美国生物质资源研究规划与举措分析及启示

书书书中国生物工程杂志　ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０，３０（１）：１１１１１６檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏殏殏殏战略研究美国生物质资源研究规划与举措分析及启示邓　勇　陈　方　王春明　陈云伟　房俊民（中国科学院国家科学图书馆成都分馆　成都　６１００４１）摘要　发展生物质资源研究对于国家的可持续发展具有重要的战略意义。近年来，美国相继制订若干研究计划或发展路线图，并采取有效举措，持续推动生物质资源的研究、开发和利用。通过分析美国在生物质资源研究领域的重要举措，特别是分析其相关重要规划的具体内容，总结生物质资源研究面临的重要问题和研究热点，对发展我国生物质资源研究提出一些思考建议。关键词　生物质资源　生物燃料　生物基产品　微生物资源　藻类生物质　纤维素生物质中图分类号　ＴＱ９１收稿日期：２００９１１１３　　修回日期：２００９１１１９中国科学院规划与战略研究资助子项目、中国科学院知识创新工程重大项目（ＫＳＣＸ１ＹＷ１１Ｄ３）资助项目通讯作者，电子信箱：[e-mail]　　广义地说，生物质指通过光合作用等形式将太阳能、二氧化碳和水转化而形成的有机物质，或光合产物间接形成的动物物质及其代谢物。自然界的生物质包括种类丰富的物质资源和基因资源，以及数量可观的可回收利用资源。作为重要的可再生资源，生物质资源具有分布广、总量大、污染小和可再生等特点，开发潜力巨大，可广泛应用于能源、环保、医药、制造、农业等部门。近年来，由于面临化石资源日趋枯竭和化石燃料价格波动的不稳定情况，以及日益凸显的气候变化与环境恶化等严峻问题，全球经济的可持续发展正在受到越来越严重的制约，因此，合理开发利用可再生生物质资源已经越来越受到各国重视。　　根据应用特性，生物质资源大体上可分为原料资源和功能性资源。生物质资源的应用主要包括将生物质原料中的有机成分转化为能源及重要生物基产品、以及利用微生物（及其酶）的功能特性实现包括上述生物转化过程在内的工业生物技术目标。各国根据本地区不同的生物质资源和技术优势，选择了不同的生物质资源研究重点，并处于不同的技术发展水平。其中，美国着力开发和利用生物质资源，生产廉价的生物燃料（特别是纤维素乙醇和藻类生物柴油）、生物质电力和生物基产品；同时，美国在系统微生物学和植物与微生物功能基因组学研究方面居于世界前列。分析研究美国在生物质资源研究方面采取的举措以及相关规划的具体内容，对我国建设生物质资源及生物经济强国具有极重要的参考和借鉴意义。１　美国生物质资源研究的总体部署　　美国是农业生产和农产品供应大国。在生物质资源研究方面，美国的主要发展驱动力为：第一，减少对石油进口的依赖，保障国家能源安全；第二，促进环境可持续发展和经济发展；第三，为农业经济创造新的就业机会；第四，开发新产业和新技术，形成多样化的能源和产品供给。　　２０００年６月，美国政府通过了《生物质研究法》，并以农业部和能源部引领和管理，设立了生物质研发委员会和技术咨询委员会，正式启动了生物质研发项目。　　２００２年１１月，《美国生物质能与生物基产品展望》报告对美国生物质资源研究做出了远景规划，提出到２０３０年，美国生物质能和生物基产品将发展成为完善、成熟并可持续发展的产业，为美国农业经济增长创造新的机遇，为保护和加强国家环境安全提供可靠的清洁能源，以进一步增强美国的能源独立性，并向消费者提供性能优良、绿色环保的生物基产品。中国生物工程杂志ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．３０Ｎｏ．１２０１０　　近年来，美国政府通过立法、规划和政策制订等举措，持续推动生物质资源的研究、开发和利用。可以发现，在生物质资源研发方面，美国尤其重视发展生物燃料，而其重点开发的生物质资源包括纤维素生物质和藻类生物质等。表１简要列举了近年来美国在生物质资源研发方面采取的一些举措。表１　美国近年在生物质资源研发方面的立法、规划和制订政策等举措Ｔａｂｌｅ１　ＡｃｔｉｏｎｓｏｎｂｉｏｍａｓｓＲ＆ＤｉｎＵＳＡ时间部门举措要点２００２年１２月能源部发布《生物质技术路线图》加速提高美国开发生物质能和生物基产品的能力２００４年１０月国会通过《美国就业机会创造法》提出对生物燃料的使用税费减免政策２００５年８月国会通过《能源法２００５》加大力度鼓励生物质能的研发、示范和商业应用计划２００６年２月国会提出“先进能源计划”提出加大投资发展生物燃料，以解决交通运输对石油的依赖，在２０１２年前完成纤维素乙醇的商业化开发６月能源部发布《纤维素乙醇研究路线图》提出了未来三个五年阶段的纤维素乙醇燃料技术发展的战略规划２００７年２月总统提出“１０年２０％计划”提出加大生物燃料生产量和使用量的要求及相应鼓励措施７月国会通过《２００７２０１２年农业法》鼓励可再生能源和特殊作物研究，启动新的生物质能储备项目等１０月生物质研发技术咨委会发布《美国生物能源与生物基产品路线图》从原料、转化、基础设施、市场方面提出生物质原料研发战略建议１０月能源部发布《２００７２０１７年生物质发展规划》详细规划了未来十年内美国生物质资源的生产、转化与应用等１２月国会通过《２００７能源独立与安全法》修改补充可再生燃料标准，提出到２０２２年先进生物燃料发展目标２００８年９月能源部与农业部发布《国家生物燃料行动计划》降低纤维素生物燃料成本，促进生物燃料产业及其供应链的发展９月能源部发布《“基因组到生命”战略计划２００８》提出利用１０到２０年时间系统了解几千种微生物的基因组及微生物系统对生命活动的调控作用２００９年５月能源部发布《生物质多年项目计划２００９》提出生物质项目下一步发展的规划、前景和阶段性技术目标６月能源部就《国家藻类生物燃料技术路线图》草稿征询意见旨在推动藻类生物燃料商业化研究实践　　与此同时，美国在生物质资源研发领域的资金投入逐年递增，这其中包括２００８年１２月能源部投资２亿美元支持利用生物质原料生产先进生物燃料的商业化研究与实践、２００９年１月能源部与农业部联合支持有关生物燃料、生物质能及生物基产品生产技术与过程的研发项目等。即使在金融危机发生之后，生物质资源研究仍然成为美国经济复兴和再投资计划的重要组成部分。２００９年５月，美国能源部宣布，复兴计划中将有７．８６５亿美元用于加快先进生物燃料的研究和开发、以及商业规模的生物精炼示范项目等。２　美国生物质资源研究的组织管理机制　　为了系统地组织和管理国内的生物质资源研究，美国政府在２０００年专门设立了生物质研发委员会和生物质研发技术咨询委员会。其中，生物质研发委员会由美国农业部和能源部人员牵头组成，成员所属机构还包括国家科学基金会、环保署、内政部、科技政策办公室和联邦环境规划署，委员会的任务是对美国生物质项目进行具体规划和事务管理。生物质研发技术咨询委员会由数十名资深的科学研究、技术开发人员和高级管理人员组成，成员均来自知名大学、研究机构和大型企业，咨询委员会的任务是对生物质项目提供专业咨询意见，协助推进生物质资源研究。　　２０００年１０月，美国成立国家生物质能中心，其核心目标是联合能源部的技术力量，推进生物质研发项目的研究规划。该中心是一个虚拟的研究组织，总部设在能源部国家可再生能源实验室，由一个技术领导小组和四个技术小组组成，在能源部能源效率与可再生能源办公室的协调下共同开展生物质资源研究。各个成员小组的分工如表２所示。　　２００７年６月，为了推进生物质能的研究与发展，美国能源部建立了三个新的生物质能研究中心，重点开展生物燃料的基础研究，包括专用能源植物白杨和柳枝稷等的研究，面向生物质改良和转化的基因组学基础研究，新型生物质降解酶或微生物的研究等。２００９年５月，美国政府宣布成立生物燃料跨机构工作小组，由农业部长、能源部长和环保局长共同领导，与生物质研发委员会合作开展工作，为提升生物燃料原料生产的环境可持续性提供政策参考建议。２１１２０１０，３０（１）邓　勇等：美国生物质资源研究规划与举措分析及启示表２　美国国家生物质能中心成员小组及其分工Ｔａｂｌｅ２　ＧｒｏｕｐｓｏｆｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＢｉｏｅｎｅｒｇｙＣｅｎｔｅｒａｎｄｔｈｅｉｒｔａｓｋｓ成员小组主要开展的工作技术领导小组能源部国家可再生能源实验室生物质精炼方面的研究与开发，并带领其他实验室合作开展研究工作技术小组能源部橡树岭国家实验室生物质原料方面的研发能源部爱达荷国家实验室生物质原料获取技术的研发能源部西北太平洋国家实验室生物质合成气、催化工艺的研发，以及生物基产品的研发能源部阿贡国家实验室反应工程和分离技术的研发３　美国生物质资源研究重要规划解析３１　美国生物质多年计划　　美国政府于２０００年启动生物质研发项目。２００７年１１月和２００９年５月，美国能源部先后两次发布《生物质多年项目计划》报告，指出生物质多年项目计划的战略目标是发展具有成本竞争力的生物质技术，在国内形成新的生物产业，实现生物燃料在全国范围内的生产和使用，减少国内原油依赖，全面支持“１０年２０％计划”中提出的目标。　　报告指出，生物质多年项目将在核心技术研发、示范与应用研究和交叉领域发展三个层面展开工作。其中核心技术的发展目标为形成稳定的生物质原料供应并降低纤维素乙醇的生物转化成本，以便实现项目的执行目标，即显著减少汽油使用量并大幅降低纤维素乙醇成本。　　表３列举了核心技术研发规划的任务要点，它涉及两方面的研究：其一是生物质原料的生产，包括生物质原料的采收、储存、预处理和运输过程；其二是生物质原料的转化，包括将生物质原料变为低成本液体燃料的生物化学和热化学转化技术的研发。表３　美国生物质多年项目计划的核心技术研发规划Ｔａｂｌｅ３　Ｒ＆ＤｐｌａｎｓｏｆｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅＢｉｏｍａｓｓＭｕｌｔｉＹｅａｒＰｒｏｇｒａｍＰｌａｎ核心技术研发任务要　　点先进生物质原料发展工具和策略，以提高适用于能源转化的生物质原料的生产原料预处理设计开发成本低廉、针对特定原料的预处理过程的方法与设备酶解与水解加强关于酶水解机理的基础研究，以提高酶的使用效率与效果，发展最优化的酶水解工艺生物发酵开发乙醇发酵的高活性微生物，使其能够高效率地将所有生物质糖类转化为乙醇３２　美国生物燃料与生物基产品路线图　　２００７年１０月，为确保经济可行的、可持续发展的和有经济前景的生物质产业，美国生物质研发技术咨询委员会发布了新的《美国生物燃料与生物基产品路线图》，确定了生物质技术发展的主要障碍和必要解决途径，目的在于确保经济可行的、可持续发展的和有经济前景的生物质产业。表４概括展示了该路线图报告在生物质研发方面确定的重点战略部署。表４　生物燃料与生物基产品路线图的生物质研发战略部署Ｔａｂｌｅ４　ＢｉｏｍａｓｓＲ＆ＤｓｔｒａｔｅｇｙｉｎｔｈｅｒｏａｄｍａｐｆｏｒｂｉｏｅｎｅｒｇｙａｎｄｂｉｏｂａｓｅｄｐｒｏｄｕｃｔｓｉｎＵＳ研究目的重点研究生物质原料系统开发植物学、遗传学与基因组学，包括原料结构与特性研究、微生物资源研究、生物多样性研究等原料的技术经济分析，包括建立和分析原料利用的技术经济模型、比较和评估各种生物质原料的可持续发展情况等生物质原料的处理和天然处理过程的分析，包括生物质的天然降解过程研究、天然代谢途径的分析等生物转化油脂、糖和蛋白质转化平台，包括生物质原料的结构组分研究、转化机理研究和经济可行性分析等生物柴油生产，包括生物柴油生产的副产品的回收与再利用研究等转化过程研究，包括生物化学转化、热化学转化和催化转化等过程的研究３３　美国纤维素乙醇研究路线图　　２００６年７月，美国能源部的生物与环境研究办公室和能源效率与可再生能源办公室联合发布了生物质燃料研究路线图———《打破纤维素乙醇的生物学障碍：纤维素乙醇研究路线图》，对美国未来的纤维素乙醇发展做出了全面部署。该路线图的重点是纤维素乙醇，但对于生物柴油和其他生物基产品或副产品的相关研究也具有重要参考价值。　　根据完成相关任务的技术成熟度，路线图将纤维素乙醇研究战略划分为“三个五年”阶段，表５概述了３１１中国生物工程杂志Ｃｈｉｎａ