人类把树木用作燃料已经有数千年的历史;然而,现在人们把木材当作燃料,是因一种高新技术而有了新的改变:这就是用木材替代通常用的玉米或甘蔗来制造乙醇——一种生物燃料。政治家和环境保护论者由于各种原因也开始对乙醇产生了兴趣:与石油不同的是,乙醇可以再生,你要生产更多的乙醇,就必须种更多的农作物。把乙醇掺进汽油或者直接注入特殊的发动机中,可以减少温室气体的排放。

 

 

用玉米、甘蔗生产乙醇之弊

 

　　为什么用木材而不是玉米或甘蔗作为生产乙醇的原料呢?因为“木质乙醇”(treethanol)不仅具有提高能效的潜力,而且在生产过程中能耗低于玉米和甘蔗(每一给定量乙醇产生的能量与生产它所需的能量之比,被称为能量平衡)。而对用玉米生产乙醇的能量平衡是存有争议的,美国能源部把它定为1∶3。换句话说,这种乙醇产生的能量比生产它所需的能量高出30%;而据国际能源署提供的数据,在巴西用甘蔗生产的乙醇其能量平衡为8∶3。但是,用木材、草或其他含纤维素多的生物质生产的乙醇的能量平衡可以高达16(从理论上讲是如此)。实际上,目前生产这种纤维素乙醇要比用其他作物生产乙醇更困难,而且成本更高。但随着生产木质乙醇的技术和环境发生变化,研究人员正在致力于包括对木料的切削、发酵、蒸馏和精炼技术的改进,以其降低生产成本。

 

　　随着用玉米和甘蔗生产乙醇的缺点愈益明显,人们对纤维素乙醇的兴趣不断增长。玉米和甘蔗都是重要的食品作物,伴随着乙醇生产在全球范围内的迅速发展,势必造成需求的增加,促使动物饲料以至食品价格的上涨。在2006年9月至2007年1月间,1蒲式耳玉米的价格提高了30%,达到了10年中的最高水平。墨西哥总统费利普,加尔德隆于今年1月把墨西哥人最爱吃的玉米粉圆饼涨价归因于乙醇工业的快速发展,出现了一种反对用农作物制造乙醇的明显声音。虽然农作物的供给链目前没有发生缺失,但当更多的发展生物燃料的计划出台后,食品和燃料之间的关系则会变得更加紧张。

 

　　种植玉米需要大量的土地、水和农用化学品,美国自然资源保护委员会(ANRDC)认为,用玉米制造乙醇只不过是一种目光短浅的权宜之计。而部分能源专家认为,用玉米制造的乙醇作汽油的替代品,至多能使美国对汽油的需要量减少10~15%。至于目前世界最大的乙醇生产国和出口国的巴西,正因此而受到一种压力,即把热带雨林夷为平地以种植甘蔗(减少对矿物燃料的依赖)便与保护自然环境产生了矛盾(毁林造田)。

 

 

便宜、有效的酶:生产木质乙醇的关键

 

　　纤维素乙醇可以解决这方面的许多问题。著名风险投资家维诺德·库斯拉(Vinod Khosla)最近在《华尔街杂志》发表文章认为:“美国应该在纤维素生物燃料上赢得对石油的依赖??我们必须鼓励和加强对生物质原料——未来能源作物的研究。”

 

　　木材是一种特别有前途的原料,因为它们全年都在不断地生长,它们比农作物所需的肥料和水要少得多,而所含有的碳水化合物(乙醇的化学前体)则多得多。乙醇是糖水酵的产物,这就是为什么能够如此简单而有效地用甘蔗来制造乙醇的原因。用玉米制造乙醇要稍为复杂一点:把玉米粒磨成粉,然后掺入水,再加上酶以便将玉米中的碳水化合物裂解为糖,然后再发酵成乙醇。但用纤维素原料生产乙醇则困难得多,因为需要将植物细胞壁的纤维素和半纤维素的键裂解,以释放出糖。Diversa生物工程公司的老板爱德华·肖恩西(Edward Shonsey)说“:用5~6种酶的混合物可以做到这一点。”问题是虽然有这样的酶,但它们的价格都很贵。如果1加仑乙醇的价格要5美元的话,那么用木材生产乙醇就失去了意义。

 

　　因此,要想使纤维素乙醇达到预想的效果,研究人员就必须寻找更便宜的酶。草、木材和其他生物质原料是由纤维素、半纤维素和木质素的混合物构成的;而木质素是一种坚韧的材料,可帮助植物保持其形状。两家工业用酶的生产大户——美国的Genencor公司和丹麦的Novozymes公司——正在研究如何将裂解纤维素的酶的价格降到每加仑乙醇低于0.1美元。肖恩西说,一种方法是将现有酶的结构加以“扭曲”,使之能更好地起作用;另一种方法则是“生物-勘探”,也就是到自然界中去寻找天然的酶(如一种专吃木头的白蚁的胃中),然后再加以开发。

 

　　木质乙醇对那些拥有大量森林而同时又进口许多石油的国家特别有吸引力。如新西兰在2005年出口了价值4.11亿新元(2.9亿美元)的原木,进口了价值45亿新元的石油。今年1月,新西兰皇家研究院和新西兰农牧研究所宣布了一项与Diversa公司合作研究的计划,旨在研究用木材乙醇为新西兰的车辆提供燃料而不再进口石油的可行性。换言之,要使新西兰变成一个能源自给自足的国家。

 

　　奥克兰市的BioJoule公司计划建造一座示范工厂,用柳树作原料制造乙醇。BioJoule公司创始人詹姆斯·沃森(James Watson)说,他们的想法是,让农民种植易加工成木屑的柳树萌生林(矮林),然后将它们运送到一个“转化”厂使其变成乙醇。这种方法会产生两种有价值的副产品:未磺化的本质素(一种很有商业价值的聚合物)以及木糖(用于染料和糖尿病患者的食物)。沃森进行过计算,这些副产品可以生产出每加仑成本只有1.13美元的乙醇,在价格上完全可以同用美国玉米生产的乙醇(1.44美元)匹敌,而且比用巴西甘蔗生产的乙酵的价格(0.95美元)也高不了多少。

 

　　由于柳树生长很快,而且在贫瘠的土壤中也能生存,因此Bio-Joule公司的技术可以用于世界上其他对能源有强烈需求、但土壤又不适宜种植农作物的地区。沃森认为,中国和印度看来就较为适合。

 

　　另外一个急于想得到纤维素乙醇的国家是瑞典,它迫切希望能用木-基固体和液体生物燃料作为它在2020年摆脱对石油依赖的计划的一个部份。但新西兰人喜欢用柳树,而瑞典人则希望选择杨树,因为瑞典的杨树资源十分丰富,而且对这种树种的生物学知识也了解得很透彻。

 

　　即使找到了合适的酶的混合物,怀疑论者还是认为木质乙醇还有许多问题必须解决。特别是树木生产成材所需的时间,要比草和农作物的生长时间长得多。因此,他们倾向用快速生长的草或农作物的生物质生产乙醇会更有意义。同时他们也担心,为保护森林免遭过度砍伐而为之奋斗了多年,面对生物燃料需求的激增,他们的努力可能会毁于一旦。

 

 

速生新树种:未来的希望

 

　　一个办法是通过育种或基因修饰来创造新的速生树种。由北卡罗莱纳州立大学的生物学家文森特·切奈格(Vincent Chiang)领导的一个小组,正在研究用基因修饰的树种生产乙醇(这一项目得到了美国农业部的资助)。“我们的初步研究清楚地表明,转基因树木可以大大提高乙醇生产的经济效益”,切奈格博士说。

 

　　树木的生长速度受到其木质素结构的限制,正是木质素决定了树木的强度和形状。含有较少木质素和较多纤维素的树木,既生长得更快,又能生产出更多的乙醇。这类转基因新树种正在美国进行试种。切奈格和他的同事们同时也在寻找一种能改变树木半纤维素结构的基因,以提高裂解和发酵的过程。

 

　　然而,俄勒冈州立大学林业生物学家史蒂文·斯特劳斯(Steven Straus)则认为,在柳树和杨树中已存有很大的基因差异,因此基因修饰可能并不需要。通过对现有的不同树种进行筛选,应该能确认最适合用来生产乙醇的树种。在已有的树种和杂交种可供选用的情况下,常规育种和克隆方法就很有效;而对生物的基因修饰有严格的管控规定下使用这种技术既费钱又费时。

 

　　在很久很久以前,当人类学会利用火的时候,木材就是他们最初始的燃料。在过去的几个世纪中,矿物燃料已成为主要的燃料,但也给全球气候造成了灾难性的后果。看来,新型燃料和能源的多样性将成为未来的前景。如果在人类的新能源技术组合中,木材这个最古老的能源能占有一席之地,将会是一件好事。