藻類改造者 能源革新家
傅鵬程（右）調(diào)試屋頂試驗型家用藻類生物燃料發(fā)生器
大約30多億年前，金星、火星和地球都是一片荒漠，金星二氧化碳的含量約為96%、火星約為95%，遠(yuǎn)古地球也是這種含量，由于常有火山爆發(fā)，當(dāng)時的地球就是一個通紅的火球，整個的大氣層都是二氧化碳，還有少量的氮氣、非常微薄的氧氣和一些水蒸氣。是什么東西改造了地球，使得我們得以生存呢？那就是藻類。
30多億年以前，隨著地球氣溫慢慢冷卻，出現(xiàn)了最初的生命跡象。首先出現(xiàn)的就是藻類，它們不斷地吸收二氧化碳，釋放出氧氣，使地球大氣層CO2的含量降低到0.04%左右，氧氣含量逐漸增加，達(dá)到約21%，這也為當(dāng)今世界的生物多樣性奠定了堅實的基礎(chǔ)。藻類為生命系統(tǒng)在地球的定居鋪平了道路，可以說，沒有藻類就沒有人類的今天。
那么是否可以將藻類的作用推而廣之？中國石油大學(xué)（北京）特聘教授傅鵬程就是一位藻類改造者，他所做的工作就是將藻類改造成新型能源的生產(chǎn)者，用以應(yīng)對能源短缺，倡導(dǎo)低碳生活。
藻類可能助推火星登陸
美國太空總署有一個雄心勃勃的計劃，它準(zhǔn)備移民到月球和火星。
在來中國石油大學(xué)任特聘教授之前，傅鵬程曾是美國夏威夷大學(xué)的教授。作為生物能源領(lǐng)域的專家，美國太空總署為制訂火星登陸計劃開研討會的時候也請他去作了主題報告。
當(dāng)時擬定的初步計劃是把飛行器送到月球表面，找一個合適的地方建一個基地，以供人在里面生活。
月球和火星是沒有生命的，它們的表面也同原始地球一樣沒有氧氣，那怎么辦呢？美國太空總署準(zhǔn)備先在月球表面建造一個封閉的充氧小環(huán)境的基地，在里面培養(yǎng)藻類。具體就是在月球表面的基地安裝一個光合生物反應(yīng)器，它的作用就是通過在光合生化反應(yīng)器里面培養(yǎng)藻類吸收光能供給航天器，也可以生產(chǎn)補給品供給太空人。太空人到了月球進入該基地，就可以把他的面罩打開，開始呼吸密閉系統(tǒng)里面的氧氣。太空人產(chǎn)生的二氧化碳又可以送到光生化反應(yīng)器里面作為原料，因為藻類就是吸收二氧化碳放出氧，由此我們就可以得到有用的東西。
這個火星登陸計劃說到底也就是通過光合生物技術(shù)在火星和月球上再造一個簡單人居的環(huán)境圈的過程。它所依賴的就是藻類改造大氣的功能。
藻類是地球生物圈最基本的光合單元，它的體積特別小，以微米計。它是最古老的生物，大約35～38億年以前，地球表面第一次出現(xiàn)的生物就是藻類，現(xiàn)在地球大概50%的氧氣都是由它生產(chǎn)的，它吸收了50%的二氧化碳，是整個海洋生態(tài)系統(tǒng)的基石。地球表面的2/3被海洋覆蓋，海洋生態(tài)能穩(wěn)定地球才能穩(wěn)定，因此藻類在穩(wěn)定整個生物圈方面起著不可替代的作用。
目前溫室效應(yīng)和低碳節(jié)能是人們都在熱議的話題，在這一方面，藻類同樣可以建立卓越功勛。傅鵬程教授認(rèn)為，可以通過藻類來有效地抑制二氧化碳的排放，而且可以通過藻類來調(diào)節(jié)氣候變化，如果調(diào)節(jié)得當(dāng)，我們就有可能阻止全球氣候的變化以及溫室效應(yīng)的產(chǎn)生。只要我們善加利用藻類，我們就可以有一個很有效的工具來應(yīng)對全球的氣候變化、應(yīng)對溫度的升高。
水域污染在我國甚為普遍，藻類常被人們當(dāng)作罪魁禍?zhǔn)?。作為研究藻類的專家，傅鵬程教授大力為藻類正名，他說，實際上產(chǎn)生污染的罪魁禍?zhǔn)撞⒉皇窃孱惗侨祟愖约?，因為我們破壞了人與自然之間的整體平衡，所以遭受了懲罰，致使藻類開始瘋長?！拔蚁胱尨蠹艺J(rèn)識到這個藻是對我們有巨大的貢獻的，沒有藻類就沒有我們的今天?！?/FONT>
改造藻類 開發(fā)生物能源
既然光合生物技術(shù)能夠發(fā)揮如此巨大的作用，那么能不能將其改造，使其發(fā)揮更大的作用呢？
傅鵬程認(rèn)為，進行光合生物技術(shù)的研究需考慮以下幾個單元：生物、陽光和水。生物有了陽光后進行光合作用，生物有水就可以生長，這三者結(jié)合起來就是光合生物技術(shù)研究的理念，就可以開發(fā)出有用的光合生物技術(shù)。這種光合生物技術(shù)不但能夠提供有用的產(chǎn)品，而且能夠產(chǎn)生很大的社會效益，它能夠為節(jié)能減排、修復(fù)環(huán)境起到積極的作用。
說得通俗一點，如果考慮用藻類來提煉生物柴油，和其他的農(nóng)作物、油料作物得到的產(chǎn)油量比較，就有好幾百倍的增加。比如說如果用玉米做原料每公頃只能生產(chǎn)大概18加侖生物柴油，棉籽產(chǎn)35加侖，向日葵、油菜籽每公頃產(chǎn)100多加侖，油棕櫚產(chǎn)600多加侖，但是藻類可以產(chǎn)生1200至10000加侖，這其中的效益不言自明。
傅鵬程教授和他的研究團隊在研究過程中，已經(jīng)開發(fā)出兩個產(chǎn)品。其中一種可以使產(chǎn)量得到上百倍的增加，從經(jīng)濟上來講它是一個非常高產(chǎn)的工具，使得生產(chǎn)生物柴油非常方便；另外這種能源是可再生的，通過太陽光照射藻類就可以得到產(chǎn)品，然后用來提取出生物柴油。生物柴油在使用過程中會排放出二氧化碳，再用產(chǎn)生的二氧化碳生產(chǎn)藻類，這就是一個低碳的循環(huán)。此外，藻類還有固化碳的功能，所以無論是從經(jīng)濟的角度，還是從對于總體的碳平衡的角度來講，藻類的貢獻都是巨大的。
能源問題和全球氣候變化問題已成為幾乎所有國際高峰會議最重要的議題。為了保障能源安全，保護生態(tài)環(huán)境，走可持續(xù)發(fā)展的道路，可再生能源獲得了越來越多的重視。可再生能源來源廣泛、儲量豐富、污染小或基本無污染，與傳統(tǒng)化石能源相比較，資源優(yōu)勢和環(huán)保優(yōu)勢非常明顯，但目前的狀況是制造成本高、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，在能源總量中只占很小比重。開發(fā)可再生能源的前景廣闊、任務(wù)艱巨。
中國石油天然氣總公司石化設(shè)計院領(lǐng)導(dǎo)訪問實驗室
2010年5月，中國石油天然氣股份有限公司石油化工設(shè)計院與中國石油大學(xué)（北京）成立生物能源聯(lián)合實驗室，傅鵬程教授任負(fù)責(zé)人。他帶領(lǐng)的光合生物技術(shù)及二氧化碳資源化利用團隊，目標(biāo)就是把低碳經(jīng)濟、綠色經(jīng)濟、循環(huán)經(jīng)濟作為一個考量，把光合生物的過程和燃料生產(chǎn)、二氧化碳減排、增加糧食的種植等等加以綜合考慮，形成一個綜合性的技術(shù)來進行研發(fā)，希望在得到產(chǎn)品的同時，能夠?qū)Νh(huán)境保護提供一些有效的幫助，希望能夠為減少排放、減少溫室氣體的積累以及對全球氣候變化提供一個新的思路。
他們正在研究的技術(shù)不是把二氧化碳打到兩公里的地底下，而是用藻類把二氧化碳吸收，將其固化。氣體是最難處理的，而固化的碳要處理就方便了，所以用藻類來吸收二氧化碳成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于碳捕捉與封存，這正是應(yīng)該鼓勵的發(fā)展方向。
藍(lán)藻基因工程
作為改革開放后的首批大學(xué)生，傅鵬程分別于1982年和1988年在浙江大學(xué)化工系獲得化學(xué)工程工學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位，后分配到中石化廣州石化總廠工作。之后到澳大利亞悉尼大學(xué)化工系攻讀博士，于1996年6月獲博士學(xué)位。1996年至1997年間任日本九州工業(yè)大學(xué)生物工程與科學(xué)系博士后研究員。之后先后擔(dān)任美國明尼蘇達(dá)大學(xué)化工與材料科學(xué)系博士后研究員、美國加州大學(xué)圣地亞哥分校生物工程系博士后、美國生化公司DIVERSA CORP高級科學(xué)家、美國夏威夷大學(xué)分子科學(xué)與生物工程系教授。
在國內(nèi)能源短缺和環(huán)境污染亟待改善的大環(huán)境下，生物工程無疑更具發(fā)揮和成長空間。出于一種使命和責(zé)任感、出于個人價值實現(xiàn)的考量，也由于石油大學(xué)與自己的偶然機緣，傅鵬程以多年的海外游學(xué)和工作經(jīng)歷、高深的生物能源專業(yè)水準(zhǔn)，于2009年回到中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院暨新能源研究中心工作。
生物能源是可再生能源的一個重要組成部分。目前的生物能源研發(fā)又以生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇為主。這種生物能源生產(chǎn)模式存在許多缺憾之處。首先，它將爭奪消耗眾多的農(nóng)業(yè)資源，使得糧食、飼料的供應(yīng)出現(xiàn)緊缺，從而導(dǎo)致糧食和飼料價格上漲。其次，生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇需要考慮原料和乙醇運輸問題、生物質(zhì)預(yù)處理以及固體廢棄物處理等問題。再次，生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇生產(chǎn)過程排放的溫室氣體二氧化碳將加劇全球溫度的升高。
傅鵬程教授領(lǐng)銜的生物能源及二氧化碳資源化利用實驗室，在藍(lán)藻基因工程改造以生產(chǎn)燃料乙醇方面的研究成果領(lǐng)跑世界。他們經(jīng)過數(shù)年的努力，在吸收現(xiàn)代物理、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、計算機、生物信息學(xué)及工程科學(xué)等最新成就的基礎(chǔ)上，開發(fā)成功創(chuàng)新性的藍(lán)藻工程菌生產(chǎn)生物燃料的工藝路線，利用基因工程改造特定的藻類，再通過光合生物反應(yīng)過程使藻類用溫室氣體二氧化碳直接生產(chǎn)燃料乙醇。
實驗室使用的50升及15升藻類光合生化反應(yīng)器
這種藍(lán)藻工程菌僅僅需要陽光和二氧化碳作為原料就能夠生產(chǎn)出乙醇，因此具有生物質(zhì)發(fā)酵工藝生產(chǎn)乙醇所不具備的種種特點：①燃料乙醇生產(chǎn)效率高，耗能小，成本低。②就地吸收電廠等單位排放的溫室氣體。③不使用任何農(nóng)作物作原料，不與人類爭奪糧食。④生產(chǎn)周期短。藍(lán)藻接種五天后可開始生產(chǎn)燃料乙醇。⑤可穩(wěn)定連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)。⑥生產(chǎn)工序大大簡化。⑦不產(chǎn)生固體廢棄物及不排放有害氣體。⑧沒有原材料運輸問題。
“我們的生物能源技術(shù)的意義在于通過將清潔能源生產(chǎn)技術(shù)、生化生產(chǎn)過程及可再生能源產(chǎn)品等方面與利用太陽光能、吸收二氧化碳等溫室氣體有機結(jié)合起來，從而實現(xiàn)最小的環(huán)境影響、最少的資源、能源使用，達(dá)到最優(yōu)化的經(jīng)濟效益與社會效益?！备到淌谡f。
歸納而言，此項技術(shù)有以下幾個優(yōu)勢：
1.技術(shù)優(yōu)勢。最新專利技術(shù)，處于新能源技術(shù)的最前沿。
2.成本優(yōu)勢。比農(nóng)作物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇節(jié)省成本70%，可用現(xiàn)有石油運輸管道輸送，節(jié)省運輸成本。
3.能源發(fā)展趨勢優(yōu)勢?？稍偕茉?，清潔燃料。
4.產(chǎn)業(yè)政策優(yōu)勢。既是清潔能源（乙醇等），又吸收CO2，減少溫室效應(yīng)，保護環(huán)境，可以得到政府雙重政策扶持。
5.廣闊的市場需求優(yōu)勢。世界化石能源正在耗竭，替代能源一定要取而代之，所以此技術(shù)具有不可估量的巨大市場需求。
此項發(fā)明已獲得了美國專利及國際專利。傅教授最近在國際科技期刊發(fā)表了與此課題相關(guān)的論文兩篇，并與瑞士Sven Panke教授合編《系統(tǒng)生物學(xué)與合成生物學(xué)》，由美國Wiley出版公司2009年4月出版。
從進入工業(yè)化時代至今，人類已經(jīng)將地球面貌做出了翻天覆地的改變，而且還把航天飛機、宇宙飛船送到了太空。隨著人類前進步伐的加快，也造成了很多問題，包括資源的枯竭、污染的產(chǎn)生、氣候的變化、臭氧層的破壞、生物多樣性的減少等等，如何應(yīng)對這一系列問題成為相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者努力的方向。
單就能源危機而言，地質(zhì)工作者早已經(jīng)發(fā)出警告，石油供應(yīng)量很快就要不足了，這一天的到來可能比人們預(yù)想的還要快。如果人們以現(xiàn)在同樣的速度使用石油，那么石油只能再供應(yīng)46年。而在目前，中國發(fā)展速度加快，能源緊張，國內(nèi)的石油儲量和產(chǎn)量遠(yuǎn)不能滿足需要。面對世界性的能源環(huán)境危機，開發(fā)潔凈的新能源就成為一項緊迫而艱巨的任務(wù)。正是在此意義上，從開發(fā)新能源和改善環(huán)境質(zhì)量的雙重角度考量，傅鵬程教授所致力的藻類改造工程有著不可估量的發(fā)展前景和應(yīng)用價值，是一件澤被當(dāng)代、利在后世的事情。
傅鵬程教授說，我國的傳統(tǒng)觀念對土地非常重視，但是幾千萬平方公里的海洋卻沒有人去管，現(xiàn)在要慢慢轉(zhuǎn)變思維。做生物研究也是這樣，要把注意力從陸生的微生物轉(zhuǎn)移到水生微生物上來。
用基因工程改造藍(lán)藻，傅鵬程教授在世界可謂首開先河。這一領(lǐng)域剛剛開始，還有很多的不完善，但是隨著這一領(lǐng)域發(fā)展步伐的加快，會像上一個世紀(jì)開發(fā)石油工業(yè)一樣有很大的發(fā)展前景。
傅鵬程教授的藍(lán)藻基因工程經(jīng)過幾年的研究，實驗室“生產(chǎn)”已經(jīng)不存在問題，但是要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)還有許多具體的工程化問題要解決。不過傅鵬程教授對這一前景充滿樂觀，因為他們已經(jīng)通過基因工程的方法得到了新的工具，他們的研究工作已經(jīng)不再是概念階段，而是一個工具化的階段，這時候就應(yīng)該把它放大到工業(yè)化的規(guī)模，而這也就是他決定從美國回到中國的原因—“我希望能在這里做?！?/FONT>
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