1 现代能源
现代能源主要是来自于化石燃料所带来的能量来源。
尽管现在新能源产业发展迅速，但化石燃料仍是目前主要能源来源之一。化石燃料需要千万年甚至上亿年才能生成，其不可再生性质是显而易见的。目前全世界对化石燃料的过度开采，大量消耗，带来的化石燃料的供应量不足现象越来越严重，世界范围的能源危机迫在眉睫[1],这已经不是危言耸听的预言。据预测，以目前的开采和利用速度，化石燃料在未来 50 ~200 余年，将被耗尽。
近百年来温室效应不断加重，其原因就是温室气体二氧化碳的大量产生和排放。而火力发电贡献了很大部分的二氧化碳排放量。国际能源署预计到 2030 年仍有 85% 的能源是化石燃料[2].如何化解能源需求与环境保护之间的矛盾，是亟待解决的问题。正因如此，新能源产业受到了广泛的欢迎。目前新的能源发展比较成熟的包括风力能源和水力能源，此外还有核能。
1. 1 风力发电
目前世界许多国家都在开发风力资源，因为风力发电既不需要消耗化石等燃料，也不会产生辐射或造成空气污染。目前的风车技术，大约只需要 3m/s 的微风速度，就可以进行发电[3].但是风力发电也有一些缺点，如可能干扰鸟类生活生存。如美国堪萨斯州的松鸡在风车出现之后，已渐渐消失。
人们也研究了许多解决方案，如在海上开发离岸发电，但是离岸发电成本较高，不过效率也较高。再如使用小型垂直风力发电，这种风力发电装置的优点是可以架设在住家的屋顶或后院。当然在部分地区，风力发电并不经济，因为许多地区的风力是间歇性的，如台湾等地在电力需求较高的夏季及白日正是风力不足的时段。同时兴建大型风力发电设备需要占用大量土地，才可以获得比较多的能源。还有，大中型风力发电机的运转会发出很大的噪音，所以设立地点必须远离住家，或使用低噪音小型机种[4 -5].
1. 2 水力发电
水力发电是是利用水的位能转化为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，从而得到电力。如随着三峡大坝、葛洲坝等水坝的建成，水力发电在能源生产中占领了一席之地。
但是水利发电也有着诸多缺陷。如水力发电蓄水的水库会导致上游大面积土地被水淹没，栖息地细碎化，破坏生物多样性，失去生产力较高的低地、草原，破坏生态价值高的湿地、河谷及森林。而下游同样会受影响，原本会流至下游的沉积物在有水力发电站后会大幅减少，这是因为发电机组所排出的水中含有的沉淀物非常少，使下游河床被冲刷，又失去沉淀物的补充，导致水土流失，最终下游的原有地貌会逐渐被侵蚀，河堤、三角州会受影响，肥沃的冲积土减少。并且会阻碍水中生物迁徙，影响其繁殖，部份物种可能因而绝种，减少了物种多样性。水库还会使水温上升，因而导致鱼群数量及种类减少。而且这些破坏是永久性、不能逆转的[6].
从现代技术上看来，核能发电被广泛认为是取之不尽用之不竭的能源，故而广受青睐。但近年来日本福岛大地震所带来的核灾难在普通民众心目间留下了不良的印象。这使得核能的进一步发展受阻。
2 生物能源
如上所述，在以后 50 ~ 200 年内，一些化石燃料特别是石油，很可能耗尽。因此，迫切需要发展替代能源。最大的需求将来自地热、核能、太阳能、水和风能。但是，生物燃料产生可能会变得更重要，特别是它能提供液态和气态两种燃料。重要的是这些燃料是用可再生原料生产的，如培养的农作物形式的植物生物量、天然植物、农业、家庭和工业废物等。当今有两种从可再生能源衍生的主要微生物燃料产物，即甲烷和乙醇，但这些不是微生物可以产生的唯一燃料。其他液体和气体能源包括氢、丙烷、甲烷、丁烷等，电能也可以由微生物体系产生。
所谓生物质能（ biomass energy） ,是指生物通过光合作用将太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，这是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。例如，利用微生物学发酵生产燃料沼气、乙醇、氢气和制备燃料电池等[7].
近年来，美、英、日、俄、巴西、瑞士等国纷纷投入大量人力、财力、物力对生物质能进行开发研究。例如，目前德国政府通过补助的方式支持兴建沼气发酵池，并立法鼓励沼电上网、沼气并入燃气网等有效激励措施，使利用农副产品、垃圾废弃物的沼气生产得到快速发展。但是按目前国内外研究水平来看，离燃料电池、氢动力的大规模应用还有一定的距离。而利用生物产生乙醇代替石油的研究较为成熟，世界多数地区传统上都是使用当地可利用的原料生产酒精饮料。
现在某些国家同样使用发酵酒精生产燃料级或化学原料酒精。世界每年的乙醇生产量中大约 70%是发酵生产的，其余的主要是通过催化裂解乙烯生产。发酵乙醇中大约 12% 是饮料酒精，20%用于各种工业，剩下的 68% 是燃料乙醇。乙醇是一种很好的燃料，因为它可以单独使用，也可以与其他液体燃料混合，如酒精 - 汽油混合燃料，这是一种 10% ~22% （ v（ 乙醇） ∶ v（ 汽油） ） 的乙醇与汽油的混合物[8].本文对这方面的研究成果做一简要的介绍。
2. 1 来自于粮食的生物乙醇
现阶段有效的生物能源大部分是生物乙醇，这是指微生物将各种生物物质通过发酵转化为燃料酒精。近两年来，世界各大能源消费国竞相寻求新的石油替代能源。美国和欧洲均选择了生物乙醇作为主要的替代运输燃料。
例如，美国每年的玉米用量占全球玉米消费量的比重持续增加，从 1980 及 1981 年 0. 28% 增至 2010 及 2011 年21. 25% ,几乎增加了 100 倍。其中乙醇玉米占玉米用量的比重从 0. 77%增至 68. 66%,也几乎增加了 100 倍[9].对美国农业部报告中的世界玉米供需平衡表的数据进行分析发现，最近 10 年全球玉米食品、乙醇和工业用消费量年均递增3. 34% ,高于饲料玉米和总玉米消费量的年递增率（ 分别为2. 8% 和 3. 27% ） .
同能源问题一样，粮食问题也日趋严重。世界粮食生产地区极为不平均。发达国家人口仅占世界人口的 1/4,生产的粮食却占世界粮食产量的 1/2.发展中国家人口占世界人口的 3/4,生产粮食只占世界粮食产量的 1/2,因此人均产粮少、粮食消费少。由于发展中国家人口增长速度过快，许多国家缺粮问题日趋严重[10].当大量的粮食被制作成燃油，而某些国家的人民仍然承受着饥饿的苦难，这使得由玉米、高粱等作物而生产的燃料在舆论方面承受着越来越大的压力。
2. 2 来自于纤维素的生物燃料
纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，是组成植物细胞壁的主要成分。棉花、亚麻、苎麻、黄麻等植物含有大量优质的纤维素，棉花的纤维素含量接近 100%,为天然的最纯纤维素来源。一般木材中，纤维素含量占 40% ~50% ,还有 10% ~ 30% 含量的半纤维素和 20% ~ 30% 含量的木质素。此外，麻、麦秆、稻甘蔗渣等，都是纤维素的丰富来源。纤维素是一种复杂的多糖，由 8000 至 10000 个葡萄糖残基通过 β -1,4 - 糖苷键连接而成。天然纤维素为无味的白色丝状物。纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的 50% 以上[11].如能有效利用，纤维素乙醇的前景十分广阔。
纤维素乙醇可以以玉米芯、玉米秸秆等农业废弃物提取完功能糖之后的生物残渣做原料，因此与玉米乙醇等由粮食转化而来的燃料相比，属于废物利用而来的乙醇产品，在原料方面更有保证。具有资源丰富、绿色环保、低碳节能等诸多优势。
国际上，如美国环境保护局已经实施了 2007 年可再生燃料标准（ RFS） ,即必须使用一个百分比的可再生燃料的产品，否则将面临处罚。美国政府已经大力推动用纤维素取代玉米的乙醇生产。意大利首座纤维素燃料乙醇工厂在克雷申蒂诺正式投产。据悉，其前期研发及建设投入总计约 1. 5亿欧元，预计年产量将达 7500 万升。在石油资源日益减少的今天，纤维素燃料乙醇为人们寻找石油替代能源指引了方向。作为植物的主要组成部分，纤维素成分是世界上最丰富的可再生资源之一，将其作为原料生产燃料乙醇的产出比可达 20%[12].
2. 2. 1 分解纤维素
纤维素废弃物的主要有机成分包括半纤维素、纤维素和木质素三个主要部分。前二者都能被水解为单糖，单糖再经发酵生成乙醇，而木质素不易被水解，且在纤维素周围形成保护层，影响纤维素水解[13 -14].
用木质纤维素为原料生产乙醇可有不同的工艺选择，但都需要解决以下几个的问题：
（ 1） 纤维素和半纤维素能否被高效地水解为可溶性糖；（ 2） 水解得到的糖液发酵生产乙醇的水平，因为糖液中包括有五碳糖和六碳糖，以及对发酵有害的组分，这些问题都需要解决；（ 3） 降低工程能耗的先进工艺过程设计；（ 4） 高效地利用木质素成分[15].
将植物纤维素转化为乙醇的基本工艺步骤包括： 分离纤维素、转化成糖以及糖转化为乙醇 3 个步骤； 基本的生产工艺流程可以分为预处理、水解、发酵和纯化 4 部分[16].纤维素生产乙醇工艺有酸水解，酶水解，微生物发酵水解等方法。下面主要介绍一些有关酶水解和微生物发酵水解方面的研究现状。
2. 2. 1. 1 纤维素酶
纤维素酶的来源很广泛，真菌、细菌、放线菌等均有产生纤维素酶的报道。细菌中的许多种属都能够降解纤维素，如好氧 菌 中 的 芽 孢 杆 菌 属 （ Bacillus ） 、假 单 胞 菌 属（ Pseudomonas ） 、厌 氧 发 酵 菌 中 的 梭 状 芽 孢 杆 菌 属（ Clostridium） 、滑行细菌中的嗜纤维菌（ Cytophaga） 、多囊菌（ Polyangium） 等。近年来发现，粘细菌 （ Myxobacteria） 中的纤维堆囊菌属 （ Sorangium cellulosum） 也具有纤维素降解能力。放线菌主要有玫瑰色放线菌（ A. Roseus） 和链霉属放线菌等。目前最主要的还是利用真菌来发酵产生纤维素酶，其中研究得比较多的是木霉属和曲霉属的丝状真菌。绿色木霉和黑曲霉被认为是产生纤维素酶最稳定和无毒安全的菌种，而 且 产 生 的 是 胞 外 酶，这 对 酶 的 分 离 纯 化 都 更 为有利[17].
根据其催化反应功能的不同，可将纤维素酶分为内切型的葡萄糖苷酶（ 来自真菌的简称 EG,来自细菌的简称 Cen） ,外切型的葡萄糖苷酶（ 来自真菌的简称 CBH,来自细菌的简称 Cex） 和纤维二糖酶（ 简称 BG） .大多数纤维素酶都由一个或几个催化结构域（ catalytic domain ,CD） 和纤维素结合结构域（ cellulose bingding domain ,CBD） 组成，并由一段柔性的连接肽（ lingker peptide） 连接 CD 与 CBD.连接肽的存在赋予酶灵活的空间构象，并且使 CD 有更多的机会接触纤维素链。由于连接肽易暴露于水中，容易受到蛋白酶的水解，所以这段肽链常被糖基化[17].
关于纤维素酶的作用机制学者们提出了各种不同的模型。Reese 等人早在 1950 年就提出了 C1 - CX 假说。该假说认为 C1 酶先将结晶纤维素降解成无定形纤维素，然后由CX 酶将无定形纤维素降解成纤维二糖，最后由 β - D - 葡萄糖苷酶将纤维二糖水解成葡萄糖[18].实际上纤维素酶的作用机理远比上面所述要复杂得多，因为目前已经发现与纤维素酶水解有关的基因就达 20 多个，它们的表达产物均起到了一定的作用，也就是说需要更多的相关酶的作用，才有可能高效地将纤维素彻底水解成单糖。
纤维素酶水解条件温和，无污染，无腐蚀，但反应速度慢，酶制剂成本高是利用纤维素分解制造乙醇的缺陷。生产成本高是由于纤维素酶活力较低造成的，纤维素酶与其他糖苷水解酶类相比，比活力至少要低 1 ~ 2 个数量级。如滤纸降解酶的比活力为 1 IU /mg 左右，CMC 降解的比活力约为10 IU / mg ,这是两个限制纤维素酶应用的瓶颈问题，也是纤维素酶研究的热点与难点。通过传统的菌种诱变和基因工程技术可以较大幅度地提高纤维素酶蛋白的表达量，从而提高酶的发酵水平。如诺维信公司与美国能源部合作研究，已使纤维素乙醇制造中的酶制剂成本由每加仑 5 美元降低到18 美分。另外，还可以通过改善发酵条件和工艺，如采用固体发酵来大幅度降低发酵成本[19].但是提高酶降解天然纤维素的效率仍需要深入研究，特别是研究纤维素酶的结构与功能之间的关系，进而指导基因水平的改造。当然也可以通过筛选新的产酶菌种，发现具有开发潜力的新酶源。
2. 2. 1. 2 纤维素分解菌的利用
目前发现自然界许多微生物都具有分解纤维素的能力，在腐殖质丰富的落叶层中含量丰富，包括真菌、细菌、放线菌等[20].从自然环境中分离的天然纤维素分解菌的酶活性很低，导致纤维素降解速度慢，发酵周期长。但是有研究发现，当纤维素分解菌与其它霉菌等菌种共生时，纤维素分解速率会提高。如在废弃物堆肥分解时，接种纤维素分解菌，细菌和放线菌数目明显减少，而真菌和纤维素分解菌的数量增加3 ~ 4 倍，这是由于垃圾接种纤维素分解菌剂后，增强了微生物的活性，使堆温上升快，高温维持时间长，从而使嗜温性细菌和放线菌的生长繁殖受到抑制。但是同时接种 EM 菌（ Effective Microorganisms） 和纤维素分解菌后，菌种之间的协同作用，受抑制影响较少，所以各种菌均可维持在一个较高水平上共同分解有机物，快速完成堆肥过程[21].
目前，能源问题是人们所关注的话题，生物能源作为现行的新的能源开发项目，有着极为广阔的前景，如何利用自然界大量存在而又可以并易于再生的生物质能，是我们需要研究的重要课题。
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