1 現代能源
現代能源主要是來自于化石燃料所帶來的能量來源。
盡管現在新能源產業發展迅速，但化石燃料仍是目前主要能源來源之一?；剂闲枰f年甚至上億年才能生成，其不可再生性質是顯而易見的。目前全世界對化石燃料的過度開采，大量消耗，帶來的化石燃料的供應量不足現象越來越嚴重，世界范圍的能源危機迫在眉睫[1],這已經不是危言聳聽的預言。據預測，以目前的開采和利用速度，化石燃料在未來 50 ~200 余年，將被耗盡。
近百年來溫室效應不斷加重，其原因就是溫室氣體二氧化碳的大量產生和排放。而火力發電貢獻了很大部分的二氧化碳排放量。國際能源署預計到 2030 年仍有 85% 的能源是化石燃料[2].如何化解能源需求與環境保護之間的矛盾，是亟待解決的問題。正因如此，新能源產業受到了廣泛的歡迎。目前新的能源發展比較成熟的包括風力能源和水力能源，此外還有核能。
1. 1 風力發電
目前世界許多國家都在開發風力資源，因為風力發電既不需要消耗化石等燃料，也不會產生輻射或造成空氣污染。目前的風車技術，大約只需要 3m/s 的微風速度，就可以進行發電[3].但是風力發電也有一些缺點，如可能干擾鳥類生活生存。如美國堪薩斯州的松雞在風車出現之后，已漸漸消失。
人們也研究了許多解決方案，如在海上開發離岸發電，但是離岸發電成本較高，不過效率也較高。再如使用小型垂直風力發電，這種風力發電裝置的優點是可以架設在住家的屋頂或后院。當然在部分地區，風力發電并不經濟，因為許多地區的風力是間歇性的，如臺灣等地在電力需求較高的夏季及白日正是風力不足的時段。同時興建大型風力發電設備需要占用大量土地，才可以獲得比較多的能源。還有，大中型風力發電機的運轉會發出很大的噪音，所以設立地點必須遠離住家，或使用低噪音小型機種[4 -5].
1. 2 水力發電
水力發電是是利用水的位能轉化為水輪的機械能，再以機械能推動發電機，從而得到電力。如隨著三峽大壩、葛洲壩等水壩的建成，水力發電在能源生產中占領了一席之地。
但是水利發電也有著諸多缺陷。如水力發電蓄水的水庫會導致上游大面積土地被水淹沒，棲息地細碎化，破壞生物多樣性，失去生產力較高的低地、草原，破壞生態價值高的濕地、河谷及森林。而下游同樣會受影響，原本會流至下游的沉積物在有水力發電站后會大幅減少，這是因為發電機組所排出的水中含有的沉淀物非常少，使下游河床被沖刷，又失去沉淀物的補充，導致水土流失，最終下游的原有地貌會逐漸被侵蝕，河堤、三角州會受影響，肥沃的沖積土減少。并且會阻礙水中生物遷徙，影響其繁殖，部份物種可能因而絕種，減少了物種多樣性。水庫還會使水溫上升，因而導致魚群數量及種類減少。而且這些破壞是永久性、不能逆轉的[6].
從現代技術上看來，核能發電被廣泛認為是取之不盡用之不竭的能源，故而廣受青睞。但近年來日本福島大地震所帶來的核災難在普通民眾心目間留下了不良的印象。這使得核能的進一步發展受阻。
2 生物能源
如上所述，在以后 50 ~ 200 年內，一些化石燃料特別是石油，很可能耗盡。因此，迫切需要發展替代能源。最大的需求將來自地熱、核能、太陽能、水和風能。但是，生物燃料產生可能會變得更重要，特別是它能提供液態和氣態兩種燃料。重要的是這些燃料是用可再生原料生產的，如培養的農作物形式的植物生物量、天然植物、農業、家庭和工業廢物等。當今有兩種從可再生能源衍生的主要微生物燃料產物，即甲烷和乙醇，但這些不是微生物可以產生的唯一燃料。其他液體和氣體能源包括氫、丙烷、甲烷、丁烷等，電能也可以由微生物體系產生。
所謂生物質能（ biomass energy） ,是指生物通過光合作用將太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式，即以生物質為載體的能量。它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用，這是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，同時也是唯一一種可再生的碳源。例如，利用微生物學發酵生產燃料沼氣、乙醇、氫氣和制備燃料電池等[7].
近年來，美、英、日、俄、巴西、瑞士等國紛紛投入大量人力、財力、物力對生物質能進行開發研究。例如，目前德國政府通過補助的方式支持興建沼氣發酵池，并立法鼓勵沼電上網、沼氣并入燃氣網等有效激勵措施，使利用農副產品、垃圾廢棄物的沼氣生產得到快速發展。但是按目前國內外研究水平來看，離燃料電池、氫動力的大規模應用還有一定的距離。而利用生物產生乙醇代替石油的研究較為成熟，世界多數地區傳統上都是使用當地可利用的原料生產酒精飲料。
現在某些國家同樣使用發酵酒精生產燃料級或化學原料酒精。世界每年的乙醇生產量中大約 70%是發酵生產的，其余的主要是通過催化裂解乙烯生產。發酵乙醇中大約 12% 是飲料酒精，20%用于各種工業，剩下的 68% 是燃料乙醇。乙醇是一種很好的燃料，因為它可以單獨使用，也可以與其他液體燃料混合，如酒精 - 汽油混合燃料，這是一種 10% ~22% （ v（ 乙醇） ∶ v（ 汽油） ） 的乙醇與汽油的混合物[8].本文對這方面的研究成果做一簡要的介紹。
2. 1 來自于糧食的生物乙醇
現階段有效的生物能源大部分是生物乙醇，這是指微生物將各種生物物質通過發酵轉化為燃料酒精。近兩年來，世界各大能源消費國競相尋求新的石油替代能源。美國和歐洲均選擇了生物乙醇作為主要的替代運輸燃料。
例如，美國每年的玉米用量占全球玉米消費量的比重持續增加，從 1980 及 1981 年 0. 28% 增至 2010 及 2011 年21. 25% ,幾乎增加了 100 倍。其中乙醇玉米占玉米用量的比重從 0. 77%增至 68. 66%,也幾乎增加了 100 倍[9].對美國農業部報告中的世界玉米供需平衡表的數據進行分析發現，最近 10 年全球玉米食品、乙醇和工業用消費量年均遞增3. 34% ,高于飼料玉米和總玉米消費量的年遞增率（ 分別為2. 8% 和 3. 27% ） .
同能源問題一樣，糧食問題也日趨嚴重。世界糧食生產地區極為不平均。發達國家人口僅占世界人口的 1/4,生產的糧食卻占世界糧食產量的 1/2.發展中國家人口占世界人口的 3/4,生產糧食只占世界糧食產量的 1/2,因此人均產糧少、糧食消費少。由于發展中國家人口增長速度過快，許多國家缺糧問題日趨嚴重[10].當大量的糧食被制作成燃油，而某些國家的人民仍然承受著饑餓的苦難，這使得由玉米、高粱等作物而生產的燃料在輿論方面承受著越來越大的壓力。
2. 2 來自于纖維素的生物燃料
纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖，是組成植物細胞壁的主要成分。棉花、亞麻、苧麻、黃麻等植物含有大量優質的纖維素，棉花的纖維素含量接近 100%,為天然的最純纖維素來源。一般木材中，纖維素含量占 40% ~50% ,還有 10% ~ 30% 含量的半纖維素和 20% ~ 30% 含量的木質素。此外，麻、麥稈、稻甘蔗渣等，都是纖維素的豐富來源。纖維素是一種復雜的多糖，由 8000 至 10000 個葡萄糖殘基通過 β -1,4 - 糖苷鍵連接而成。天然纖維素為無味的白色絲狀物。纖維素是世界上最豐富的天然有機物，占植物界碳含量的 50% 以上[11].如能有效利用，纖維素乙醇的前景十分廣闊。
纖維素乙醇可以以玉米芯、玉米秸稈等農業廢棄物提取完功能糖之后的生物殘渣做原料，因此與玉米乙醇等由糧食轉化而來的燃料相比，屬于廢物利用而來的乙醇產品，在原料方面更有保證。具有資源豐富、綠色環保、低碳節能等諸多優勢。
國際上，如美國環境保護局已經實施了 2007 年可再生燃料標準（ RFS） ,即必須使用一個百分比的可再生燃料的產品，否則將面臨處罰。美國政府已經大力推動用纖維素取代玉米的乙醇生產。意大利首座纖維素燃料乙醇工廠在克雷申蒂諾正式投產。據悉，其前期研發及建設投入總計約 1. 5億歐元，預計年產量將達 7500 萬升。在石油資源日益減少的今天，纖維素燃料乙醇為人們尋找石油替代能源指引了方向。作為植物的主要組成部分，纖維素成分是世界上最豐富的可再生資源之一，將其作為原料生產燃料乙醇的產出比可達 20%[12].
2. 2. 1 分解纖維素
纖維素廢棄物的主要有機成分包括半纖維素、纖維素和木質素三個主要部分。前二者都能被水解為單糖，單糖再經發酵生成乙醇，而木質素不易被水解，且在纖維素周圍形成保護層，影響纖維素水解[13 -14].
用木質纖維素為原料生產乙醇可有不同的工藝選擇，但都需要解決以下幾個的問題：
（ 1） 纖維素和半纖維素能否被高效地水解為可溶性糖；（ 2） 水解得到的糖液發酵生產乙醇的水平，因為糖液中包括有五碳糖和六碳糖，以及對發酵有害的組分，這些問題都需要解決；（ 3） 降低工程能耗的先進工藝過程設計；（ 4） 高效地利用木質素成分[15].
將植物纖維素轉化為乙醇的基本工藝步驟包括： 分離纖維素、轉化成糖以及糖轉化為乙醇 3 個步驟； 基本的生產工藝流程可以分為預處理、水解、發酵和純化 4 部分[16].纖維素生產乙醇工藝有酸水解，酶水解，微生物發酵水解等方法。下面主要介紹一些有關酶水解和微生物發酵水解方面的研究現狀。
2. 2. 1. 1 纖維素酶
纖維素酶的來源很廣泛，真菌、細菌、放線菌等均有產生纖維素酶的報道。細菌中的許多種屬都能夠降解纖維素，如好氧 菌 中 的 芽 孢 桿 菌 屬 （ Bacillus ） 、假 單 胞 菌 屬（ Pseudomonas ） 、厭 氧 發 酵 菌 中 的 梭 狀 芽 孢 桿 菌 屬（ Clostridium） 、滑行細菌中的嗜纖維菌（ Cytophaga） 、多囊菌（ Polyangium） 等。近年來發現，粘細菌 （ Myxobacteria） 中的纖維堆囊菌屬 （ Sorangium cellulosum） 也具有纖維素降解能力。放線菌主要有玫瑰色放線菌（ A. Roseus） 和鏈霉屬放線菌等。目前最主要的還是利用真菌來發酵產生纖維素酶，其中研究得比較多的是木霉屬和曲霉屬的絲狀真菌。綠色木霉和黑曲霉被認為是產生纖維素酶最穩定和無毒安全的菌種，而 且 產 生 的 是 胞 外 酶，這 對 酶 的 分 離 純 化 都 更 為有利[17].
根據其催化反應功能的不同，可將纖維素酶分為內切型的葡萄糖苷酶（ 來自真菌的簡稱 EG,來自細菌的簡稱 Cen） ,外切型的葡萄糖苷酶（ 來自真菌的簡稱 CBH,來自細菌的簡稱 Cex） 和纖維二糖酶（ 簡稱 BG） .大多數纖維素酶都由一個或幾個催化結構域（ catalytic domain ,CD） 和纖維素結合結構域（ cellulose bingding domain ,CBD） 組成，并由一段柔性的連接肽（ lingker peptide） 連接 CD 與 CBD.連接肽的存在賦予酶靈活的空間構象，并且使 CD 有更多的機會接觸纖維素鏈。由于連接肽易暴露于水中，容易受到蛋白酶的水解，所以這段肽鏈常被糖基化[17].
關于纖維素酶的作用機制學者們提出了各種不同的模型。Reese 等人早在 1950 年就提出了 C1 - CX 假說。該假說認為 C1 酶先將結晶纖維素降解成無定形纖維素，然后由CX 酶將無定形纖維素降解成纖維二糖，最后由 β - D - 葡萄糖苷酶將纖維二糖水解成葡萄糖[18].實際上纖維素酶的作用機理遠比上面所述要復雜得多，因為目前已經發現與纖維素酶水解有關的基因就達 20 多個，它們的表達產物均起到了一定的作用，也就是說需要更多的相關酶的作用，才有可能高效地將纖維素徹底水解成單糖。
纖維素酶水解條件溫和，無污染，無腐蝕，但反應速度慢，酶制劑成本高是利用纖維素分解制造乙醇的缺陷。生產成本高是由于纖維素酶活力較低造成的，纖維素酶與其他糖苷水解酶類相比，比活力至少要低 1 ~ 2 個數量級。如濾紙降解酶的比活力為 1 IU /mg 左右，CMC 降解的比活力約為10 IU / mg ,這是兩個限制纖維素酶應用的瓶頸問題，也是纖維素酶研究的熱點與難點。通過傳統的菌種誘變和基因工程技術可以較大幅度地提高纖維素酶蛋白的表達量，從而提高酶的發酵水平。如諾維信公司與美國能源部合作研究，已使纖維素乙醇制造中的酶制劑成本由每加侖 5 美元降低到18 美分。另外，還可以通過改善發酵條件和工藝，如采用固體發酵來大幅度降低發酵成本[19].但是提高酶降解天然纖維素的效率仍需要深入研究，特別是研究纖維素酶的結構與功能之間的關系，進而指導基因水平的改造。當然也可以通過篩選新的產酶菌種，發現具有開發潛力的新酶源。
2. 2. 1. 2 纖維素分解菌的利用
目前發現自然界許多微生物都具有分解纖維素的能力，在腐殖質豐富的落葉層中含量豐富，包括真菌、細菌、放線菌等[20].從自然環境中分離的天然纖維素分解菌的酶活性很低，導致纖維素降解速度慢，發酵周期長。但是有研究發現，當纖維素分解菌與其它霉菌等菌種共生時，纖維素分解速率會提高。如在廢棄物堆肥分解時，接種纖維素分解菌，細菌和放線菌數目明顯減少，而真菌和纖維素分解菌的數量增加3 ~ 4 倍，這是由于垃圾接種纖維素分解菌劑后，增強了微生物的活性，使堆溫上升快，高溫維持時間長，從而使嗜溫性細菌和放線菌的生長繁殖受到抑制。但是同時接種 EM 菌（ Effective Microorganisms） 和纖維素分解菌后，菌種之間的協同作用，受抑制影響較少，所以各種菌均可維持在一個較高水平上共同分解有機物，快速完成堆肥過程[21].
目前，能源問題是人們所關注的話題，生物能源作為現行的新的能源開發項目，有著極為廣闊的前景，如何利用自然界大量存在而又可以并易于再生的生物質能，是我們需要研究的重要課題。
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