以下文章經線上出版物 The Conversation 許可轉載，該出版物涵蓋最新研究。
航空業產生全球人為二氧化碳排放量的 2%。這個比例看起來可能相對較小——從角度來看，發電和家庭供暖佔 40% 以上——但航空業是世界上增長最快的溫室氣體來源之一。預計未來 20 年航空旅行需求將翻一番。
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航空公司正面臨壓力，需要減少碳排放，並且極易受到全球油價波動的影響。這些挑戰激發了人們對生物質衍生噴氣燃料的濃厚興趣。生物噴氣燃料可以透過各種化學和生物途徑，從包括油料作物、糖料作物、澱粉類植物和木質纖維素生物質在內的各種植物材料中生產出來。然而，將油轉化為噴氣燃料的技術正處於更高階的開發階段，並且比其他來源產生更高的能源效率。
我們正在對世界上產量最高的植物甘蔗進行工程改造，以生產可以轉化為生物噴氣燃料的油。在最近的一項研究中，我們發現使用這種工程改造的甘蔗每英畝土地可產出超過 2,500 升的生物噴氣燃料。簡單來說，這意味著一架波音 747 飛機可以使用僅 54 英畝土地上生產的生物噴氣燃料飛行 10 小時。與兩種競爭性植物來源——大豆和麻風樹相比，脂蔗每單位土地將分別產生大約 15 倍和 13 倍的噴氣燃料。
創造雙用途甘蔗
源自富油原料（如亞麻薺和藻類）的生物噴氣燃料已在概念驗證飛行中成功測試。全球標準開發組織 ASTM International 已批准將 50:50 的石油基噴氣燃料和加氫處理可再生噴氣燃料混合物用於商業和軍事飛行。
然而，即使經過大量的研究和商業化努力，目前生物噴氣燃料的產量仍然很小。大規模生產這些產品將需要進一步的技術改進和豐富的低成本原料（用於製造燃料的作物）。
甘蔗是一種眾所周知的生物燃料來源：巴西幾十年來一直在發酵甘蔗汁以製造酒精基燃料。甘蔗製成的乙醇產生的能量比生產過程中使用的能量多 25%，並且與化石燃料相比，溫室氣體排放量減少12%。
我們想知道是否可以提高植物的天然產油量，並利用這些油來生產生物柴油，從而提供更大的環境效益。生物柴油產生的能量比製造它所需的能量多93%，並且與化石燃料相比，排放量減少 41%。乙醇和生物柴油都可以在生物噴氣燃料中使用，但將植物來源的油轉化為噴氣燃料的技術正處於高階開發階段，具有高能源效率，並已準備好大規模部署。
當我們最初提出對甘蔗進行工程改造以生產更多石油時，我們的一些同事認為我們瘋了。甘蔗植物僅含有 0.05% 的油，這太少了，無法轉化為生物柴油。許多植物科學家推測，將石油含量提高到 1% 對植物有毒，但我們的計算機模型預測，我們可以將石油產量提高到 20%。
在能源部高階研究計劃署 (Advanced Research Projects Agency-Energy) 的支援下，我們在 2012 年啟動了一個名為“植物工程改造以替代甘蔗和高粱中的石油”(Plants Engineered to Replace Oil in Sugarcane and Sorghum) 或 PETROSS 的研究專案。從那時起，透過基因工程，我們提高了油和脂肪酸的產量，使甘蔗葉片中的油含量達到 12%。
現在我們正在努力實現 20% 的石油含量——根據我們的計算機模型，這是理論極限——並將石油積累的目標對準植物的莖部，因為莖部比葉片更容易獲取。我們的初步研究表明，即使工程改造的植物產生更多的油，它們仍然繼續產生糖。我們將這些工程改造的植物稱為脂蔗。
來自脂蔗的多種產品
脂蔗為農民和環境帶來了許多優勢。我們計算得出，種植含油量為 20% 的脂蔗，每英畝的利潤將是目前美國用於製造生物柴油的主要原料大豆的五倍，是玉米每英畝利潤的兩倍。
為了實現可持續性，生物噴氣燃料還必須在加工方面具有經濟性，並具有高產量，從而最大限度地減少耕地的使用。我們估計，與大豆相比，含油量為 5% 的脂蔗每英畝土地可生產的噴氣燃料多四倍。含油量為 20% 的脂蔗每英畝可生產的噴氣燃料多 15 倍以上。
脂蔗還提供其他能源效益。果汁提取後剩餘的植物部分（稱為蔗渣）可以燃燒以產生蒸汽和電力。根據我們的分析，這將產生足夠的電力來為生物精煉廠供電，因此可以將剩餘電力出售回電網，從而取代化石燃料產生的電力——巴西的一些工廠已經使用這種做法從甘蔗中生產乙醇。
一種潛在的美國生物能源作物
甘蔗在不適合許多糧食作物的邊際土地上生長良好。目前，它主要種植在巴西、印度和中國。我們還在對脂蔗進行工程改造，使其更耐寒，以便可以更廣泛地種植，特別是在美國東南部的未充分利用的土地上。
如果我們在美國東南部劃出 2300 萬英畝土地種植含油量為 20% 的脂蔗，我們估計這種作物可以生產美國65% 的噴氣燃料供應量。目前，以當前美元計算，這種燃料將使航空公司付出每加侖 5.31 美元的成本，這低於藻類或其他油料作物（如大豆、油菜籽或棕櫚油）生產的生物噴氣燃料。
脂蔗也可以在巴西和其他熱帶地區種植。正如我們最近在《自然·氣候變化》雜誌上報道的那樣，在巴西大幅擴張甘蔗或脂蔗的生產可以使當前的全球二氧化碳排放量減少高達 5.6%。這可以在不侵佔巴西政府指定為環境敏感區域（如雨林）的地區的情況下實現。
追求“能源甘蔗”
我們的脂蔗研究還包括對植物進行基因工程改造，使其光合作用效率更高，從而轉化為更多生長。在 2016 年發表在《科學》雜誌上的一篇文章中，我們中的一位（Stephen Long）和來自其他機構的同事證明，提高菸草的光合作用效率使其生長增加了20%。目前，初步研究和並排田間試驗表明，我們已將甘蔗的光合作用效率提高了 20%，在涼爽條件下提高了近 70%。
現在我們的團隊開始致力於工程改造一種更高產的甘蔗品種，我們稱之為“能源甘蔗”，以實現每英畝更高的石油產量。在實現商業化之前，我們還有很多工作要做，但開發出一種可行的、含油量足以經濟地生產生物柴油和生物噴氣燃料的植物是重要的第一步。
編者注（2018 年 1 月 5 日）：本文已更新，以澄清 Stephen Long 等人在 2016 年發表在《科學》雜誌上的研究涉及提高菸草植物的光合作用效率。
本文最初發表於 The Conversation。閱讀 原文。