向白蟻學(xué)習(xí)制造“生物反應(yīng)器”

　　能源短缺和環(huán)境污染，是當(dāng)前人類面臨的重大挑戰(zhàn)。生物質(zhì)資源在解決這兩個(gè)問題方面潛力巨大。然而，生物質(zhì)的高效、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)化問題“久攻不克”，已成當(dāng)前困擾國際科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的公認(rèn)難題。

　　江蘇大學(xué)特聘教授孫建中認(rèn)為，以白蟻為代表的腸道消化系統(tǒng)是世界上最小，但又非常高效的“生物反應(yīng)器”，對木質(zhì)纖維素具有超凡的轉(zhuǎn)化利用能力，整合多學(xué)科力量研究和探索以白蟻為代表的自然界生物高效轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的仿生理論和技術(shù)途徑，有可能幫助我們解決困擾多年的生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化中的相關(guān)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵核心技術(shù)。

　　孫建中是美國路易斯安那州立大學(xué)博士，昆蟲與生物質(zhì)能源專家，是國際上將白蟻對木質(zhì)纖維素的高效降解特性引入生物質(zhì)能源研究領(lǐng)域的少數(shù)前沿科學(xué)家之一。

　　據(jù)孫建中介紹，木質(zhì)纖維素是各種植物的主要組成部分，通俗地講就是“骨架”，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3部分組成，每年的產(chǎn)量可達(dá)2×1012～5×1012噸，是地球上最為豐富的可再生資源。然而，經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，大自然將植物細(xì)胞壁做成了一個(gè)“耐壓”和“防病”的幾乎完美的結(jié)構(gòu)，“木質(zhì)纖維素中的多糖部分被木質(zhì)素緊緊地包裹著，從而有效抵御外界生物、物理和化學(xué)的攻擊，避免被迅速分解”。

　　目前，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用有兩個(gè)主要技術(shù)平臺：熱化學(xué)轉(zhuǎn)化平臺，生物轉(zhuǎn)化平臺。其中，熱化學(xué)轉(zhuǎn)化平臺因其高能耗、工藝與技術(shù)不成熟，離經(jīng)濟(jì)性規(guī)?；萌杂胁恍【嚯x。生物轉(zhuǎn)化平臺的一個(gè)關(guān)鍵步驟，是利用纖維素酶將纖維素分解成可用來發(fā)酵的葡萄糖單糖，但目前國內(nèi)外大多數(shù)的生物平臺都沒離開熱化學(xué)的預(yù)處理過程，都要用酸、堿或高溫高壓等極端的物理化學(xué)方法，其結(jié)果不僅投入增加、設(shè)備要求高，對環(huán)境也不友好，其低轉(zhuǎn)化效率和高成本的致命缺陷難以在短期內(nèi)取得突破。“提高生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率，降低整個(gè)工藝的生產(chǎn)成本，這是當(dāng)前生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)化利用亟待解決的關(guān)鍵問題?！睂O建中指出。

　　在地球上的各類生物系統(tǒng)中，盡管許多微生物如細(xì)菌、真菌可以對生物原料進(jìn)行緩慢的生物降解和轉(zhuǎn)化，但能高效轉(zhuǎn)化和利用木質(zhì)纖維素的自然生物系統(tǒng)卻非常少見。

　　“白蟻經(jīng)過2.5億年的長期進(jìn)化和演變，其獨(dú)特的生物系統(tǒng)對木質(zhì)纖維素具有超凡的高效轉(zhuǎn)化能力?！睂O建中說，“在常溫常壓下，白蟻能夠在24小時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)化生物質(zhì)中90%以上的纖維素、20%左右的木質(zhì)素和大部分的半纖維素。這是目前任何技術(shù)都達(dá)不到的?！?/p>

　　據(jù)介紹，白蟻分布面積廣占陸地面積68%、規(guī)模大總重量是人類體重之和的10倍，達(dá)到12億噸，每年轉(zhuǎn)化約130億噸以上的木質(zhì)纖維素，占全球生物質(zhì)年產(chǎn)量的10%～15%。

　　“白蟻對木質(zhì)纖維素驚人的高效轉(zhuǎn)化能力，在攻克生物質(zhì)利用的關(guān)鍵技術(shù)和理論方面具有極大的科學(xué)借鑒價(jià)值?！睋?jù)孫建中說，我國擁有非常豐富的白蟻生物資源，近500種不同的白蟻中很多是世界上獨(dú)有、高效利用生物質(zhì)的模式轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。

　　當(dāng)前，研究和利用白蟻木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化的高效生物系統(tǒng)已成為國際新的交叉科學(xué)前沿。目前，美國的國家能源部、華盛頓州立大學(xué)以及德國、日本的相關(guān)單位，我國的江蘇大學(xué)、浙江大學(xué)、中科院上海生命科學(xué)研究院等都相繼開展了一些探索性研究。江蘇大學(xué)、中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所與美國華盛頓州立大學(xué)進(jìn)行了白蟻對木質(zhì)纖維素“預(yù)處理機(jī)制”研究方面的合作，初步的研究結(jié)果證明，白蟻對生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化利用的“特異功能”，在于其自身進(jìn)化形成了一個(gè)對付植物細(xì)胞壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)的獨(dú)特系統(tǒng)，其腸道及共生微生物所產(chǎn)生的各種木質(zhì)纖維素酶，在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為糖類的過程中均分別扮演了重要角色，且彼此“協(xié)調(diào)作戰(zhàn)”，持續(xù)不斷。

　　“我們必須完整、系統(tǒng)地認(rèn)識這一生物轉(zhuǎn)化的過程?！睂O建中強(qiáng)調(diào)，“生物質(zhì)的規(guī)?；_發(fā)利用，必須基于理論和方法在高效生物轉(zhuǎn)化這一核心過程上實(shí)現(xiàn)重大突破?！?/p>

　　孫建中介紹，當(dāng)前國內(nèi)外的多數(shù)研究，不是基于系統(tǒng)仿生的原理，僅希望從某些消化木質(zhì)纖維素的昆蟲腸道中獲得一些催化資源或一些微生物菌系，僅靠追逐單一酶或酶系的高活性，或幾個(gè)微生物的基因改造，很難實(shí)現(xiàn)以白蟻為代表的自然生物系統(tǒng)中的生物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化。“因?yàn)樵诤芏嗲闆r下，自然生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的協(xié)調(diào)整合機(jī)制和特定的理化微環(huán)境往往起著重要的甚至決定性的影響”。因此，模擬自然生物系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化，需要從系統(tǒng)生物學(xué)的角度，全面研究和解析生物質(zhì)的完整降解和轉(zhuǎn)化機(jī)制及其相關(guān)的各項(xiàng)理化因素。

　　“這是一個(gè)以高端的頂層設(shè)計(jì)、多學(xué)科交叉為技術(shù)戰(zhàn)略的新的學(xué)科前沿，旨在為解決生物質(zhì)經(jīng)濟(jì)高效轉(zhuǎn)化開辟一個(gè)全新路徑。這是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要不同學(xué)科的全面協(xié)作、相互交叉?！睂O建中說。

　　白蟻獨(dú)特的高效生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的能力及其背后的生物作用機(jī)制、理化作用原理及其物態(tài)演變的規(guī)律被揭開，人們就能夠通過現(xiàn)代生物技術(shù)與工程技術(shù)相結(jié)合，對這一機(jī)制和過程進(jìn)行模擬，構(gòu)建一個(gè)仿生集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化的過程化利用。孫建中表示，這對于降低我國對石油的高度依賴，保障我國能源安全，促進(jìn)環(huán)境氣候的改善，推動國家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展均具有重要的戰(zhàn)略意義。

來源：藥品資訊網(wǎng)信息中心

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