金秋 ， 是个收获的季节 。 每年的秋收时节 ， 在中华大地上 ， “掰棒子”大赛都进行得如火如荼 。 黄澄澄的玉米被掰掉后 ， 丢下大片大片的无头僵尸——秸秆 ， 伫立在田地里 。
农业垃圾——玉米秸秆（图片来自网络）
整个中国 ， 每年平均产生2.3亿吨这样的玉米秸秆 ， 造成了令人头疼的农业垃圾难题 。
如果直接还田 ， 埋伏地下的秸秆会产生热量、制造厌氧的环境 ， 不利于作物的生长 。 假如秸秆本身再带有病虫害 ， 那就相当于在地里埋下了定时炸弹 ， 遭殃的则是下一季的作物 。
以前一般是这样处理秸秆的：
秸秆焚烧（图片来自网络）
付之一炬 ， 简单而又粗暴 。
近年来 ， 由于意识到焚烧秸秆污染空气环境 ， 威胁人类健康 。 国家已经严令禁止焚烧秸秆 ， 甚至部分地区已经禁用了农村柴火灶 。
其他传统的秸秆处理方法还有将秸秆用于饲料、堆肥、造纸和建筑材料等等 ， 虽然五花八门 ， 但对秸秆的消耗量远远不够 。
当代科学家又提出了更加新潮的玩儿法：
比如用秸秆驱动汽车！
用秸秆驱动汽车需要几步走？
秸秆驱动汽车
第一步 ， 要把秸秆从田头拉到工厂 。
秸秆是一种放错地方的资源 ， 收集、运输、储存起来都有一定困难 。
在现代农业体系发达的欧美国家 ， 一般采用集中型的收储运模式 。
例如在丹麦 ， 由专业的秸秆收储运公司或大型农场主负责秸秆的的收集、晾晒、储存、保管和运输等任务 ， 并按照能源企业的要求 ， 对秸秆的质量进行把关 ， 最后统一打捆、堆垛、存储 ， 已经形成了比较完善的收储运体系 。
秸秆收储运体系
而国内大部分地区以小农经济为主 ， 更适合分散型的收储运模式 。 由农户或秸秆经纪人对分散的秸秆进行收集 ， 直接提供给企业 。
秸秆收储运是秸秆变废为宝的第一步 ， 试想如果秸秆最终产生的能量无法抵消在收储运过程中消耗的能量 ， 到头来不是白忙活一场吗？
为了进一步完善秸秆供应体系 ， 国家甚至出台了秸秆收储运体系建设规范 。
秸秆收储运体系建设规范
鉴于国家电网下属的国能生物质燃烧发电项目已经运行了很多年 ， 积累了丰富的秸秆商业化收集经验 ， 相信秸秆收储运不会成为我国实现新一代生物燃料工业化的短板 。
第二步 ， 要打破秸秆的抗降解屏障 。
秸秆细胞壁中的木质纤维素是一种丰富的可再生资源 ， 有望通过生物质转化技术替代传统的化石能源 。
如果直接用催化剂对秸秆进行降解 ， 它们一定会说：“”好硬 ， 啃不动啊！”您可千万别怪它们牙口不好 ， 要怪就怪秸秆的抗降解屏障实在是太结实了 。
植物细胞壁在亿万年的进化中形成了抵抗微生物和酶降解的屏障 ， 如此一来 ， 秸秆才能在玉米成熟前屹立不倒 。
如果把这张屏障比作是一堵钢筋水泥墙板 ， 那么细胞壁中的纤维素就是钢筋 ， 支撑着植物的身体 。
由两个葡萄糖反应生成的纤维二糖是纤维素链的基本单元 ， 许多纤二糖分子利用共价键手拉手连成一条糖链（a） ， 糖链之间通过氢键形成糖片（b） ， 致密到连水分子都插不进去 。 而后大小不一的糖片再通过疏水作用和范德华力 ， 进一步被压缩成六棱糖柱（c） ， 糖柱又以不同排列方向捆绑在一起才构成了不规则的纤维素网状结晶结构（d） 。
微纤丝多层次结构模型
除了纤维素本身复杂的结晶结构 ， 细胞壁中还含有大量结构更加复杂的半纤维素和木质素 ， 它们像水泥一样包裹在纤维素“钢筋”的周围 ， 打造了一面固若金汤的城墙 。
植物细胞壁示意图（图片来自网络）
抗降解屏障形成了微生物与植物之间的生存平衡 ， 导致微生物降解秸秆的过程变得非常缓慢 。 而在实验室中 ， 人类打破了这层屏障 。
工程师通过对秸秆进行粉碎、酸碱、加热、气爆处理 ， 不仅可以高效破坏包裹在纤维素外的半纤维素和木质素 ， 还能够使纤维素结构变得松弛 ， 增大它的表面积 。
然而问题又来了 ， 科学家发现预处理后的秸秆虽然在物理结构上变得更易降解 ， 但是微生物却活得不快活了 。
原来在预处理过程中会产生各种毒性化合物 ， 抑制微生物的生长和繁殖 。 因此 ， 工程师还需要在预处理后再加上一步脱毒处理 ， 除去有毒的物质 。
第三步 ， 要把秸秆变成糖 。
在中国 ， 有个地方常年保持五六十摄氏度的高温 ， 而且时刻处于动荡不安之中 。 那就是山东能源研究院某实验室中的一台恒温摇床 ， 躺在这里的是一种嗜热厌氧细菌——热纤梭菌 。 它们的祖先来自于美国国家黄石公园的热泉 ， 至今已经繁衍了成千上万代 。
热纤梭菌具有高效降解木质纤维素的能力 ， 因此在科研界也的确是一种炙手可热的细菌 。
鉴于热纤梭菌吃起纤维素来十分剽悍凶狠 ， 我们习惯将其比作微观世界的游牧民族 。 那在它们的眼里 ， 秸秆便是由糖堆砌而成的城堡了 。
热纤梭菌漫无目的地游荡在空旷的微观世界里 ， 突然一颗纤维二糖分子闪过 ， 它们快速捕捉到了这个信号——前方存在纤维素 。 饥渴难耐的热纤梭菌将体内工厂运转起来 ， 加速合成不同功能的纤维素酶以及形似脚手架的支架蛋白 ， 然后在细胞壁上将纤维素酶组装到支架蛋白上 ， 打造成一根根超级武器——纤维小体 。
纤维小体降解纤维素（图片来自网络）
它们利用一种碳水化合物结合模块将自己牢牢固定在纤维素表面 ， 然后挥舞起纤维小体 ， 打断纤维素链 ， 切割下纤维二糖 ， 最终再水解为葡萄糖分子 。
纤维小体能够高效降解木质纤维素 ， 归功于不同功能纤维素酶之间的分工合作 。 更神奇的是 ， 它能够根据底物的特性动态调控纤维小体的组成和组分 ， 变化多端 ， 被行内誉为“降解木质纤维素的超级分子机器” 。
最后一步 ， 要把纤维素糖发酵成生物燃料 。
纤维素糖是自然界最基本的碳源之一 ， 可以和多种下游工艺微生物偶连 。
酿酒酵母是一种广泛存在自然界中“天然发酵剂” ， 能够将糖发酵为二氧化碳和乙醇 。
乙醇杀菌是生活常识 ， 很多微生物确实连自身代谢的乙醇都很难耐受 ， 而酿酒酵母却能“千杯不醉” ， 因此才被作为纤维素乙醇发酵的首选微生物 。
生物乙醇制备完成后 ， 再与汽油按照1:9的比例混合 ， 制成最终产品：“乙醇汽油” 。
乙醇汽油
乙醇汽油具有诸多优良的性能 。
首先乙醇的辛烷值较高 ， 能够取代原先汽油中污染环境的含铅添加剂 ， 并且改善汽油的防爆性能；
其次乙醇含氧较高 ， 能提高混合燃料的燃烧效率 ， 减少颗粒物和氮氧化物的排放 ， 避免因积炭过多而引起发动机故障；
再者混合燃料中的含硫量降低 ， 减少了硫氧化物的排放 ， 硫氧化物是一种致癌物质 ， 同时也是酸雨现象的元凶之一 。
实际上第一代生物乙醇已经实现了产业化生产 ， 只不过使用的原料主要是玉米 。 但这样一来生物燃料的生产很容易就对粮食的价格造成冲击 ， 引发“粮食与燃料之争” 。
粮食与燃料之争
比如美国在2007年为提高生物燃料产量 ， 玉米种植面积比上一年突增23% ， 导致大豆种植面积骤减16% ， 使得大豆价格在2008 年大幅上涨 。
而第二代生物乙醇使用的原料是被视为“农业垃圾”的玉米秸秆 ， 具有不与人争粮、不与粮争地的强大优势 。 目前第二代生物乙醇正在进行生产成本的攻关 ， 已经走向了商业化的初始阶段 。
我国农业正由劳动密集型产业向能源密集型产业转变 ， 粮食的生产、运输和销售都依赖于化石能源 ， 可以说国际石油价格时刻在威胁着农业的发展 。
大力发展以农业废弃物为原料的生物燃料可以实现“农业发展——能源生产——农业发展”的良性循环 ， 是有利国家能源安全和农业安全的百年大计 。
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作者：
颜飞（中国科学院青岛生物能源与过程研究所）
来源：中国科学院青岛生物能源与过程研究所
转载自中科院之声微信公众号
【秸秆|如何用秸秆驱动汽车？】编辑：Norma
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