工程藻类为生物燃料等制造“神奇材料”纳米纤维素

诸平

据物理学家组织网（Phys.org）2013年4月7日报道，工程化藻类可以为生物燃料等制出神奇的纳米纤维素材料——Engineering algae to make the 'wonder material' nanocellulose for biofuels and more.昔日产生醋,康普茶（Kombucha tea）和椰果（nata de coco）菌族的基因，今日摇身一变，已经成为利用太阳能将藻类转化为生产“神奇材料”纳米纤维素的明星。研究人员在第245届美国化学学会全美会议和博览会上，就获得生产功能性纳米纤维素的基因工程研究进展进行了介绍。

R. Malcolm Brown博士说：如果可以完成最后的几个步骤,意味着已经完成了最重要的潜在农业转变。人们将会拥有可以大量而廉价地生产纳米纤维素的工厂。它可以成为可持续生产生物燃料和许多其他产品的原料，同时生产纳米纤维素；用藻类来吸收导致全球变暖的主要温室气体——CO₂。R. Malcolm Brown博士作为该领域研究的开拓者，已经有40余年的研究经历，他在美国化学学会首届纳米纤维素国际研讨会上进行了重点发言，其要点摘录如下：

纤维素是地球上最丰富的有机高分子材料,像塑料一样是由分子链接在一起形成的长链结构。纤维素构成了树干和树枝、玉米秸秆、棉花纤维等,而且它是纸张和纸板的主要组成部分。人们吃的纤维素是以“膳食纤维”形式存在,也就是水果和蔬菜中不易消化的物质。牛、马和白蚁可以消化鲜草、干草和木材中的纤维素。大多数纤维素由木纤维和残留的细胞壁组成。实际上很少有生物体可以对其天然的微纤维纳米结构形式的合成和分泌纤维素。在这个层次上,纳米纤维是非常亲水，而且看起来像果冻一样。然而,纤维素共享了其他纳米材料的独特属性，与大量的宏观相同材料所具有的性质截然不同。以纳米纤维素为基础的材料可以比钢更强,硬度比凯夫拉尔（Kevlar）更硬。强度大、重量轻以及其他优势使得纳米纤维素材料具有许多特殊的用途，将其用于轻型盔甲、弹道玻璃、伤口敷料以及用于移植的替代器官支架等。

在19世纪, 法国化学家及微生物学家路易·巴斯德（Louis Pasteur）首次在制醋过程中发现有我们现在被称为是菌性的纳米纤维素参与。由菌制得纳米纤维素具有易于生产和高纯度等一些优势。R. Malcolm Brown博士回忆起2001年David Nobles博士的发现，他是克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）一个研究小组的成员，是他再度将大家的目光重新聚焦到他们对于纳米纤维素的研究这方面来,但试用的微生物不同。David Nobles博士建立了这几种蓝绿藻,主要是光合成菌，在基本结构上就像制醋菌一样;然而,这些蓝绿藻或蓝藻（cyanobacteria）可以产生纳米纤维素。用蓝藻生产纳米纤维素的最大的问题之一，就是在自然界的储藏量并不丰富。如果它可以大规模生产, R. Malcolm Brown博士认为，这应该说是“在植物生物学领域内是最重要的发现之一。”

自20世纪70年代以来, R. Malcolm Brown博士和他的同事们开始关注木醋杆菌(Acetobacter xylinum，简称A. xylinum),这是一种直接将纳米纤维素分泌到培养基之中,并用它作为未来研究的一种理想模型。醋菌属族的其他成员在制醋和其他产品生产中找到了商业使用价值。在20世纪80年代和90年代, R. Malcolm Brown的研究团队首次测定了来自A. xylinum纳米纤维素基因。他们还发现这些基因参与纳米纤维素聚合和结晶。但是，R. Malcolm Brown也承认在使用A. xylinum或其他利用基因工程改良过的菌类来商业化生产纳米纤维素的过程中存在不足。例如, 菌类需要高纯度，无论是在食品和其他营养物中都是如此，就是人们从酿醋和制作酸奶到胰岛素和其他药品的生产，每种工艺都会涉及到菌类在庞大的工业发酵池进行培养和繁殖。这些缺点使人们将目光由工程化的A. xylinum纳米纤维素基因转向到David Nobles博士他们得到的改良蓝绿藻。R. Malcolm Brown解释说,海藻有生产纳米纤维素的多种优势。例如, 蓝绿藻（Cyanobacteria）就可以从阳光和水来获取营养,而且可以消除大气中的二氧化碳。蓝绿藻也有可能将纳米纤维素释放到周围环境,像A. xylinum一样,使其更易于收获。

在美国化学学会年会上R. Malcolm Brown博士的报告，介绍了他的研究团队如何利用蓝藻基因工程来生产一种长链或聚合物形式的纳米纤维素材料。而且他们下一步的研究方向就是利用蓝藻基因工程来合成更加完整的纳米纤维素，他也提到目前的运作规模正在扩大,将研究结果从实验室规模的试验扩大到更大的户外设施，这也是研究人员为之不懈努力的最终目标。但是，任何事情都不会一帆风顺的。R. Malcolm Brown博士明确指出,实现纳米纤维素燃料生产的商业化，其主要障碍之一就是涉及到国家政策和政治,而不是科学问题。他说, 生物燃料在未来几十年将面临一个困难的时期,因为它要与现行采用液压破碎法制得的低价天然气进行竞争。R. Malcolm Brown博士明确指出，从长远来看,美国需要发展可持续的生物燃料,引用国家能源政策的重要性,不仅美国有必要促进生物燃料的并行开发和商业化研究，对于其他国家也同样主要。

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