孙建中:向白蚁学习制造“生物反应器”

2010-12-10 09:16 来源: 科学时报
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  能源短缺和环境污染,是当前人类面临的重大挑战。生物质资源在解决这两个问题方面潜力巨大。然而,生物质的高效、经济转化问题“久攻不克”,已成当前困扰国际科学界和产业界的公认难题。

  江苏大学特聘教授孙建中认为,以白蚁为代表的肠道消化系统是世界上最小,但又非常高效的“生物反应器”,对木质纤维素具有超凡的转化利用能力,整合多学科力量研究和探索以白蚁为代表的自然界生物高效转化系统的仿生理论和技术途径,有可能帮助我们解决困扰多年的生物质高效转化中的相关基础理论和关键核心技术。

  孙建中是美国路易斯安那州立大学博士,昆虫与生物质能源专家,是国际上将白蚁对木质纤维素的高效降解特性引入生物质能源研究领域的少数前沿科学家之一。

  据孙建中介绍,木质纤维素是各种植物的主要组成部分,通俗地讲就是“骨架”,主要由纤维素、半纤维素和木质素3部分组成,每年的产量可达2×1012~5×1012吨,是地球上最为丰富的可再生资源。然而,经过亿万年的进化,大自然将植物细胞壁做成了一个“耐压”和“防病”的几乎完美的结构,“木质纤维素中的多糖部分被木质素紧紧地包裹着,从而有效抵御外界生物、物理和化学的攻击,避免被迅速分解”。

  目前,生物质转化利用有两个主要技术平台:热化学转化平台,生物转化平台。其中,热化学转化平台因其高能耗、工艺与技术不成熟,离经济性规模化利用仍有不小距离。生物转化平台的一个关键步骤,是利用纤维素酶将纤维素分解成可用来发酵的葡萄糖单糖,但目前国内外大多数的生物平台都没离开热化学的预处理过程,都要用酸、碱或高温高压等极端的物理化学方法,其结果不仅投入增加、设备要求高,对环境也不友好,其低转化效率和高成本的致命缺陷难以在短期内取得突破。“提高生物质的转化效率,降低整个工艺的生产成本,这是当前生物质产业化利用亟待解决的关键问题。”孙建中指出。

  在地球上的各类生物系统中,尽管许多微生物(如细菌、真菌)可以对生物原料进行缓慢的生物降解和转化,但能高效转化和利用木质纤维素的自然生物系统却非常少见。

  “白蚁经过2.5亿年的长期进化和演变,其独特的生物系统对木质纤维素具有超凡的高效转化能力。”孙建中说,“在常温常压下,白蚁能够在24小时内转化生物质中90%以上的纤维素、20%左右的木质素和大部分的半纤维素。这是目前任何技术都达不到的。”

  据介绍,白蚁分布面积广(占陆地面积68%)、规模大(总重量是人类体重之和的10倍,达到12亿吨),每年转化约130亿吨以上的木质纤维素,占全球生物质年产量的10%~15%。

  “白蚁对木质纤维素惊人的高效转化能力,在攻克生物质利用的关键技术和理论方面具有极大的科学借鉴价值。”据孙建中说,我国拥有非常丰富的白蚁生物资源,近500种不同的白蚁中很多是世界上独有、高效利用生物质的模式转化系统。

  当前,研究和利用白蚁木质纤维素转化的高效生物系统已成为国际新的交叉科学前沿。目前,美国的国家能源部、华盛顿州立大学以及德国、日本的相关单位,我国的江苏大学、浙江大学、中科院上海生命科学研究院等都相继开展了一些探索性研究。江苏大学、中科院天津工业生物技术研究所与美国华盛顿州立大学进行了白蚁对木质纤维素“预处理机制”研究方面的合作,初步的研究结果证明,白蚁对生物质高效转化利用的“特异功能”,在于其自身进化形成了一个对付植物细胞壁复杂结构的独特系统,其肠道及共生微生物所产生的各种木质纤维素酶,在生物质转化为糖类的过程中均分别扮演了重要角色,且彼此“协调作战”,持续不断。

  “我们必须完整、系统地认识这一生物转化的过程。”孙建中强调,“生物质的规模化开发利用,必须基于理论和方法在高效生物转化这一核心过程上实现重大突破。”

  孙建中介绍,当前国内外的多数研究,不是基于系统仿生的原理,仅希望从某些消化木质纤维素的昆虫肠道中获得一些催化资源或一些微生物菌系,仅靠追逐单一酶或酶系的高活性,或几个微生物的基因改造,很难实现以白蚁为代表的自然生物系统中的生物质的高效转化。“因为在很多情况下,自然生物转化系统的协调整合机制和特定的理化微环境往往起着重要的甚至决定性的影响”。因此,模拟自然生物系统实现生物质高效转化,需要从系统生物学的角度,全面研究和解析生物质的完整降解和转化机制及其相关的各项理化因素。

  “这是一个以高端的顶层设计、多学科交叉为技术战略的新的学科前沿,旨在为解决生物质经济高效转化开辟一个全新路径。这是一个非常复杂的系统工程,需要不同学科的全面协作、相互交叉。”孙建中说。