尽管以草、藻类等为原料的生物燃料正在向商品化规模发展，用以替代矿物燃料，但生物燃料的最终来源是经基因工程设计的微生物；而在这一领域取得成功的国家，必将成为下一个能源时代的赢家，并最终引发一场新的工业革命
美国人每年要烧掉1400亿加仑汽油，加之不断增加的运能，即使全部换成节能型运输工具，在未来20年内，美国的燃料需求预计在上述基础上增加五分之一。这也是为什么包括总统奥巴马在内的一些决策者，除了重视发展太阳能、风能和地热能之外，还大力提倡开发生物燃料的原因。
替代玉米的新设想
目前，美国的一些高科技实验室正在尝试从低等生命形式中开发汽油替代品，如酵母、藻类和细菌。尽管这些燃料在燃烧时会排放少量二氧化碳，但在生产过程中却会从大气中吸收同等量的二氧化碳。所以从根本上来看，可以起到“碳中和”的效果。
BP与erenium成立合资企业，开发新一代生物燃料
如果新一代生物燃料开发成功，这些新型的石油替代品将真正由美国自己生产，而不是来自中东。目前面临的挑战是如何经济地开发这类燃料，并适用于今天的车辆。
如今，达到商业化规模的生物燃料主要是源自玉米的乙醇。在美国出售的汽油中，40％以上都含有乙醇，通常以一定的比例和汽油混合在一起，比如E10代表由90％的汽油和10％的乙醇组合。特别在美国中西部地区，汽车用的燃料大部分含有85％的乙醇(E85)。
作为生物燃料，玉米一直是首选原料，不仅其生产工艺被证明可行，而且还得到了政府的补贴。然而大多数科学家认为，乙醇燃料并没有人们想象的那么好。根据康奈尔大学戴维·皮门特尔(David Pimentel)最近公布的一项研究表明，每生产一加仑乙醇需用21磅玉米，而种植21磅玉米则需耗费半加仑矿物燃料。
从长远看，用玉米生产生物燃料还会与民争粮，而且生产工艺太过低效而无法满足需求。大多数科学家认为，现在该是放弃玉米改用其他植物生产生物燃料的时候了。至于用何种植物替代玉米，却有两种不同的版本。
加州大学伯克利分校的化学工程师杰伊·凯斯林(Jay Keasling)认为，可以利用柳枝稷等植物生产乙醇生物燃料，这类植物具有生长迅速、抗病虫害能力强等特点。对于他来说，最大的挑战是如何让酵母和其他实验微生物将植物全部分解掉，包括茎秆在内。另外，鉴于植物生长需要大量的空间和时间，我们对以植物为燃料的生物燃料的需求可能会超过我们的生产能力，这是一个需要攻克的难点。
这也是为什么包括生物学家克雷格·文特尔(Craig Venter)在内的科学家提出了第二种大胆的设想，他认为，开发生物燃料应该绕过农作物这一环节，而依赖于藻类或一些通过光合作用直接把阳光转化为能量的微生物。但该设想是否可行，目前还未得到证实。
不管采用何种方法，科学家的最终目标是开发出一种全新的生物燃料，或者设计出一种新的微生物品种。目前，数十家企业正在用新开发出的酵母菌株、细菌菌株和藻类研制生物燃料，其中一些公司承诺，将在2011年前生产出可以直接取代汽油或柴油的生物燃料。
尽管这些生物燃料在初期阶段可能与汽油或柴油混合的方式出现，就像E10到E85一样，但终有一天，我们将可以完全使用生物燃料，永远告别以石油为原料的矿物燃料时代。
用微生物创造奇迹
凯斯林自1992年加盟加州大学伯克利分校以来，已经通过基因工程技术生产出了疟疾药物和生物降解塑料，使得一系列污染物能够自行分解。他认为，微生物是一座完美的小型工厂，通过遗传基因工程技术，它们几乎可以进行任何的化学反应，同时还能自我复制。“我想看看我们能在多大程度上改变细胞并挑战大自然的极限。”
现在，凯斯林又将他的兴趣转移到了新能源开发上。从2008年12月开始，他在总部设在加州埃默里维尔的联合生物能源研究所(3个新能源研究中心之一)对一种普通的酵母菌株进行改造，使之能产生通常由4种不同微生物产生的消化酶。这种性能活跃的酵母可以消化更多的植物纤维素，生物燃料的产能因此可提高10倍。
凯斯林在内布拉斯加州的一个农场长大，他明白乙醇生产过程中存在的不足之处。当酵母消化玉米中的糖质后，留下的包皮和茎杆被白白浪费掉；加之乙醇生产抬高了食用玉米的价格和环保主义者的反对。凯斯林正在设计的新的酵母、细菌和古细菌这些单细胞有机体，旨在使它们拥有特别的消化系统，可以分解被称为纤维素的复合型淀粉。这类纤维素不仅存在于玉米茎杆中，还存在于许多草木中，由于这些植物不属于粮食作物，避免了与民争粮的现象。“如果我们希望更多的生物燃料”，他说“那就通过植物来实现。”
凯斯林(左)探索新的代谢技术，以寻找新的生物燃料
凯斯林还寄望于微生物产生他所称的“第二代”生物燃料，如丁醇、异戊醇和十六烷。虽然它们的结构类似乙醇，但其性能与汽油更相似，同体积燃料中含有更多的能量。比如，每加仑乙醇跑的里程是一加仑汽油的67％，而用丁醇跑的里程则是汽油的80％。与乙醇不同的是，这类燃料还可直接用于喷气发动机和柴油发动机。
在美国，利用微生物从事生物燃料开发的公司还包括Qteros和Gevo等生物技术公司，前者利用“Q微生物”细菌分解纤维素以生产乙醇，后者则利用基因工程细菌从甘蔗和纤维素废弃物中生产异丁醇。“这已经不是梦想，”Gevo创始人之一弗朗西斯·阿诺德(Frances Arnold)说，“这一技术是可以创造奇迹的。”凯斯林曾于2003年与他人创立了Amyris和LS9生物技术公司，开发了消化植物并分泌生物柴油的基因工程细菌。
从公元前1万年的石器时代开始，人类就一直在利用微生物发酵生产乙醇。生物燃料的生产不仅仅是这一古老工艺的延伸，而是要通过基因工程创造出一种更完美的微生物：将植物完全消化，只留少量作为其食物，其余的都化作燃料“喷涌”出来。“我们正处于生物学的一个转折点上，”凯斯林说，“从这个转折点开始，我们将不只是被动地接受大自然的慷慨赠予。”
重新重视绿藻研究
与发酵相比，文特尔认为将来自阳光下消耗二氧化碳并直接转化成能量的微生物是“最令人兴奋的”――类似于将中途停留的航班升级为直达航班。这个想法听起来好得不像是真的，然而文特尔认为，这是完全有可能实现的。
地球的能量来自于太阳，一小时阳光照射的能量足以满足人类一年的能源需求，但植物吸收的能量不到其中的10％。文特尔和其他科学家正在试验光合微生物：藻类和蓝细菌(有时称作蓝绿藻)，这些微生物不仅能消除大气中的二氧化碳，而且增殖迅速，有些只需12小时就能生长为原来的2倍，而草和其他大型植物长成原来的2倍则需要几个月甚至更长时间。光合细菌还可储存大量脂肪，可成为燃料的主要成分。
亚利桑那州立大学生物学家威廉·维尔马斯(Willem Vermaas)最近设计的蓝细菌，可在干燥状态下其体内积聚的脂肪达到体重的一半，通过几个简单的步骤，就能收获它们储存的脂肪生产生物燃料。尽管大豆类的植物也可以储存脂肪作为燃料来源，但维尔马斯的同事布鲁斯·里特曼(Bruce Rittmann)认为，光合细菌产生的脂肪远远多于豆类植物。
美国能源部和LiveFuele公司开展海藻替代燃料研究
用藻类生产燃料的想法严格来说并不是新的，只是一路行来坎坷重重。美国能源部(DOE)于1978年就开始尝试从藻类植物中生产生物柴油，但该计划于18年后终止，当时的结论是，这一技术在经济上不可行。
需要攻克的一个障碍是，虽然藻类和蓝细菌可以在开放的池塘内生长，但有害微生物菌株可以轻易地污染水质，干扰可生产燃料菌株的正常生长。文特尔的替代方案是用一种叫做“光合作用生物反应器”的透明户外容器养殖藻类，但成本昂贵且维护困难，容器还必须保证藻类能获得适量的阳光，过多或过少都会影响其生长速度。更重要的是，收获微生物储存的脂肪需要使用一些对环境不利的溶剂，而且还必须用新的微生物有机体以替换被收获过的微生物。
文特尔说，他在加州拉霍亚的合成基因组公司已克服了其中一个障碍：通过基因工程设计，这些微生物可重复多次使用，即释放脂肪而不是储存脂肪。此外，他还发现了一种防止意外污染而造成有害细菌在微生物中传播的方法。预计，合成基因组公司将很快以商业化规模来推广这一方法，文特尔说，“我们已经取得了一些非常重大的突破。”
新能源时代的赢家
其他一些公司也正在做出这方面的努力。圣地亚哥蓝宝石能源生物科技公司称，他们有望在2011年前销售由藻类生产出的“汽油”；科罗拉多州的Solix生物燃料公司的第一个试点工厂，计划于今年夏天正式投产营运。
究竟哪种微生物能拯救地球？旧金山湾区科斯拉风险投资公司的萨米尔·考尔(Samir Kaul)对初创企业推行的这两种方法都表示认同。他说，能够生存下来是那些价格可与每桶40美元油价竞争的生物燃料公司。文特尔也认同这一看法，“我认为我们最终将面临的挑战是：能否真正建立起环境友好型的、具有成本效益的大规模生产设施。”这是一个高风险的博弈，文特尔的一些项目涉及纤维素生物燃料，类似于凯斯林正在研究的项目。尽管里特曼青睐于蓝细菌，但他同时也在研究其他的微生物。
致力于开发并大量生产生物燃料的公司，最后获得的不仅仅是可观的利润，他们还将创造历史。“在这一领域取得成功的公司和国家，将成为下一个能源时代的赢家，相当于当今石油资源丰富的国家。”文特尔说。他甚至认为，领先开发新一代生物燃料的国家有可能最终引发另一次工业革命，即为消除前两次工业革命所留下的环境恶果所进行的一场革命。
资料来源 Scientific American