從滌綸襯衫、塑膠牛奶罐和PVC管，到高等級工業乙醇的生產，化學原料乙烯的貢獻幾乎遍佈全球。
但是，乙烯作為塑膠和化學品的組成部分如此普遍，掩蓋了其潛在的環境成本。這種廉價的碳氫化合物是用石油和天然氣製成的，其生產方式排放的二氧化碳比任何其他化學過程都多。隨著人們對大氣中二氧化碳水平的擔憂日益增加，一些科學家一直在嘗試使乙烯生產更加環保的方法。在美國能源部國家可再生能源實驗室（NREL），研究人員在藍藻的幫助下取得了意想不到的成功。
簡平·餘（音譯）是美國國家可再生能源實驗室光生物學小組的研究科學家，他領導著一個研究這些生物體的研究團隊。在他的實驗室裡，他們已經能夠直接從基因改造的藻類中製造乙烯。
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研究人員透過引入一個編碼乙烯生產酶的基因來完成這項工作，從而有效地改變了藍藻的新陳代謝。這使得這些生物體能夠將光合作用過程中通常用於製造糖類和澱粉的一部分二氧化碳轉化為乙烯。由於乙烯是一種氣體，因此可以很容易地收集。
製造乙烯也不需要很多投入。藍藻的基本需求是水、一些礦物質、光和碳源。餘先生說，在商業環境中，二氧化碳可以來自像發電廠這樣的點源。
如果這種替代生產方法變得足夠高效，它可能會取代蒸汽裂解，這種高能耗的方法目前用於將石油化工產品分解為乙烯和其他化合物。由於藻類吸收三倍的二氧化碳才能生產一噸乙烯，因此該過程充當了碳匯。根據研究人員自己的分析，這將比蒸汽裂解有顯著改進，蒸汽裂解每生產一噸乙烯會產生 1 ½ 到 3 噸的二氧化碳。然後，收集到的乙烯氣體可以轉化為各種燃料和產品。
餘先生說：“我認為將二氧化碳轉化為有用的東西更好，”他將這種方法與其他碳捕獲方法進行了比較。“你不必將二氧化碳泵入地下，而且（這些產品）將持續很多年。”
基因工程吸附碳
餘先生和他的同事並不是第一個提出利用藍藻生產乙烯想法的人。早在十多年前，日本的研究人員就首次嘗試了這一過程。當時，研究人員無法可靠地生產乙烯。多年後，當餘先生閱讀這項研究時，他認為透過對一種他曾密切合作的不同菌株（Synechocystis sp. PCC6803）進行基因改造，他或許能夠使乙烯生產更加穩定。
研究人員透過改變該生物體新陳代謝的一部分（稱為三羧酸 (TCA) 迴圈）來從藻類中製造乙烯，該迴圈參與生物合成和能量產生。在基因未改變的藍藻中，該迴圈只能吸收相對較小的比例，即固定二氧化碳的 2% 到 3% 中的 13%。但是在餘先生的實驗室裡，藻類能夠將三倍以上的碳輸送到 TCA 迴圈，並以每升每小時 35 毫克的速度排放 10% 的固定二氧化碳作為乙烯。這聽起來可能不是很多，但自從他 2010 年首次開始研究藍藻以來，產量增加了千倍。到今年年底，餘先生的目標是將產量提高到 50 毫克。
他說：“這遠未達到上限，”他解釋說，最終目標是將 90% 的固定碳轉化為乙烯。“我看不出它為什麼不能更高；我還沒有碰到瓶頸。我不知道是什麼會阻止這種情況發生，但當然有可能。”
令人驚訝的是，即使藍藻正在生產更多的乙烯，這些生物體的生長速度仍然與不生產乙烯的藻類相同。餘先生說，結果表明，藍藻的新陳代謝比以前認為的要靈活得多。
他說：“這就像一個人一直在失血，但看起來很健康。”
餘先生和他的同事不確定這是如何發生的，但促成乙烯生產的突變也刺激了光合作用。
他說：“該系統為我們提供了對光合作用的新見解，並使我們有希望從中學習並提高光合作用活性。”
俄克拉荷馬州立大學微生物學和分子遺傳學教授羅伯特·伯納普說，對藍藻新陳代謝的這種見解與創造能夠持續生產乙烯的生物體一樣重要。他沒有參與這項研究，但為餘先生今年 R&D 100 獎的申請提供了參考。餘先生現在是機械裝置/材料類別的決賽入圍者。
“新陳代謝的適應性令人驚訝。它正在產生一些它沒有進化成的東西。關於是否有可能持續生產乙烯，存在很多爭議。這表明它是靈活的，”他說。
這項研究可以幫助其他科學家更好地瞭解其他植物甚至人類的代謝途徑。伯納普說，TCA 迴圈甚至在我們細胞的線粒體中也活躍。
他說：“這項研究真正特別之處在於他們進行的分析深度，”他將這項研究整體描述為“開創性的工作”。
製造中心......在池塘裡？
現在說這些藻類何時甚至是否會在商業規模上生產乙烯還為時過早。餘先生估計，發展到這個階段可能需要 10 年以上的時間。
餘先生說：“將碳效率提高到 50% 或更高，還需要做很多工作。”
美國國家可再生能源實驗室國家生物能源中心生物過程研發小組的首席經理菲利普·平科斯表示，即使餘先生繼續努力實現更高的乙烯產量，該專案也開始更多地關注開發方面。
“你如何回收乙烯？你如何處理生物質？這個專案旨在回答這些重要問題，”平科斯說。
明年某個時候，研究人員計劃將他們的工作轉移到戶外，以觀察藻類在更接近商業種植環境中的表現。
平科斯說：“我們必須獲得一個真正可擴充套件的乙烯工藝，以便更好地瞭解它會是什麼樣子。”
餘先生設想藍藻生長在池塘中，或者可能垂直地生長在像報紙一樣的薄片上。他說，在任何一種情況下，都必須封閉固體或液體培養物以捕獲乙烯。
大量生產這種氣體也存在一些安全問題。藻類產生的碳氫化合物和氧氣也易燃，必須採取某些安全預防措施才能安全地收集乙烯。
即使藍藻可以產生大量的乙烯，它們的成功也將取決於產品是否可以具有成本競爭力。這並不容易，因為石油化工生產的乙烯既便宜又容易獲得。根據研究人員的經濟分析，石油化工生產的乙烯每噸成本為 600 至 1,300 美元，而藻類產生的乙烯估計約為每噸 3,240 美元。
平科斯說，從長遠來看，證明該系統的經濟可行性也有助於維持能源部的研究資金。
他說：“藻類不是能源部的首要關注點；他們幾十年來一直支援纖維素工作。藻類的投資組合要小得多，而且大部分工作是直接轉化為液體燃料，”他說。“乙烯有點突出，因為它不是燃料，但它可以作為燃料原料。”
R&D 100 獎的獲獎者將於 11 月公佈。
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