生物还可分解有机垃圾获得燃料酒精，不仅能为工农业生产提供能源，而且比焚烧、填埋更有利于环境卫生和城市生态的改善。因此，利用微生物的作用将地球上贮量巨大的生物资源转化为燃料乙醇前景广阔，但水解酶成本过高是限制其产量提高的一个重要因素。此外，现有菌种大多乙醇耐受力差，副产物多，对发酵条件要求苛刻，今后研究应致力于继续筛选优良性状的菌株，或利用基因工程手段选育高产纤维素酶、木质素酶菌种

态烃为唯一碳源和能源的微生物，如甲基单胞菌属、甲基细菌属和分枝杆菌属的菌种。 ⑶、微生物用于二次采油靠地层压力将原油运到地面，称为一次采油。由于地层压力下降，一次采油所得的油量一般只占油田总储量的1/3左右，因而要进行二次采油才能获得更多的石油。通常采用强化注水法，可提高采油量，从30%提高到40% —50% 。在二次采油中，利用微生物采油也是一项重要的技术。微生物在油层中生长繁殖，发酵代谢，产生大量酸性物质和H2，CO2，CH4等气体。产生的气体可增加地层压力，产生的酸性物质溶于原油，降低原油的黏度，可能产生的表面活性剂可降低油水表面张力，把高分子烃类分解成短链化合物，使之更加容易流动，避免堵住油井输油管道，由此而提高石油的开采量。梭状芽孢杆菌属和磺弧菌属中的许多种可用于二次采油，效果明显。 ⑷、微生物用于三次采油经过二次采油后，油气田中仍有30% 40—% 的油田需要进一步开采，即第三次采油。在三次采油中，主要选育产气量大的菌种或利用分子生物学技术构建基因工程菌，连同营养培养液一起注入油层中，通过代谢，产酸产气，分泌表面活性剂，增加地层压力，降低表面张力，消除地层堵塞，从而提高采油量，延长油井的寿命。乳酸杆菌属、肠膜明串珠菌和黄胞杆菌属常用于三次采油中，提高石油开采率。 2.4 乙醇——最具希望的石油替代能源在微生物作用下，将糖类、谷物淀粉和纤维素等物质通过“乙醇发酵”生产出燃料级乙醇，从而替代石油，这也是微生物在能源领域的又一应用。由于具有燃烧完全、无污染、成本低等优点，很多国家都开发了这一工艺。巴西以甘蔗作发酵原料生产的燃料酒精直接用于轿车发动机，目前已形成1000多万吨产能，替代了1／3车用燃料。美国计划2006—2012年间，燃料乙醇年用量要从1200万吨增加到2300万吨。英国、德国、荷兰等农业资源丰富的国家，也在进行燃料酒精的生产。我国是继巴西、美国之后全球第三大燃料乙醇生产和消费国，主要以粮食作物中的玉米为原料进行生产。随着该工业的快速发展，原料问题和国家粮食安全问题日益突出，因此，十一五期间我国政府提出生物乙醇要走非粮路线，即“不与人争粮，不与粮争地”。作为非粮资源中的纤维素、半纤维素是地球上贮量最丰富的有机物，美国、日本、加拿大、瑞典等国在新能源的研发中都给予了足够的重视。我国纤维素资源充足，年产植物秸秆约6×109吨，如果其中的10％经微生物发酵转化，就可生产出乙醇燃料近8×106 吨，其残渣还可用做饲料和肥料I引，因此发展纤维素乙醇前景广阔，目前山东大学、河北农业大学、江南大学等正在开展相关的研究工作。从1980年Wang[91等首次提出木糖可以被一些微生物发酵生成酒精至今，科学家们已发现100多种微生物可以代谢木糖生产酒精，包括细菌、丝状真菌和酵母，如曲霉 (Aspergillus) 、酵母菌 (Saccharomyces) 、裂殖酵母菌 (Schizosaccharomyces) 、假丝酵母 (Candida) 、球拟酵母 (Torulopsis) 、酒香酵母 (Brettanomyces)、汉逊氏酵母(Hansenula)、克鲁弗氏酵母(Kluyveromyces)、毕赤氏酵母 (Pichia)、隐球酵母(Cryptococcus)、德巴利氏酵母(Debaryomyces)、卵孢酵母(Oosporidium) 等。实际应用中也暴露了一些问题，有的对乙醇耐受力低、有的需要在有氧条件下发酵，还有的需将木塘转化为其他可利用的物质后才能进行乙醇发酵，因此生产率普遍较低。随着生物技术的发展，出现了大量可高效转化的基因工程菌。1993年，Ho等将木糖还原酶，木糖醇脱氢酶和木酮糖激酶的基因转入酿酒酵母，首次成功构建出利用葡萄糖和木糖生产乙醇的工程酵母。Sonderegger等。将多个异源基因引入代谢木糖的酵母工程菌，重组酵母不仅降低了副产物木糖醇的量，所得乙醇产量比亲株提高25％。除纤维素外，微生物还可分解有机垃圾获得燃料酒精，不仅能为工农业生产提供能源，而且比焚烧、填埋更有利于环境卫生和城市生态的改善。因此，利用微生物的作用将地球上贮量巨大的生物资源转化为燃料乙醇前景广阔，但水解酶成本过高是限制其产量提高的一个重要因素。此外，现有菌种大多乙醇耐受力差，副产物多，对发酵条件要求苛刻，今后研究应致力于继续筛选优良性状的菌株，或利用基因工程手段选育高产纤维素酶、木质素酶菌种

以及能克服上述问题的菌种，对其酶学特性、功能基因进行研究，优化发酵条件，辅以工艺措施的改进，提高燃料乙醇生产效率并降低成本。 2.5沼气与微生物沼气又名甲烷，世界各国普遍用于燃烧和照明，如英国甲烷产量可以替代全国25%的煤气消耗量，许多国家都将其列入国家能源战略。我国是该领域开展得最好的国家，如北方的四位一体模式D5I、南方桑基鱼塘农舍模式、猪一沼一果等多种利用沼气的农业生产模式，赢得了很高的国际赞誉。联合国环境规划署曾先后授予我国北京市留民营村，浙江省萧山市山一村，辽宁省大洼县西安生态养殖场等单位环境保护全球 “500佳”称号。在农村普及沼气技术，发展生态农业，可以解决“三农”问题，发展经济：在城市利用沼气发酵处理有机废水、固体有机废物，处理后的残渣还可用作无臭有机肥料，达到生物资源的最大利用，从而实现经济、社会、生态效益的统一。沼气发酵是一个复杂的微生物学过程，需要发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌五大类微生物共同作用。由于参与的微生物种类众多，目前的研究多集中于功效检测和工艺优化方面，较少涉及单个菌株作用机理的研究，因此一直处于“黑箱” 操作阶段。今后如能侧重于单个菌种发酵或降解机理的研究，明确其在发酵体系中的作用以及与发酵体系中其他菌株的互作关系，这将使其中起重要作用的功能菌株明朗化，并有望获得一批可以降解其他废弃物生产沼气的新微生物资源，从而扩大原料利用范围。 (1)、沼气发酵中的微生物沼气发酵中的微生物都是厌氧和兼性厌氧微生物，主要包括分解有机物的微生物和产甲烷的微生物两大类。分解有机物的微生物包括芽孢杆菌属、假单胞菌属和变形杆菌属等微生物。产甲烷的微生物专性厌氧，不生孢子，范围比较广泛。迄今为止，己经分离鉴定的产甲烷微生物超过70 种。在分类学上，它们属于古生菌。主要分布在甲烷杆菌属、甲烷八叠球菌属、甲烷球菌属、甲烷螺菌属和甲烷丝菌属等19属中。 (2)、沼气发酵的原理沼气发酵是由混合的厌氧微生物利用有机碳化物发酵产生沼气的发酵。整个发酵过程可分为3期：1、液化期：沼气发酵原料中的有机物质，被一些不产甲烷的微生物分解。纤维素、半纤维素、淀粉等分解为双糖或单糖，蛋白质分解为多肽或氨基酸，脂肪分解为甘油和脂肪酸。2、产酸期：产酸微生物分解糖类及淀粉类化合物，生成小分子挥发性的有机酸，如乙酸等。3、产气期：在严格厌氧条件下，产甲烷微生物利用小分子挥发性的有机酸转化分解为CH4和C02等气体。 2.6微生物发电英国植物学家Potter早在1910年就发现有几种细菌的培养液能够产生电流，并成功制造出世界上第一个细菌电池，由此开创了生物燃料电池的研究。生物燃料电池(biologic fuel cell,.BFc) 是一类特殊的电池，它以自然界的微生物或酶为催化剂，直接将燃料中的化学能转化为电能，不仅无污染、效率高、反应条件温和，而且燃料来源广泛，具有较大的发展空间。如果生物体内的微生物能够成功地应用于发电，那无疑将给能源匮乏的人类社会带来巨大效益，目前发达国家正在加紧研制工作，如美国的马萨诸塞州大学、法国里昂生态中心、德国Geifswald 大学等，我国研究较少。从现有结果看。生物燃料电池距离实际应用还有很多难题。以牛胃液中微生物发电为例，发电的微生物只有在牛胃液这样一个复杂的环境中才能生存并发电，如何在工业生产中实现这样的环境，建造庞大的器皿、设定恒定的条件，是一个需要很大研究和投入的工作。此外，微生物发电所产生的电量都微乎其微，何时能投入商业运营遥遥无期

以及能克服上述问题的菌种，对其酶学特性、功能基因进行研究，优化发酵条件，辅以工艺措施的改进，提高燃料乙醇生产效率并降低成本。 2.5 沼气与微生物沼气又名甲烷，世界各国普遍用于燃烧和照明，如英国甲烷产量可以替代全国25％的煤气消耗量，许多国家都将其列入国家能源战略。我国是该领域开展得最好的国家，如北方的四位一体模式D5I、南方桑基鱼塘农舍模式、猪一沼一果等多种利用沼气的农业生产模式，赢得了很高的国际赞誉。联合国环境规划署曾先后授予我国北京市留民营村，浙江省萧山市山一村，辽宁省大洼县西安生态养殖场等单位环境保护全球 “500佳”称号。在农村普及沼气技术，发展生态农业，可以解决“三农”问题，发展经济；在城市利用沼气发酵处理有机废水、固体有机废物，处理后的残渣还可用作无臭有机肥料，达到生物资源的最大利用，从而实现经济、社会、生态效益的统一。沼气发酵是一个复杂的微生物学过程，需要发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌五大类微生物共同作用。由于参与的微生物种类众多，目前的研究多集中于功效检测和工艺优化方面，较少涉及单个菌株作用机理的研究，因此一直处于“黑箱” 操作阶段。今后如能侧重于单个菌种发酵或降解机理的研究，明确其在发酵体系中的作用以及与发酵体系中其他菌株的互作关系，这将使其中起重要作用的功能菌株明朗化，并有望获得一批可以降解其他废弃物生产沼气的新微生物资源，从而扩大原料利用范围。 ⑴、沼气发酵中的微生物沼气发酵中的微生物都是厌氧和兼性厌氧微生物，主要包括分解有机物的微生物和产甲烷的微生物两大类。分解有机物的微生物包括芽孢杆菌属、假单胞菌属和变形杆菌属等微生物。产甲烷的微生物专性厌氧，不生孢子，范围比较广泛。迄今为止，已经分离鉴定的产甲烷微生物超过70 种。在分类学上，它们属于古生菌。主要分布在甲烷杆菌属、甲烷八叠球菌属、甲烷球菌属、甲烷螺菌属和甲烷丝菌属等19属中。 ⑵、沼气发酵的原理沼气发酵是由混合的厌氧微生物利用有机碳化物发酵产生沼气的发酵。整个发酵过程可分为3期： 1、液化期：沼气发酵原料中的有机物质，被一些不产甲烷的微生物分解。纤维素、半纤维素、淀粉等分解为双糖或单糖，蛋白质分解为多肽或氨基酸，脂肪分解为甘油和脂肪酸。 2、产酸期：产酸微生物分解糖类及淀粉类化合物，生成小分子挥发性的有机酸，如乙酸等。 3、产气期：在严格厌氧条件下，产甲烷微生物利用小分子挥发性的有机酸转化分解为CH4和CO2等气体。 2.6 微生物发电英国植物学家Potter早在1910年就发现有几种细菌的培养液能够产生电流，并成功制造出世界上第一个细菌电池，由此开创了生物燃料电池的研究。生物燃料电池(biologic fuel cell，BFC) 是一类特殊的电池，它以自然界的微生物或酶为催化剂，直接将燃料中的化学能转化为电能，不仅无污染、效率高、反应条件温和，而且燃料来源广泛，具有较大的发展空间。如果生物体内的微生物能够成功地应用于发电，那无疑将给能源匮乏的人类社会带来巨大效益，目前发达国家正在加紧研制工作，如美国的马萨诸塞州大学、法国里昂生态中心、德国Geifswald 大学等，我国研究较少。从现有结果看。生物燃料电池距离实际应用还有很多难题。以牛胃液中微生物发电为例，发电的微生物只有在牛胃液这样一个复杂的环境中才能生存并发电，如何在工业生产中实现这样的环境，建造庞大的器皿、设定恒定的条件，是一个需要很大研究和投入的工作。此外，微生物发电所产生的电量都微乎其微，何时能投入商业运营遥遥无期