創(chuàng)新求實(shí) 探索生物質(zhì)能源突破口——記中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所趙宗保研究員

本刊記者 石麗云

創(chuàng)新求實(shí) 探索生物質(zhì)能源突破口
——記中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所趙宗保研究員

本刊記者 石麗云

專家簡(jiǎn)介：

趙宗保，1968年生，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師，“生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化研究組”組長(zhǎng)。2004年中國(guó)科學(xué)院“引進(jìn)國(guó)外杰出人才”，美國(guó)化學(xué)會(huì)、美國(guó)微生物學(xué)會(huì)、中國(guó)化學(xué)會(huì)和中國(guó)生物工程學(xué)會(huì)會(huì)員，中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)生物質(zhì)能專業(yè)委員會(huì)理事，中國(guó)化學(xué)會(huì)化學(xué)生物學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員。至今已發(fā)表學(xué)術(shù)論文120余篇，被引用700余次。

1990年、1995年先后在湖南師范大學(xué)化學(xué)系獲學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。1998年在中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所獲理學(xué)博士學(xué)位。1998年至2003年先后在美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)和德克薩斯大學(xué)奧斯汀從事博士后研究。2003年11月應(yīng)聘到中科院大連化物所生物技術(shù)部工作，主要研究方向?yàn)樯镛D(zhuǎn)化技術(shù)、分子微生物學(xué)和化學(xué)生物學(xué)。

隨著傳統(tǒng)能源資源的日益枯竭，很多能源專家已經(jīng)把目光瞄準(zhǔn)了生物質(zhì)能源。目前，很多國(guó)家都在積極研究和開發(fā)利用生物質(zhì)能。

眾所周知，生物質(zhì)能蘊(yùn)藏在植物、動(dòng)物和微生物等可以生長(zhǎng)的有機(jī)物中，它是由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化而來的。有機(jī)物中除礦物燃料以外的所有來源于動(dòng)植物的能源物質(zhì)均屬于生物質(zhì)能，通常包括木材、森林廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、水生植物、油料植物、城市和工業(yè)有機(jī)廢棄物、動(dòng)物糞便等等。由此可見，地球上的生物質(zhì)能資源較為豐富。地球每年經(jīng)光合作用產(chǎn)生的生物質(zhì)約1730億噸，其中蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于全世界能源消耗總量的10-20倍，但是目前的利用率還不到3%。

在中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，趙宗保研究員帶領(lǐng)著“生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化研究組”已經(jīng)奮戰(zhàn)了八個(gè)春秋。八個(gè)寒來暑往，八個(gè)冬去春來，他們瞄準(zhǔn)生物質(zhì)制生物柴油等領(lǐng)域，邊摸索邊前進(jìn)，努力推動(dòng)著我國(guó)生物質(zhì)能源事業(yè)的發(fā)展。

要敢想，更要敢做

2003年非典肆虐，遠(yuǎn)在美國(guó)從事博士后研究的趙宗保果斷地選擇了回國(guó)，進(jìn)入中科院大連化物所生物技術(shù)研究部工作。

“由于本身的學(xué)術(shù)背景，我對(duì)生物質(zhì)能源的化學(xué)本質(zhì)和發(fā)展方向進(jìn)行了深入思考，認(rèn)為生物質(zhì)能源是非常具有前景的發(fā)展方向，是國(guó)家和社會(huì)發(fā)展的需求所在；通過綜合分析認(rèn)為，燃料性能優(yōu)良的生物柴油非常值得研究，這正好和研究所招聘人才的方向一致?！壁w宗保這樣解釋當(dāng)初選擇大連化物所的原因。

新世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)生物質(zhì)能源領(lǐng)域的發(fā)展才剛剛起步，其挑戰(zhàn)性不言而喻。人們當(dāng)時(shí)對(duì)生物柴油發(fā)展寄予了厚望，然而其規(guī)?；瘧?yīng)用面臨植物油脂原料短缺的瓶頸問題。能否利用生物技術(shù)為生物柴油產(chǎn)業(yè)提供一種可持續(xù)的原料供給方式？趙宗保提出了“生物質(zhì)制生物柴油”的新思路，但這對(duì)于其化學(xué)系科班出身的背景來說，無疑是一種挑戰(zhàn)。

然而，趙宗保對(duì)生物學(xué)一直懷著濃厚的興趣，善于學(xué)習(xí)的能力和經(jīng)驗(yàn)給了他信心。回首成長(zhǎng)歷程，我們看到，他先后在湖南師范大學(xué)化學(xué)系和中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所學(xué)習(xí)化學(xué)，并獲有機(jī)化學(xué)專業(yè)博士學(xué)位。直到1998年遠(yuǎn)赴美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)開展生物有機(jī)化學(xué)方向博士后工作，他才有幸真正接觸到生物學(xué)研究。2003年，他繼續(xù)向生物學(xué)進(jìn)發(fā)，開始在德克薩斯大學(xué)奧斯汀從事微生物代謝工程方向博士后研究。因此，如何讓化學(xué)與生物完美結(jié)合，并為這個(gè)世界發(fā)展貢獻(xiàn)力量，一直是他的追求與夢(mèng)想。

中科院大連化學(xué)物理研究所恰好為趙宗保提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。進(jìn)入研究所后，他積極組建了科研團(tuán)隊(duì)，圍繞高效利用生物質(zhì)資源獲取生物質(zhì)能源產(chǎn)品和生物基化學(xué)品的目標(biāo)，在生物轉(zhuǎn)化技術(shù)、分子微生物學(xué)和化學(xué)生物學(xué)三個(gè)方向，開展了前瞻性、創(chuàng)新性工作，并取得了重要進(jìn)展。

善創(chuàng)新，才能突破

“創(chuàng)新是科研的生命線，特別是戰(zhàn)略性和前瞻性的研究，更需要?jiǎng)?chuàng)新。”為不斷推動(dòng)科研進(jìn)展，趙宗保一直努力保持著創(chuàng)造力，不斷地奮力向前。他先后承擔(dān)或完成自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng)、863項(xiàng)目1項(xiàng)、中科院重要方向項(xiàng)目3項(xiàng)；參與973項(xiàng)目4項(xiàng)?；貒?guó)以來，他已在國(guó)內(nèi)外刊物上發(fā)表論文90余篇，被引用500次以上；申請(qǐng)發(fā)明專利30余件，其中PCT專利1件，已授權(quán)發(fā)明專利6件。

事實(shí)上，生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。如何高效、低成本地實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)解聚，釋放出碳水化合物，是生物質(zhì)利用和生物能源發(fā)展的關(guān)鍵。趙宗保和他的小組在國(guó)際上率先利用離子液體為介質(zhì)，水解和轉(zhuǎn)化生物質(zhì)，變傳統(tǒng)的非均相過程轉(zhuǎn)化為均相過程，大大加快了生物質(zhì)水解進(jìn)程，研究成果在Green Chem.和Bioresource Technology等刊物上發(fā)表，受到同行高度關(guān)注。

生物質(zhì)水解產(chǎn)物具有葡萄糖和木糖并存的基本特點(diǎn)。然而，多數(shù)微生物在葡萄糖和木糖共存的條件下優(yōu)先利用葡萄糖，造成木糖利用效率低甚至利用不完全，顯著降低過程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。因此，獲得能夠同步且高效利用葡萄糖和木糖的菌株，是克服該共性難點(diǎn)問題的關(guān)鍵。前不久，經(jīng)過大量的研究與試驗(yàn)，趙宗保和研究小組首次發(fā)現(xiàn)一株能夠同步利用葡萄糖和木糖生產(chǎn)油脂的產(chǎn)油酵母。在3-L發(fā)酵罐中，以質(zhì)量比為2:1的葡萄糖和木糖為碳源培養(yǎng)該酵母，細(xì)胞油脂含量達(dá)到59%，脂肪得率系數(shù)達(dá)到0.17g/g。如果直接利用玉米秸稈水解液來“喂養(yǎng)”這個(gè)酵母，油脂含量也可達(dá)39%，表現(xiàn)出良好應(yīng)用前景。該研究成果對(duì)發(fā)展混合糖同步生物轉(zhuǎn)化新技術(shù)、降低生物柴油的原料成本，具有重要意義。

生物質(zhì)水解產(chǎn)物另一基本特點(diǎn)是存在抑制生物轉(zhuǎn)化的非糖成份。對(duì)于這一點(diǎn)，研究人員也在篩選高抗逆性產(chǎn)油酵母菌株和揭示其耐受抑制因子的機(jī)制等方面取得了重要成果。

“生物能源的化學(xué)本質(zhì)是對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行脫氧還原。因此，必須為生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)提供充足的還原力?！壁w宗保這樣告訴記者。近年來，趙宗保和研究小組致力于微生物細(xì)胞內(nèi)氧化還原輔酶及其代謝過程的設(shè)計(jì)，取得了一些原創(chuàng)性研究成果，發(fā)表于J. Am. Chem. Soc.和Appl. Environ. Microbial.等刊物上。

產(chǎn)業(yè)化是最終目標(biāo)

趙宗保研究小組多年專注于將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物柴油的研究。“今后，我們的主要發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)微生物代謝性狀的理性設(shè)計(jì)。同時(shí)，掌握和發(fā)展一些新的改造微生物的新方法和新技術(shù)，并篩選出具有科學(xué)或工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的菌株?！泵嫦蛭磥恚w宗保和研究小組保持著積極的態(tài)度，并致力于將其推向產(chǎn)業(yè)化，真正為國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展服務(wù)。

趙宗保帶出了一支優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)。20余人的隊(duì)伍，包括工作人員7人（含副研究員2人），博士后2人，在讀博士生12名，人人互助互愛，形成了良好的團(tuán)隊(duì)氛圍。這一切，都讓趙宗保對(duì)未來的科研之路充滿信心。目前，他們正在開展生物質(zhì)制生物柴油、生物質(zhì)化學(xué)轉(zhuǎn)化、產(chǎn)油酵母的系統(tǒng)生物學(xué)研究、輔酶化學(xué)改造及輔酶工程，以及合成生物學(xué)等方面的探索性工作。

“如果生物質(zhì)制生物柴油能夠?qū)崿F(xiàn)，它將是一種不依賴于耕地的、可以控制的工業(yè)化規(guī)模的操作，對(duì)緩解能源危機(jī)具有積極意義。盡管目前的技術(shù)還不是很完善，但是我們將一直專注地做下去！”趙宗保和他的研究小組一直在奮進(jìn)的路上。