3.1 能源植物

3.1.1 能源植物的定義和特點

直接用于提供能源的植物稱為能源植物。固體、液體和氣體能源均可通過能源植物產(chǎn)生。棉稈、秸稈等傳統(tǒng)農(nóng)作物生產(chǎn)形成的有機(jī)殘余物雖然具有很大的生產(chǎn)能源的潛力，但是由于它們僅僅是作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品出現(xiàn)的，所以并不能算作能源植物。根據(jù)能源植物的定義，該類植物的最大特點是其專為生產(chǎn)能源而種植。能源植物要想達(dá)到穩(wěn)定的能源供給，并且不會對現(xiàn)有土地使用產(chǎn)生影響，通常都需要具有高含能量、高生產(chǎn)力以及能夠良好的適應(yīng)邊際土地等特點。

3.1.2 能源植物種類

由于能源植物種類繁多，所以往往又將那些能夠被馴化的植物稱為能源植物，這些植物能夠按照人類的意愿在特定地點產(chǎn)生出大量的生物質(zhì)能，因此本章所提到的能源植物指的就是這些高能、專業(yè)化的能源作物。隨著2種概念的不斷混合使用，一般那些已經(jīng)被馴化或者容易被馴化的能源作物就被我們統(tǒng)稱為能源植物。

盡管能源植物的種類繁多，但絕大多數(shù)能源植物屬于被子植物，據(jù)不完全統(tǒng)計，被子植物門中涉及能源植物的科就有20多個，至于屬種就更難以詳細(xì)統(tǒng)計。由于被子植物中含有的木質(zhì)素較少有利于轉(zhuǎn)化，常見的能源植物大部分屬于被子植物門。盡管在植物學(xué)中某些具有較高含油量的藻類并不屬于植物，但仍然可以看作能源植物。

植物分類學(xué)進(jìn)行能源植物的分類在學(xué)術(shù)上比較嚴(yán)謹(jǐn)，但是由于這種分類并不能很好地反映出能源植物的具體用途，因此，更為常見的是根據(jù)植物的化學(xué)成分或者根據(jù)植物的利用方式這2種方法來對能源植物進(jìn)行分類。一般情況下，根據(jù)能源植物的化學(xué)成分的不同將其分為淀粉作物、糖料作物、油料作物和纖維素作物等。

淀粉作物：富含淀粉的作物，也主要用于生產(chǎn)燃料乙醇。以富含淀粉的甘薯、馬鈴薯、木薯等薯類作物和大麥、小麥、玉米、籽粒高粱等禾谷類作物為原料生產(chǎn)乙醇已有很長的歷史。淀粉是葡萄糖的聚合物，需要經(jīng)過一個解聚過程才能轉(zhuǎn)化為可溶性糖，因此，某些情況下，需要經(jīng)過一個高耗能的過程，才能將局部解聚的淀粉與可溶性糖分離開來，但是將其直接用來生產(chǎn)乙醇卻不會有這個問題。由于這些作物同時也是人類的食物來源，所以在糧食安全問題日趨嚴(yán)重的今天，更多研究轉(zhuǎn)向了纖維素作物。

糖料作物：富含可溶性糖的作物，用于生產(chǎn)燃料乙醇。可溶性糖轉(zhuǎn)化為乙醇的化學(xué)過程最簡單，生產(chǎn)成本最低。主要作物有甜高粱、甘蔗和甜菜等。

巴西是目前世界上主要的植物燃料乙醇生產(chǎn)和消費(fèi)國之一，由于境內(nèi)生產(chǎn)甘蔗，所以大量利用甘蔗來生產(chǎn)燃料乙醇。糖料植物對氣候的要求使得世界上往往只有一些特定的國家才能夠進(jìn)行大量的種植和相應(yīng)的能源生產(chǎn)。由于可溶性糖也是一些重要的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品來源，所以目前歐美國家更傾向于利用淀粉來生產(chǎn)乙醇。

纖維素作物：富含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的作物，轉(zhuǎn)化應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，可生產(chǎn)固體顆粒燃料或獲得熱能、電能、沼氣、生物質(zhì)燃?xì)夂蜕镉偷取Ｓ捎谏锝到馐褂玫拿覆煌M管纖維素也是葡萄糖的高聚物，但纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇要比淀粉難得多，而且植物纖維素中富含半纖維素和木質(zhì)素，雖然它們能夠通過熱解的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪茉矗巧锩冈诜纸饫w維素的時候卻會因為它們與纖維素的交聯(lián)而受到嚴(yán)重的限制。

由于對纖維素的能源轉(zhuǎn)化過程研究不夠透徹，導(dǎo)致纖維素作物作為一種能源植物受到關(guān)注只有二三十年左右的時間，但作為自然界含量最大的生物質(zhì)，纖維素有著巨大的利用潛力。目前人們已經(jīng)開始正視纖維素作物這一未來重要的能量來源，其原因主要在于相對其他能源植物，此類作物往往產(chǎn)量大、生產(chǎn)成本低、生態(tài)適應(yīng)范圍廣、水土保持與修復(fù)能力強(qiáng)，同時對纖維素作物的利用，不僅可以產(chǎn)生能源，而且對環(huán)境也有重要意義。

油料作物：富含油脂的作物，包括油料植物和含油藻類，其中的油脂提取后通過酯化過程形成脂肪酸甲酯類物質(zhì)，即生物柴油。油菜、向日葵、蓖麻和大豆是最主要的產(chǎn)油作物，已經(jīng)在商業(yè)化生產(chǎn)水平上實現(xiàn)了以生產(chǎn)生物柴油為目的的大田種植。目前美國主要以大豆為原料，歐洲主要以油菜籽為原料，巴西主要以蓖麻籽和油棕櫚為原料生產(chǎn)生物柴油。中國對黃連木的研究也有了一定的成果。

3.1.3 能源植物利用

能源植物的生物質(zhì)可被轉(zhuǎn)化為液體、氣體和固體能源以及用于直燃發(fā)電和供暖。

目前在工業(yè)上已經(jīng)實現(xiàn)了生物質(zhì)能源的應(yīng)用，很多轉(zhuǎn)化技術(shù)也都已應(yīng)用于大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)。根據(jù)轉(zhuǎn)化方式的不同，可以分為直接燃燒、熱解、氣化、液化和復(fù)合化工等利用方式。

最傳統(tǒng)的利用方式是直接燃燒，然而，這一燃燒方式實際上浪費(fèi)了很多能量，因為其并不能實現(xiàn)充分燃燒。為了實現(xiàn)充分燃燒，人們開發(fā)了許多新方法來實現(xiàn)燃料與空氣或者氧氣充分混合后充分燃燒。直接燃燒是最傳統(tǒng)的利用方式，例如生物質(zhì)固體成型和生物質(zhì)微米燃料技術(shù)。

通過熱解可以實現(xiàn)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃?xì)狻⑸锾炕蛘呷剂嫌偷哪康摹?/p>

通過生物轉(zhuǎn)化也可以將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣、氫氣或者生物乙醇。因此通過熱化學(xué)或者生物轉(zhuǎn)化的方法可以達(dá)到生物質(zhì)氣化或者液化的目的。

最后，通過化工技術(shù)，還可以將生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合化工原料，具體利用方式見本書的后續(xù)章節(jié)。

3.1.4 高效能源植物

能源植物的應(yīng)用主要集中于液態(tài)的高效清潔能源轉(zhuǎn)化。目前主要通過兩種途徑將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液態(tài)能源：一是生產(chǎn)生物柴油，類似于傳統(tǒng)的化石能源的利用方法；二是生產(chǎn)生物乙醇。在能源生產(chǎn)中，人類很早就開始利用這些能源植物，例如燃燒使用種子或者果實中的生物油成分，以及長久以來的秸稈的家用燃燒等。此外，可以通過熱解來將能夠產(chǎn)生液態(tài)能源的成分轉(zhuǎn)變成氣態(tài)能源。破碎的生物質(zhì)或者直接利用纖維素，也構(gòu)成了主要的固態(tài)生物質(zhì)能源。以下列舉目前研究和應(yīng)用較為廣泛的一些高效陸生能源植物。

3.1.4.1 用于生產(chǎn)生物柴油的植物

有許多植物的分泌物與石油成分極其類似，不需提煉就可直接作為柴油使用，其中得到充分研究并有一定應(yīng)用的有以下幾種。

（1）續(xù)隨子（Capparis spinosa）

又名刺山柑、馬檳榔、野西瓜、水瓜榴木、酸豆，是一種多年生的有刺半蔓性灌木，屬于山柑科山柑屬。續(xù)隨子的葉身厚、對生、呈鵝卵形，有大大的白色到粉白色的花朵。

續(xù)隨子原產(chǎn)地中海，其種子中富含類似石油的甾醇成分，可以直接作為生物柴油使用。它的種子還含有大量的生物活性成分，具有很大的藥用價值。續(xù)隨子的生物有效成分和甾醇成分可以通過連續(xù)提取成功分離，這樣既能實現(xiàn)其種子成分的最大效益化，保證藥用價值，又能減少生物柴油使用過程中產(chǎn)生的有害副產(chǎn)物。

續(xù)隨子莖中所含有效成分會隨著自身生長而逐漸減少，并喪失其較高的生物能源價值，因此需要注意有效成分的提取時間。

對續(xù)隨子在石縫、巖岸等惡劣環(huán)境條件下的生長研究結(jié)果表明即便在很多極端環(huán)境條件下，續(xù)隨子也能夠很好地適應(yīng)，并且能夠保證相應(yīng)產(chǎn)量。這為能源的產(chǎn)出提供了保證，同時也為一些退化環(huán)境的修復(fù)提供了研究方向。從另一種角度來看，高效陸生能源植物并不一定非要是產(chǎn)量相當(dāng)大的植物，只要是能夠在一些其他植物不能生長或者生長不好的環(huán)境中保持有效產(chǎn)出的植物，也能夠作為有效的植物來使用。

（2）綠玉樹（Euphorbia tirucalli）

別稱光棍樹、綠珊瑚、青珊瑚、鐵樹、鐵羅、龍骨樹、神仙棒、龍骨樹、乳蔥樹、白蟻樹等，是大戟科大戟屬植物，一種熱帶灌木或小喬木，可高達(dá)2～9m，耐旱，耐鹽和耐風(fēng)，好光照，能于貧瘠土壤生長，但是對溫度要求較高（需要25～30℃）。全株分泌的白色乳液與石油成分接近，富含12種烴類物質(zhì)，而且不含硫，可直接與其他物質(zhì)混合成原油，亦可作為生產(chǎn)沼氣的原料。由于從續(xù)隨子中提取的生物柴油通常都含有硫，因此通過綠玉樹獲得的生物柴油的產(chǎn)量和成分比續(xù)隨子要好。

綠玉樹生物柴油成分的主要來源是其白色乳液，但是乳液具有較強(qiáng)的毒性和刺激性，接觸皮膚可引起皮膚發(fā)炎、紅腫、痛癢和膿包。很多研究都已經(jīng)證實，乳液成分能夠降低免疫系統(tǒng)對特定病毒的抗性，這對其生物柴油成分的提取、運(yùn)輸以及應(yīng)用等環(huán)節(jié)的條件提出了較高的要求。

（3）西谷椰子（Metroxylon sagu）

棕櫚科、西谷椰子屬。原產(chǎn)于印度尼西亞的摩鹿加群島與巴布亞新幾內(nèi)亞群島。常綠喬木，莖干單生，高達(dá)10～20m。性喜高溫高濕，陽光充足的生長環(huán)境，不耐寒，生長溫度為24～30℃，對土壤要求不嚴(yán)，但以疏松肥沃、排水良好的土壤生長最佳。西谷椰子可用于諸多場所的綠化種植，也可作為食物，但在其原產(chǎn)地更重要的是作為一種重要的經(jīng)濟(jì)植物來種植。

長期以來，西谷椰子都被認(rèn)為是一種高效的生物柴油來源，但是由于也同時被應(yīng)用于其他很多方面，例如作為生物活性成分的來源、淀粉的來源、食物來源，因此在生物柴油方面的利用反而研究較少。

由于西谷椰子在其產(chǎn)地是一種重要的糧食來源，將其作為生物柴油的來源很容易引起車與人爭糧食的爭議；其次，西谷椰子在生長初期會合成生物活性成分，而此時尚未產(chǎn)生生物柴油，因此為了提取生物活性成分而進(jìn)行的收割就會嚴(yán)重影響后續(xù)的植物產(chǎn)量，導(dǎo)致生物柴油的來源不足；第三，在現(xiàn)有條件下通常難以對西谷椰子中含有的生物柴油成分提取完全，殘渣也會對環(huán)境產(chǎn)生較為嚴(yán)重的污染，盡管西谷椰子對環(huán)境污染治理效果較好，但是用來進(jìn)行生物柴油的提取會產(chǎn)生二次污染，這種負(fù)面效應(yīng)是其他利用方式不會帶來的，因此，尚需進(jìn)一步研究如何在生物柴油的利用中避免這一副作用。

通過對西谷椰子的大量生物學(xué)研究表明，這種植物具有在各種環(huán)境條件下生長的潛力，而且在不同的環(huán)境條件下表現(xiàn)出的生物學(xué)活性也各有不同，或許將來西谷椰子的綜合環(huán)境治理意義要超過單一生物柴油生產(chǎn)者的意義。

（4）西蒙得木（Simmondsia chinensis）

又名“火火巴樹”“霍霍巴”“油油巴”，雙子葉植物綱，西蒙得木科唯一種。常綠灌木，根系發(fā)達(dá)，極耐干熱，適宜生長在年降雨量600mm，年均溫22℃以上的地區(qū)。生長期達(dá)100～200年，3年期結(jié)果，每年2次開花結(jié)果。原產(chǎn)美國，曾被美國譽(yù)為“沙漠克星”，其果實榨出的油被譽(yù)為“液體黃金”，是航空、航天及精密儀器專用高級潤滑油。果實所含油脂成分類似于抹香鯨蠟成分，具有燃點高、沸點低的特性。

國內(nèi)外對西蒙得木的油脂成分產(chǎn)出、提取以及該植物本身的生長研究由來已久。1978年開始，中國就已經(jīng)對西蒙得木的引種以及育種和種植進(jìn)行了大量的研究。西蒙得木在干旱、高溫、鹽堿、貧瘠土壤等惡劣的環(huán)境條件下都表現(xiàn)出了良好的農(nóng)藝特性，但是，由于植物的生長受到土壤黏性限制，要求排水、透氣良好，目前只是在云南有較大規(guī)模的種植和應(yīng)用。

（5）巴西橡膠樹（Hevea brasiliensis）

俗名橡膠、膠樹，大戟科橡膠樹屬，熱帶雨林喬木中唯一的栽培種。巴西橡膠樹具有質(zhì)量好、產(chǎn)量高、采膠容易、經(jīng)濟(jì)壽命長、膠乳再生快等優(yōu)點，為世界上大規(guī)模種植產(chǎn)膠樹種。

該樹種以其橡膠產(chǎn)出而聞名，是真正意義上的工業(yè)樹種。長久以來，巴西橡膠樹并未被認(rèn)為能夠合成生物石油，但實際上在該樹種中橡膠的合成代謝過程卻正是建立在生物石油的合成代謝途徑上的。巴西橡膠樹的橡膠產(chǎn)出主要來源于樹干，種子中卻富含石油成分，這或許是因為種子中缺少將石油成分繼續(xù)合成為橡膠的代謝途徑所致，如何提高種子的產(chǎn)量以及其中的生物柴油產(chǎn)出將會是今后的研究方向。

（6）黃連木（Pistacia chinensis Bunge）

漆樹科黃連木屬有9個種和1個變種，中國僅有1種黃連木即中國黃連木，為木本油料及用材林樹種，種子含油量40%以上，是一種不干性油，可作工業(yè)原料或食用油。

黃連木在中國有大面積的分布，如河南省30萬畝（1畝≈666.7平方米），河北省50萬畝，安徽省60萬畝，陜西省30萬畝。山東、江蘇、湖北、湖南、福建、江西、浙江等11個省都有片林分布。用黃連木種子作原料生產(chǎn)的生物質(zhì)燃料油主要物理化學(xué)指標(biāo)達(dá)到美國生物質(zhì)燃料油以及中國輕質(zhì)燃料油標(biāo)準(zhǔn)，在中國已經(jīng)有了大量的生產(chǎn)。

陸生植物中還有很多富含生物柴油的種類，我國中科院植物所對陸生植物中富含生物柴油的種類進(jìn)行了大量的發(fā)掘工作，這里列出的僅僅是幾種具有代表性的植物。從生理來源上來講，植物中的生物柴油成分一般有兩個途徑：其一是生長發(fā)育所必須的代謝途徑，種子和果實中的生物柴油來源即是如此，它主要是為了種子萌發(fā)；其二是來自于植物的次生代謝，主要是為了對抗環(huán)境脅迫。由于種種原因，或是因為次生代謝同時產(chǎn)生的毒性物質(zhì)，或是因為植物在其他方面的經(jīng)濟(jì)價值更高，都嚴(yán)重限制了生物柴油的廣泛應(yīng)用。但是這些植物中有關(guān)生物柴油代謝的特定基因可以為近似屬種的植物提供基因樣本，通過轉(zhuǎn)基因方法產(chǎn)生出更多的富含生物柴油的植物。由于這方面的研究進(jìn)展較快，相信很快就會有適應(yīng)環(huán)境廣、產(chǎn)量大的轉(zhuǎn)基因植物問世。

與此同時，農(nóng)學(xué)改進(jìn)研究也是不容忽視的。通過農(nóng)業(yè)工藝擴(kuò)大這些植物的種植范圍，在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下實現(xiàn)較高的產(chǎn)出，既可降低研究投入，同時也能規(guī)避轉(zhuǎn)基因方法的生物風(fēng)險。農(nóng)學(xué)工藝的改進(jìn)需要較高的種植經(jīng)驗，這正是我國在植物研究方面的強(qiáng)項。

在生物學(xué)領(lǐng)域，我國長期以來將關(guān)注點過多的傾向于一些高精尖的領(lǐng)域，但是將這些領(lǐng)域的研究成果需要一個較長的過程才能進(jìn)行實際轉(zhuǎn)化，比較而言，在現(xiàn)有條件下，經(jīng)驗性的、農(nóng)藝的研究則可以很快地轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，其現(xiàn)實意義也更強(qiáng)，這既需要國家在投入上轉(zhuǎn)向，也需要廣大科研人員轉(zhuǎn)變思想，通過結(jié)合優(yōu)厚的科研條件與我國薄弱的生產(chǎn)條件，走出一條適合我國國情的生物柴油發(fā)展之道。

3.1.4.2 多糖成分高產(chǎn)植物

通過酵母能夠很輕易地將生物多糖成分轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖迹@能夠很好地緩解世界性的能源短缺問題，同時能夠避免大量使用化石能源所帶來的環(huán)境污染。生物乙醇的產(chǎn)生來源主要有兩種，分別稱為第一代生物乙醇和第二代生物乙醇。第一代生物乙醇中淀粉是多糖成分的來源，而第二代生物乙醇纖維素是多糖成分的來源。

（1）富含高糖、高淀粉的植物

這類植物的種類比較多，而且分布廣，主要是一些糧食性作物，例如木薯、馬鈴薯、菊芋、甜菜、甘蔗、高粱、玉米等。

① 木薯（Manihot esculenta） 又稱樹薯，大戟科植物，亞灌木，根部含有豐富的淀粉，可以食用。塊根中含氫氰酸，要先刮去外皮，煮熟后才能食用，全世界有8億人將木薯作為主要營養(yǎng)來源。

木薯根部含有豐富的淀粉，很早就有關(guān)于木薯淀粉的乙醇應(yīng)用研究了，盡管木薯淀粉的生物乙醇生產(chǎn)意義很大，但是，應(yīng)當(dāng)指出的是這一植物的食用價值更高，顯然，在很多不適宜其他糧食作物大量生長的地方，木薯不失為一種良好的糧食來源。

② 馬鈴薯（Solanum tuberosum） 在我國通常根據(jù)地區(qū)習(xí)慣又被稱為土豆、山藥蛋、洋山芋、薯仔等，多年生草本，但作一年生或一年兩季栽培，是除了谷物以外，目前世界上用作人類主食的最重要的糧食作物，主要食用其含有大量碳水化合物、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)（磷、鈣等）、維生素等營養(yǎng)成分的地下塊莖。可以作主食，也可以作為蔬菜食用。

近年來，在發(fā)達(dá)國家尤其是美國，馬鈴薯逐漸成為了乙醇的重要來源，土豆乙醇已經(jīng)成為一個成熟的工業(yè)體系。但是，盡管富含淀粉，馬鈴薯顯然是比木薯更為重要的糧食作物，它在全球糧食產(chǎn)量中的比例不言而喻，發(fā)達(dá)國家以土豆、玉米為原料來生產(chǎn)乙醇已經(jīng)引起了全球的糧食價格上漲。

但是如果深入考察馬鈴薯的生長條件，也許乙醇生產(chǎn)與糧食生產(chǎn)并不一定是天然沖突的。馬鈴薯可以種植于貧瘠土地并對土地加以改良，從而提高土地的產(chǎn)出，這對特定地區(qū)的糧食生產(chǎn)有重要意義，在糧食轉(zhuǎn)運(yùn)、儲存成本較高的地區(qū)尤其如此。其次，馬鈴薯能夠較好地去除土壤中的重金屬、有機(jī)污染物等，此外，馬鈴薯對土壤中的放射性元素也有很好的富集作用，它在凈化土壤、恢復(fù)耕地中有很好的先遣意義，在這些條件下生產(chǎn)的馬鈴薯并不能作為食物食用，卻是很好的生物乙醇來源，同時還能通過生物乙醇的生產(chǎn)過程對重金屬和放射性物質(zhì)進(jìn)行富集并最終進(jìn)行集中處理。

③ 菊芋（Helianthus tuberosus） 也稱洋姜、鬼子姜，菊科向日葵屬宿根性草本植物，其地下塊莖富含淀粉、菊糖，可以食用，也可鹽漬，或作制取淀粉和酒精的原料。

由于其地下塊莖的產(chǎn)量并不如馬鈴薯那么高，而且種植范圍也沒有馬鈴薯那么普及，所以菊芋更多的作為實驗室中的淀粉類和生物活性成分研究的模式植物。

④ 甜菜（Beta vulgaris） 是熱帶甘蔗以外的一個主要糖來源，一種兩年生草本植物，主根為肉質(zhì)塊根，含糖分，可以生產(chǎn)砂糖，喜涼爽氣候。

⑤ 甘蔗 甘蔗屬（Saccharum）的總稱，禾本科單子葉植物，一年生或多年生草本；是制造蔗糖的原料，且可提煉乙醇作為能源替代品。甘蔗適合栽種于陽光充足、土壤肥沃、冬夏溫差大的地方，是溫帶和熱帶農(nóng)作物。

由于甜菜和甘蔗中富含很高的糖分，因此它們可以直接通過發(fā)酵的方式生產(chǎn)生物乙醇，而不需要經(jīng)過其他淀粉類作物必須的水解過程。

⑥ 高粱（Sorghum bicolor） 禾本科，一年生高大草本植物。高粱釀酒沒有其他干擾味道，適合釀造中國白酒，中國白酒中質(zhì)量最高的品牌幾乎都是用高粱釀造的。毋庸置疑，高粱的生物乙醇生產(chǎn)在中國已經(jīng)有了相當(dāng)長的歷史，但是由于其在釀酒中的特殊用途，在中國用高粱生產(chǎn)作為能源的生物乙醇并不是合適的方法。

⑦ 玉米（Zea mays） 亦稱玉蜀黍、包谷、苞米、棒子，一年生草本；根系強(qiáng)大，有支柱根；稈粗壯；線形披針形葉子寬大；花單性、雌雄同株。玉米是重要的糧食作物，也是美國用來生產(chǎn)生物乙醇的最大來源。

富含高糖、高淀粉的植物不僅包括以上的一些植物，事實上，主要的糧食作物都可以作為此類能源植物，例如大米、小麥等。在酵母的作用下它們所生產(chǎn)的淀粉可以通過較為簡單的過程就轉(zhuǎn)化為乙醇，同時還可以產(chǎn)生諸如微生物蛋白質(zhì)和脂類等副產(chǎn)品，都可以產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)價值。

在此類作物的生物乙醇轉(zhuǎn)化過程中，目前最重要的研究對象并不是作物本身的種植生長，而是集中在轉(zhuǎn)化過程中的新方法和效率提升上，由于此方面的研究眾多，在此不再贅述。盡管如此，由于此類作物都是重要的糧食作物，所以它們的生物乙醇生產(chǎn)導(dǎo)致了眾多爭議。國際貨幣基金組織和世界銀行2010年4月23日聯(lián)合發(fā)布報告說，從1970年有饑餓人口數(shù)字記錄以來，全球饑餓人口在2009年首次突破10億，比2008年增加了1億人，約占世界總?cè)丝诘?/6，到2015年全球?qū)⑷杂屑s9.2億極度貧困人口。而發(fā)達(dá)國家利用淀粉類作物生產(chǎn)乙醇，占據(jù)了大量本應(yīng)用來生產(chǎn)糧食的耕地，導(dǎo)致了汽車跟人爭奪糧食的結(jié)果。盡管有很多研究關(guān)注于在貧瘠土地上的作物生產(chǎn)并實現(xiàn)淀粉乙醇的轉(zhuǎn)化，但是這些作物同時也能作為當(dāng)?shù)厝丝诘募Z食，耕地的緊張局面依然不會由于這種開發(fā)有所緩解。更為重要的是，與其他類型的能源植物相比，在污染脅迫下，這些作物的產(chǎn)量可能會減少更多，應(yīng)用于環(huán)境污染治理的綜合效果可能比其他類型的能源植物要差很多，難以實現(xiàn)綜合治理。

（2）富含纖維素的植物

第二代燃料乙醇的最大優(yōu)點就在于它不會產(chǎn)生所謂的“汽車與人競爭口糧”的問題。總體來說，纖維素是地球上最豐富的可再生資源，據(jù)測算年總產(chǎn)量高達(dá)1500×108t，蘊(yùn)儲著巨大的生物質(zhì)能（2.89×1016kJ）。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，作物秸稈（如稻草、麥稈等）的年產(chǎn)量非常巨大（年產(chǎn)可達(dá)7×108t左右，相當(dāng)于5×108t標(biāo)煤），據(jù)統(tǒng)計，目前的秸稈利用率為33%，而經(jīng)過一定技術(shù)處理后利用的僅占2.6%，其余大部分只是作為燃料等直接利用，開發(fā)前景非常廣闊。由于纖維素的單體組成依然是各種單糖，因此對纖維素進(jìn)行降解，然后用來生產(chǎn)燃料乙醇就顯得尤其有誘惑力了。

一直以來，對纖維素的認(rèn)識都是來自于木本植物的次生壁。木本植物生長時，次生壁在合成纖維素的同時，也在纖維素的切面上積累攜帶苯環(huán)結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素，正是這些木質(zhì)素將半纖維素和纖維素平面牢固的結(jié)合在一起，再加上纖維素本身的結(jié)晶效應(yīng)，使得同為葡萄糖單體的聚合物的纖維素?zé)o法像淀粉那樣很輕易地轉(zhuǎn)化為葡萄糖單體，從而也無法轉(zhuǎn)化為生物乙醇。但是在草本植物中，由于纖維素中的木質(zhì)素含量較少，可以在現(xiàn)有條件下轉(zhuǎn)化為單糖，繼而實現(xiàn)纖維素乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)。秸稈又稱禾稈草，是指水稻、小麥、玉米等禾本科農(nóng)作物成熟脫粒后剩余的莖葉部分，其中水稻的秸稈常被稱為稻草、稻藁，小麥的秸稈則稱為麥稈，而高粱、玉米等收割完畢后的高大的莖稈通常就稱為秸稈。在國外，在糧食作物收割完畢后通常對秸稈進(jìn)行粉碎加工，再作為有機(jī)肥料施加到農(nóng)田里去。隨著國內(nèi)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，這種對秸稈的綜合利用方式也逐漸推廣開來。在中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，秸稈通常是作為家庭燃料來使用的，這種利用方式加劇了中國農(nóng)業(yè)對化肥的依賴性，導(dǎo)致了耕地的嚴(yán)重退化。

在目前尚不清楚土地輪作方式下的秸稈回用對土壤營養(yǎng)價值的保持意義，特別是在與豆科植物輪作的情況下，這使得秸稈在其他方面的綜合利用成為可能。秸稈中的木質(zhì)纖維素比例較少，就玉米秸稈為例，木質(zhì)素的含量一般為15%～20%，而纖維素含量則一般在40%以上，半纖維素的含量一般在15%～20%之間，木質(zhì)素的含量較之木本植物的要少，在轉(zhuǎn)化過程中結(jié)構(gòu)更容易破壞，所以有很多的研究集中于秸稈的使用上。

（1）芒草（Miscanthus）

是各種芒屬植物的統(tǒng)稱，含有約15～20個物種，屬禾本科。一部分的芒屬植物，如中國芒與巨芒，已經(jīng)被當(dāng)作能源作物來生產(chǎn)生物燃料，主要產(chǎn)物為酒精。

芒草的優(yōu)點在于其適應(yīng)環(huán)境廣，在各種條件下都能夠很好地生長，部分芒草（例如中華芒）生長迅速，能夠在2～3個月的生長期內(nèi)達(dá)到成熟，莖稈中的纖維素含量達(dá)到工業(yè)利用要求，這對大量的生物乙醇制造和燃燒需求都是很有意義的。芒草植株如圖3-1所示。

（2）皇竹草（Pennisetum hydridum）

為多年生禾本科植物，直立叢生，具有較強(qiáng)的分蘗能力，單株每年可分蘗80～90株。皇竹草是非洲狼尾草和象草雜交育成的品種，具有適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)、產(chǎn)量高、粗蛋白和糖分含量高的特點。適宜在熱帶、亞熱帶和我國南方栽培。

用于養(yǎng)殖行業(yè)的皇竹草生長周期一般為2～3個月，3個月之后由于蛋白質(zhì)成分急劇減少，而纖維素成分迅速增加，因此不再適合作為飼料。皇竹草在6個月左右的時間達(dá)到60%左右的纖維素含量，此時可以用于生產(chǎn)生物乙醇。皇竹草植株如圖3-2所示。

（3）苧麻（Boehmeria）

屬蕁麻科植物，為多年生草本宿根植物，可活數(shù)十年。地下部分由根和地下莖形成麻兜。苧麻的獨(dú)特性在于它可以在偏堿性的土壤上生長，與常見的糧食作物生長環(huán)境有較好的互補(bǔ)性，缺點在于它對土壤的透氣性要求較高。苧麻是目前已知的年產(chǎn)量最高的草本纖維素作物，其纖維素含量可以達(dá)70%～80%，除木本植物外，僅有棉纖維的含量比苧麻的高。

目前研究較多的是苧麻的燃燒以及熱解實驗，由于苧麻纖維素的結(jié)晶程度較高，在生物乙醇利用上還需要更多的研究。

20世紀(jì)90年代開始，利用纖維素生產(chǎn)乙醇就已經(jīng)成為了一個國際性的研究熱點，這主要是由于全球每年有巨大的纖維素產(chǎn)量和廢棄量，如果用來生產(chǎn)生物乙醇，將會節(jié)省大量的糧食作物。但是迄今為止，纖維素乙醇的產(chǎn)量仍然沒有達(dá)到工業(yè)化的程度，這主要是因為同淀粉酶相比較起來，纖維素酶在降解能力上遠(yuǎn)不能達(dá)到實用要求，而且相關(guān)的預(yù)處理方法還有待深入的研究。當(dāng)然，關(guān)于纖維素的能源利用，還有其他的方法。苧麻植株如圖3-3所示。

纖維素作物的重要意義不僅在于其能夠產(chǎn)生大量的纖維素，固然，這些纖維素可以用于生產(chǎn)生物乙醇和其他新型燃料，例如通過氣化產(chǎn)生燃?xì)猓蛘咄ㄟ^粉碎產(chǎn)生微米燃料，不論何種利用方式，纖維素作物都可以實現(xiàn)能源產(chǎn)出過程中的溫室氣體零排放。

但是，纖維素作物的意義更多地存在于對環(huán)境條件的改善上，特別是在修復(fù)污染土地方面。此類作物環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、產(chǎn)出量大，既可作為環(huán)境改良的先遣植物，還能對土壤和水環(huán)境有很好的修復(fù)作用，同時還能夠大量吸收空氣中的重金屬和有機(jī)污染物，有著重要的生態(tài)學(xué)意義。