留住阳光 怎样才能留住阳光 有个“小东西”能把它搞成“液体”

文章来源于“科学大院”微信官方账号

作者:魏

当太阳落山时，一切都有生命。

太阳作为能源世界中的“大家庭”，以各种方式为世界万物提供能量，其中“转化液体”的供能方式与微生物有着千丝万缕的联系。

那么问题来了。一个是这个星球上的主要能源，另一个是肉眼看不见的小型生命体。他们在能量空上有着怎样的纠缠与配合？一切都要从古代开始...

太阳能:我是能源界的“大家庭”

自从学会钻木取火以来，人类从未停止过对自然能源的开发和利用。传统的烧柴已经不能满足人类的能源需求，化石能源的开发利用让工业社会焕发出蓬勃的生机。然而，化石能源的使用存在诸多弊端，迫使人类寻求可持续的能源利用，将注意力转向清洁可再生能源，如太阳能、地热能、风能、水能、海洋能、生物质能、核能等。

目前，人类最重要的能源利用形式是煤、石油和天然气等化石能源，它们不仅可以用作燃料，还可以作为合成许多化合物的原料。据估计，2017年化石能源占全球能源消费总量的84.6%。但是，也有很多问题。

首先，煤炭、石油、天然气等化石能源是远古生物经过亿万年沉淀下来的。它们的储存能力有限，是不可再生资源。按照世界化石燃料的消耗速度，人类大约还需要50-100年才能使用化石燃料。其次，化石燃料的加速燃烧将导致温室气体——二氧化碳的增加，进而导致全球气候变化，给人类和生态系统带来灾难。

古代生物沉积下来的化石能源，就是古代的太阳能。风能、水能、生物质能等可再生能源的本质也是太阳能。每年太阳辐射到地球表面的能量为8.85亿TWh，约29%的太阳能辐射到陆地。仅这一部分就是2040年人类消耗能源总量的100倍，其应用潜力比其他可再生能源高出两个数量级。太阳能不仅是能源，也是可再生能源中最重要的资源。我们如何使用它？

光伏转换和光热转换是人类太阳能技术的主要形式，可以将太阳能转化为电能和热能。然而，这只能解决部分问题。化石能源为长途运输提供的液体燃料和合成各种化合物所用的原料，靠太阳能转化为电能和热能是无法满足的。然而，自然界的植物是这个领域的专家。植物通过光合作用合成有机物，可以实现太阳能的转化。

植物:我可以把太阳能储存在身体里

植物利用二氧化碳和水通过光合作用合成有机物，并将太阳能储存在有机物的化学键中。有机物主要有两种类型，一种是贮藏在果实和根茎中的糖和淀粉，另一种是以木质纤维素为主的植物细胞壁。总的来说，植物细胞壁中的木质纤维素是储存太阳能的主要材料。糖和淀粉是最易利用的资源，但会出现与人和动物争粮争林争粮的问题，因此开发利用木质纤维素成为重要趋势。

植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。如下图所示，葡萄糖分子通过β-1，4-糖苷键形成糖链，多个糖链聚合在一起形成纤维素微纤丝。微纤丝以一定的方式排列形成植物细胞壁的基本骨架，由多种不同类型的单糖分子组成的半纤维素紧密缠绕在纤维素微纤丝周围，与木质素一起构成细胞壁，为植物细胞提供了坚实的保护屏障。

植物细胞壁上的纤维素 植物细胞壁上的纤维素

植物细胞壁中的纤维素储存了大量来自太阳的能量，那么我们如何才能让人类获得这些能量呢？直接燃烧显然已经过时了。如今，人类使用的许多燃料基本上都是液态碳氢化合物和石油衍生的酒精。这些液体燃料有许多优点，例如单位体积的能量更大，燃烧更彻底，燃烧更清洁，运输更方便。木质纤维素中含有大量能量，液体燃料易于使用。木质纤维素中的能量有可能转化为液体燃料吗？

答案是肯定的，而且因为木质纤维素中的最终能源是太阳能，所以由木质纤维素转化而来的液体燃料有一个好听的名字——“液态阳光”。要实现这一转化过程，人类必须求助于微生物，因为自然界中有些微生物是这一转化过程中的“工人”。

微生物出道:我首先吃单糖来重现“阳光”

微生物将木质纤维素转化为液态阳光主要分为两步。第一步是将木质纤维素转化为他们喜欢的单糖，更容易消化。第二步是吃这些糖，产生可以用作液体燃料的化合物。

如上所述，细胞壁是植物细胞的固体保护屏障。它不容易解体，因为它的结构太强太复杂。目前，木质纤维素主要通过高温高压等物理手段或强酸强碱等化学手段等苛刻条件分解为易消化的单糖。但这势必会消耗更多的能源或造成更严重的环境污染。

自然界中有许多微生物以植物为食，如木质纤维素降解菌，可以在植物的“尸体”上生长，以木质纤维素为食；或者植物病原体，它们可以感染植物并导致植物疾病或死亡。这些微生物有一套完整的“工具”，称为木质纤维素降解酶，可以在温和的条件下“拆解”植物细胞壁。这套工具包括负责分解木质素的木质素降解酶，如木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶等。；负责拆解半纤维素木聚糖酶等。；以及负责去除纤维素的纤维素酶，包括内切纤维素酶、纤维素外切酶、β-葡萄糖苷酶和多糖单加氧酶。不同的酶专门负责切割特定的化学键。虽然威力不如推土机，但堪比千里破堤的蚂蚁。它们破坏细胞壁，并在里面释放单糖。常见的木质纤维素降解菌包括里氏木霉、青霉、粗糙脉孢菌等。

木质纤维素降解菌 木质纤维素降解菌

植物细胞壁破裂释放的单糖种类很多，但葡萄糖是微生物中最受欢迎的一种。有一种微生物叫酵母，它以葡萄糖为原料，发酵后产生生物液体燃料乙醇，是目前最大的生物液体燃料。乙醇发酵需要在厌氧条件下通过糖酵解途径将葡萄糖转化为丙酮酸，丙酮酸进一步脱羧形成乙醛并释放二氧化碳，最终乙醛被还原得到乙醇。微生物发酵不仅可以将木质纤维素转化为乙醇，还可以生产其他液体燃料，如丁醇、生物柴油等液体燃料，以及用于合成其他化合物的生物基产品。

纤维素降解及乙醇发酵 纤维素降解和乙醇发酵

微生物:超越植物创造“液态阳光”，我也可以

上述“液态阳光”的产生过程依赖于植物光合作用产生的有机物。微生物能否越过植物，直接将太阳能转化为“液态阳光”？

一些具有光合能力的微生物具有这种功能。它们利用二氧化碳和水直接将太阳能转化为生物液体燃料或生物液体燃料的前体物质，如脂类、脂肪酸等可转化为生物柴油的前体物质。在具有这些功能的微生物中，原核生物蓝藻和真核生物藻类的应用前景最好。其中，蓝藻和微藻不仅能进行光合作用和固定太阳能，而且与植物光合作用相比，还具有含油量高、繁殖快、占地少等优点。

与真核藻类相比，蓝藻细胞更简单，更容易修饰，具有更高的工业应用价值，因此被开发为生物能源生产的“底盘”细胞。通过改造“底盘”细胞，它们可以用于生产生物燃料，如乙醇、丁二醇、异丁醛和长链脂肪酸。

蓝细菌生产“液体阳光” 蓝细菌产生“液态阳光”

微生物和能量的故事不再继续

如上所述，乙醇可以通过给酵母糖来生产；利用二氧化碳和阳光对蓝藻和微藻可以生产生物质燃料。那么，如果给微生物提供其他人类容易获得的原料，它们能生产出自己需要的产品吗？答案是肯定的。甲醇不仅资源丰富，而且价格便宜。虽然对大多数生物都有很强的毒性，但有些微生物可以以甲醇为食，比如毕赤酵母，它不仅可以以甲醇为唯一碳源，还可以以甲醇为原料转化为其他化合物。

虽然不同的微生物已经展现出了它们的神奇力量，在生物燃料生产过程中发挥了巨大的作用，但它们的生产能力仍然相对较弱。利用系统生物学和合成生物学，对微生物细胞中相应的“生物能产品线”进行改造和优化，或将“生物能产品线”引入到易于改造和进行工业化生产的微生物细胞中，是建设高效高产微生物细胞工厂的有效途径之一。

我们可以预期，生产“液态阳光”的微生物细胞工厂，产品会越来越多。它们也将成为解决化石能源危机和环境污染问题的巨大贡献者。

参考文献:

1.英国石油公司2019年能源展望

2.春芳诗，张涛，李静海，春丽白。用液态阳光为未来提供动力。2018.焦耳2，1925-1949)

3 .我们的数据世界

4.蓝细菌作为生物燃料生产的平台。锋生生物科技。2013;1:7.2013年9月26日出版。doi:10.3389/fbioe.2013.00007

5.蓝细菌作为生物燃料生产的生态友好资源:评论。Biotechnol Prog。2019;35:e2835。doi:10.1002/btpr.2835

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作者:西北A&F大学

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