让树上“长”出更多柴油

生物谷

——记华南植物园吴国江教授及他的能源植物研究

　　吴国江，男，1962年生，中国科学院华南植物园研究员，博士生导师。1997年在日本东京大学获得理学博士学位后，分别在东京大学、日本国立生物资源研究所等单位从事研究工作。近期研究成果发表在Nature和DNA  Re-search  等国际核心学术刊物上。现为华南植物园分子生物学基础创新研究组首席研究员、“百人计划”入选者。主持的项目有中科院知识创新工程重要方向项目、973项目子课题、广州市科技计划项目等。主要从事植物生理学和分子生物学等方面的研究工作。研究方向包括能源植物的良种繁育和品质改良、豆科模式植物百脉根根瘤形成机理、水稻等突变体基因克隆与应用等。

　　当今能源形势日趋紧张，生物质能的利用因此也成了社会关注的一个热点。今年9月17日，我国首个能源植物专类园在华南植物园开园，成为广东省生物质能研究与开发的重要平台，将为能源植物的应用研究提供重要的资源与物质基础。而这些都凝聚了吴国江教授以及其他科研人员两年多的心血。在他们的努力下，目前能源植物的研究已取得了初步成果。

　　开展能源植物资源收集

　　2004年7月，吴国江从日本留学回国后到了华南植物园，开始了能源植物的良种繁育和品质改良的项目研究，同时开始着手组建能源植物专类园。当时，植物园里的能源植物资源不多，需要从各地收集、分类与引种。

　　从2004年的10月开始，吴国江先后跑了贵州、云南、四川、海南以及我省的雷州半岛等多个地方，跋山涉水，开展麻疯树这类能源植物的收集工作。麻疯树是一种极具开发前景的生物柴油植物树种，繁殖能力强，其籽粒含油率高，是制造生物柴油的良好材料，被生物质能源研究专家称之为“黄金树”、“柴油树”。  但这种树全株有毒，茎、叶、树皮、果等均有丰富的白色乳汁，内含大量毒蛋白，其中尤以种子含量最高，误吃会中毒。

　　在云南、贵州等地调研考察时，吴国江常常是到山区村寨去实地了解、收集麻疯树的种子。那里的少数民族习惯于把麻疯树种在屋前屋后作为篱笆，这也为吴国江收集材料提供了方便。“虽然这种植物有毒，但只要认识了它的毒性，不误吃，也是安全的。但比较麻烦的是茎、叶等有白色乳汁，常常会粘到衣服上洗不掉。”

　　建成国内首个  能源植物专类园

　　经过吴国江及其科研团队的努力，能源植物专类园目前已初步建成，并于今年“全国科普日”活动期间正式对外开放。这个能源园也是中科院、广东省、广州市三方共建华南植物园的项目之一，收集了比较典型与常见的各类能源植物100多种。吴国江教授介绍，建立该能源植物园的目的是结合国家能源战略的需求，对能源植物的种质资源进行保存，为生物质能及相关领域的研究提供有效的支撑。它不仅是能源植物的种质资源基因库，也将成为科普展示、繁殖推广和开发利用的研究平台。

    　该园分为油料植物区、薪炭林区和能源农作物区三大区域，其中包括油桐、油棕、油茶、乌桕、向日葵等油脂类能源植物,  油楠、麻疯树、光棍树、银合欢等富含类似石油成份的能源植物，甘薯、木薯等富含高糖、高淀粉和纤维素等碳水化合物的能源植物以及速生薪炭林植物的铁刀木、香花槐、芒等。

　　在这些能源植物中，油楠树只要在树干上钻个洞，便会流出一种类似于煤油的淡棕色油质液体，一点就着，因此又叫“煤油树”。经研究化验，其油液中含有多种烯类化合物，性质与柴油相似，因此有一定的发展前景。但吴国江教授表示，这种植物生长较慢，真正“长”出油来起码要20到30年的时间；同时繁殖较难，要实现在广东地区大规模种植还需要进一步的研究。

　　目前吴国江课题组主要的研究方向在芒草与麻疯树这两种植物，其特点都是分布较广，比较粗生，在一些荒山荒地都能生长。其中芒草是“秸秆转油”的一种好的原料，毕竟用高梁等秸秆成本也较高，而芒草随处可见，纤维素含量高，如研究成功将产生较佳的效益。而麻疯树则繁殖快，产量高，种植后3到5年便可达到产量的高峰。但要实现产业化，还需要进行研究，对其进行物种改良。

　　转基因研究提高产油率

　　吴国江表示，按照已有的研究，一亩麻疯树最高可产种子500公斤，其含油量在30％到50％，提炼出的柴油一般在150－180公斤之间。同时，麻疯树并不是在所有地方都能生长、开花、结果，这种植物对温度和环境都比较敏感，在高温地区生长快，含油量也高。目前只适合在两广、云南、贵州、四川、海南等热带与亚热带地区种植，生长的区域比较有限。因此，他们正从分子生物学的角度去研究，对其进行转基因的遗传改良。

　　课题组研究的一个方向是提高麻疯树的耐寒性，植入抗低温的基因，使其改良后适合在北方特别是西北地区种植。因为南方地区种植经济作物较多，而种植麻疯树的经济效益相对没优势，因此在人口相对稀少的西部地区较有发展潜力。同时也通过对其植入油质代谢功能基因等的改良，提高其种子的含油量以及油的质量。如基于油的粘性是由其“碳链”长短而定，通过改造麻疯树基因中的“碳链”，便可生产出各种不同粘性的工业用油，免去了化学加工的很多步骤。

　　据吴国江介绍，他们的基因改良研究已取得了初步进展，目前已收集了80多个样本，在试验基地培育了一批树苗。通过种植并进一步研究，便可筛选出适合大量繁殖的新品种。


　　产业化前景广阔

　　对于目前生物质能的利用，吴国江表示，现在生物柴油的加工提炼技术已比较先进，如中科院广州能源所就有较为先进的一套设备，能加工各种生物柴油的原料。要进行规模化生产，缺的是原料，上游的研究没开发好，一些能源植物没得到推广种植。

　　作为燃油的可替代品之一，麻疯树等能源植物有着非常广阔的发展前景。麻疯树生长迅速，生命力强。它不但人工造林容易，繁殖能力强，还耐火烧，经改良后可在干旱、贫瘠、退化的土壤上生长；落叶易腐不易燃，能使土壤有机质逐渐增多，保土保肥，是保水固土、防沙化、改良土壤的重要树种。其种子是传统的肥皂及润滑油原料，油渣去毒后可生产蛋白质含量较高的动物饲料；种子油可作化工、生物农药原料；富含氮的种皮残渣是极好的植物肥料；树叶提取物存在多种形式的化学活性成份，具有广泛的医用价值，如膏桐树酮类化合物是系统开发抗菌、抗病毒、抗肿瘤的药用原料。因此，麻疯树集生物燃油、生物农药、生物医药、生物肥料、化工原料、油料、密源植物、水土保持于一体，具有经济、社会、生态多重效益，有广阔的综合开发潜力。

　　近年来，用麻疯树油作燃油的研究已取得了较大进展，经改性的麻疯树油可适用于各种柴油发动机，技术指标优于国内零号柴油，达到“欧洲二号”排放标准。它的一系列副产品包括用于化妆品的甘油，以及再加工制成的麻疯树种子饼，可以作为有机肥料使用。与石油不同，麻疯树油是可再生与可进行生物降解的。燃烧麻疯树油或由其制成的生物柴油，比燃烧传统化石燃料产生的二氧化碳少，更环保，更清洁。

　　虽然麻疯树的综合利用价值高，但吴国江表示，目前大规模种植利用条件还不成熟，真正实现产业化还需要一段时间。“能源植物引起如此广泛关注固然让人高兴，但麻疯树的规模化种植和人们的商业设想之间，或许还有相当长的距离要走。虽说生物炼油前景光明，但估计在三五年内仍难取得显著突破。比如麻疯树，哪个品种更加适合在广东种植，还需要进行长时间的研究。目前，生物能源的开发利用成为社会关注的热点，也引起了政府和民间的重视。作为科研人员，我们有义务也有责任去做好研究工作，取得更多的成果，产生更大的社会效益。”