全國秸稈焚燒衛(wèi)星遙感監(jiān)測分布圖（圖片來源：roll.sohu.com/）
雖然我們已經(jīng)有了一些有效的監(jiān)測手段，比如遙感衛(wèi)星（參見 地球上哪里“火了”，這些“千里眼”都能及時(shí)看見！），但終究是治標(biāo)不治本。那么，有沒有辦法可以從根本上解決秸稈等農(nóng)林廢棄物問題？
有的！靠細(xì)菌！
垃圾or資源
農(nóng)林廢棄物，在一般人眼里是垃圾，在科學(xué)家眼里卻是放錯(cuò)地方的資源。
這些植物在生前通過光合作用積累了大量的纖維素，作為地球上最豐富的可再生資源，纖維素如果能夠得到有效地利用，不僅能解決農(nóng)林廢棄物問題，而且可以緩解化石能源危機(jī)。
圖片來源：https://dealer.autohome.com.cn/
雖然纖維素?cái)?shù)量可觀，但是利用起來卻沒那么容易，降解它就得費(fèi)上九牛二虎之力。
自然界的進(jìn)化就是一場博弈。為了防止微生物與酶的降解，植物在長期的進(jìn)化中形成了強(qiáng)大的“抗降解屏障”。
纖維素是由若干葡萄糖殘基通過β-1,4糖苷鍵連接而成的線性葡聚糖。纖維素鏈之間通過氫鍵網(wǎng)形成了連水分子都插不進(jìn)去的結(jié)晶體。這是纖維素降解的第一道關(guān)卡。
在植物細(xì)胞壁中，纖維素被包埋在由果膠、木質(zhì)素、半纖維素等組成的基質(zhì)中，阻隔了纖維素酶與纖維素鏈的直接接觸。相比纖維素，木質(zhì)素和半纖維素的結(jié)構(gòu)要更加復(fù)雜。這是纖維素降解的第二道關(guān)卡。
開工前的熱身
首先要做的事情就是打造通向纖維素的“綠色通道”！
科學(xué)家們絞盡腦汁想出了各種方法來瓦解纖維素的抗降解屏障：
采用微波技術(shù)處理木質(zhì)纖維素原料，破壞纖維素鏈間的氫鍵，提高其可及性；
采用酸性或堿性溶劑浸泡底物，可改變其中木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)和含量；
采用蒸汽爆破的方法，可移除其中的半纖維素，減小木質(zhì)纖維素的顆粒度并增加其多孔性。就算是固若金湯的城池，也非要給它炸出幾個(gè)窟窿不可。
“勞?！钡菆?/strong>
細(xì)菌往往背負(fù)著“致病”的罵名，實(shí)際上許多細(xì)菌都在為人類服務(wù)。
熱纖梭菌就是其中的一位勞模。
熱纖梭菌是誰？此君（菌）是一種耐熱厭氧細(xì)菌，具有高效降解纖維素和產(chǎn)乙醇的能力，在生物能源領(lǐng)域具有重要價(jià)值。熱纖梭菌對(duì)纖維素的高效降解主要依賴于其胞外的多酶復(fù)合體——纖維小體。我們可以在電鏡下一睹她的芳顏，圖中梭狀體為熱纖梭菌，表面的白色突起就是纖維小體。
熱纖梭菌及纖維小體（圖片來源：中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所）
在這場“戰(zhàn)役”中，最初，熱纖梭菌漫無目的地四處游蕩，不時(shí)向周圍發(fā)射幾顆“炮彈”——纖維素酶。這些纖維素酶是游離酶，可以分泌到距離熱纖梭菌很遠(yuǎn)的地方。如果周邊環(huán)境中有纖維素存在，在纖維素酶的轟擊下，纖維素鏈就會(huì)發(fā)生斷裂，產(chǎn)生少量的纖維二糖和纖維糊精。
研究發(fā)現(xiàn)熱纖梭菌能以細(xì)胞表面的碳水化合物結(jié)合模塊（CBM）作為信號(hào)接收器,感應(yīng)到環(huán)境中的“獵物信號(hào)”——纖維二糖。經(jīng)過一系列信號(hào)傳導(dǎo)，啟動(dòng)對(duì)“纖維小體”的合成。
細(xì)菌內(nèi)部就像一個(gè)加工廠，熱纖梭菌通過“傳送帶”——胞內(nèi)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)將各個(gè)零部件跨膜運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞表面，進(jìn)行高效而有序的“組裝”。由支架蛋白組成的骨架通過掛壁模塊牢牢地固定在細(xì)菌的細(xì)胞壁上，形成了細(xì)菌的機(jī)械臂。各種纖維素水解酶通過相互識(shí)別的蛋白模塊結(jié)合到支架上，如同挖掘機(jī)的鏟斗一般。
纖維小體降解纖維素（圖片來源：https://www.ncbi.nlm./）
纖維小體“挖掘機(jī)”組裝就緒，熱纖梭菌就要開始干活了！細(xì)菌造的可不是一般的挖掘機(jī)，而是一臺(tái)“超級(jí)挖掘機(jī)”！
一個(gè)纖維小體上載著不同種類的纖維素水解酶，大致分為兩類：一類是內(nèi)切酶，負(fù)責(zé)從纖維素鏈內(nèi)部進(jìn)行切割；另一類是外切酶，負(fù)責(zé)從纖維素鏈末端進(jìn)行切割。各種纖維素水解酶分工合作，實(shí)現(xiàn)了纖維素的高效水解。
根據(jù)底物纖維素的狀態(tài)，熱纖梭菌可以調(diào)整纖維小體上各種水解酶的比例和空間分布，把酶與酶之間的協(xié)同效應(yīng)發(fā)揮到了極致。
在細(xì)菌生長進(jìn)入對(duì)數(shù)后期時(shí)，熱纖梭菌的“食欲”大增?？墒沁@時(shí)周邊的纖維素已被開采殆盡，熱纖梭菌為了填飽肚子，毅然選擇了“斷臂”。
此時(shí)分泌的纖維小體已經(jīng)不再掛在細(xì)胞壁上，而是離開熱纖梭菌到遠(yuǎn)方去開疆拓土。纖維小體一路向前挖過去，從而形成了一個(gè)由低到高的糖梯度，牽引著熱纖梭菌向纖維素充裕的方向移動(dòng)。原來這臺(tái)挖掘機(jī)還自帶“遙感系統(tǒng)”，熱纖梭菌果然是個(gè)老司機(jī)。
纖維素變汽油！
熱纖梭菌通過預(yù)處理時(shí)打開的綠色通道更加便捷地接近纖維素，利用纖維小體這把利刃，切割纖維素鏈，最終收獲的是一筐筐的“葡萄糖分子”。
生物乙醇生產(chǎn)工藝流程圖（圖片來源：http://image.baidu.com）
這些葡萄糖可不要急著吃，它們還有大用處。我們在微生物細(xì)胞內(nèi)搭建起“微型工廠”，在這里對(duì)葡萄糖進(jìn)行發(fā)酵，好比在細(xì)菌肚子里釀酒。經(jīng)過一系列的代謝途徑，葡萄糖完成了從糖到乙醇的完美蛻變。
用于發(fā)酵的這些微生物要為我們源源不斷地生產(chǎn)乙醇，所以它們對(duì)乙醇的耐受能力都是杠杠的，俗話說的好“沒有金剛鉆，不攬瓷器活！”
生物乙醇制備完成后，再與汽油按照1:9的比例混合，制成最終產(chǎn)品：“乙醇汽油”。
小二，味道不錯(cuò)，再來一升?。▓D片來源：https://weibo.com/）
按照這個(gè)比例混合的乙醇汽油有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是由于勾兌量較少，目前汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)無需改造就可直接使用；二是乙醇的辛烷值較高，可以取代原先汽油中污染環(huán)境的含鉛添加劑，并且改善汽油防爆性能；三是能有效消除火花塞、氣門等部位積炭，避免因積炭過多而引起發(fā)動(dòng)機(jī)故障，延長發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。
未來，在生物質(zhì)能源革命的舞臺(tái)上大顯身手的時(shí)候，大家可不要忘記熱纖梭菌這位勞模呀！
參考資料：
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