“零碳”,不是梦

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研究显示，美国2011年排放的670万吨二氧化碳中，轿车、卡车、轮船和航空器的排放量占据了28%，仅次于其发电厂的33%。为了减少碳污染，美国总统奥巴马2011年就曾推出一项计划，希望在2025年之前将汽车的燃油效率提高一倍。

阳光和水分制造新燃料

来自美国加利福尼亚州理工学院人工光合作用联合中心的科学家们正在研究的一种新的“点金术”最近走进了媒体的眼球：模仿植物将二氧化碳转化为能量和氧气的过程，只利用水分和阳光来制造汽车所需的燃料。

这一项目目前得到美国能源部1.2亿美元的资金支持，吸引了来自加州理工学院、斯坦福大学、加州大学、劳伦斯伯克利国家实验室等多家研究机构120位杰出科学家参与其中。负责该项目的加州理工学院教授、太阳能研究学者内特・路易斯（Nate Lewis）制定了两个步骤。第一步，研究人员准备开发一个系统，利用类似太阳能电池板等廉价装置生产大量的氢――氢除了能够为洁净的燃料电池提供动力之外，还可以供给化工厂和炼油厂使用。第二步，将氢燃料与空气中的二氧化碳混合，生产能够驱动轿车、卡车、轮船或航空器的液体燃料。

值得一提的是，大多数情况下，依靠私营资本或风险资本的企业都需要在三年内实现其研究项目的商业化，否则研究项目很可能因资金链断裂而被迫叫停。但美国能源部却对人工光合作用联合中心非常看重，将其作为三大能源创新中心之一，有了政府资金的支持，路易斯就可以有条不紊地寻求突破。路易斯表示，在第一个五年内，人工光合作用联合中心的目标是建设一个人工光合作用系统；之后五年，利用“更快、更好、更便宜”的燃料制造技术，人工光合作用联合中心将视乎其研究的进展陆续注册其系统许可给石油和能源企业使用。

计划的第一部分需要利用新的方式生产大量的清洁氢燃料。在2020年之前，人工光合作用联合中心就可以提供化工厂和炼油厂所需的大量氢燃料。刘易斯表示，新燃料在燃烧之后，只会释放出其最初使用的二氧化碳，“因此完全是零碳的。”

微生物或可推动未来生物燃料突破

美国一直以来都是燃料乙醇的消费大国。车用乙醇汽油在不进行发动机改造的前提下，动力性能基本不变，尾气排放的CO和HC化合物平均减少30%以上，能够有效降低和减少有害尾气排放。

长期以来，科学家利用玉米淀粉制造乙醇，然而由于这些原料是人类主要的食物来源，因此增加这些作物的需求会推动其价格的上涨。相比之下，如果可以转化纤维素，那么人们只需要利用玉米外皮、甘蔗渣、废木头以及落叶等废物就可以制造生物燃料。然而，目前纤维素分解非常复杂，且成本较高，如何提高这一过程的经济性也一直困扰着许多科学家。

不过，一直专注于开发具有经济效益生物燃料的美国杜兰大学分子生物学教授大卫・穆林（David.Mullin），最近又就微生物分解植物纤维素的能力及将其转化为生物燃料的可能性开展研究。

“研究重点是把纤维素转化成丁醇。因为丁醇由四个碳原子组成，其化学键的能量较乙醇更高。与乙醇不同的是，丁醇可提供足够的能量单独驱动汽车，而无需与石油混合使用。”穆林说道，由于丁醇在运输过程中也不会像乙醇那样消耗水份，因此丁醇完全可以使用输油管道和油桶等其他化石能源的基础设施。

事实上，有许多种途径可以实现纤维素的转化，如一些动物的消化系统就可以利用纤维素酶来分解纤维素。然而，虽然这些酶目前已经可从市场买到，但价格极高，因此穆林决定自行寻找一种合适的微生物。在他看来，微生物应满足以下三个条件：直接将纤维素转化为丁醇、在空气中完成催化反应并且能够在一般温度条件下大量生产。

穆林通过收集分析反刍动物的粪便，成功从一种非洲斑马的排泄物中提取到了TU-103细菌，该细菌可以在废棉花、甘蔗渣和报纸屑中生长。“只要将这些东西切碎，在碾碎器中用水充分均匀搅拌，微生物就可以很好地的存活下来”穆林介绍道：“虽然该细菌并不完美，例如，它在产生丁醇的同时还会产生一些较难分离的物质，丁醇浓度过高将导致该细菌死亡等。”

微生物“相互合作”提高生物燃料产量

无独有偶，美国密歇根大学的研究人员日前宣布，他们发明出一种生产高品质生物燃料的方法，通过将大肠杆菌和里氏木霉配对，从而把玉米秸秆、叶子等农业废弃物转化为生物燃料。这是目前为止植物转化生物燃料达到的最高水平，每升液体中可含生物燃料异丁醇1.88克。

研究人员之所以选择了异丁醇而非常见的乙醇作为生物燃料，是因为在同等燃烧的情况下，异丁醇释放的热量是82%，而乙醇为67%。此外，异丁醇还不容易腐蚀管道和损坏发动机。

密歇根大学化学工程系助理教授林晓霞（Xiaoxia Nina Lin）说：“之前，人们曾尝试过很多方法，包括改造某种微生物物种的基因或者尽力通过生物降解、发酵等方法生产燃料分子。事实证明，这些尝试都十分困难，因为它们属于不同的物质，所以出现在不同的有机体里面是很自然的事，但出现在同一个有机体中则相当困难。”

而在这次的研究里，研究人员利用里氏木霉将原材料转化为糖，再依靠大肠杆菌将其转换成所需的燃料。由于合成物质的脆弱性和不稳定特点，使这两种微生物合作并不是一件容易的事。“成功的关键是找到互相依赖的微生物，或者在一定条件下让里氏木霉与大肠杆菌合作，进而生产出糖类。”林晓霞道“我们依赖大肠杆菌来生产燃料，但是在系统里面，它的表现就像一个‘骗子’，带走了里氏木霉所生产的东西。”而里氏木霉仍然从这个过程中受益，因为作为纤维素转化为糖的一部分，它浓缩了围绕自身周围的食物。此外，研究人员目前正致力于提高燃料的效率。该系统的另一个优点是能够扩大可利用废弃物的范围，如森林中的碎木、野草等。

“理论上，使用乙醇，人们可以获得超过90%的热量。与其相比，异丁醇仍然较为低级。但这个过程仍然值得尝试，我们正努力去做。目前来说，这是一个处于实验室水平的初步论证，但我们更想把这个技术应用到更广泛的现实世界，所以还有很多事情值得去做。”林晓霞说道。