创新求实 探索生物质能源突破口——记中国科学院大连化学物理研究所赵宗保研究员

本刊记者 石丽云

创新求实 探索生物质能源突破口
——记中国科学院大连化学物理研究所赵宗保研究员

本刊记者 石丽云

专家简介：

赵宗保，1968年生，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师，“生物质高效转化研究组”组长。2004年中国科学院“引进国外杰出人才”，美国化学会、美国微生物学会、中国化学会和中国生物工程学会会员，中国可再生能源学会生物质能专业委员会理事，中国化学会化学生物学专业委员会委员。至今已发表学术论文120余篇，被引用700余次。

1990年、1995年先后在湖南师范大学化学系获学士学位和硕士学位。1998年在中科院上海有机化学研究所获理学博士学位。1998年至2003年先后在美国明尼苏达大学和德克萨斯大学奥斯汀从事博士后研究。2003年11月应聘到中科院大连化物所生物技术部工作，主要研究方向为生物转化技术、分子微生物学和化学生物学。

随着传统能源资源的日益枯竭，很多能源专家已经把目光瞄准了生物质能源。目前，很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。

众所周知，生物质能蕴藏在植物、动物和微生物等可以生长的有机物中，它是由太阳能转化而来的。有机物中除矿物燃料以外的所有来源于动植物的能源物质均属于生物质能，通常包括木材、森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等等。由此可见，地球上的生物质能资源较为丰富。地球每年经光合作用产生的生物质约1730亿吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍，但是目前的利用率还不到3%。

在中国科学院大连化学物理研究所，赵宗保研究员带领着“生物质高效转化研究组”已经奋战了八个春秋。八个寒来暑往，八个冬去春来，他们瞄准生物质制生物柴油等领域，边摸索边前进，努力推动着我国生物质能源事业的发展。

要敢想，更要敢做

2003年非典肆虐，远在美国从事博士后研究的赵宗保果断地选择了回国，进入中科院大连化物所生物技术研究部工作。

“由于本身的学术背景，我对生物质能源的化学本质和发展方向进行了深入思考，认为生物质能源是非常具有前景的发展方向，是国家和社会发展的需求所在；通过综合分析认为，燃料性能优良的生物柴油非常值得研究，这正好和研究所招聘人才的方向一致。”赵宗保这样解释当初选择大连化物所的原因。

新世纪初，国内生物质能源领域的发展才刚刚起步，其挑战性不言而喻。人们当时对生物柴油发展寄予了厚望，然而其规模化应用面临植物油脂原料短缺的瓶颈问题。能否利用生物技术为生物柴油产业提供一种可持续的原料供给方式？赵宗保提出了“生物质制生物柴油”的新思路，但这对于其化学系科班出身的背景来说，无疑是一种挑战。

然而，赵宗保对生物学一直怀着浓厚的兴趣，善于学习的能力和经验给了他信心。回首成长历程，我们看到，他先后在湖南师范大学化学系和中科院上海有机化学研究所学习化学，并获有机化学专业博士学位。直到1998年远赴美国明尼苏达大学开展生物有机化学方向博士后工作，他才有幸真正接触到生物学研究。2003年，他继续向生物学进发，开始在德克萨斯大学奥斯汀从事微生物代谢工程方向博士后研究。因此，如何让化学与生物完美结合，并为这个世界发展贡献力量，一直是他的追求与梦想。

中科院大连化学物理研究所恰好为赵宗保提供了一个良好的平台。进入研究所后，他积极组建了科研团队，围绕高效利用生物质资源获取生物质能源产品和生物基化学品的目标，在生物转化技术、分子微生物学和化学生物学三个方向，开展了前瞻性、创新性工作，并取得了重要进展。

善创新，才能突破

“创新是科研的生命线，特别是战略性和前瞻性的研究，更需要创新。”为不断推动科研进展，赵宗保一直努力保持着创造力，不断地奋力向前。他先后承担或完成自然科学基金项目3项、863项目1项、中科院重要方向项目3项；参与973项目4项。回国以来，他已在国内外刊物上发表论文90余篇，被引用500次以上；申请发明专利30余件，其中PCT专利1件，已授权发明专利6件。

事实上，生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。如何高效、低成本地实现生物质解聚，释放出碳水化合物，是生物质利用和生物能源发展的关键。赵宗保和他的小组在国际上率先利用离子液体为介质，水解和转化生物质，变传统的非均相过程转化为均相过程，大大加快了生物质水解进程，研究成果在Green Chem.和Bioresource Technology等刊物上发表，受到同行高度关注。

生物质水解产物具有葡萄糖和木糖并存的基本特点。然而，多数微生物在葡萄糖和木糖共存的条件下优先利用葡萄糖，造成木糖利用效率低甚至利用不完全，显著降低过程的技术经济性。因此，获得能够同步且高效利用葡萄糖和木糖的菌株，是克服该共性难点问题的关键。前不久，经过大量的研究与试验，赵宗保和研究小组首次发现一株能够同步利用葡萄糖和木糖生产油脂的产油酵母。在3-L发酵罐中，以质量比为2:1的葡萄糖和木糖为碳源培养该酵母，细胞油脂含量达到59%，脂肪得率系数达到0.17g/g。如果直接利用玉米秸秆水解液来“喂养”这个酵母，油脂含量也可达39%，表现出良好应用前景。该研究成果对发展混合糖同步生物转化新技术、降低生物柴油的原料成本，具有重要意义。

生物质水解产物另一基本特点是存在抑制生物转化的非糖成份。对于这一点，研究人员也在筛选高抗逆性产油酵母菌株和揭示其耐受抑制因子的机制等方面取得了重要成果。

“生物能源的化学本质是对生物质进行脱氧还原。因此，必须为生物转化系统提供充足的还原力。”赵宗保这样告诉记者。近年来，赵宗保和研究小组致力于微生物细胞内氧化还原辅酶及其代谢过程的设计，取得了一些原创性研究成果，发表于J. Am. Chem. Soc.和Appl. Environ. Microbial.等刊物上。

产业化是最终目标

赵宗保研究小组多年专注于将生物质转化为生物柴油的研究。“今后，我们的主要发展目标是实现微生物代谢性状的理性设计。同时，掌握和发展一些新的改造微生物的新方法和新技术，并筛选出具有科学或工业应用价值的菌株。”面向未来，赵宗保和研究小组保持着积极的态度，并致力于将其推向产业化，真正为国家经济社会发展服务。

赵宗保带出了一支优秀的团队。20余人的队伍，包括工作人员7人（含副研究员2人），博士后2人，在读博士生12名，人人互助互爱，形成了良好的团队氛围。这一切，都让赵宗保对未来的科研之路充满信心。目前，他们正在开展生物质制生物柴油、生物质化学转化、产油酵母的系统生物学研究、辅酶化学改造及辅酶工程，以及合成生物学等方面的探索性工作。

“如果生物质制生物柴油能够实现，它将是一种不依赖于耕地的、可以控制的工业化规模的操作，对缓解能源危机具有积极意义。尽管目前的技术还不是很完善，但是我们将一直专注地做下去！”赵宗保和他的研究小组一直在奋进的路上。