充满希望的“绿色能源”

“阳光仓库”

绿色能源，这个名词可能你还是第一次听到。

这个名词不一定很确切，科学上称它为生物质能源，或者简称之为生物能。

生物包括植物、动物和微生物。动物和大多数微生物都得靠植物为生，所以只有绿色植物才称得上是真正的生物质的“创造者”。

课堂上老师一定告诉过你，绿色植物在太阳光的照射下会发生光合作用，把二氧化碳和水这样一类简单的无机物，合成像碳水化合物这样一类复杂的有机物，同时放出氧气。绿色植物光合作用的过程，就是它们成长壮大的过程，也是它们吸收、储存太阳能的过程。

绿色植物通过光合作用合成的有机物，既可以为人类提供食物，为动物提供饲料，为工农业生产提供各种原材料，也可以为人类社会的生产和生活提供能源燃料。

事情就是这样，当我们把植物砍下来当柴烧的时候，燃烧过程中放出来的热量，还是植物活着的时候通过光合作用储存起来的大阳光。所以正如前面所说，生物能也是由太阳能转化而来的。

生物能可以说是一种最古老的被人类有意识地加以利用的能源。人类自从若干万年前发明用火以来，就一直在燃烧着生物质，用它来为生产和生活提供能量。即使到现在，依靠它来满足家庭需要的人仍然比依靠别的任何燃料的人都多。

可是，世界能源记录里却几乎找不到生物能。

是生物能对人类的贡献小吗？完全不是。历史上它对人类社会进步所起的决定性作用且不说，就是现在，全世界大约还有25亿人，即几乎占世界人口的一半，烧饭、取暖和照明都在依靠生物能。这些人大多数居住在发展中国家的农村。调查结果告诉我们，在1987年全世界消耗的能源中，生物能占了14%，大约相当于12.57亿吨石油。特别是发展中国家，消耗的全部能源中生物能的比重竟高达35%。

是生物能资源贫乏吗？不是。有人估计，目前地球上绿色植物所储存的能量，加在一起大约相当于8万亿吨标准煤，比目前已知地壳内可供开采的煤炭总储量还多8倍！

这还不算，更重要的是，像煤炭这样一类的矿物能源，短时期内不会再生，采出一点少一点，总有一天会采光。而生物能却是“活”的，能够再生，可以永续利用，永不枯竭。生物学家说，地球上的绿色植物一年当中通过光合作用储存起来的太阳能，几乎是目前人类一年中主要燃料消耗量的10倍。也就是说，全世界绿色植物在一年中“新生”出来的能量，就足够人类使用好几年！

使用生物能会带来环境污染吗？不会，恰恰相反。生物质基本上是由碳水化合物组成的，如果这种燃料燃烧能够完全，那只会产生很少或者根本不会产生有毒有害气体。

生物质的燃烧产物主要是二氧化碳。二氧化碳被称做“温室气体”，它在空气中的含量多了会产生“温室效应”，引起全球气温上升，从而带来一系列严重后果。但是，绿色植物又能吸收“吞噬”二氧化碳，大量种植绿色植物不仅可以抵消由于燃烧生物质而产生的“温室气体”，而且实际上还能帮助阻止全球气候变暖，有利于改善生态环境。

因此，尽管目前生物能的用量还不是很多，它在世界能源构成中所占的比重不是很大，但是它很有前途，大有潜力可挖，世界上很多国家都在努力开发生物能，有人甚至赞誉它是“未来的燃料”。

绿色能源包括从动植物那里得到的一切燃料，诸如木柴、农林业的残余物、牲畜粪便等，不要以为只有发展中国家的农村才把这些东西做家庭燃料，事实上，某些工业发达国家也在开发利用生物能，并把它看作是最丰富、最便宜的发电燃料之一。

现在，美国用木材作燃料的数量比用来制材、生产纸浆和造纸的数量还多。一些电业公司正在几个州修建以木材为燃料的火电站，加利福尼亚州这类火电站的发电能力已达50多万千瓦。纽约市的斯塔滕岛上有一座5万千瓦的生物能电站，这座电站是用修剪树木时残留下来的树枝做燃料来发电的。

近年来，以甘蔗渣为燃料的火力发电受到了重视。法国在法属留尼汪岛上建造了一座这样的电站，它每年消耗20万吨甘蔗渣和10万吨煤炭，榨糖季节烧甘蔗渣发电，其他时间烧煤发电，为该岛提供5.1万千瓦的电力。

甘蔗渣发电很有前途，尤其是在发展中国家。1吨甘蔗榨糖后可以留下320公斤甘蔗渣，而一家糖厂每年就能处理几十万吨甘蔗。现在发展中国家只有毛里求斯和哥斯达黎加比较充分地利用了本国巨大的甘蔗渣发电的潜力：毛里求斯用甘蔗渣生产的电力占全国发电量的16%；哥斯达黎加在干旱季节水电资源短缺时，就用甘蔗渣发电来满足国内用电的需要。

越来越感到难以处理的牛粪，如今先用卡车送到储料场，在那里用平土机压实，减小体积，降低水分，并加工成一定大小的料块，然后用传送带送到特制的燃烧炉里去燃烧发电。牛粪燃烧后会产生大量灰渣，电站每天排出灰渣160吨，可以用来铺路垫基，也可用做农田肥料，还可以制做污水吸附剂等等。

牛粪可以用来发电，其他牲畜的粪便也有同样的用场。英国一家公司最近计划建造欧洲第一家以鸡粪为燃料的发电站，每年燃烧近10万吨鸡粪、褥草和木屑，能发出1万千瓦的电力，供1万户家庭取暖和照明之用。

毫无疑问，在陆地上，树木是最重要的绿色能源。全世界的森林面积共有40亿公顷，储存的能量相当于目前全世界能源总消耗量的25～30倍。

看到这里，有人也许会担心：现在森林奇缺，到处都在呼吁保护森林，救救森林，制上乱砍滥伐，你说森林是绿色能源的主力，又说要开发生物质资源，这会不会导致人们去伐树砍柴，引起更大规模的森林破坏，从而带来不可估量的后果呢？

如果真的是这样，光砍伐使用，不种植补充，那后果确实非常严重。比如，在尼泊尔，每人每年消耗木柴燃料高达600公斤，而每人每年木材的更新量却只有80公斤，这样“入不敷出”，林木柴薪必然越来越少；在上沃尔特，由于乱砍滥伐，一些重要城市几十公里的范围内，已经再也找不到木柴；在塞内加尔，森林的砍伐如果仍以目前这样的速度继续下去，那么20年后森林就将在这里绝迹。再说，滥伐森林不仅仅是使木柴燃料日益短缺，难以为继，更严重的是会引起水土流失，物种灭绝，气候失调……人类将为此付出巨大的代价。

但是，我们这里所说的开发绿色能源，同破坏森林资源根本不是一回事。我们既不主张只砍不栽，更不提倡乱砍滥伐。恰恰相反，开发森林资源首先就得培育和保护森林资源，特别要大力营造薪炭林，这同植树造林、绿化大地的精神是一致的。

薪炭林是一种以生产薪柴为主要经营目的的树林。营造薪炭林当然应该选择那些生长快、储能效果好的速生树种，用这类树种造林，从种植到成林一般只需要3～5年。从获取能源的角度来看，一公顷薪炭林顶得上几公顷、几十公顷普通林。

一片森林就是一个储存太阳能的“阳光仓库”。同开发其他的能源相比，营造薪炭林可以说是技术上最简单和最“轻而易举”的事，而且投资最少，只要生长几年就能成林，经营得法还可以永续利用，长存不衰。

现在世界各国都很重视森林能源的开发，并计划要在今后若干年内大大增加森林能源在整个国家能源结构中的比重。

我国现有薪炭林300万公顷，加上其他地区和屋旁栽种的树木，每年大约可以提供薪柴1亿吨。1亿吨薪柴的数目似乎不少，但是对于一个拥有12亿人口的大国来说，这还非常不够。事实上，我们一方面农村能源紧缺，1.7亿农户当中竟有8000万户3～6个月缺柴烧，另一方面，全国又有大片荒山野地没有开发，等待利用。如果我们把全国0.8亿公顷适宜造林的荒山野地都用来营造薪炭林，每年产出的绿色能源相当于4亿桶石油，差不多等于我国石油年产量的一半，那可就真解决大问题喽。

“绿色石油”——酒精捷足先登

绿色植物中作为燃料使用最有价值的是纤维类生物质，它包括纤维素、半纤维素、木质素三种成分。这是地球上分布最广的化合物。但纤维类的热值较低，每公斤只有4200千卡，利用率不高。而可以高效利用生物质能的最佳途径是把生物质转化为液体燃料和气体燃料。为了提高其利用率，人们采取多种措施，利用技术手段把它们加工成其他燃料形式，如固体燃料，典型的是木炭，其燃烧值可提高近100%，达到每公斤8000千卡；液体燃料，如甲醇，热值每公斤为4650千卡，乙醇（酒精），热值提高到每公斤6400～7000千卡；气体燃料，如氢，热值为每公斤28900千卡，一下子提高了7倍，甲烷，热值为每公斤6200千卡。

从上述实验数据可见，把植物纤维素进行一定加工改造后，可大大提高其效能，可以成为更为灵活方便而高效的燃料能源。

用植物造酒精是否可行呢？回答是肯定的。其实，用木材造酒精的技术并非新发明，早在二次大战之前，就已有“木材酒精”作为液体燃料供应汽车使用了。我国早在1946年，我们人民空军在东北老航校对，也曾使用过酒精作为飞机发动机的燃料进行飞行训练。其酒精很多也是来源于木材。

现在人们把燃料酒精叫做“绿色石油”，就是由于这种燃料来源于绿色植物。各种水果、甜莱、甘蔗、甜高梁、粮食、木薯、玉米芯、秸杆、稻草、木片、锯屑、草类以及许多含纤维素的原料，都可提取乙醇（酒精）。酒精作为燃料，对环境的污染比汽油、柴油都小得多；生产成本与汽油差不多；用20%的酒精和汽油混合使用，汽车发动机可以不必改装。

随着现代生物技术的发展，酶制剂工业不断扩展，许多发达国家的酒精生产普遍采用淀粉酶代替麸曲和液体曲，用酶法糖化液生产酒精发酵率竟高达93%，大大提高了出酒率。目前国外发酵生产酒精的淀粉出酒率一般约为56.3%。

现在看来，有可能用乙醇（燃料酒精）作为矿物燃料的最佳替代能源。许多国家的经验表明，燃料酒精完全可以作为内燃机燃料替代石油，而且其来源不会枯竭。酒精的热值虽比石油低30%，但每公斤也有7000千卡。据1991年最新科学研究表明，生产1加仑酒精需要56000个热量单位，而1加仑酒精至少可以产生76000个热量单位，使有用能量增加20%。若在乙醇里掺入10%的汽油，燃烧后的一氧化碳可大大减少。

利用哪种纤维素提取燃料酒精，也要根据各国的资源情况而定，各国酒精工业的生产各具特色，有的国家森林面积大，造纸工业发达，就采用亚硫酸盐纸浆废液发酵生产酒精，如北欧的瑞典、挪威、芬兰三国。而南美的巴西、古巴等国盛产甘蔗，则全都用甘蔗糖作原料生产酒精。

巴西是发展燃料酒精工业最快的国家之一。近些年来，巴西在推用酒精汽车燃料方面，已经取得很大成绩。在巴西全国已普遍使用酒精或使用由60%的酒精和33%的甲醇、7%的汽油混合液体燃料作为汽车用燃料。早在1975年，巴西就实施了“国家乙醇生产计划”。到1981年时，专门用300万公顷农田种植甘蔗、番薯树，有近300家工厂专门从事生产酒精，仅一年就生产12亿加仑，绝大部分用于汽车燃料，约占该国汽车燃料的50%。巴西还进行了固定化酶利用技术的研究，以便更有效地利用木薯生产乙醇。巴西政府十分重视用乙醇取代石油工作，现在巴西正在继续用发酵工艺从植物中获取酒精，生产水平稳步上升，1吨甘蔗已可生产出65升纯度为96%的酒精。1公顷土地种植甘蔗，可提取相当于28吨石油的酒精。

新西兰科学家对植物能源进行了深入研究，他们发现植物通过化学分解后，可以得到氢气、沼气和酒精。他们还认为，在这方面最有发展前途的是饲料甜菜、紫苜蓿和松树。这些专家预测，到2000年，仅从松树中提取的能源就可满足新西兰全国运输部门全部燃料的需要。

瑞典对植物能源抱有更大的期望，1980年就制订了一项新的能源计划。计划规定，树木将成为瑞典的新能源。随即，在全国种植了300公顷“能源树”。这些树的主要用途就是研制酒精燃料。这样，瑞典每年可获得300万吨树汁，转变成酒精后，将相当于瑞典每年石油消耗量的50%。在北部地区种植了大片柳树、赤杨，1～2年就可快生成材。

澳大利亚也准备用当地生长的桉树用发酵工艺生产酒精。

美国是居世界第二位的酒精燃料生产国。1983年生产总量就已达3.75亿加仑，占全国汽车总耗油量的5‰。早在1977年，美国能源部就制订了“国家酒精燃料计划”，其短期目标是用剩余农产品玉米进行发酵生产酒精，以代替汽油作为汽车燃料，其长远目标是实现纯酒精发动机的实用化，预计到2000年，将有相当一部分汽车实现纯酒精化。据报道，美国目前销售的汽车汽油中，实际上70%是“酒精汽油”，就是1/10酒精和9/10汽油的混合型燃料。

日本在1979年也制订了“石油代用品16年开发计划”，其中主要是以制取酒精作为研究课题，有7家私营公司参加，开发使用细菌的高速发酵设备，以加速酒精燃料的生产。

印度也很重视生物技术在酒精生产中的发展。1991年印度罗迪加尔微生物研究所经过4年研究，研制出一种培养新酵母品系的方法，使酒精产量翻一番。这种新酵母品系以92%的效率把糖浆转化为酒精，在不到48小时内，可生产出浓度12%～16%的酒精发酵醪液。印度生物技术部已在各酒精厂推广这一新技术。

其他国家，如德国、加拿大、印尼、菲律宾等国，也都对用植物生产酒精燃料十分重视，并先后开展了这方面的开发研究工作。

“植物发电”——甲醇崭露头角

在用植物纤维素转化为绿色能源中，还有一种重要产品，那就是甲醇。甲醇也是一种可以燃烧而很少污染环境的液体燃料能源。甲醇的突出优点是，碳氢化合物、氧化氮和一氧化碳的排放量很低，而效率较高。比如用甲醇作燃料的汽车，发动机的输出功率可比汽油、柴油车高17%左右，而排出的氮化物只有汽油、柴油车的50%，一氧化碳只有后者的12%。据美国环保局组织试验表明，如果汽车改烧85%甲醇和15%无铅汽油的混合燃料，仅美国城市的碳氢化合物的排放量就可减少20%～50%。而如果汽车使用纯甲醇，则碳氢化合物的排放量可减少85%～95%，一氧化碳的排放量可减少30%～90%。如果汽车有害物质排放量大量减少的话，仅美国每年就可节省治理污染费数百亿美元。

科学家们不仅使甲醇有可能最快从实验室走向公路，而且还在扩展其应用范围，使甲醇进入发电站。80年代末，日本通产省资源能源厅提出一项“利用甲醇作为发电燃料”的研究课题，并组织23家公司参加，进行工业性试验研究，开发分解纤维素的发酵技术。目前，日本已兴建了一座1000千瓦级的甲醇发电实验站，于1990年6月开始发电。甲醇如何发电呢？日本专家们的做法是：

先将甲醇加热使其气化，气化的甲醇与水蒸汽发生反应产生氢气，然后以氢为燃料，在燃烧室中燃烧生成燃气，用以驱动燃气轮机带动发电机组发电。

利用甲醇作为发电能源，优越性也很大。比如，甲醇发电的成本，目前约为石油或天然气发电的1.5倍。但随着大面积种植高光效植物的发展和甲醇收成成本的降低，将会使发电成本逐步降下来，而石油和天然气的价格将有只涨不降的趋势，相比之下，甲醇发电将是便宜的；“植物甲醇”可以大面积种植再生，而不会面临枯竭的威胁；甲醇的低污染特性是化石燃料所不可比拟的；甲醇在常温下是液态，贮存和运输都很方便。因此，专家们认为，21世纪初，甲醇很有希望成为常规矿物燃料的替代能源用于发电。

日本在用甲醇发电方面，将继续向前发展。他们下一步的试验机组容量是1万千瓦级，燃气进口采用1150℃，发电效率可达41.6%。按照理论计算，如把进口燃气温度提高到1300℃时，其效率将可达到45%。日本这家研究机构正在研究全系统的性能、可靠性和实用化中的技术难关问题。利用甲醇作燃料能源的大趋势已显露出来。

当然，使用甲醇燃料也不是没有问题，现在人们对它的认识还有分歧。有人认为甲醇在燃烧时产生的甲醛大约比石油多5倍，而甲醛被认为是一种致癌物质；还有人认为甲醇含毒，刺激眼睛。到底甲醇对环境和人体的危害有多大？还有待于进一步研究观察。这个问题，在巴西曾引起了一场风波。80年代末，巴西由于酒精短缺，已不能满足酒精燃料汽车的需求量，就进口了1300万加仑甲醇，没想到由于上述可能的“有害性”问题，受到了环境部门的指责。里约热内卢州政府受到很大压力，被迫宣布了一道禁止在市场上销售甲醇用作汽车燃料的禁令。但巴西已经生产了众多的酒精燃料汽车，而酒精近年来一直处于短缺危机之中，许多酒精汽车面临停驶境地，使得社会上出现了尖锐的对立情绪，以致诉诸法律解决。最后，巴西最高法院只能作出折衷裁决：除里约热内卢州以外，全国其他地区仍可继续使用甲醇作为汽车燃料。一场风波才算平息下来。1990年，巴西国家石油公司也在技术上拿出折衷方案，宣布将使用60%酒精和33%甲醇、7%汽油组成的一种车用混合燃料。

我国在这方面也取得长足发展，逐步接近世界先进水平。例如，1992年初，一位教授，在“第九届国际醇类燃料会议”中宣读了一篇《低比例甲醇汽油蒸发损失规律的研究》重要论文，透露了我国在低比例甲醇代用燃料方面的研究，已取得重大突破，他主持研究的“薄膜蒸发器”属国内首创，并被权威人士誉为国际领先地位。这些都预示着甲醇必将是未来能源舞台上的一员骁将。

“石油植物”——石油树和石油草

前面谈到绿色植物中还有一种被称为“石油类”的生物质。早在1977年，美国科学家就已经发现，某些绿色植物能把太阳能迅速地转变成烃类，而烃类是石油的主要成分。就在那一年，美国科学家果然从一种叫“霍霍巴”的野生常绿灌木植物的乳叶中首次成功地提取出了一种宛如汽油的液体燃料。经试用表明，它完全可以作为石油的代用品。说来凑巧，在巴西也发现了一棵稀奇古怪的树，高30多米，树龄有100多岁了。只要在树干上挖上一个洞，一个小时内就能流出5～10升“柴油”；半年后又可进行第二次“开采”，每公顷可产“油”50桶。而更令人不解的是这种“柴油”勿需加工提炼，就能直接在柴油汽车上使用。实际上这种特殊的石油树叫三叶橡胶树，在其胶浆中有1/3是石油烃，而烃类的热值每公斤竟有10500千卡。在马来西亚橡胶园中，也有这种三叶橡胶树，从其切口中流出的胶浆去掉水分后，最终物质就是一种油液。另外，在80年代初，美国一位植物科学家从藤本植物和灌木的树汁中提取“汽油”，也获得成功。科学家们裁种了大片美洲香槐，这种植物的白色汁液中含有油质，在它的其他部位也含有油质。为了获取大量石油，他们就先把整株美洲香槐研碎，然后用一种有机溶剂提纯。这些科学家认为，美洲香槐将是一种潜在的石油来源。在澳大利亚也发现了阔叶棉木，其枝、叶都可提炼油类，是目前世界上产油率最高的植物。

据调查，全球已发现有上千种可生产“绿色石油”的植物。加拿大正实验两年轮伐的杨树能源林，美国能源部建立了5个由三角叶杨、桤木、黑槐、糖槭树、桉树、牧豆等组成的能源试验林场，菲律宾种植了1.2万公顷银合欢，瑞士也制订了种植10万公顷“能源林”计划，可解决每年石油需求量的50%。

据专家推测，全球绿色植物贮存的总能量大约相当于8万亿吨标准煤，其中有90%贮存于森林中。

在自然界生长的这类植物，能够生出“石油”，引起了科学家们的极大兴趣。这种“石油”实际上是一种低分子量的碳氢化合物，它的汁液含有的分子量在1000～5000之间，与矿物石油性质相近，科学家们把这类能产低分子量的植物美誉为“石油类”植物。近几年还发现了一年生的“千金子”以及“绿玉树”，它们也都含有类似的烃类混合物的油类。美国加利福尼亚大学一位化学家卡尔文根据这些植物的特性，1978年专门研究了几种富含碳氢类化合物的大戟科属“石油植物”，在加利福尼亚州种植。这些“石油植物”的茎杆内含有一种碳氢化合物的白色乳状液，割开它们的表皮，白色乳状液就会流出来，经提炼，每公顷竟能生产14～16立方米的“石油”。这种植物耐旱性强，成活率高，在贫瘠的干旱地区也能生长。而且，这些“石油”在燃料时，不会产生一氧化碳和氧化硫等有害成分，因此，不会污染环境，确是一种理想的清洁的植物燃料。人们把这类植物称为“石油草”。由于卡尔文培育出的“石油草”为人类开辟了一个通过光合作用利用太阳能的新天地，从而获得了诺贝尔奖金。

科学家们近年特别强调应大力开发和利用“高光效植物”。所谓“高光效植物”，就是指那些光合作用效率高于5‰的植物，例如甘蔗、玉米、甜菜、甘薯等，它们具有更高的吸收二氧化碳的能力。选育和大面积种植高光效植物，已成为生物质能开发利用的重要途径，在林业方面研究和培育光合作用效率高、成长快、繁殖力强的树种，十分重要。新西兰用“无土栽培法”快速繁殖杨树，一个树芽在一年内就可繁殖出100万棵树苗，这种小树苗，3个月内便可长成1.5米高的幼树。

为了快速、增量获得生物质能的原料，许多科学家在研究林木培育技术。美国宾夕法尼亚州大学培育出一种杂交白杨。这种白杨能使6‰的太阳能转化为碳水化合物，生长得特别快，且可密植，每平方米平均可栽培2～3棵。成材砍伐后，留下的树桩还会长出新树。种植这种杂交白杨，生产、砍伐、管理都很简便。美国加利福尼亚大学还成功地用“无土栽培法”无性繁殖了一种红杉。采用这种方法，能使同一良种木材产量增加50%。

“远古家族”——发电又吃油的藻类

人们常常在潮湿的地表上看到泛起的蓝绿色、滑腻腻的“地皮”，这些东西的学名就叫“蓝藻”，有人也叫它“蓝细菌”、“蓝绿藻”、“粘藻”。这种藻类是地球最古老的生物，远在30亿年前的远古时代，地球刚刚诞生17亿年左右时，它就诞生了，据说生物界那时只有这类蓝藻。它在极为险恶的环境下，潜伏在水层里，依靠它所含有的叶绿素和藻蓝素成功地利用透射和散射的太阳光进行光合作用，成功地把二氧化碳（CO2）和水（H2O）合成碳水化物〔（CH2O）n〕。光合作用是太阳能的生物转换过程。这一过程合成的碳水化合物便是太阳能的化身。蓝藻可以说是世界上最早的太阳能收集器、贮存器。它的出现意味着地球上以太阳能为动力的生命形式由低级走向高级，从简单走向复杂的开始。蓝藻是一个庞大的生物家庭。目前，已发现的蓝藻有2000多种，分隶于140属20科。

蓝藻与其他光合细菌最大的区别是，其他光合细菌在光合过程中不会放出氧气，而蓝藻却能源源不断地往空中输送氧气。经过长期不断地施放氧气，终于改变了大气的组成，进而在高空形成臭氧层，挡住了紫外线，为以后的需氧生物提供了有利的生存环境，并为海洋生物登陆提供了条件。因此，人们把蓝藻看成是植物界的先驱，进化长河的源流，地球上最早的拓荒者。

蓝藻还能把大气中的游离氮（N2）同氢（H）合成氨（NH3），这就是蓝藻所进行的固氮作用。能进行固氮的蓝藻大多分化为两种细胞：营养细胞和异形胞。在光合过程中，营养细胞能制糖和发电，而异形胞在特定条件下，能催化放出理想的燃料——氢来。

这样说来，蓝藻是一种既能光合（发电、放氧、制糖），又能固氮（合成氨），还能放氢的“综合工厂”，这不仅是植物界绝无仅有的，就是人类社会上也无法与之比拟。可见，蓝藻是一种贡献独特的微生物了。

人类认识和利用蓝藻的历史并不长。1889年首先由弗兰克发现蓝藻能固氮，但当时未能确证，直到1928年才为德雷韦斯所证实。20世纪40年代蓝藻开始在稻田里使用，它生长过程中分泌出的氮化合物和激素物质能大大帮助水稻生长，稻田养藻，水稻一般能增产10%。

更令人感到惊异的是蓝藻竟能发电！揭开蓝藻光合、固氮、放氢的秘密，将使人们可以用太阳能为动力，以水、二氧化碳和氮气为原料，定向地进行发电，合成食物，生产氮肥，制造氢气。近年来，国外已经开始用蓝藻进行发电试验取得成功。科学家们对利用蓝藻制氢也极感兴趣。

作为生物质能源，水生植物的使用，除蓝藻外，其他许多藻类也具有很大潜力。专家们在进行海藻种植研究中发现，藻类生物质可厌氧发酵成甲醇，其转化率可达50%～70%，因此证明，通过藻类可将太阳能转化成化学能（甲醇）。还有人在将海藻研碎后进行发酵过程中发现，这些藻类能释放出大量近似甲烷的可燃性气体。据估算，一公顷海藻，一年内可排出4万立方米的可燃性气体。还有一种海藻，它能在高盐碱的水中产生大量有价值的烃类（其中也含有甘油）。小球藻也能提供大量热能，每克可提供22千焦耳的能量。水风信子是沼气发酵的极好原料，它繁殖速度极快，一株水风信子经过3个月后可产生248181个后代。

令人更为惊异的是藻类还能回收石油。“红巨藻”（紫球藻属）能以相当其生物量生产速度的50%的速率合成分泌出一种磺化多糖。这种多糖的粘度和催化作用与角叉藻聚糖类似，可用于从地下的沙质形成物中回收石油。用其回收石油的数量等于或高于用商品聚合物得到的数量。

无独有偶。同属微生物的一种细菌也能分解原油。据报道，1991年由日本大阪大学的今中忠行教授首次发现了在无氧环境中可以分解原油的细菌。据说，在日本静冈县中部山区，有一股自战前就一直向外涌流的原油，使周围环境受到严重污染。经对油流周围的土质勘察分析后找到一种以原油为食的新菌种。它与目前所掌握的分解原油的细菌同属假单胞菌，其棒状体形直径0.5微米，长1.2～1.5微米。科学家认为，迄今一直难以处理的沉积海底的原油，因这一新菌种的发现将可得到解决。更重要的是，如果用二氧化碳和氢就可以培养这一新的细菌，那么合成接近原油成分的碳氢化合物就将成为可能。人们是否可以指望由此而提供一条人造原油的途径呢？

“海中勇士”——会捞海铀的藻菌

浩瀚无边的海洋里，不仅蕴藏着巨大的海洋能资源，而且还具有丰富的生物质能源资源。科学家们测定，地球上生物资源的80%在海洋里，海洋里的生物质总量约有1350亿吨，比陆地上的生物质总量还多好几倍，开发利用海洋生物质能源，已成为当今世界科学家们所关心的一个重要课题。

海草，这是一种生长快、繁殖力强的海洋生物能植物。把它固定在海面下20米处的尼龙网上，就能够以惊人的速度生长，每天竟可增长0.5～1米。这些海草收割后，可作为沼气发酵原料，也可制取燃料油。美国近年已建成专门养殖海草的实验农场。

利用生物技术，从海洋中提取能源资源，也是海洋生物质发挥效益的重要方面。大家都知道，海带的含碘量比海水的含碘量高得多，这说明海带有富集碘的能力。而某些海洋生物也能富集铀。现在科学家们正在培养一种单细胞绿藻，它具有很强的吸铀能力。这种藻菌需要一个培养过程，首先把这种藻类放到海水中，过一段时间捞出来，放到铀浓度较高的营养板上进行培养精选，经过反复循环“训练”，优胜劣汰，“体强”的被“训练”出来，这些藻菌不但能适应铀环境，而且要把铀作为它的体内不可缺少的“粮食”。一旦放回海水里，它们就能拼命地吸取海洋中的铀。这种海洋生物质能的应用，虽处于实验阶段，但却是很有前途的一种能源形式。

“枯木逢春”——节柴灶与“能源林”

要说薪柴作为能源使用，的确具有悠久的历史。人类祖先很早就学会烧柴取暖热食，可以说薪柴是老资格的绿色能源了。但多少年来，柴草和农作物秸杆直接燃烧的热效率很低，一般只有10%～15%，这种绿色能源被浪费的比例太大了。随着人们对这些物质认识的深化和科学技术的发展，尤其是在化石矿物燃料能源日趋紧张的形势下，薪柴这种生物质能源重新被人重视，提到了新能源的技术领域里加以开发利用。

薪柴生物质一般包括秸杆、树木等。这些绿色植物，既可作为纤维素用以转化为液态和气态燃料，也可直接燃烧。

稻壳、稻秸等作为农业废余物，也是农作物通过光合作用而生成的生物质。农业作物的秸杆重量差不多与收获的粮食和经济作物的重量相当。其组成元素主要为碳（40%～46%）、氧（43%～50%）、氢（5%～6%），以及微量磷、氮、硫等。

在农村基本上都是把秸杆当作燃料烧掉，不仅热效率很低，能量浪费很大，而且严重影响秸杆还田，使耕地有机质大量损失。像我国农村能源消耗量有50%来源于生物质能源，而其中主要是柴草、秸杆的直接燃烧，每年总量竟有两亿多吨。为提高能源利用率，一是推广先进的节柴灶，热效率可提高到30%；二是推广先进的农村沼气技术，把秸杆作为沼气发酵原料，既可获得优质气体燃料，又可使优质沼渣肥还田，一举两得，这是解决农村能源的重要途径。

要获得大量的薪柴燃料，就要依靠充足的林木资源。森林覆盖率的高低，既是决定农业生态优劣循环的关键之一，又是提供生物质固体燃料能力的重要标志。目前，森林覆盖率美国为33.2%，前苏联为34.4%，日本已达68%。而我国仅为12.7%，而且分布极不均匀。我国政府提出到本世纪末力争将我国的森林覆盖率提高到20%。

专门用作薪柴的林种，称为“薪炭林”。目前，国际上普遍提倡营造“能源林”，就是要选择速生、密植、高产、高发热量、有固氮能力的具有多种用途的树种，以获取高产木质燃料。这样，就不仅可以解决一般木炭燃料问题，而且还可获得高品位热值的发电燃料。菲律宾的新银合欢和桉树的产量每亩年产已达1000公斤以上。现在又在发展“速生优质能源林”，就是为了将来可取代矿物燃料发电。瑞典采用优良树种和现代化的造林技术，使其“能源林”的薪柴产量每亩年产高达2300公斤。我国现有薪柴林面积很小，仅有367万公顷，只占全国育林面积的3%。因此，凡在适宜造林的地区都要大力发展植树造林，以扩大能源燃料来源。

“变废为宝”——沼气池中的“绿色革命”

高效利用生物质能的另一最佳途径就是用生物质产生沼气。所谓“沼气”，就是一种可以燃烧的气体，在沼泽地、河流、湖泊、污水渠、下水道等地所冒出的气泡，就是沼气。沼气是一种高效的气体燃料，可以用于生活能源，也可以用于动力能源。沼气的主要成分是甲烷，约占55%～70%，其次是二氧化碳，约占30%～35%，还有少量的硫化氢、氢气、氨气、磷化三氢和水蒸气等。沼气的产生实质上就是微生物作用的结果。

甲烷是沼气的主要成分，它是一种无色无臭的气体，它的热值比较高，每立方米有9350千卡，沼气中的甲烷含量超过50%时就可以燃烧。甲烷在完全燃烧时，发出蓝色火焰，并放出大量热。为什么人们闻到沼气还有臭味呢？就是由于沼气中所含有的少量硫化氢，氨和磷化三氢的缘故，这些气体是有毒气体。沼气因有这些杂质，使单位热值降低了，以只含60%甲烷的沼气论，其热值每立方米只有5300～5800千卡。为了确保使用安全，在使用沼气之前一定要经过净化处理，脱掉那些有毒气体。

说起沼气的发现，还要追溯到18世纪。1776年，意大利物理学家伏尔泰首先发现，在厌氧状态下有机物质变腐过程中能产生甲烷气体（即沼气）。差不多经过100年后，到1881年，欧洲第一个市政有机废水处理的厌氧消化工程在法国建成并投入运行。由于欧洲能源紧张，在第二次世界大战前后，生产沼气的发酵工艺迅速发展起来，从1941年到1947年间，法国、德国都兴建了一批小型沼气发酵工程。到五六十年代，由于矿石燃料价格便宜，“沼气热”被冷落了，一些沼气工程相继停产。那时的沼气发酵工艺已比较成熟，其中许多技术一直沿用至今。

到1973年发生了世界性石油危机后不久，沼气又被重新重视起来，许多人对“绿色革命”兴趣很浓，积极主张发展沼气能源。瑞士在蒙塞里特于1976年率先建成一个75立方米容积处理牛粪的沼气发酵装置，随后一大批沼气发酵工程发展起来了。截至1987年底，10年时间西欧各国就兴建起来743个沼气工程，其中大型工程有71%是农场沼气工程，29%是工业沼气工程。发酵罐总容积最大的有44.5万立方米。沼气发酵罐的平均产气率，在一般情况下为每天每立方米罐容可造1立方米沼气，有的运用厌氧过滤器等新工艺，产量可达4立方米。其中30%用于自身能源消耗，70%可作为能源输出。

沼气发酵原料十分广泛而丰富，目前，“未利用资源”中，可用于沼气发酵的种类甚多，仅西欧各国就有农业废弃物37种，包括圈养和放养的牲畜粪便以及农作物废物；工业废水有21种，多为农作物加工和食品工业废水；还有糖厂的废渣、屠宰场的废水等。充分利用这些“未利用资源”，开发沼气能源，这对解决农村能源和处理城市垃圾，都是一条变废为宝的现实途径，而且潜力甚大，据欧共体国家宣布，可供生产沼气的人畜粪便每年约有1410万吨，农作物秸秆等约850万吨，市政污物890万吨，这些总数达3150万吨的废弃物可产出相当欧共体1985年总能耗的3%左右的沼气。如将海藻水生植物等也用来生产沼气，总潜力还可增加三倍。

我国沼气生产潜力也很大，据测算，我国全部农作物废弃物和人畜粪便等，如全部入池发酵，每年就可制取沼气1000多亿立方米。除可全部满足农村生活燃料需用外，还可供数百万个5～8千瓦的沼气动力站每天工作6小时。从80年代初以来，全国平均每年新建沼气池近60万个，产气水平也逐步上升，沼气的利用已从生活领域走向生产领域，并开始从农村走向城镇。

沼气是怎样产生的呢？从根本上说，是一种“发酵”的结果，也就是说，在极严格的厌氧条件下，即在没有氧气的情况下，复杂的有机物经多种微生物的分解与转化作用，特别是“产甲烷菌”的参与，使复杂有机物中的碳素化合物彻底氧化分解成二氧化碳，一部分碳素化合物彻底还原成甲烷的过程。在这种复杂的发酵过程中，二氧化碳是碳素氧化的最终产物，甲烷则是碳素还原的最终产物。被分解的有机碳化物中的能量大部分转化储存在甲烷中；一小部分有机碳化物被氧化成二氧化碳，所释放出的能量则用以满足微生物生命活动的需要。

沼气池中生存着许多微生物，这些微生物由于在发酵过程中的作用不同，产生的产品不同，各自发挥功能，根据它们的作用不同，分为纤维素分解菌、脂肪分解菌、果胶分解菌。按它们的代谢产物不同，分为产酸细菌、产氢细菌、产甲烷细菌。实际上，在发酵过程中，它们的确是在相互协调、分工合作中完成沼气发酵的。因此，“沼气发酵”是集纤维素发酵、果胶发酵、氢发酵、甲烷发酵等多种单一发酵于一“罐”的混合发酵过程。

沼气发酵过程好比作战，可分为“三大战役”：

第一战役水解液化，这是发酵的第一阶段。参加这一战役时前面谈到的四大“菌种”全部出动，其任务是将复杂的有机物分解成为较小分子的化合物。它们各自使用自己的独特“攻击武器”——“胞外酶”，专攻击自己的猎物，使之能转化为可溶于水的物质。比如，纤维分解菌，它能专门分泌一种纤维素酶，用它就可使纤维素“土崩瓦解”而溶于水，变为双糖或单糖。蛋白质分解菌则可将蛋白质分解为氨基酸。脂肪分解菌则可将脂肪分解为甘油和脂肪酸。

对于用纤维素作主要发酵原料的沼气发酵，纤维分解菌就是这个战役中的主力军，它们的战斗力强弱，直接关系着沼气产量的多少。

第二战役产酸，这是发酵的第二阶段。参加这一战役的包括细菌、真菌和原生动物，其“主力军”是产醋酸菌“兵团”，它们的任务就是使第一战役的“战俘”进一步转化为小分子化合物，同时还要产生二氧化碳和氢气。“生力军”是产氢细菌“兵团”，它们的任务就是使那些不能为产甲烷细菌所利用的中间产物进一步转化为乙酸、氢、二氧化碳等物质，以作为产甲烷菌用以生成甲烷的“军需品”，为产甲烷菌提供原料，准备下一阶段的最后战役。

第一战役和第二战役是连续进行的，也统称为“不产甲烷阶段”，实际上这是一个甲烷原料的加工阶段。

第三战役产甲烷，这是发酵的第三阶段。这一战役的“主力军”就是产甲烷菌“兵团”了。产甲烷菌是一类极其古老而又极其特殊的细菌，它们是沼气发酵过程中微生物食物链中最后一个战斗员，按它们的形态分为球菌、杆菌、八叠球菌和螺旋菌。它们分别把“不产甲烷阶段”的战利品——氢、二氧化碳、乙酸（醋酸）、甲酸盐、乙醇等，都统一生成甲烷和二氧化碳。它们的攻击目标——底物，虽不相同，但最终成果却都能改造成甲烷。

整个沼气发酵的“战争”就这样胜利结束了。在这里，立了最后奇功的是产甲烷菌。因此人们把它誉为“核心中的核心”。

目前，沼气的应用范围不断扩展，不仅能烧，还能作为汽车燃料使用。近年来，美国通用电气公司加拿大分公司为加拿大生产了一批名叫“吕米娜”的以沼气为燃料的汽车。用85%的沼气、15%的汽油混合燃料。已交付10辆；1992年再交100辆；另生产2300辆运往美国市场。加拿大是沼气生产大国，产量居世界首位。

我国是世界上应用沼气较早的国家之一，已有60多年历史。20世纪20年代初，台湾人罗国瑞就首先进行了人工制取沼气的研究。在30年代时，已有10多个省建立了沼气公司，仅上海、江苏就建造了100多个沼气池。有些池子保存完好，至今还可继续使用。目前，我国农村已有家用沼气池500多万个，约使2000万人口用上了沼气，年产沼气10多亿立方米，是世界上建造沼气发酵装置最多的国家。

我国在农村推广的沼气池，多为水压式沼气池。这种形式的沼气池又称“中国式沼气池”，已为第三世界各国采用。在我国南方这样一个池子正常情况下，一般可年产250～300立方米沼气，可提供一家8至10个月炊事燃料。

印度也在积极推广农村沼气池，印度的戈巴沼气装置也是一种典型的农村家用沼气池。它是以牛粪为原料的。已建成80多万个沼池。

我国城镇生活污水净化沼气池的发展也很迅速，主要解决城镇生活污水和粪便问题，已有10多个省市修建了9000多处。还把产能和节能相结合，在一些农牧场、食品厂、酒厂、制药厂修建大中型沼气工程1000多处。年产沼气约2.5万立方米，既可解决生产补充用能，又能向5.4万户居民集中供气。

沼气作为生物质能源的一种重要组成部分，发挥着重要作用。人类的生产活动，从根本上说，就是能量的转换和物质的转换，农业生产实质上就是生物生产。现实生活迫使人们必须要建立以沼气为纽带，促进生物质良性循环，发展庭园经济，建立生态农业，维护生态平衡的大农业意识，要把能源、生态和生活环境纳入农业生产的总系统。在这方面我国农村已开始走出一条适合我国农村发展的生态农业的道路。

“自我开发”——人体生物发电

为开发新能源，一些科学家已把研究课题伸向人类自身的生物能，并已开始投入应用。据专家测算，人一生中所发出的生物能约有50%被浪费掉。对这些能量若能采取适当措施，加以利用，将会起到很大作用。

你大概从来没有想过，一个超级市场是怎样依靠顾客不知不觉的走路时所提供给的能量发电以供使用的。说来也真离奇：人体本身的生物能通过多种形式竟可以转变成电能。比如“重力能”——一个人坐着或站立时，就会造成持续重力能，采用特制的重力转换器就可以转换成电能。美国桑托斯公司的超级市场，在出入口处安装了旋转门，在地下室安装了一套发条式能量收集器和转换器、发电机、蓄电池等。每天数以万计的顾客进进出出，都要用手推动旋转门，还要在旋转路上停留1～3秒钟。人们发出的生物能就被能收集器收集起来了，经过转换变成了电能。

还有一家公交公司将发电装置埋在行人拥挤的公共场所，上面有一排踏板。当行人踏上时，体重压在板上，使与踏板相连的摇杆从一个方向带动中心轴旋转，从而启动发电机发电。美国还在纽约一条繁华的马路上，铺设了20块金属板，在每块板下再放上一个储蓄循环水的橡皮容器。就利用汽车在金属板上压过时，使金属板将容器内的水高速压出，经地下管道通往路边的发电机房，推动水轮机发电。当汽车过后，橡皮容器又恢复回原状，水又返回容器内，准备再次受压。如此往复循环，就可源源不断地发电。据测量，一辆5吨重的汽车压在金属板上，就可产生7度电。

还有，就是人体生物能的“热能”，也可利用。人体每天都要散发大量的热量，并通过辐射传播出来。据实测，一般一个50公斤重的成年人一昼夜所消耗的热量约为2500千卡左右。这些热量若蓄集起来，可以将50公斤的水，从0℃加热到50℃。利用人体的热能制成温差电池，就可以将人体热能转换成电能。这种温差电池，可以做得很精巧，放在衣服口袋里就可以工作。可用它当电源，给助听器、袖珍电视机、袖珍收音机、微型发报机等供电，自己发电自己使用。这种“自主式”人体热供电的微型发报机只有半个火柴盒大小，输出功率为5微瓦，作用距离可达16公里。美国新泽西州修建的电信电话公司总部大楼，利用全公司2000多名职员的体温供暖，室温可保持在18℃以上，只有当室外气温下降到—9℃以下时，才需要通暖气来取暖。

专家们预言，随着科学技术的不断发展，人类开发利用自身的人体生物能，必将取得更大成果。

“生物冶金”——正在发展中的细菌采矿

今天，在传统的工业将被以新的生物学为基础的生物工程产业逐步取代的趋势下，人类利用生物技术创造了种种奇迹。除上面谈到的绿色植物转化成各种形式的新能源外，在矿业开采过程中，也能应用生物工程技术获取多种多样的资源，同时也能节省许多能源。

在这方面，一些国家摸索出了许多成功经验。比较成熟的生物工程再生能源技术有：

常规的开采工艺对地下油层中60%左右粘滞性强的油束手无策，过去把含有这种油的旧井常常被宣判为“废井”。现在采用生物工程新工艺，实现“微生物三级采油”，就可较彻底地开发这一宝贵资源。

利用两种真菌使煤降解为液体，实现煤液化技术突破。

利用“生物冶金技术”，就是利用微生物的特殊本领提取金属的方法。许多微生物具有吸收和富集重金属元素的能力，经过筛选、改良，就可以把这些微生物用于“采矿”，有的可节能、有的可产能。当前世界上正在大力推广“细菌浸矿”方法，约有30个国家开展了这一研究。至今，人们已发现了20多种回收金属的微生物，已有金、银、锰、锌、钛等21种金属可由微生物提取，其中，在低品位硫化铜矿和铀矿的浸出方面，已取得显著效果。美国用细菌浸矿所得的铜，已占全国铜产量的10%以上。加拿大历年来用细菌浸出的铀已达230吨。世界上20个大矿山每年用细菌浸出的铜约有20万吨之多。据估算1982年全世界用这种办法所得铜量，相当于我国当年铜产量的80%。

利用厌氧细菌提硒技术，是美国于1985年研究出来的，用一种厌氧细菌从铀矿废水中回收硒的技术，已取得明显成效。

我国从1965年以来，已先后进行了铜、铀、锰等金属的细菌浸出实验，并已取得一定成绩。