向白蟻學習制造“生物反應器”

　　能源短缺和環(huán)境污染，是當前人類面臨的重大挑戰(zhàn)。生物質資源在解決這兩個問題方面潛力巨大。然而，生物質的高效、經濟轉化問題“久攻不克”，已成當前困擾國際科學界和產業(yè)界的公認難題。

　　江蘇大學特聘教授孫建中認為，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“生物反應器”，對木質纖維素具有超凡的轉化利用能力，整合多學科力量研究和探索以白蟻為代表的自然界生物高效轉化系統(tǒng)的仿生理論和技術途徑，有可能幫助我們解決困擾多年的生物質高效轉化中的相關基礎理論和關鍵核心技術。

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

　　據孫建中介紹，木質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、半纖維素和木質素3部分組成，每年的產量可達2×1012～5×1012噸，是地球上最為豐富的可再生資源。然而，經過億萬年的進化，大自然將植物細胞壁做成了一個“耐壓”和“防病”的幾乎完美的結構，“木質纖維素中的多糖部分被木質素緊緊地包裹著，從而有效抵御外界生物、物理和化學的攻擊，避免被迅速分解”。

　　目前，生物質轉化利用有兩個主要技術平臺：熱化學轉化平臺，生物轉化平臺。其中，熱化學轉化平臺因其高能耗、工藝與技術不成熟，離經濟性規(guī)?；萌杂胁恍【嚯x。生物轉化平臺的一個關鍵步驟，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，但目前國內外大多數的生物平臺都沒離開熱化學的預處理過程，都要用酸、堿或高溫高壓等極端的物理化學方法，其結果不僅投入增加、設備要求高，對環(huán)境也不友好，其低轉化效率和高成本的致命缺陷難以在短期內取得突破。“提高生物質的轉化效率，降低整個工藝的生產成本，這是當前生物質產業(yè)化利用亟待解決的關鍵問題?！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菌、真菌可以對生物原料進行緩慢的生物降解和轉化，但能高效轉化和利用木質纖維素的自然生物系統(tǒng)卻非常少見。

　　“白蟻經過2.5億年的長期進化和演變，其獨特的生物系統(tǒng)對木質纖維素具有超凡的高效轉化能力?！睂O建中說，“在常溫常壓下，白蟻能夠在24小時內轉化生物質中90%以上的纖維素、20%左右的木質素和大部分的半纖維素。這是目前任何技術都達不到的?！?/p>

　　據介紹，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，達到12億噸，每年轉化約130億噸以上的木質纖維素，占全球生物質年產量的10%～15%。

　　“白蟻對木質纖維素驚人的高效轉化能力，在攻克生物質利用的關鍵技術和理論方面具有極大的科學借鑒價值?！睋O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有、高效利用生物質的模式轉化系統(tǒng)。

　　當前，研究和利用白蟻木質纖維素轉化的高效生物系統(tǒng)已成為國際新的交叉科學前沿。目前，美國的國家能源部、華盛頓州立大學以及德國、日本的相關單位，我國的江蘇大學、浙江大學、中科院上海生命科學研究院等都相繼開展了一些探索性研究。江蘇大學、中科院天津工業(yè)生物技術研究所與美國華盛頓州立大學進行了白蟻對木質纖維素“預處理機制”研究方面的合作，初步的研究結果證明，白蟻對生物質高效轉化利用的“特異功能”，在于其自身進化形成了一個對付植物細胞壁復雜結構的獨特系統(tǒng)，其腸道及共生微生物所產生的各種木質纖維素酶，在生物質轉化為糖類的過程中均分別扮演了重要角色，且彼此“協(xié)調作戰(zhàn)”，持續(xù)不斷。

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

　　孫建中介紹，當前國內外的多數研究，不是基于系統(tǒng)仿生的原理，僅希望從某些消化木質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，或幾個微生物的基因改造，很難實現(xiàn)以白蟻為代表的自然生物系統(tǒng)中的生物質的高效轉化?！耙驗樵诤芏嗲闆r下，自然生物轉化系統(tǒng)的協(xié)調整合機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)實現(xiàn)生物質高效轉化，需要從系統(tǒng)生物學的角度，全面研究和解析生物質的完整降解和轉化機制及其相關的各項理化因素。

　　“這是一個以高端的頂層設計、多學科交叉為技術戰(zhàn)略的新的學科前沿，旨在為解決生物質經濟高效轉化開辟一個全新路徑。這是一個非常復雜的系統(tǒng)工程，需要不同學科的全面協(xié)作、相互交叉?！睂O建中說。

　　白蟻獨特的高效生物質轉化的能力及其背后的生物作用機制、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)代生物技術與工程技術相結合，對這一機制和過程進行模擬，構建一個仿生集成系統(tǒng)，實現(xiàn)生物質高效轉化的過程化利用。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，促進環(huán)境氣候的改善，推動國家經濟的可持續(xù)發(fā)展均具有重要的戰(zhàn)略意義。

來源：藥品資訊網信息中心

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