上游充通大 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 生物技术与人类 BIOTECHNOLOGY AND HUAMAN BEINGS 课程论文 THESIS OF CURRICULUM AO TONG 论文题目：化解能源危机的微生物 学生姓名： 王宸 学生学号： 5131209051 专 业： 经济学类 指导教师： 周选围 学院（系）：安泰经济与管理学院
SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 生物技术与人类 BIOTECHNOLOGY AND HUAMAN BEINGS 课程论文 THESIS OF CURRICULUM 论文题目：化解能源危机的微生物 学生姓名: 王宸 学生学号: 5131209051 专 业: 经济学类 指导教师: 周选围 学院(系) : 安泰经济与管理学院
5131209051王宸 目录 摘要. .3 关键词 1世界能源危机… .3 1.1世界能源现状 .3 1.2由能源危机引发的国际冲突 3 1.2.1海湾战争… …4 2微生物在能源中的应用.… 4 2.1微生物的定义 2.2微生物的特点.… 2.3微生物在新能源开发中的应用 2.3.1微生物燃料电池 2.3.2微生物治金 5 2.3.3微生物制乙醇 3微生物在能源中的应用展望. 6 3.1获取生物质燃料的局限 6 3.2发展生物质能源产业的思路 6 4结语.… 7 参考文献 7
5131209051 王宸 目录 摘 要.......................................................................................................................................... 3 关键词........................................................................................................................................ 3 1 世界能源危机........................................................................................................................ 3 1.1 世界能源现状.................................................................................................................. 3 1.2 由能源危机引发的国际冲突......................................................................................... 3 1.2.1 海湾战争................................................................................................................... 4 2 微生物在能源中的应用......................................................................................................... 4 2.1 微生物的定义.................................................................................................................. 4 2.2 微生物的特点.................................................................................................................. 4 2.3 微生物在新能源开发中的应用...................................................................................... 4 2.3.1 微生物燃料电池....................................................................................................... 4 2.3.2 微生物冶金............................................................................................................... 5 2.3.3 微生物制乙醇........................................................................................................... 5 3 微生物在能源中的应用展望................................................................................................. 6 3.1 获取生物质燃料的局限.................................................................................................. 6 3.2 发展生物质能源产业的思路.......................................................................................... 6 4 结语......................................................................................................................................... 7 参考文献.................................................................................................................................... 7
5131209051王宸 化解能源危机的微生物 王宸F13120035131209051 摘要 随着社会的飞速发展和人口的激增，人们在享受美好物质生活的同时，也面临着能源 供给不足的空前危机和尴尬。人类工业文明与社会经济的进步长期以来依赖不可再生的化石 能源。近来，解决这一世界性难题的热点渐渐转移到了微生物在缓解能源供给危机领域的卓 越表现上。本文旨在探索微生物在能源领域的独到优势，并展望其未来的应用前景。 关键词：能源危机微生物应用展望 能源是人类社会生产活动的原动力，随着以化石能源为代表的不可再生能源的日益枯竭， 能源利益于交易的背后交织，世界局势开始趋紧。许多国家在提高能源使用效率，并在开发 可再生能源上进行了积极的探索和实践，微生物在自此登上化解能源危机的大舞台。 1世界能源危机 1.1世界能源现状 能源是人类生存与经济发展的物质基础，然而随着世界经济持续、高速地发展，能源短 缺、环境污染、生态恶化等问题逐渐加深，能源供需矛盾日益突出，地区不稳定因素加强。 当前世界能源消费以化石资源为主，其中中国等少数国家是以煤炭为主，其它国家大部分则 是以石油与天然气为主。 目前全世界能源年总消费量约为134亿吨标准煤，其中石油、天然气、煤等化石能源占 85%,大部分电力也是依赖化石能源生产的，核能、太阳能、水力、风力、波浪能、潮汐能、 地热等能源仅占15%。根据美国能源信息署(EIA)最新预测结果，随着世界经济、社会的 发展，未来世界能源需求量将继续增加。预计，2020年世界能源需求将达到128.89亿吨油 当量，2025年达到136.50亿吨油当量，年均增长率为1.2%。由此可见，化石能源还是我们 发展所依赖的主要能源，供需矛盾突出，缓解能源矛盾对我们的生产发展刻不容缓。 1.2由能源危机引发的国际冲突
5131209051 王宸 化解能源危机的微生物 王宸 F1312003 5131209051 摘 要 随着社会的飞速发展和人口的激增，人们在享受美好物质生活的同时，也面临着能源 供给不足的空前危机和尴尬。人类工业文明与社会经济的进步长期以来依赖不可再生的化石 能源。近来，解决这一世界性难题的热点渐渐转移到了微生物在缓解能源供给危机领域的卓 越表现上。本文旨在探索微生物在能源领域的独到优势，并展望其未来的应用前景。 关键词：能源危机 微生物 应用 展望 能源是人类社会生产活动的原动力，随着以化石能源为代表的不可再生能源的日益枯竭， 能源利益于交易的背后交织，世界局势开始趋紧。许多国家在提高能源使用效率，并在开发 可再生能源上进行了积极的探索和实践，微生物在自此登上化解能源危机的大舞台。 1 世界能源危机 1.1 世界能源现状 能源是人类生存与经济发展的物质基础，然而随着世界经济持续、高速地发展，能源短 缺、环境污染、生态恶化等问题逐渐加深，能源供需矛盾日益突出，地区不稳定因素加强。 当前世界能源消费以化石资源为主，其中中国等少数国家是以煤炭为主，其它国家大部分则 是以石油与天然气为主。 目前全世界能源年总消费量约为 134 亿吨标准煤，其中石油、天然气、煤等化石能源占 85%，大部分电力也是依赖化石能源生产的，核能、太阳能、水力、风力、波浪能、潮汐能、 地热等能源仅占 15%。根据美国能源信息署（EIA）最新预测结果，随着世界经济、社会的 发展，未来世界能源需求量将继续增加。预计，2020 年世界能源需求将达到 128.89 亿吨油 当量，2025 年达到 136.50 亿吨油当量，年均增长率为 1.2%。由此可见，化石能源还是我们 发展所依赖的主要能源，供需矛盾突出，缓解能源矛盾对我们的生产发展刻不容缓。 1.2 由能源危机引发的国际冲突
5131209051王宸 1.2.1海湾战争 海湾战争(GulfWar),1991年1月17日~2月28日，以美国为首的多国联盟在联合国 安理会授权下，为恢复科威特领土完整而对伊拉克进行的局部战争。四 海湾地区之所以牵动美国及其他许多国家的神经，主要是该地区拥有极丰富的石油和天 然气资源所致。世界20个特大的油田，有11个在海湾地区。美国、西欧、日本进口的石油， 相当大的一部分来自海湾地区。据美国能源情报统计，1990年第一季度美国日净进口石油 量为766.1万桶，其中206.4万桶来自海湾地区，占26.9%：西欧日进口石油823.5万桶， 其中从海湾地区进口427.6万桶，占51.9%：日本日进口石油548万桶，其中从海湾地区进 口354万桶，占64.6%。由此可见，石油是国家工业经济与军事发展的命脉，大国的角逐将 会逐渐以能源争夺为重心。 2微生物在能源中的应用 2.1微生物的定义 微生物是包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生生物、显微藻类等在内的一大类生 物群体，是个体难以用肉眼观察的一切微小生物之统称。它个体微小，却与人类生活关系密 切，涵盖了有益有害的众多种类，广泛涉及健康、食品、医药、工农业、环保等诸多领域。 2.2微生物的特点 1)个体微小、结构简单 微生物形体微小，必须借助于显微镜，甚至电子显微镜把它们放大几十到几万倍才能看 到。测量微生物需用测微尺，细菌以微米为计量单位：病毒比细菌还小，用纳米为计量单位。 2)分布广泛、种类繁多 微生物分布广泛。在自然界，不论是土壤、水体和空气，还是植物、动物和人体的内部 或表面，都存在大量微生物。微生物种类繁多，包括细菌、古细菌、放线菌、真菌、藻类和 原生动物等类群。每一类群又由相当可观的种类组成，现已发现的真菌有10万多种，细菌 达5000多种，病毒4000多种，原生动物和藻类10万多种。 2.3微生物在新能源开发中的应用 2.3.1微生物燃料电池
5131209051 王宸 1.2.1 海湾战争 海湾战争（Gulf War），1991 年 1 月 17 日～2 月 28 日，以美国为首的多国联盟在联合国 安理会授权下，为恢复科威特领土完整而对伊拉克进行的局部战争。[1] 海湾地区之所以牵动美国及其他许多国家的神经，主要是该地区拥有极丰富的石油和天 然气资源所致。世界 20 个特大的油田，有 11 个在海湾地区。美国、西欧、日本进口的石油， 相当大的一部分来自海湾地区。据美国能源情报统计，1990 年第一季度美国日净进口石油 量为 766.1 万桶，其中 206.4 万桶来自海湾地区，占 26.9%；西欧日进口石油 823.5 万桶， 其中从海湾地区进口 427.6 万桶，占 51.9%；日本日进口石油 548 万桶，其中从海湾地区进 口 354 万桶，占 64.6%。由此可见，石油是国家工业经济与军事发展的命脉，大国的角逐将 会逐渐以能源争夺为重心。 2 微生物在能源中的应用 2.1 微生物的定义 微生物是包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生生物、显微藻类等在内的一大类生 物群体，是个体难以用肉眼观察的一切微小生物之统称。它个体微小，却与人类生活关系密 切，涵盖了有益有害的众多种类，广泛涉及健康、食品、医药、工农业、环保等诸多领域。 2.2 微生物的特点 l）个体微小、结构简单 微生物形体微小，必须借助于显微镜，甚至电子显微镜把它们放大几十到几万倍才能看 到。测量微生物需用测微尺，细菌以微米为计量单位；病毒比细菌还小，用纳米为计量单位。 2）分布广泛、种类繁多 微生物分布广泛。在自然界，不论是土壤、水体和空气，还是植物、动物和人体的内部 或表面，都存在大量微生物。微生物种类繁多，包括细菌、古细菌、放线菌、真菌、藻类和 原生动物等类群。每一类群又由相当可观的种类组成，现已发现的真菌有 10 万多种，细菌 达 5 000 多种，病毒 4 000 多种，原生动物和藻类 10 万多种。 2.3 微生物在新能源开发中的应用 2.3.1 微生物燃料电池
5131209051王宸 微生物燃料电池工作定义及原理：微生物燃料电池是利用电池的阳极来代替氧或硝酸盐 等天然的电子受体，通过电子的不断转移来产生电能。微生物氧化燃料所生成的电子通过细 胞膜相关连组分或者通过氧化还原介体传递给阳极，再经过外 电路转移到阴极：在阴极区电子将电子受体（如氧）还原，然后 透过质子交换膜(PEM)转移过来的质子结合生成水。 经过长时间的不懈努力，研究工作者在解决电池使用材料 如电极H纠和PEM的高昂成本，无介体无膜系统的设计、系 统的运行负荷和生产连续性等方面均取得了进展，特别是近几 年取得的成绩更加突出，主要有： (1)采用负载石墨电极。 (2)采用负载非贵金属电极。 (3)采用负载有生物膜的不锈钢电极为阴极，以降低燃料电池的成本旧 (4)采用廉价的分离膜或开发无膜反应系统。 (⑤)采用廉价的介体物质或开发无介体微生物燃料电池。 (6)解决体积负荷和连续性问题。 2.3.2微生物治金 微生物治金按原理可以分为直接作用机理和间接作用机理。②) 1)直接作用机理：是指细菌直接吸附矿物表面，对硫化矿物直接氧化分解的作用。 2)间接作用机理：是指在浸出体系中，细菌氧化低价金属离子剑高氧化性状态，然后利用 高氧化态的金属离子，进一步将硫化矿物氧化分解。 3)原电池效应：当两种静电位不周的矿物组分在浸出体系相互接触时，会形成电对，静电 位高的矿物会充当阴极，静电位低的矿物则充当阳极，这种原电池的形成，会加速刚极矿物 的氧化，细菌的存在会加速电化学氧化过程。细菌的存在会加速阴极氧得电子，从而强化阳 极的电化学氧化过程。 2.3.3微生物制乙醇 制备乙醇的微生物： 酒化菌：多在食品生产中使用，酿造酒类
5131209051 王宸 微生物燃料电池工作定义及原理：微生物燃料电池是利用电池的阳极来代替氧或硝酸盐 等天然的电子受体，通过电子的不断转移来产生电能。微生物氧化燃料所生成的电子通过细 胞膜相关连组分或者通过氧化还原介体传递给阳极，再经过外 电路转移到阴极；在阴极区电子将电子受体(如氧)还原，然后 透过质子交换膜(PEM)转移过来的质子结合生成水。 经过长时间的不懈努力，研究工作者在解决电池使用材料 如电极 H 纠和 PEM 的高昂成本，无介体无膜系统的设计、系 统的运行负荷和生产连续性等方面均取得了进展，特别是近几 年取得的成绩更加突出，主要有： (1)采用负载石墨电极。 (2)采用负载非贵金属电极。 (3)采用负载有生物膜的不锈钢电极为阴极，以降低燃料电池的成本旧 (4)采用廉价的分离膜或开发无膜反应系统。 (5)采用廉价的介体物质或开发无介体微生物燃料电池。 (6)解决体积负荷和连续性问题。 2.3.2 微生物冶金 微生物冶金按原理可以分为直接作用机理和间接作用机理。[2] 1)直接作用机理：是指细菌直接吸附矿物表面，对硫化矿物直接氧化分解的作用。 2)间接作用机理：是指在浸出体系中，细菌氧化低价金属离子剑高氧化性状态，然后利用 高氧化态的金属离子，进一步将硫化矿物氧化分解。 3)原电池效应：当两种静电位不周的矿物组分在浸出体系相互接触时，会形成电对，静电 位高的矿物会充当阴极，静电位低的矿物则充当阳极，这种原电池的形成，会加速刚极矿物 的氧化，细菌的存在会加速电化学氧化过程。细菌的存在会加速阴极氧得电子，从而强化阳 极的电化学氧化过程。 2.3.3 微生物制乙醇 制备乙醇的微生物： 酒化菌：多在食品生产中使用，酿造酒类
5131209051王宸 糖化菌：可将淀粉质原料转化成葡萄糖的菌类。糖化力强。繁殖速度快，热稳定性良好，耐 酸，耐酒精，不产或少生产可降低甲醇生成量的果胶酶。常用的有曲霉、根霉、拟内孢霉、 红曲霉和毛霉等。 细菌：可发挥作用的有乳酸杆菌、醋酸菌、丁酸菌等。 如今乙醇作为新能源的呼声越来越高。其优势在于：作为燃料，它燃烧的热值高：生成物仅 为二氧化碳和水，不污染环境：此外它是可再生能源。然而由于世界粮食供应仍存在缺口， 乙醇燃料的广泛使用还有很长的路要走。 3微生物在能源中的应用展望 3.1获取生物质燃料的局限 以获取乙醇燃料为例，微生物制取乙醇必须要依靠生物质燃料的获取，然而生物质燃料 的大面积种植却受到种种限制条件。首先是植物的气候适应性。小麦、玉米的种植需要温暖 湿润的温带季风性气候和亚热带季风气候。其次要考虑土地资源是否充足。大规模种植生物 质能源需要大量的土地资源。例如，在广西北海市一个非粮燃料乙醇项目的发展带动下，广 西木薯种植面积已由2001年的26.9万公顷增至2009年的40万公顷4，由此可见，规模化 的燃料乙醇需要的原料量非常大，耗费的土地也是相当多的。如何利用稀有的土地资源创造 更高的边际收益，这需要谨慎的测量与估计。最后，在某地大规模种植单作物会对当地的生 态系统造成一定的破坏。在长时间的自然选择过程中，一个地域存在微妙的生态平衡。能源 植物基地大面积高密集度的种植方式不仅会对某地的生物多样性造成破坏，同时，也容易诱 发水土流失、水质恶化等问题。 3.2发展生物质能源产业的思路 作为一种新型、备受看好的能源产业，发展生物质能源产业，必须摒弃发展现代化工业 的思路，需要讲究“因地制宜”的方针。重要的不是规模化种植能源作物，而是利用现有资 源并根据某种资源的理化特性、生物学特性、收集特性等开展能源化利用，也就是本着“原 料多样化、技术多元化、产品高值化、装备成套化”的方针发展生物质能源产业，这是化解 种植能源作物与粮食作物争用土地问题的良策，也是解决生物质废弃物对环境造成污染的有 效途径。虽然生物质能的获取受到种种局限，但是总体来说我国生物质能源供给较为充裕
5131209051 王宸 糖化菌：可将淀粉质原料转化成葡萄糖的菌类。糖化力强。繁殖速度快，热稳定性良好，耐 酸，耐酒精，不产或少生产可降低甲醇生成量的果胶酶。常用的有曲霉、根霉、拟内孢霉、 红曲霉和毛霉等。 细菌：可发挥作用的有乳酸杆菌、醋酸菌、丁酸菌等。 如今乙醇作为新能源的呼声越来越高。其优势在于：作为燃料，它燃烧的热值高；生成物仅 为二氧化碳和水，不污染环境；此外它是可再生能源。然而由于世界粮食供应仍存在缺口， 乙醇燃料的广泛使用还有很长的路要走。 3 微生物在能源中的应用展望 3.1 获取生物质燃料的局限 以获取乙醇燃料为例，微生物制取乙醇必须要依靠生物质燃料的获取，然而生物质燃料 的大面积种植却受到种种限制条件。首先是植物的气候适应性。小麦、玉米的种植需要温暖 湿润的温带季风性气候和亚热带季风气候。其次要考虑土地资源是否充足。大规模种植生物 质能源需要大量的土地资源。例如，在广西北海市一个非粮燃料乙醇项目的发展带动下，广 西木薯种植面积已由 2001 年的 26.9 万公顷增至 2009 年的 40 万公顷[4]，由此可见，规模化 的燃料乙醇需要的原料量非常大，耗费的土地也是相当多的。如何利用稀有的土地资源创造 更高的边际收益，这需要谨慎的测量与估计。最后，在某地大规模种植单作物会对当地的生 态系统造成一定的破坏。在长时间的自然选择过程中，一个地域存在微妙的生态平衡。能源 植物基地大面积高密集度的种植方式不仅会对某地的生物多样性造成破坏，同时，也容易诱 发水土流失、水质恶化等问题。 3.2 发展生物质能源产业的思路 作为一种新型、备受看好的能源产业，发展生物质能源产业，必须摒弃发展现代化工业 的思路，需要讲究“因地制宜”的方针。重要的不是规模化种植能源作物，而是利用现有资 源并根据某种资源的理化特性、生物学特性、收集特性等开展能源化利用，也就是本着“原 料多样化、技术多元化、产品高值化、装备成套化”的方针发展生物质能源产业，这是化解 种植能源作物与粮食作物争用土地问题的良策，也是解决生物质废弃物对环境造成污染的有 效途径。虽然生物质能的获取受到种种局限，但是总体来说我国生物质能源供给较为充裕
5131209051王宸 微生物制取新能源的前景十分开阔。 4结语 不可否认，微生物制取新能源的新兴产业在发展过程中还是存在种种制约和争议。但是经 过数十年的研究，生物质能转化技术正日趋成熟，沼气、氢气、生物电池的使用也渐渐从实 验室真正走进了大众的视线。只要我们充分整合生物质能的资源优势，大力开发并支持微生 物能源的技术，规范展业推广，健全现有的市场体制，我相信，生物能源的时代将很快向我 们走来。 参考文献 [1]张海鹰·《海湾战争对美国经济的影响》：《理论观察》齐齐哈尔社会科学，1991年04期：45页 [2]杨显万，邱定蕃.湿法治金【M】北京：治金工业出版社.1997.282~366. YANG Xian-wan,QIU Ding-fan.Hydrometallurgy[M].Beijing:Metallurgical Industry Press.1997.282-366. [3]祁发海，王晓民，张廷安生物治金研究现状分析青海人学医学院青海两宁.810001 [4)“胡萝卜燃料”能否化解能源危机《辽宁日报》
5131209051 王宸 微生物制取新能源的前景十分开阔。 4 结语 不可否认，微生物制取新能源的新兴产业在发展过程中还是存在种种制约和争议。但是经 过数十年的研究，生物质能转化技术正日趋成熟，沼气、氢气、生物电池的使用也渐渐从实 验室真正走进了大众的视线。只要我们充分整合生物质能的资源优势，大力开发并支持微生 物能源的技术，规范展业推广，健全现有的市场体制，我相信，生物能源的时代将很快向我 们走来。 参考文献 [1]张海鹰 ．《海湾战争对美国经济的影响》 ：《理论观察》 齐齐哈尔社会科学 ，1991 年 04 期 ：45 页 [2] 杨显万，邱定蕃．湿法冶金【M】北京：冶金工业出版社．1997．282～366． YANG Xian—wan，QIU Ding-fan．Hydrometallurgy[M】．Beijing：Metallurgical Industry Press．1997．282-366． [3] 祁发海，王晓民，张廷安 生物冶金研究现状分析 青海人学医学院青海两宁．810001 [4]“胡萝卜燃料”能否化解能源危机 《辽宁日报》
