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次年，狄塞耳在比利時(shí)登上一艘客輪后隨即神秘失蹤，一個多月后，人們在斯凱爾特河中發(fā)現(xiàn)了他的尸體。狄塞耳的死亡原因眾說紛紜，而其中一條猜想，就是忌憚他推廣植物油的石油大亨雇人下了毒手。 而歷史證明，狄賽爾不僅僅是偉大的發(fā)明家，也是偉大的預(yù)言家。一百年后的2009年5月，美國能源部長朱棣文在白宮發(fā)表演說，“發(fā)展下一代生物燃料對終結(jié)我們對海外石油的依賴，以及解決氣候危機(jī)都十分關(guān)鍵?！彼S即宣布將在新生物燃料研究領(lǐng)域投入8億美元。 如果說來自玉米高粱等糧食作物生產(chǎn)的乙醇是第一代生物燃料，朱棣文提到的下一代生物燃料又在何方呢？ 人們充滿期冀的目光投向了一團(tuán)小小的綠意。 藻類。
藻類能源研究史 把藻類作為能源作物的構(gòu)想起源于二十世紀(jì)中葉，五六十年代的一系列實(shí)驗(yàn)證明，在周圍環(huán)境缺少氮元素或硅元素等必須礦物質(zhì)時(shí)，某些藻類會在這種“饑餓”狀態(tài)下產(chǎn)生大量脂質(zhì)，最終在細(xì)胞內(nèi)形成油滴。雖然缺乏養(yǎng)分能刺激藻類產(chǎn)油，但養(yǎng)分太過貧乏時(shí)，又會造成藻類抑制細(xì)胞分裂，生長也過度放緩，總產(chǎn)油量將不升反降。因此，要讓藻類大量產(chǎn)油，礦物質(zhì)的含量控制必須十分精確。興味索然的研究者并沒有花費(fèi)太多力氣去尋找微妙的最優(yōu)條件，這方向的研究被擱置了約二十年。 七十年代早期的石油禁運(yùn)導(dǎo)致油價(jià)一路高企時(shí)，美國政府才猛然警覺到自己對化石燃料的過度依賴。這場危機(jī)最終推動美國能源部開展了水生物種計(jì)劃（Aquatic Species Program）。最初的研究是用藻類的生物質(zhì)進(jìn)行厭氧分解，以產(chǎn)生甲烷（沼氣）與氫氣。1978年前后的一系列實(shí)驗(yàn)也成功地把產(chǎn)氣的成本控制在一個相當(dāng)有競爭力的范圍內(nèi)。后來隨著部分能大量產(chǎn)油的藻類品系被發(fā)現(xiàn)，脂類燃料--即俗稱的“生物柴油”才成為研究重心。某些藻類內(nèi)含的油脂（主要是三酸甘油酯）能占到干重的60%以上。例如硅藻類的一種隱秘小環(huán)藻(Cyclotella cryptica)就是許多研究者共同矚目的品種，它的細(xì)胞壁合成需要硅，在缺硅環(huán)境下即大量產(chǎn)油。 從1978到1996年，美國能源部下屬的國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory）一直支持著這項(xiàng)研究計(jì)劃，十八年間總計(jì)約投入2500萬美元。研究者們從美國各地收集了三千多種藻類，測試它們在溫度鹽度酸堿度各異的水體中的產(chǎn)油能力，并最終篩選出三百多種希望之星--大多是綠藻和硅藻。 但煉油總成本依然是個問題。1995年的石油價(jià)格是每桶 20美元。而同期的藻類柴油成本在每桶59到186美元之間。與化石燃料相比，藻類柴油實(shí)在太不劃算了。1996年，因削減預(yù)算，水生物種計(jì)劃被最終喊停。當(dāng)時(shí)的研究計(jì)劃領(lǐng)導(dǎo)者之一，現(xiàn)在明尼蘇達(dá)雙城大學(xué)任教的約翰·希恩（John Sheehan）回想往事時(shí)發(fā)出了這樣的感嘆，“藻類并非解決能源危機(jī)的王牌--或許所謂的‘王牌’根本不存在?！?/p> 脫穎而出的新一代藻類柴油 “藻類就是解決之道，就是最終答案。”辛西婭·華納（Cynthia Warner）斬釘截鐵地如是說。 起初辛西婭只把這看成一次禮節(jié)性的會談--不過是“又一個生物燃料的大餅”，但隨著杰森充滿熱情的介紹，她的興趣被逐漸喚起。他們從中午12:30開始，一連談了七個小時(shí)，最后辛西婭完全被杰森說服了。2008年底，49歲的辛西婭從英國石油公司辭職，離開了她服務(wù)了二十多年的石油業(yè)，，舉家橫越大西洋，從倫敦搬到了加州，不再每日指揮來自五大洲的一萬多下屬，轉(zhuǎn)而成為了藍(lán)寶石能源這家僅百余名雇員的新創(chuàng)公司的總裁。 “我承認(rèn)放棄在石油業(yè)的一切起初確實(shí)有點(diǎn)令我動搖，”辛西婭表示，“但一旦我了解藻類技術(shù)的潛能，我立刻意識到絕不能把這個機(jī)會拱手讓人?！?/p> 任何能源要有效替代化石燃料，都必須克服兩大難關(guān)--產(chǎn)量與成本。而與其他燃料作物相比，藻類在這兩點(diǎn)上都有著過人之處。 首先，藻類的單位產(chǎn)量極高。藻類是地球上長得最快的生命體之一，在適宜的培養(yǎng)條件下，它的質(zhì)量可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)倍增，這是其他植物望塵莫及的。同時(shí)，與其他作物的季節(jié)性產(chǎn)出不同，藻類可以不斷生長、持續(xù)收割。美國能源部今年五月提供的一份《藻類生物燃料路線圖》報(bào)告中提及，目前特定藻類的出油量已經(jīng)達(dá)到大豆的60倍。研究更顯示未來每英畝藻類最高可年產(chǎn)6500加侖的油（每平米年產(chǎn)6升），這個產(chǎn)量是傳統(tǒng)燃料作物油棕櫚的十倍，葵花的六十倍，大豆的一百三十五倍。 其次，在耕地面積已經(jīng)很有限的情況下，能利用各種水質(zhì)的水體的藻類無疑擁有最廣泛的種植空間--淡水、半鹽水、海水，甚至油田采出水、工業(yè)污水，原本無法利用的貧瘠的非耕地，各種環(huán)境惡劣的窮山惡水，都可以成為藻類生長的樂土。 第三，藻類生產(chǎn)的油類蘊(yùn)含著巨大的燃燒熱能。來自玉米甘蔗的第一代生物燃料--乙醇每單位供給的能量大約只有汽油的三分之二。伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的化工教授約翰·雷加爾布托（John Regalbuto）曾在科學(xué)雜志上撰文表示，乙醇要取代石油的致命弱點(diǎn)就在于生產(chǎn)成本高而能量密度不足。而藻類可以產(chǎn)出十六碳甚至更長的烴類分子，單位能量比起四碳到十二碳混合的汽油有過之而無不及。 單位產(chǎn)量高，種植面積廣，能量密度高--這三者令藻類當(dāng)之無愧地成為生物能源的潛在產(chǎn)量之王。 比起產(chǎn)量上壓倒性的優(yōu)勢來，藻類柴油在成本上的情形就要復(fù)雜一些。 經(jīng)濟(jì)成本與環(huán)境成本，兩本難算的帳 藻類的種植方法和煉油工序里存在著許多技術(shù)細(xì)節(jié)--水源、碳源、其他肥料、光照控制、收割與精煉……每個環(huán)節(jié)的耗費(fèi)共同決定了藻類柴油的經(jīng)濟(jì)成本。 目前種植藻類主要有兩大流派，一是種在開放的池塘中，一是種在封閉的光合反應(yīng)器（Photobioreactor）中。 開放式池塘養(yǎng)藻對設(shè)備要求較低，但極大地受到日夜與季節(jié)間的天氣變化影響，冬日和夜間低溫都會大大影響產(chǎn)量。此外，池塘每日需要補(bǔ)充的水量也很可觀。1998年，美國在新墨西哥州的羅斯威爾（Roswell）--就是那個以傳說中墜毀飛碟而著名的小鎮(zhèn)--進(jìn)行了露天的藻類種植試驗(yàn)。結(jié)果顯示，一公頃水面每天的蒸發(fā)量可達(dá)49噸左右。還有一點(diǎn)，池塘容易受到外來藻類品種污染，不易控制單一栽培。 封閉式光合反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)在于水分不易散失，可以長期省水省肥地培養(yǎng)藻類。但缺少了水分蒸騰這一天然降溫手段，就需要額外耗費(fèi)能量控溫。此外，密閉的容器內(nèi)部容易形成細(xì)菌菌落的生物被膜（biofilm）結(jié)構(gòu)，造成細(xì)菌大量繁殖，因此需要定期清潔，這也是一大筆開支。 正是這部分碳排放給清潔能源也蒙上了一絲陰影。 理論上，燃料作物吸收空氣中的二氧化碳，通過光合作用合成自身的生物質(zhì)，這些生物質(zhì)經(jīng)過轉(zhuǎn)化、燃燒后再回到大氣。因?yàn)樘荚厥睾?，所有釋放出的碳全部來源于植物從大氣中固定的碳，因此大氣中的二氧化碳總量不會因之增?-完美的零碳排放。 實(shí)踐上就并非如此完美了，種植、收集、提純、精煉都是耗能過程，于是生物燃料仍然會給環(huán)境帶來壓力。不久前，劍橋大學(xué)的研究者安娜·斯蒂芬森（Anna Stephenson）建立了一個計(jì)算機(jī)模型來模擬計(jì)算藻類柴油從生產(chǎn)到燃燒總共產(chǎn)生的碳足跡，得出了一個驚人的數(shù)字--數(shù)據(jù)顯示，藻類燃料居然可能產(chǎn)生四倍于普通柴油的溫室氣體排放量。 “用管狀的生物反應(yīng)器種植藻類時(shí)，泵需要克服的摩擦力太大，結(jié)果藻類柴油每產(chǎn)生一兆焦耳熱量，就帶來320克的碳足跡”她說，“而提取、提煉、燃燒等熱量的普通柴油才不過86克碳足跡。” 這一數(shù)字幾乎足以令環(huán)保人士立刻把藻類棄之如敝履，不過安娜的模型也顯示，露天池塘中生產(chǎn)的藻類柴油要環(huán)境友好得多，相應(yīng)的碳足跡是19克，不到普通柴油的四分之一。 然而露天池塘種植的另一項(xiàng)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)上升了，那就是轉(zhuǎn)基因藻類逃逸的可能。 轉(zhuǎn)基因藻類的潘多拉之盒 這一極端可能性不是完全不存在，但幾率實(shí)在不高。研究者們普遍認(rèn)為，適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)條件的“嬌生慣養(yǎng)”轉(zhuǎn)基因藻類一旦到了大自然中，絕不是它們天生天養(yǎng)的表親們的對手。其實(shí)，就在1998年羅斯威爾的露天藻類種植試驗(yàn)中，池塘里就發(fā)生了外來藻類的入侵事件。結(jié)果是產(chǎn)油低而繁殖快的野生型藻類占盡競爭優(yōu)勢，在養(yǎng)殖池中大獲全勝， 此外，在過去的十五年間，其實(shí)已經(jīng)發(fā)生了數(shù)起疏忽造成的轉(zhuǎn)基因藻類外流事件，但從沒造成過嚴(yán)重的環(huán)境后果。 這方面的權(quán)威，合成生物學(xué)家克雷格·文特爾（Craig Venter）就表示，雖然理論上最好給轉(zhuǎn)基因藻類設(shè)計(jì)一個“自殺基因”以策萬全，但他認(rèn)為現(xiàn)階段的轉(zhuǎn)基因藻類還是非常安全的。 克雷格在科學(xué)界聲譽(yù)卓著，他曾共同領(lǐng)導(dǎo)完成人類基因組測序，更在今年造出了史上第一個人造生命。而他目前的研究重點(diǎn)之一，正是能生產(chǎn)生物柴油的轉(zhuǎn)基因藻類。 從2004年開始，克雷格就駕著自己特制的帆船--可以安然在各種極端天氣下航行的“魔法師二世號（Sorcerer II）”--在全世界各大洋上揚(yáng)帆，用船上裝備的拖網(wǎng)捕撈各種微生物和藻類，然后把它們帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基因改良工作。 今年，克雷格與石油巨擘?？松梨诠韭?lián)合宣布，將投入6億美金研究讓轉(zhuǎn)基因藻類直接把二氧化碳轉(zhuǎn)化為石油。面對蜂擁而來的記者，文特爾躊躇滿志地表示：“當(dāng)年的人類基因組測序工作和如今的挑戰(zhàn)相比簡直不值一提。全球每年消耗300億桶石油，30億噸煤炭，而我們要找出能替代這一切的燃料。如果成功，我們不但能在未來十到二十年間停止消耗石油，而且能讓大氣中的二氧化碳開始下降?！?/p> “許多業(yè)內(nèi)公司將大規(guī)模藻類種植視為現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)，但我們視之為工業(yè)化生產(chǎn)，經(jīng)基因改良的藻類能合成并分泌八碳、十碳、甚至更長碳鏈的烴類化合物。每個藻類好比一個化工廠，或是一個微型油井。我們可以源源不斷地得到簡單加工就可以使用的理想燃料，它應(yīng)該具有如下特性--高能量、疏水性、極低的凝固點(diǎn)，最好是零下一百度仍保持流動性，這樣才有潛力成為在高空飛行的飛機(jī)燃料?！?/p> 疑慮與期冀的人們 燒海藻的飛機(jī)聽起來像是天方夜譚，但現(xiàn)實(shí)中卻已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了第一步。藍(lán)寶石能源公司就已經(jīng)與美國大陸航空和日本航空公司合作測試了燃料。盡管如此，許多人依然用警惕的雙眼打量著藻類柴油。 來自航空環(huán)境聯(lián)合會的杰夫·伽扎德（Jeff Gazzard）就對生物柴油提出了不信任案，理由是目前的飛機(jī)引擎都是為石油來源的航空煤油而設(shè)計(jì)，生物柴油萬一凝結(jié)，會對飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)燃料系統(tǒng)中的零件造成損害，帶來潛在的安全隱患。 美國最大的玉米乙醇生產(chǎn)商Poet LLC總裁馬克·斯托爾斯（Mark Stowers）也表示了類似的顧慮，“石油是兩千多種分子的混合物，我不認(rèn)為科學(xué)家可以模擬出這全部的兩千種分子，制造出我們今天用的汽油?！?/p> “他們還不能從藻類中直接生產(chǎn)汽油，具體成本也不清楚，還有尾氣排放如何影響也是未知，太多的不確定性，”馬克說，與之相比，“乙醇是一個已經(jīng)廣泛應(yīng)用了三十年以上的燃料，而且已被確切地證明有助于減少尾氣排放，提高燃料品質(zhì)。” 但現(xiàn)實(shí)是，人們需要藻類。2009年，美國可再生燃料的產(chǎn)量是兩億六千萬桶（110億加侖），美國計(jì)劃到2022年時(shí)，把可再生燃料的年產(chǎn)提到八億六千萬桶（360億加侖），預(yù)計(jì)其中三億六千萬桶將來自玉米產(chǎn)生的乙醇，而還有五億桶的缺口待補(bǔ)。 就連美國軍方也倒向了藻類。隸屬五角大樓的美國國防高級研究項(xiàng)目署（DARPA）在今年二月宣稱，他們已經(jīng)把從藻類中提煉油的成本降至2美元一加侖，就算需要進(jìn)一步精加工成噴氣機(jī)燃料，總成本也能少于每加侖3美元。這一價(jià)格已經(jīng)非常接近有競爭力的區(qū)間。DARPA的目標(biāo)是每加侖1美元，屆時(shí)，美國空軍將再不受缺油的困擾。到明年，所有美軍飛機(jī)引擎中燃燒的燃料一半將來源于石油，另一半來自其他資源--當(dāng)然包括藻類柴油。 藻類，這團(tuán)小小的綠意，究竟是不是未來能源的希望所在？不遠(yuǎn)的將來，此刻心中疑慮與期冀并存的人們就會知道最終的答案。當(dāng)然，信奉“人有多大膽，藻有多大產(chǎn)”的研究者們也并非無所畏懼，克雷格在今年的美國國會聽證會上保證他會小心行事，“你我此刻呼吸的氧氣四成來自海洋藻類，”他說，“我們可絕不想搞砸這件事?！?/p> 已發(fā)表于《周末畫報(bào)》 |
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1900年的巴黎世博會，柴油機(jī)的發(fā)明者德國工程師魯?shù)婪颉さ胰≧udolf Diesel）的雄心絕不止于內(nèi)燃機(jī)的更新?lián)Q代，他更希望能同時(shí)帶給世界一場空前的燃料革命。在展示臺上，狄塞耳往柴油機(jī)里加入的燃料是什么呢？一種可再生能源--花生油。1912年，在世人矚目的眼光中，狄塞耳做出了如下預(yù)言，“植物油作為引擎燃料，今天看來可能不值一提，但隨著時(shí)間推移，他總有一天會和石油一樣重要”。
