植物細胞壁與生物質(zhì)資源

植物細胞壁與生物質(zhì)資源◎李來(lái)庚從某種意義上說(shuō),整個(gè)人類(lèi)發(fā)展史就是一部能源光合作用產(chǎn)生的物質(zhì)轉化為大分子聚合物建造身體的利用方式的進(jìn)步史。人類(lèi)第一個(gè)熟練掌握的能源載體過(guò)程。從結構來(lái)看,植物建造的身體就是累積的細胞就是生物質(zhì)( bioma)。自從人類(lèi)學(xué)會(huì )了鉆木取火,樹(shù)壁。人類(lèi)建造高樓時(shí)建造的部分主要是大樓的框架和木就成為人類(lèi)最主要的能量來(lái)源,也是早期人類(lèi)最喜墻壁,而植物體這個(gè)“建筑物”是由無(wú)數植物細胞堆積歡的能源載體。隨著(zhù)人口的增長(cháng)和科技的發(fā)展,能源載起來(lái)的,其細胞壁起到了“墻壁”的支撐作用體經(jīng)歷了從木材到煤炭,再到石油和天然氣的漫長(cháng)歷人類(lèi)大量使用和依靠的是植物體的“細胞墻壁程。這其中很多能源是不可再生的,總有枯竭的時(shí)候?；蛘哒f(shuō)是細胞壁中積累的物質(zhì)。據估算,地球上的植物人類(lèi)杜會(huì )需要不斷發(fā)展,尋找和開(kāi)發(fā)新的能源,特別是每年大約凈固定564×100噸碳和4.5×106千焦太可再生的能源,將是維持人類(lèi)社會(huì )可持續發(fā)展的重要能,并將其轉化為有機物,絕大部分積累在細胞壁中保障和基本出路。生物質(zhì)資源(綠色植物通過(guò)光合作用植物細胞壁是地球上最為豐富的生物質(zhì),它每年積累產(chǎn)生的有機物質(zhì)及其衍生物)作為一種重要的可再生的凈能量相當于地球每年消耗能量總和(2008年全球資源,已成為當今世界各國資源研究及其產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的的總能耗為4.74×103千焦)的五倍多。細胞壁生物質(zhì)重要方向之一,利用生物質(zhì)資源開(kāi)發(fā)可再生的生物質(zhì)即通常所說(shuō)的纖維生物質(zhì),如何將其所貯藏的大量能能源受到了高度關(guān)注。量轉化成可利用的能源,特別是液體能源,近年來(lái)得到生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了第一代生物質(zhì)能(即直世界各國的高度關(guān)注。據估算,1噸纖維生物質(zhì)可生產(chǎn)接用玉米、甘蔗等糧食和經(jīng)濟作物為原料生產(chǎn)生物乙100加侖(1加侖約為3785升)的燃料乙醇,美國每年醇和生物柴油)第二代生物質(zhì)能(即通過(guò)降解稻殼、秸可用來(lái)轉化利用的纖維生物質(zhì)足夠生產(chǎn)1300億加侖稈等農業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物或速生林木來(lái)合成生物的燃料乙醇,而美國目前每年消耗于交通運輸的液體燃料)的發(fā)展過(guò)程,后者的原料來(lái)源不會(huì )與糧爭地、與燃料約有1400億加侖,如果利用纖維生物質(zhì)生產(chǎn)液體人爭地,還有利于發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,具有更佳的生態(tài)效燃料,就可替代其中一大部分。應。更有甚者,一些發(fā)達國家如美國、日本和德國等,已在我國,纖維生物質(zhì)資源非常豐富,全國的纖維生經(jīng)開(kāi)始研究所謂的第三代生物質(zhì)能,如利用藻類(lèi)生產(chǎn)物質(zhì)年生產(chǎn)總量30多億噸折合標準煤15億噸,僅農生物燃料等。作物秸稈的產(chǎn)量每年就近7億噸,但對這部分生物質(zhì)植物細胞壁能源的利用率非常低。據國家統計局和國家能源局統計,2009年前我國的能源年消耗總量約為31億噸標植物通過(guò)光合作用,利用太陽(yáng)能將二氧化碳和水準煤。并預計今后將以每年約40%的速率增加,因此,成有機化合物,并使之轉化為高分子聚合物來(lái)建造開(kāi)發(fā)利用纖維生物質(zhì)這一資源的新大陸,將對緩解我植物體本身。植物從幼苗開(kāi)始生長(cháng),體積不斷增加,有國能源供需緊張的矛盾產(chǎn)生積極而重要的影響,同時(shí)些最后會(huì )長(cháng)成參天大樹(shù)。植物的生長(cháng)過(guò)程就是植物將也將對低碳經(jīng)濟作出重大貢獻。中國煤化工李來(lái)庚:研究員,中科院上海生命科學(xué)院植物生理生態(tài)研究所,上cNMH豆,由原生質(zhì)體分感Li Laigang: ProfeSsor, Institute of Plant Physiology and Ecology ShanghaiInstitutes for Biological Sciences, CAS, Shanghai 200032.的物質(zhì)構成,支持和保護著(zhù)原生質(zhì)體,并使細胞保持一前沿定的形狀。細胞壁的主要成分是纖維素、半纖維素、果的單糖,而微生物往往只能利用某種特異的單糖或膠和木質(zhì)素,其中纖維素構成細胞的主要框架。纖維素類(lèi)單糖,如六碳糖或五碳糖,因此需要通過(guò)生物工程或是由多個(gè)葡萄糖分子脫水縮合形成的長(cháng)鏈,這些長(cháng)鏈合成生物學(xué)的手段,改造微生物使之能利用多種不同分子形成晶格結構組成微纖絲,微纖絲交織成網(wǎng)狀構的單糖。最后的生產(chǎn)過(guò)程中需要將發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇或成細胞壁的基本骨架。微纖絲再互相纏繞,構成大纖丁醇進(jìn)行濃縮,但利用細胞壁水解物發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇絲,以這種方式聚合而成的纖維素分子,具有非常高的或丁醇濃度低濃縮成本高、耗能大,因此提高發(fā)酵產(chǎn)機械強度和穩定性。植物細胞壁之間還有一種使相鄰物濃度也是一個(gè)需要攻克的難題細胞粘連的無(wú)定形膠質(zhì)果膠,它可被酸堿、果膠酶等總之,現有科學(xué)知識和技術(shù)還不足以使這些大分溶解。細胞在代謝過(guò)程中還會(huì )發(fā)生木質(zhì)化,即通過(guò)產(chǎn)生子物質(zhì)進(jìn)行高效的轉化和有效的利用,需要知識和技木質(zhì)素填充于纖維素的框架內,增強細胞壁的硬度,提術(shù)的創(chuàng )新與突破。2005年美國《科學(xué)》周刊在慶祝其創(chuàng )高植物細胞的支持力。打個(gè)比方,如果把細胞壁看作是刊125周年之時(shí),列出了125個(gè)最具挑戰性的科學(xué)問(wèn)鋼筋混凝土組成的,那么纖維素就是“鋼筋”負責支撐題,植物如何形成細胞壁以及怎樣將其生物質(zhì)轉化為植物的身體,包在鋼筋上起保護作用的“水泥”就是半燃料的問(wèn)題位列其中。纖維素和木質(zhì)素。纖維素和半纖維素占了植物總量的目前世界上很多科學(xué)家就這個(gè)問(wèn)題正在從兩個(gè)方一半以上。面進(jìn)行探索和研究。一方面通過(guò)對植物細胞壁生物質(zhì)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是三種高分子聚合物。合成與積累的研究,認識纖維生物質(zhì)形成及其調控的簡(jiǎn)單地從理論上說(shuō),制造生物質(zhì)液體燃料的過(guò)程,就是機理,設計和培育可高效轉化的新型纖維生物質(zhì)植物。將這些大分子多糖聚合物降解為單糖分子,再將單糖另一方面是對生物質(zhì)的轉化過(guò)程和轉化產(chǎn)品進(jìn)行研分子發(fā)酵轉化為乙醇、丁醇等液體燃料分子。目前對細究,建立具有商業(yè)競爭力的生產(chǎn)技術(shù)。此外,科學(xué)家還胞壁纖維素的認識和實(shí)驗室研究表明,通過(guò)降解纖維努力進(jìn)行多角度、多層面的研究,比如,向自然界的生素生產(chǎn)液體能源是可行的,其轉化過(guò)程包括:生物質(zhì)的物如白蟻學(xué)習高效轉化利用纖維生物質(zhì)的奧秘,通過(guò)預處理,多糖降解為單糖分子,單糖分子發(fā)酵轉化為乙現代合成生物學(xué)研究,利用工程學(xué)原理來(lái)設計、制造新醇、丁醇等液體燃料分子型生物機器或生物體,克服微生物轉化效率低的困難遺憾的是,上述的轉化過(guò)程目前產(chǎn)業(yè)化的成本非在植物細胞壁生物質(zhì)合成與積累的研究方面,經(jīng)常高。預處理過(guò)程主要是使細胞壁結構變得松散斷開(kāi)過(guò)約20年對纖維生物質(zhì)合成的研究,已克隆出控制木纖維素和半纖維素與木質(zhì)素的聯(lián)接,使纖維素分子易質(zhì)素單體合成的一些關(guān)鍵基因其功能也已解析,對木于與酶接觸而被降解。目前使用的預處理方法有稀酸質(zhì)素合成的調控已有較系統的認識。筆者實(shí)驗室對楊處理、堿處理、微波處理、氨爆處理、蒸汽爆破處理等。樹(shù)木質(zhì)素合成進(jìn)行了系統研究,已可運用基因工程手但所有這些技術(shù)成本高、能源消耗大,成為用細胞壁生段改造楊樹(shù)細胞壁的化學(xué)組成及其結構,從而提高細物質(zhì)生產(chǎn)液體燃料的主要瓶頸之一。降解過(guò)程是將細胞壁生物質(zhì)的轉化利用效率。研究表明,通過(guò)轉基因技胞壁中多糖物質(zhì),如纖維素和半纖維素,降解為單糖,術(shù)可將木質(zhì)素含量降低50%而纖維素含量增加25%如葡萄糖、木酮糖等,這一過(guò)程主要采用纖維素酶和一或使木質(zhì)素和纖維素微纖絲的結構發(fā)生變化而易于降些其他寡糖水解酶來(lái)進(jìn)行。其中的難題是降解所需的解。這些改造過(guò)的細胞壁生物質(zhì)不但可提高可利用成分大量酶制劑價(jià)格高、效率低、穩定大纖絲性差,急需研發(fā)胞間層胞壁徵團與生產(chǎn)高效穩定的酶制劑。發(fā)酵葡萄糖分子dd過(guò)程是利用微生物將水解細胞壁生物質(zhì)得到的單糖轉化為乙醇、丁醇等。由于細胞間連絲(細胞通道)中國煤化工胞壁水解產(chǎn)物一CNMHG般含有多種不同植物細胞壁結構示意24|科學(xué)|2011年3月(63卷2期)前沿的比例,還可提高轉化過(guò)程的效率(可達30%以上)。產(chǎn)的液體能源被認為是可替代石油的唯一可再生能在纖維素合成方面,已知纖維素是由位于細胞質(zhì)源。以纖維生物質(zhì)原料生產(chǎn)生物基產(chǎn)品的生物經(jīng)濟也膜上的纖維素合酶復合體合成的,該復合體有非常復正迅速崛起,通過(guò)生物煉制,以生物質(zhì)為源頭幾乎可以雜的結構,纖維素分子的結晶度以及分子聚合的長(cháng)度生產(chǎn)所有的基礎有機化工原料,很多產(chǎn)品已顯現很好均受復合體結構的調控?，F在正探索通過(guò)基因操作來(lái)的經(jīng)濟性。其中一些化學(xué)品已有大規模的生產(chǎn),并在農調控復合體結構,從而控制纖維素形成的結晶度和分用化學(xué)品、精細化學(xué)品、大宗化學(xué)品、藥物及高分子材子長(cháng)度。半纖維素是由多種不同單糖聚合形成的雜合料等領(lǐng)域的工業(yè)化應用中呈快速增長(cháng)趨勢。多糖分子,由很多基因參與其合成過(guò)程,目前很多實(shí)驗國外發(fā)達國家在第二代生物燃料研發(fā)方面進(jìn)展很室希望通過(guò)研究這些基因來(lái)調控半纖維素合成,從而快。以美國為例,美國環(huán)境保護署把第二代生物燃料定改造細胞壁的結構和組成,已有多個(gè)基因被發(fā)現和解位為先進(jìn)生物燃料聯(lián)邦政府投入了大量資金,制定了析。筆者實(shí)驗室發(fā)現的一個(gè)半纖維素基因可調控不同15年的分階段實(shí)施的基礎研究和技術(shù)發(fā)展計劃,建立類(lèi)型半纖維素在細胞壁中的比例,從而影響細胞壁的了多個(gè)生物質(zhì)研究中心,并資助建立了多家纖維素乙性質(zhì)?？傊?通過(guò)對細胞壁形成的研究,借助基因操作醇中試工廠(chǎng)。在細胞壁合成與纖維生物質(zhì)能源植物方實(shí)現對細胞壁合成和性狀的人工調控,使細胞壁生物面已開(kāi)展了大量的系統和全面的研究,希望通過(guò)對細質(zhì)得以高效轉化利用,已顯示出良好的應用前景胞壁合成機理的認識,突破細胞壁不易降解的屏障。在另一方面是對生物質(zhì)的轉化過(guò)程和轉化產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)方面,計劃到2022年利用纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇研究,建立具有商業(yè)競爭力的生產(chǎn)技術(shù)的產(chǎn)量達160億加侖,屆時(shí)生物燃料將替代20%的交在生物質(zhì)轉化過(guò)程和轉化技術(shù)方面,通過(guò)改進(jìn)生通用液體能源。據預測,到2020年美國生物燃料的銷(xiāo)產(chǎn)技術(shù),纖維素降解酶的生產(chǎn)成本目前已有大幅下售收入將從2010年的760億增加到2470億美元,并如降解酶主要生產(chǎn)廠(chǎng)家之一的 Novozymes公司首先把帶來(lái)約80萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位。降解纖維素的工業(yè)用酶價(jià)格降低了90%。功能基因組隨著(zhù)經(jīng)濟的快速發(fā)展,中國對石油的需求也高速研究的成果推動(dòng)了一系列高效率、耐高溫的新酶系的增長(cháng)。據海關(guān)總署公布的數據,我國2009年全年進(jìn)口產(chǎn)生,創(chuàng )制了能同時(shí)轉化五碳糖和六碳糖為燃料分子原油超過(guò)2億噸,對外依存度達52%,超過(guò)50%的“國的酵母發(fā)酵菌株。雖然這些新進(jìn)展目前還處于實(shí)驗室際警戒線(xiàn)”,2010年更是進(jìn)一步增加。已頒布的《可再或中試階段,但已顯示出巨大的應用潛力。在液體燃料生能源中長(cháng)期發(fā)展規劃》中明確提出,到2010年增加產(chǎn)業(yè)化方面,加拿大 logen公司最早建立了纖維素乙非糧原料燃料乙醇年利用量200萬(wàn)噸,生物柴油年利醇生產(chǎn)試驗工廠(chǎng),利用麥稈生產(chǎn)乙醇,該工廠(chǎng)已運行6用量達20萬(wàn)噸,到2020年生物燃料乙醇年利用量將年,年生產(chǎn)纖維素乙醇50萬(wàn)升左右。美國已進(jìn)行生產(chǎn)達1000萬(wàn)噸,生物柴油年利用量達200萬(wàn)噸,總計年或正在建設的纖維素乙醇工廠(chǎng)已達14家,遍布美國替代成品油約1000萬(wàn)噸。11個(gè)州,主要以麥稈、玉米稈、柳枝稷、速生木材片等我國在細胞壁纖維生物質(zhì)資源研究與利用方面尚為原料。但如何提高效率、降低成本,仍是纖維寰乙醇處于起步階段。國家科技部在“973計劃”和“863計劃”生產(chǎn)所要攻克的技術(shù)難題。方面,對纖維生物質(zhì)轉化利用已有專(zhuān)門(mén)立項。中國科學(xué)纖維生物質(zhì)與生物經(jīng)濟院也組織了纖維素乙醇高溫煉制重大研究項目。能源植物方面已有多個(gè)實(shí)驗室開(kāi)展可高效轉化纖維生物質(zhì)生物經(jīng)濟是利用生物資源,通過(guò)生物技術(shù)手段進(jìn)植物的研究。根據我國纖維生物質(zhì)資源的特點(diǎn)和技術(shù)行生產(chǎn)的一種新型經(jīng)濟,是具有理想特征的低碳經(jīng)濟,潛在優(yōu)勢,國家持續的政策支持、系統深入的研究、產(chǎn)也是環(huán)境友好的可持續發(fā)展模式。特別是隨贛對全球研結合,將是發(fā)展我國纖維生物質(zhì)開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵。環(huán)境和氣候問(wèn)題的日益關(guān)注,碳排放已成為網(wǎng)際外交和政治逐力的重要領(lǐng)域,利用纖維生物質(zhì)資源、發(fā)展零 Field C B, Behrenfeld M J, Randerson JT,etd. Primary production of the碳或低碳的生物經(jīng)濟具有重要意義。近年來(lái),生物經(jīng)濟biosphere: integrating terrestrial and oceanic components. Science, 199881:237-240正以每年25%~30%的速率增長(cháng),預計到2020年其規(2Km模將達到5萬(wàn)億美元,屆時(shí)將超過(guò)以信息技術(shù)為基礎 dy D, Norman C.Somuchmore toknow Sciene:20307102中國煤化工and future. philo Tran R的信息經(jīng)濟,成為世界上最強大的經(jīng)濟類(lèi)型。而纖維生4 Som物質(zhì)利用將是生物經(jīng)濟中的一個(gè)重要領(lǐng)域,纖維生物(5]E金YHCN Since, 2006,312:1277質(zhì)是地球上最豐富的可再生資源,利用纖維生物質(zhì)生關(guān)健詞:植物如胞壁纖維生物質(zhì)古成贛化口www.kexucmag.com|科學(xué)|25