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摘要能源牧草作为生物能源原料,因其易获得、生产力高、储量丰富等特点日益受到各国的重视。美国在能源牧草领域研究水平一直处于世界领先地位,而我国的研究则相对滞后。通过对美国能源牧草战略地位、前沿技术、研究体系、生产现状调查,分析了我国能源牧草研究和开发的差距,并提出了我国能源牧草学科发展的具体建议。
关键词能源牧草;美国;发展;启示
中图分类号S54文献标识码A文章编号0517-6611(2015)06-168-03
“能源牧草”概念的提出意在强调牧草可作为生物能源原料,同时将能源牧草定位为一种“多功效、多用途作物”[1]。牧草是一种易获得、生产力高、储量丰富的木质纤维素生物质,作为转化燃料乙醇的原料潜力巨大[2]。
种植能源牧草短时间内能够获得最大产量,随后每年都产生可观收益,在无需求时可非常灵活地调整或停止生产。尤其是可以生长在荒滩、盐碱地等边际生境,可以控制土壤侵蚀,提高生物多样性,具有良好的环境效应[3-4]。与木本植物相比,牧草更便于管理,利用其生产生物能源比天然牧场或耕种作物的传统土地利用方式更具有提升生态价值的意义。
作为生产生物燃料原料,能源牧草研究和开发一直得到美国政府的高度重视,其研究水平也一直处于世界领先地位,而我国在能源牧草的研究与开发起步较晚,与美国存在诸多的不足和差距。笔者通过对美国能源牧草战略地位、前沿技术、研究体系、生产现状调查,分析了我国能源牧草研究和开发差距和潜力,提出了我国能源牧草学科发展的具体建议,以期为我国能源牧草今后的发展提供理论参考。
1美国能源牧草的发展现状
1.1能源牧草在美国的战略地位美国是生物质燃料生产和使用的引领者。2011年,美国生产了5.0×1010 L燃料乙醇,占世界总生产量的一半以上。2012年,美国能源部发布的《2012能源展望》报告指出,到2035年生物质能源产量将由2010年的40.5万桶增加到2035年的96.8万桶,增量超过100%,液体生物质燃料在燃料总消费中所占的比例从2010年的1%上升至4%[5]。
美国通过立法、制定路线图及研发计划和项目布局,对能源植物研究进行了周密部署。在法律层面先后出台了《生物质研究法》、《能源独立与安全法》等,将能源植物研究纳入了管理体系并部署了投资方案[6-7]。在这些法案的指导下美国能源部和农业部为主独立或联合发布了多个路线图,制定了能源植物研究目标和研究重点并通过各法案的资助布设了许多能源植物研究项目,开展能源植物基础和可持续性研究。
1.2美国能源牧草研究进展美国在生物质生产燃料的生物能源计划中确定了生产纤维素类物质潜力大的34种草本植物和125种木本植物[8]。在多年生草本木质纤维素作物中,研究最多的是禾本科根茎类植物,其中柳枝稷、草芦、芦竹等是较为理想的能源牧草[9]。
柳枝稷(Panicum virgatum)的研究和利用现状反映了美国能源牧草研究的最新成就。20世纪90年代,美国能源部就开始尝试将柳枝稷作为生物能源作物进行研究,并将其确定为研究能源牧草的模式植物[10-11]。与传统垄作物相比,柳枝稷不需要年年种植,成本低,且生长迅速,生产力高,根系发达,耐瘠薄、洪涝和干旱,与现有传统农业和畜牧业竞争很小。作为能源牧草,其细胞壁可被消化为糖类并随之发酵生产燃料乙醇,产量约500 L/hm2。
通过基因工程手段进行细胞壁设计制取生物燃料是当前能源牧草研究的最新技术。植物中的木质素结构阻碍了纤维素的转化,导致转化为液体燃料的成本大幅度增加,成本为玉米乙醇的2~3倍。美国的科学家已经设计出木质素更容易降解的植物。转化后的木质素在弱碱性环境下很容易被降解,且被修饰过的植物做饲料时更容易被消化,有利于节约粮食类饲料。细胞壁设计已成为能源牧草研究的热门领域并显示出良好的发展潜力[12-14]。
与种植粮食作物不同,种植能源牧草的目的是获取较高的纤维素(多糖)产量,功能基因组学研究已经在纤维素、半纤维素合成方面取得了突破性进展。今后研究方向包括:①集中在细胞壁多糖合成过程和含量增加的基因设计上;②增加整体的生物质产量,主要包括植物生长调控机理、碳源调控、养分利用等方面。
1.3美国能源牧草的主要研究机构能源牧草的研究一直被纳入美国国家层面研究体系,由政府直接管理和扶持。美国环境署、能源部和农业部3个部门为相关研究机构提供政策和资金保障,引领行业发展。
1.3.1美国国家植物资源系统(The National Plant Germplasm System,NPGS)。美国国家植物资源系统是保存、收集、整理和评价品种资源的重要机构。柳枝稷作为重要的能源植物,其种质保存在乔治亚格里芬植物遗传资源保存中心,收集了来自全美21个州的181份资源。
1.3.2美国能源部所属研究中心。作为制定国家能源战略的机构,在生物燃料方面设置了三大研究中心,包括几十所大学和研究机构。作为研发资金的资助者,既保证了充足的研究经费,又有利于研究方向和国家战略需求统一。
(1)生物能源科学中心(The BioEnergy Science Center,BESC)。该中心以柳枝稷和杨树为目标植物,通过分子生物学手段设计细胞壁快速降解的植物品种以及生物质转化过程中的结构和成分限制因子,开发新的转化工艺和复合酶系,提高转化生物燃料的效率。
(2)大湖生物能源研究中心(The Great Lakes Bioenergy Research Center,GLBRC)。主要研究包括农业废弃物、木片和能源牧草等原料转化为液体生物燃料,此外该中心还与农业研究机构合作开发经济上可行、环境友好的生物能源生产技术。
(3)联合生物能源研究所(The Joint BioEnergy Institute,JBI)。在对纤维素基因和酶水平充分理解的基础上,开发了发酵糖容易降解的专门能源植物以及新型预处理溶剂有效地将生物质降解为多糖,同时分离木质素。 1.3.3私营公司。
(1)克瑞斯公司。该公司掌控了1 000多个影响植物生物质相关基因,并已形成了世界上最大的能源作物试验示范网络,主要销售柳枝稷、甜高粱、芒草和高生物质甘蔗能源作物种子。同时,开发了用于生产纤维素生物燃料的定制植物变种和酶混合剂。
(2)Metabolix 公司。主要从事生物基再生塑料、生物电池、生物精炼技术研究与开发。该公司利用柳枝稷的叶片生产了“数量巨大”的生物塑料产品——聚羟基脂肪酸酯(PHA),形成了一套通过混合许多天然关系紧密的物质的基因生产塑料的程序。
2我国能源牧草发展的现状
在我国,主要是以玉米为原料,同时正积极开发甜高粱、薯类、秸秆等其他原料生产乙醇[15-17]。纤维素类原料主要是作物秸秆和废木材等,对能源牧草研究较少。随着《中华人民共和国可再生能源法》、《可再生能源产业发展指导目录》、《可再生能源发展“十一五”规划》等政策法规的陆续出台,我国能源牧草的研究也得到了快速发展[18]。李建龙教授开展了利用草本芦竹生产燃料乙醇的研究[19];徐宁等利用芒草为材料,分析了细胞壁成分变化及其影响[20];王晓娟等利用柳枝稷探索了制备燃料乙醇预处理新技术,100 g柳枝稷可获得12 g燃料乙醇[21];另外,许多机构也针对不同的地域条件对能源牧草的种植与开发进行了评估[22-24]。然而,与美国相比,我国能源牧草研究起步晚,发展相对滞后,主要存在以下方面差距和不足:①国家政策支持和资金投入方面。以能源牧草为主要原料生产生物质液体燃料一直是美国实施能源战略的重要举措。美国学者萨莫维尔甚至将美国生物能源战略提升至新世纪的“曼哈顿计划”。最近,美国农业部、能源部与美国海军合作,计划在未来3年中共同投资5.1亿美元研发先进的生物燃料。但是,我国在此方面政策和资金投入均存在较大差异。②研究体系和架构方面。美国在国家层面由能源部、农业部和环境署牵头,几乎整合了全美所有生物质能源学科相关优势科研资源,分工合作,开展系统研究,科研体系完备。这不仅最大限度地提升了科研效率,同时从体制上避免了科研设施和人才资源浪费。与美国相比,尽管我国也成立了生物质液体燃料产业技术创新联盟,但研究体系无论是规模上还是组织化程度都相去甚远。③能源牧草学科建设方面。我国目前生物能源研究的主要力量集中在植物能源转化方面,忽视了能源植物这一生物能源转化的物质基础研究。现阶段,我国生物能源研究人员缺乏,人才队伍建设与欧美相比差距还是很大。
3我国能源牧草发展的对策
我国幅员辽阔,地域跨度大,能源牧草种类丰富,而且能源牧草适应性强。我国南方约有0.2×108 hm2 荒山荒坡,北方有1×108 hm2 盐碱地,利用荒山荒坡和盐碱地、荒滩、沙地种植能源牧草既能充分利用边际土地,又可提供大量的生产原料,改善生态环境、增加农民收入。柳枝稷在我国大部分地区均适合生长,在水土流失严重的黄土高原地区还能够显著改变当地的生态环境。在我国,能源牧草蕴藏着巨大的发展潜力。为此,应明确未来的方向,以加快我国能源牧草发展的步伐。
3.1因地制宜的制定能源牧草发展战略我国幅员辽阔,能源牧草资源丰富,应因地制宜的对不同区域进行分析评价,结合“三农”、“三牧”以及环境等问题,制定合理有效的开发途径和技术方法,加强政策引导和资金扶持,最大效能地发挥能源牧草在农业、牧业、能源建设和环境保护功能。
3.2科研团队的建设,提升研究水平借鉴美国能源牧草研究的科研体系,整合科研资源,分工合作,开展系统研究,避免科研设施和人才的浪费,提高科研效率。在研究中,注重夯实科研基础,科学发展。加强对能源牧草的抗性研究,培育优质、高产、高效、多用途的能源牧草新品种,改进能源牧草的抗寒、抗旱和耐盐碱能力,提高其对环境的适应性。
3.3加强对外交流与合作美国、欧洲等国家的能源牧草研究起步早、发展快,组织化、产业化程度高。因此,应加强与先进国家的交流与合作,可以有针对性地选派国内高水平大学及研究机构的学生、科研人员通过留学、学术访问等方式建立合作关系。同时,吸引美国生物质能领域高层次人才回国或来华创新、创业。
参考文献
[1] 程序.能源牧草堪当未来生物能源大任[J].园艺,2013(1):27-29.
[2] LANG A,KOPETZ H,PARKER A.Australia:biomass energy holds big promise [J].Nature,2012,488:590-591.
[3] 余醉,李建龙,李高扬.利用多年生牧草生产燃料乙醇前景[J].草业科学,2009,26(9):62-68.
[4] 孔祥永.奥巴马政府能源政策调整的成效与影响[J].现代国际关系,2013(1):41-46.
[5] 朱守先.低碳草业发展模式探析[J].生态经济,2014,30(10):70-72.
[6] 付庆云,兰月.美国能源政策转向影响美国和世界能源走势[J].国土资源情报,2008(6):27-30.
[7] 朱凯.美国能源独立的构想与努力及其启示[J].国际石油经济,2011(10):34-47.
[8] MIECHAEL D.Developing the bioenergy industry[J].Biocycle international,2004,4:75-78.
[9] LEWANDOWSKI I,SCURLOCK JMO,LINDVALL E,et al.The development and current status of Perennial rhizomatous grasses as energy crops in the US and Europe [J].Biomass Bioenergy,2003,25 (4):355-361. [10] VOGEL K P,SCHMER M R,MITCHELL R B.Plant adaptation regions:ecological and clmiatic classification of plant materials[J].Rangeland Ecology and Management,2005,58:315-319.
[11] MOSER L E,VOGEL K P.Switchgrass,big bluestem,and indiangrass[M]//BARNES R F.Forages:An introduction to grassland agriculture Vo.l5th.Ames:Iowa State Press,1995:409-420.
[12] HIMMEL M E,DING S Y,JOHNSON D K,et.al.Biomass recalcitrance:engineering plants and enzymes for biofuels production [J].Science,2007,315:804-807.
[13] STICKLEN M B.Plant genetic engineering for biofuel production:towards affordable cellulosic ethanol [J].Nat Rev Genet,2008,9:433-443.
[14] PRINS M J,PTASINSKI K J,JANSSSEN F G.Exergetic optimization of a production process of Fischer-Tropsch fuels from biomass [J].Fuel Process Technol,2004,86:375-389.
[15] 王莉衡.能源植物的研究与开发利用[J].化学与生物工程,2010,27(4):6-8.
[16] 陈英明,肖波,常杰.能源植物的资源开发与应用[J].氨基酸和生物资源,2005,27(4):1-5.
[17] ABDERRAHIM B.Pilot plant studies of biodiesel production using Brassica carinataas raw material[J].Catalysis Today,2005,106(4):193-196.
[18] 谭芙蓉,吴波,代立春,等.纤维素类草本能源植物的研究现状[J].应用与环境生物学报,2014,20(1):162-168.
[19] 余醉,李高杨,李建龙,等.不同预处理对草本芦竹生产燃料乙醇糖化效果比较[J].贵州农业科学,2008,36(6):117-119.
[20] 徐宁.能源植物细胞壁结构与碱处理降解转化关系的研究[D].武汉:华中农业大学,2011.
[21] 王晓娟.生物质制备燃料乙醇预处理新技术研究[D].大连:大连理工大学,2011.
[22] 田兵,冉雪琴,薛红,等.贵州42种野生牧草营养价值灰色关联度分析[J].草业学报,2014,23(1):92-103.
[23] 徐俊华.荒漠草原豆科与禾本科牧草光合特性及产量研究[J].广东农业科学,2014(13):17-23.
[24] 龙会英,张德,史亮涛,等.元谋干热谷优良牧草的利用现状与前景[J].热带农业科学,2014,34(7):46-50.
关键词能源牧草;美国;发展;启示
中图分类号S54文献标识码A文章编号0517-6611(2015)06-168-03
“能源牧草”概念的提出意在强调牧草可作为生物能源原料,同时将能源牧草定位为一种“多功效、多用途作物”[1]。牧草是一种易获得、生产力高、储量丰富的木质纤维素生物质,作为转化燃料乙醇的原料潜力巨大[2]。
种植能源牧草短时间内能够获得最大产量,随后每年都产生可观收益,在无需求时可非常灵活地调整或停止生产。尤其是可以生长在荒滩、盐碱地等边际生境,可以控制土壤侵蚀,提高生物多样性,具有良好的环境效应[3-4]。与木本植物相比,牧草更便于管理,利用其生产生物能源比天然牧场或耕种作物的传统土地利用方式更具有提升生态价值的意义。
作为生产生物燃料原料,能源牧草研究和开发一直得到美国政府的高度重视,其研究水平也一直处于世界领先地位,而我国在能源牧草的研究与开发起步较晚,与美国存在诸多的不足和差距。笔者通过对美国能源牧草战略地位、前沿技术、研究体系、生产现状调查,分析了我国能源牧草研究和开发差距和潜力,提出了我国能源牧草学科发展的具体建议,以期为我国能源牧草今后的发展提供理论参考。
1美国能源牧草的发展现状
1.1能源牧草在美国的战略地位美国是生物质燃料生产和使用的引领者。2011年,美国生产了5.0×1010 L燃料乙醇,占世界总生产量的一半以上。2012年,美国能源部发布的《2012能源展望》报告指出,到2035年生物质能源产量将由2010年的40.5万桶增加到2035年的96.8万桶,增量超过100%,液体生物质燃料在燃料总消费中所占的比例从2010年的1%上升至4%[5]。
美国通过立法、制定路线图及研发计划和项目布局,对能源植物研究进行了周密部署。在法律层面先后出台了《生物质研究法》、《能源独立与安全法》等,将能源植物研究纳入了管理体系并部署了投资方案[6-7]。在这些法案的指导下美国能源部和农业部为主独立或联合发布了多个路线图,制定了能源植物研究目标和研究重点并通过各法案的资助布设了许多能源植物研究项目,开展能源植物基础和可持续性研究。
1.2美国能源牧草研究进展美国在生物质生产燃料的生物能源计划中确定了生产纤维素类物质潜力大的34种草本植物和125种木本植物[8]。在多年生草本木质纤维素作物中,研究最多的是禾本科根茎类植物,其中柳枝稷、草芦、芦竹等是较为理想的能源牧草[9]。
柳枝稷(Panicum virgatum)的研究和利用现状反映了美国能源牧草研究的最新成就。20世纪90年代,美国能源部就开始尝试将柳枝稷作为生物能源作物进行研究,并将其确定为研究能源牧草的模式植物[10-11]。与传统垄作物相比,柳枝稷不需要年年种植,成本低,且生长迅速,生产力高,根系发达,耐瘠薄、洪涝和干旱,与现有传统农业和畜牧业竞争很小。作为能源牧草,其细胞壁可被消化为糖类并随之发酵生产燃料乙醇,产量约500 L/hm2。
通过基因工程手段进行细胞壁设计制取生物燃料是当前能源牧草研究的最新技术。植物中的木质素结构阻碍了纤维素的转化,导致转化为液体燃料的成本大幅度增加,成本为玉米乙醇的2~3倍。美国的科学家已经设计出木质素更容易降解的植物。转化后的木质素在弱碱性环境下很容易被降解,且被修饰过的植物做饲料时更容易被消化,有利于节约粮食类饲料。细胞壁设计已成为能源牧草研究的热门领域并显示出良好的发展潜力[12-14]。
与种植粮食作物不同,种植能源牧草的目的是获取较高的纤维素(多糖)产量,功能基因组学研究已经在纤维素、半纤维素合成方面取得了突破性进展。今后研究方向包括:①集中在细胞壁多糖合成过程和含量增加的基因设计上;②增加整体的生物质产量,主要包括植物生长调控机理、碳源调控、养分利用等方面。
1.3美国能源牧草的主要研究机构能源牧草的研究一直被纳入美国国家层面研究体系,由政府直接管理和扶持。美国环境署、能源部和农业部3个部门为相关研究机构提供政策和资金保障,引领行业发展。
1.3.1美国国家植物资源系统(The National Plant Germplasm System,NPGS)。美国国家植物资源系统是保存、收集、整理和评价品种资源的重要机构。柳枝稷作为重要的能源植物,其种质保存在乔治亚格里芬植物遗传资源保存中心,收集了来自全美21个州的181份资源。
1.3.2美国能源部所属研究中心。作为制定国家能源战略的机构,在生物燃料方面设置了三大研究中心,包括几十所大学和研究机构。作为研发资金的资助者,既保证了充足的研究经费,又有利于研究方向和国家战略需求统一。
(1)生物能源科学中心(The BioEnergy Science Center,BESC)。该中心以柳枝稷和杨树为目标植物,通过分子生物学手段设计细胞壁快速降解的植物品种以及生物质转化过程中的结构和成分限制因子,开发新的转化工艺和复合酶系,提高转化生物燃料的效率。
(2)大湖生物能源研究中心(The Great Lakes Bioenergy Research Center,GLBRC)。主要研究包括农业废弃物、木片和能源牧草等原料转化为液体生物燃料,此外该中心还与农业研究机构合作开发经济上可行、环境友好的生物能源生产技术。
(3)联合生物能源研究所(The Joint BioEnergy Institute,JBI)。在对纤维素基因和酶水平充分理解的基础上,开发了发酵糖容易降解的专门能源植物以及新型预处理溶剂有效地将生物质降解为多糖,同时分离木质素。 1.3.3私营公司。
(1)克瑞斯公司。该公司掌控了1 000多个影响植物生物质相关基因,并已形成了世界上最大的能源作物试验示范网络,主要销售柳枝稷、甜高粱、芒草和高生物质甘蔗能源作物种子。同时,开发了用于生产纤维素生物燃料的定制植物变种和酶混合剂。
(2)Metabolix 公司。主要从事生物基再生塑料、生物电池、生物精炼技术研究与开发。该公司利用柳枝稷的叶片生产了“数量巨大”的生物塑料产品——聚羟基脂肪酸酯(PHA),形成了一套通过混合许多天然关系紧密的物质的基因生产塑料的程序。
2我国能源牧草发展的现状
在我国,主要是以玉米为原料,同时正积极开发甜高粱、薯类、秸秆等其他原料生产乙醇[15-17]。纤维素类原料主要是作物秸秆和废木材等,对能源牧草研究较少。随着《中华人民共和国可再生能源法》、《可再生能源产业发展指导目录》、《可再生能源发展“十一五”规划》等政策法规的陆续出台,我国能源牧草的研究也得到了快速发展[18]。李建龙教授开展了利用草本芦竹生产燃料乙醇的研究[19];徐宁等利用芒草为材料,分析了细胞壁成分变化及其影响[20];王晓娟等利用柳枝稷探索了制备燃料乙醇预处理新技术,100 g柳枝稷可获得12 g燃料乙醇[21];另外,许多机构也针对不同的地域条件对能源牧草的种植与开发进行了评估[22-24]。然而,与美国相比,我国能源牧草研究起步晚,发展相对滞后,主要存在以下方面差距和不足:①国家政策支持和资金投入方面。以能源牧草为主要原料生产生物质液体燃料一直是美国实施能源战略的重要举措。美国学者萨莫维尔甚至将美国生物能源战略提升至新世纪的“曼哈顿计划”。最近,美国农业部、能源部与美国海军合作,计划在未来3年中共同投资5.1亿美元研发先进的生物燃料。但是,我国在此方面政策和资金投入均存在较大差异。②研究体系和架构方面。美国在国家层面由能源部、农业部和环境署牵头,几乎整合了全美所有生物质能源学科相关优势科研资源,分工合作,开展系统研究,科研体系完备。这不仅最大限度地提升了科研效率,同时从体制上避免了科研设施和人才资源浪费。与美国相比,尽管我国也成立了生物质液体燃料产业技术创新联盟,但研究体系无论是规模上还是组织化程度都相去甚远。③能源牧草学科建设方面。我国目前生物能源研究的主要力量集中在植物能源转化方面,忽视了能源植物这一生物能源转化的物质基础研究。现阶段,我国生物能源研究人员缺乏,人才队伍建设与欧美相比差距还是很大。
3我国能源牧草发展的对策
我国幅员辽阔,地域跨度大,能源牧草种类丰富,而且能源牧草适应性强。我国南方约有0.2×108 hm2 荒山荒坡,北方有1×108 hm2 盐碱地,利用荒山荒坡和盐碱地、荒滩、沙地种植能源牧草既能充分利用边际土地,又可提供大量的生产原料,改善生态环境、增加农民收入。柳枝稷在我国大部分地区均适合生长,在水土流失严重的黄土高原地区还能够显著改变当地的生态环境。在我国,能源牧草蕴藏着巨大的发展潜力。为此,应明确未来的方向,以加快我国能源牧草发展的步伐。
3.1因地制宜的制定能源牧草发展战略我国幅员辽阔,能源牧草资源丰富,应因地制宜的对不同区域进行分析评价,结合“三农”、“三牧”以及环境等问题,制定合理有效的开发途径和技术方法,加强政策引导和资金扶持,最大效能地发挥能源牧草在农业、牧业、能源建设和环境保护功能。
3.2科研团队的建设,提升研究水平借鉴美国能源牧草研究的科研体系,整合科研资源,分工合作,开展系统研究,避免科研设施和人才的浪费,提高科研效率。在研究中,注重夯实科研基础,科学发展。加强对能源牧草的抗性研究,培育优质、高产、高效、多用途的能源牧草新品种,改进能源牧草的抗寒、抗旱和耐盐碱能力,提高其对环境的适应性。
3.3加强对外交流与合作美国、欧洲等国家的能源牧草研究起步早、发展快,组织化、产业化程度高。因此,应加强与先进国家的交流与合作,可以有针对性地选派国内高水平大学及研究机构的学生、科研人员通过留学、学术访问等方式建立合作关系。同时,吸引美国生物质能领域高层次人才回国或来华创新、创业。
参考文献
[1] 程序.能源牧草堪当未来生物能源大任[J].园艺,2013(1):27-29.
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