美國人每年消耗 1400 億加侖汽油。即使駕駛員改用更節能的汽車和卡車，由於汽車和飛機使用量的急劇增加，未來 20 年全國的燃料需求預計仍將增加五分之一。這就是為什麼，除了開發太陽能、風能和地熱能外，包括巴拉克·奧巴馬總統在內的政策制定者都在倡導生物燃料，以改變交通文化。
然而，他們談論的不是玉米乙醇，因為玉米乙醇已被證明是浪費且對環境有害的。相反，人們的目光投向了美國各地少數幾家高科技實驗室，這些實驗室正在完善從食物鏈最底層的生物體（酵母、藻類和細菌）中製造汽油和柴油替代品的方法。挑戰在於以經濟的方式生產足夠多的這些燃料，並使其形式與今天的汽車相容。
一旦下一代生物燃料可用，您就可以在當地能源站加油，加註一種與汽油幾乎相同的液體。它將由美國公司製造，而不是從中東運來。即使生物燃料燃燒時會釋放二氧化碳，但製造它們的生物體會從空氣中吸收等量的二氧化碳，從而使生物燃料基本上實現碳中和。
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超越玉米
汽油是從原油中提煉出來的。不想依賴石油公司的 DIY 愛好者們不遺餘力地用生物燃料驅動他們的舊汽車，通常是透過加工從餐廳油炸鍋中回收的廢食用油，並將結果儲存在車庫的油箱中。然而，在商業規模上，今天主要的生物燃料是乙醇，也稱為穀物酒精。它是透過發酵玉米粒製成的——一種類似於給我們帶來啤酒和葡萄酒的生物過程。將玉米和酵母放在一個大桶中，酵母會吃掉玉米中的糖分，產生乙醇和水。今天，美國銷售的汽油中有超過 40% 含有乙醇——通常與汽油預混合，製成一種名為 E10 的混合物，其中 90% 是汽油，10% 是乙醇。在少數地區，主要是中西部地區，也出售 85% 乙醇 (E85) 的混合物，用於配備所謂彈性燃料發動機的車輛。
玉米一直是首選的原材料，因為發酵是一種成熟的工藝，而且還有政府補貼。農業產業與乙醇緊密結合，它已經能夠說服政府支援其利益。但大多數科學家都認為，乙醇實驗並沒有很順利。根據康奈爾大學科學家大衛·皮門特爾發表的一項研究，生產一加侖乙醇需要 21 磅玉米。而種植這些玉米需要半加侖化石燃料。
因此，專家表示，玉米基燃料的生產不僅可能導致糧食短缺，而且這個過程效率太低，無法對我們的能源需求產生重大影響。“當您看看我們的乙醇產量，並將其與我們對運輸燃料的需求進行比較時，我們就無法實現目標，”科羅拉多州落基山研究所（一家非營利效能源政策組織）的生物燃料顧問弗吉尼亞·萊西說。
大多數研究人員都同意現在是時候放棄玉米基乙醇了，但他們對如何繼續前進有兩種相反的理論。加州大學伯克利分校的化學工程師傑伊·基斯林是幾位試圖用柳枝稷等植物製造乙醇和相關燃料的研究人員之一，柳枝稷生長迅速，並且能抵抗許多害蟲和疾病。他最大的挑戰是讓酵母和其他實驗性微生物消化植物的所有部分，包括難以分解的莖稈。基斯林方法的另一個癥結在於，植物需要大量空間，更不用說生長時間了：我們對植物基燃料的需求可能會超過我們的生產能力。
這就是為什麼包括 J·克雷格·文特爾（企業家和生物學家，他在馬里蘭州羅克維爾的基因組研究所為繪製人類基因組圖譜發揮了關鍵作用）在內的第二批科學家主張採取更大膽的方法。這些研究人員認為，最好的生物燃料將繞過農作物植物——完全切斷中間環節——而是依賴藻類和少數幾種微生物，這些微生物具有類似植物的天賦，可以直接有效地透過光合作用將陽光轉化為能量。然而，該方案尚未在大規模上得到證實。“我還沒有看到任何人真正對藻類能做什麼進行公平的計算，”基斯林指出，“在看到之前，我不會相信。”
無論採用哪種方法，科學家都必須改進大自然，才能製造出成功的生物燃料，改造現有的微生物，甚至構建全新的微生物。數十家初創公司正在用新型酵母、藻類和細菌製造燃料。幾家公司承諾，到 2011 年，它們將製造出可以直接泵入汽車的汽油或柴油替代品。儘管這些生物燃料最初可能會與傳統汽油或柴油預混合供應——很像今天的 E10——但總有一天我們會單獨使用它們，並告別石油基汽油。
從生物威利到 Q 微生物
基斯林認為有趣的 idea 是讓微生物做奇怪的事情。“我想看看我們能調整細胞多少，並探索自然的極限，”他說。微生物是完美的小工廠，因為可以對其進行工程改造以執行幾乎任何化學反應。它們也可以自行復制，而在實驗室中進行的化學反應則需要科學家幾乎持續不斷的關注。自從基斯林 1992 年加入伯克利分校以來，他已經對細菌進行了工程改造，以生產救命的瘧疾藥物和可生物降解的塑膠，並分解一系列環境汙染物。
現在基斯林已將注意力轉向能源。2008 年 12 月，他和他在加利福尼亞州埃默裡維爾的聯合生物能源研究所（能源部三個新的可持續生物燃料研究中心之一）的同事改造了一種常見的酵母菌株，使其能夠產生通常由四種不同微生物使用的消化酶。這種經過改進的酵母可以消化更多的纖維素植物材料，生物燃料產量最多可提高 10 倍。
基斯林在內布拉斯加州一個小鎮的玉米農場長大，因此他了解玉米基乙醇的缺點。農民透過化學處理玉米粒以分離糖分，然後將糖分餵給酵母來製造燃料，酵母消化糖分並分泌乙醇。不僅玉米皮和玉米秸稈被浪費了，而且乙醇生產還透過減少玉米的供應量推高了玉米的食品價格。環保主義者也開始批評使用玉米、甘蔗和其他農作物，因為它們通常需要大量淡水、富含化石燃料的肥料和土地才能生長。基斯林正在設計新型酵母、細菌和古菌——三種單細胞生物——它們具有特殊的消化系統，可以分解複雜的澱粉，即纖維素，纖維素不僅存在於玉米秸稈中，而且存在於許多草、灌木和樹木中。由於這些植物不是食用作物，因此它們不會減少食品供應。他說，如果我們希望用生物燃料替代大部分汽油，“那必須透過植物來實現”。
基斯林還在研究工程改造微生物，以生產他所謂的“第二代”生物燃料，例如丁醇、異戊醇和十六烷。雖然這些燃料的結構與乙醇相似，但它們的行為更像汽油。它們每單位體積含有更多能量；一輛以一加侖乙醇行駛的汽車只能行駛一加侖汽油汽車 67% 的距離；而以丁醇行駛的汽車可以行駛 80% 的距離。與乙醇不同，這些燃料可以直接用於噴氣發動機和柴油發動機。
其他創新者也在採取類似的方法。兩家總部位於加利福尼亞州的公司——Amyris Biotechnologies（基斯林於 2003 年在埃默裡維爾共同創立）和聖卡洛斯的 LS9——已經對細菌進行了工程改造，使其能夠食用植物並分泌生物柴油。生物柴油最廣為人知的是用回收的食用油製成的燃料，例如超級環保主義者、歌手威利·納爾遜使用的那種，他稱之為“生物威利”。但我們根本吃不了那麼多炸薯條來製造大量的這種燃料。Qteros 是一家總部位於馬薩諸塞州哈德利的公司，它正在使用一種名為“Q 微生物”的專有細菌來分解纖維素植物，並將其轉化為乙醇。Gevo 是一家位於科羅拉多州恩格爾伍德的生物技術公司，它正在對細菌進行工程改造，以用甘蔗和纖維素植物廢料製造異丁醇。“這不是夢想，”加州理工學院化學工程師、Gevo 的創始人之一弗朗西斯·阿諾德說。“這項技術非常有效。”
事實上，生物燃料並非遙不可及——自從石器時代的人們大約在公元前 10,000 年開始釀造啤酒以來，人類一直在使用微生物將植物發酵成乙醇。今天的工作關鍵在於工程改造一種完美的微生物，它可以吃掉植物的全部，只為自己保留少量食物，並將剩餘部分作為高能量燃料噴射出來。“我們正處於生物學的一個轉折點，”基斯林說，“我們不必接受大自然賦予我們的東西。”
重訪池塘浮渣
其他科學家認為，發酵不是製造燃料的最佳方法。文特爾認為他更具前瞻性的方法將佔上風。他說，最“令人興奮”的生物燃料將由微生物製成，這些微生物在暴露於陽光下時，會消耗二氧化碳並將其直接轉化為能量——相當於將需要長時間中途停留的航班升級為直飛航班。這個想法聽起來可能好得令人難以置信，但以雄心勃勃而聞名的文特爾表示，這是可能的。
地球的能量來自太陽。一小時的陽光蘊含的能量足以滿足人類一年的能源需求。但只有不到千分之一的能量被植物捕獲。文特爾和其他科學家正在試驗光合微生物，例如藻類和藍藻（有時稱為藍綠藻）。這些微生物不僅可以從空氣中去除二氧化碳，而且生長速度也很快——某些形式的微生物在短短 12 小時內就能增加一倍，而草和其他大型植物則可能需要數週或數月才能做到這一點。光合微生物還儲存大量脂肪，這構成了燃料的基礎。亞利桑那州立大學的生物學家威廉·弗爾馬斯最近對藍藻進行了工程改造，使其脂肪積累量達到其乾重的一半；只需開啟細胞，他就可以收穫儲存的脂肪，並在幾個簡單的步驟中將其轉化為生物燃料。一些植物，例如大豆，也儲存脂肪，可以用作燃料來源，但弗爾馬斯的亞利桑那州立大學同事布魯斯·裡特曼認為，光合微生物每英畝產生的脂肪幾乎是植物的 250 倍。
藻類燃料的概念並非完全新鮮，而且問題重重。1978 年，美國能源部開始嘗試用藻類製造生物柴油，但該計劃在 18 年後結束，原因是政府得出結論，認為該概念在經濟上不可行。藻類和藍藻是複雜的生物：雖然它們可以在露天池塘中生長，但不想要的微生物菌株很容易汙染水源，並干擾燃料製造菌株的生長。文特爾的替代方案是在稱為光生物反應器的透明戶外容器中種植藻類，但這些容器的建造和維護成本很高。它們的構造還必須使適量的陽光照射到它們——過多或過少都會減緩生長。更重要的是，收穫微生物並吸出儲存的脂肪需要對環境不利的溶劑，並且必須培養新的生物體來代替收穫的生物體。
文特爾說，他的最新公司 Synthetic Genomics（位於加利福尼亞州拉霍亞）正在克服障礙方面取得進展：他的微生物可以多次重複使用，因為他已經對它們進行了工程改造，使其釋放脂肪而不是儲存脂肪。此外，他找到了一種方法來防止這些生物體意外從設施中釋放出來後不想要的擴散；它們只有在被餵食一種它們無法自行產生的化學物質時才能存活。Synthetic Genomics 即將對該方法進行商業規模的測試。“我們取得了一些非常重大的突破，”文特爾說。
在高風險遊戲中對沖賭注
其他公司也在順利發展。聖地亞哥生物技術公司 Sapphire Energy 聲稱，它最早可能在 2011 年開始銷售用藻類製成的汽油。Solix Biofuels 是一家總部位於科羅拉多州柯林斯堡的初創公司，計劃在今年夏天之前啟動其第一家試點工廠。“很多人都說我們永遠不會飛，我們永遠不會登上月球，燈泡永遠不會亮。我們需要的是大量的紀律和勤奮才能前進，”Solix 的營運長裡奇·斯庫諾弗說。
那麼，哪種微生物將拯救地球呢？Khosla Ventures（一家位於舊金山灣區的風險投資公司，支援採用兩種方法的初創公司）的合夥人薩米爾·考爾表示，能夠生存下來的公司將是那些燃料可以與每桶 40 美元石油競爭的公司。文特爾對此表示贊同：“我認為這將最終成為最大的挑戰：我們能否建造這些真正的大型設施，並以具有成本效益、環境友好的方式做到這一點？”這是一場高風險的遊戲，即使是科學家也在對沖他們的賭注；文特爾的一些專案涉及纖維素生物燃料，類似於基斯林正在做的事情。儘管裡特曼忠於藍藻，但他也在與其他微生物合作。
無論誰生產出豐富的生物燃料，最終都可能不僅僅賺大錢——他們還將創造歷史。“在這一領域取得成功的公司和國家，將在下一個時代成為經濟上的贏家，就像今天的石油資源豐富的國家一樣，”文特爾說。他甚至以他一貫的直言不諱的方式暗示，這些公司和國家最終可能會引發第二次工業革命——這場革命的動力來自於需要消除第一次工業革命造成的環境後果。