浅谈可持续发展的能源

浅谈可持续发展的能源

20世纪中期以来，随着世界经济的快速发展，现代社会对能源的依赖日益增加，能源供应危机逐渐加剧。能源生产的危机正在变得越来越明显。煤炭、石油、天然气等能源资源的产量正在增加。据统计,全球能源消耗总量每年超过370百万兆焦耳(EJ),相当于每天消耗1.7亿多桶石油,其中石油、天然气和煤炭等的消耗约占总消耗量的95%。据预测,到2020年全球能源存储量将会下降至现有储量的10%。剩余储量的开发难度将越来越大,到一定限度就会失去继续开采的价值。长期无限制的开采利用与有限的蕴藏量之间的矛盾逐渐尖锐。面对当前以石油为主导的世界能源消费格局和近年来全球油价不断攀升的现实,能源危机已成为不争的事实。开发利用各种新型的、特别是可再生的能源资源,调整并优化能源结构,已成为化解能源危机的迫切需求和有效途径。我国植物学家胡先骕先生早在20世纪30年代就指出“从榕属、大戟科、萝藦科等含胶性植物中开发树胶代用品”具有重要意义。利用绿色植物进行能源开发的先驱者美国生物化学家卡尔文(MelvinCalvin)认为,有些植物在进行光合作用时,能将碳氢化合物储存在体内。碳氢化合物的成分是类似于石油的烷烃类物质,经过加工后可作为汽油或柴油的替代品。20世纪70年代,卡尔文先后对Cobaiferalangsdorfii、大戟科(Euphorbiaceae)大戟属植物续随子(Euphorbialathyrus),以及十字花科(Cruciferae)、菊科(Compositae)、萝藦科(Asclepiadaceae)、豆科(Leguminosae)、棕榈科(Palmae)等科的植物进行了调查研究,从中筛选出许多开发价值极高的树种进行引种栽培实验,并建立了石油植物种植园。笔者对能源植物资源及其开发利用的状况进行了综述。通过介绍能源植物的概念、种类和资源概况,分析部分能源植物的主要化学成分,报道数种有发展潜力或已进行了不同程度开发的能源植物,探讨今后的开发利用前景及存在的问题,以期为进一步研究提供参考。1能源、植物及其资源1.1烃类能源植物能源植物(fuelplant)(又称“石油植物”、“柴油植物”或“燃料植物”)通常指那些具有合成较高还原性烃的能力,可产生类似石油成分、可替代石油使用或作为石油补充产品的植物,以及富含油脂的植物。主要包括:(1)富含碳氢化合物,即烃类成分的能源植物。如目前已在世界范围内受到重视和应用的续随子(Euphorbialathyrus)、绿玉树(E.tirucalli)、西蒙得木(Simmondsiachinensis)、西谷椰子(Metroxylonsagii)等。(2)富含碳水化合物,经加工处理后得到燃料乙醇的能源植物。这类植物种类多,分布广,如高梁、玉米、木薯、甜菜等。(3)富含油脂的能源植物。据估计,高等植物中有7%左右种类的某一器官(多为种子)含油率在10%以上,有些含油率很高,如樟科(Lauraceae)植物的黑壳楠(Linderamegaphylla)种子含油率达57.5%,红脉钓樟(L.rubronervia)种子含油率达44.9%,木姜子(Litseapungens)的种仁含油率达55.4%。1.2碳氢化合物类能源植物许多植物体内的分泌组织中富含一种通常呈乳状的黄色或乳白色乳汁。Esau认为,大约有900属12500种植物含有乳汁,Metcalfe列举了20多个科的含乳汁植物,其中大部分为双子叶植物,也有几种单子叶植物,以及蕨类植物的苹科(Marsileaceae)(见表1)。乳汁中所含的物质包括水、盐类、碳氢化合物和各种其他有机成分,其中水和碳氢化合物被认为是许多植物乳汁中的主要成分。而且由于植物乳汁中所含碳氢化合物的分子量不同,所形成的成分和用途也有差异。植物乳汁中所含的碳氢化合物通常是异戊二烯的聚合物(C5H8),其中较大分子质量的天然橡胶,分子量一般为500000～2000000;而较小分子质量,类似于石油的物质,分子量一般为50000或少于50000,经萃取后可作为石油替代品。例如,大戟属植物乳汁中所含的碳氢化合物分子量较小,约为2万左右,将水从乳汁中分离出后即可得到液状油,这一特性引起人们越来越多的关注。这类分子量较小、富含类似石油成分的植物就是通常所说的可提取碳氢化合物的能源植物。国内外研究表明,能源植物广泛分布于植物界大量的科、属中,既有藻类等低等植物,也有高等植物;既有陆生植物,也有水生植物;既有草本植物,也有木本植物。目前高等植物中已在国内外受到重视或具有开发潜力的部分科、属或种有:棕榈科的扇叶树头棕(Borassusflabellifer)、西谷椰子、油棕(Elaeisguineensis);桑科(Moraceae)的印度榕(Ficuselastica)、吉隆桑(Morusserrata);樟科的沉水樟(Cinnamomummicranthum)、檫木(Sassafrastsumu);罂粟科(Papaveraceae)的番木瓜属(Carica);十字花科;豆科的金合欢属(Acacia)、合欢属(Albizia)、黄檀属(Dalbergia)、银合欢属(Leucaena)及牛蹄豆(Pithecellobiumdulce)、水黄皮(Pongamiapinnata)、柔黄花牧豆树(Prosopisjuliflora)、印度田菁(Sesbaniasesban)、油楠(Sindoraglabra)等;楝科(Meliaceae)的楝树(Meliaazedarach);大戟科大戟属、橡胶树属(Hevea)、麻疯树属(Jatropha)、红雀珊瑚属(Pedilanthus)、乌桕属(Sapium)以及白苞猩猩草(E.geniculata)、续随子、绿玉树、彩云阁(E.trigona)、橡胶树(H.brasiliensis)、麻疯树(J.curcas)、红雀珊瑚(P.tithymaloides)、乌桕(S.sebiferum)等;桃金娘科(Myrcaceae)的桉树(Eucalyptusrobusta)、蓝桉(E.globulus)、番石榴(Psidiumguajava)、海南蒲桃(Syzygiumcumini);夹竹桃科(Apocynaceae)的假虎刺属(Carissa)、红月桂属(Tabernaemontana)、黄花夹竹桃属(Thevetia)等;萝藦科的马利筋属(Asclepias)、牛角瓜属(Calotropis)、桉叶藤属(Cryptostegia)、肉珊瑚属(Sarcostemma)等;菊科(Compositae)的豚草属(Ambrosia)、蓟属(Cirsium)、银胶菊属(Parthenium)、一枝黄花属(Solidago)、苦苣菜属(Sonchus)、泽兰属(Eupatorium)、斑鸠菊属(Vernonia)等(见表1)。表1中列出的植物类群,其成分中或多或少都含有碳氢化合物,可作为今后研究开发能源植物的最初筛选依据和突破点。其中有些种类在国外已得到开发利用。2烃类碳质细胞元素含量可提取碳氢化合物的能源植物,必须具备与石油成分相类似的化学成分。石油是烷烃、环烷烃、芳(香)烃等多种烃类的复杂混合物,平均碳含量约84%～85%,平均氢含量约12%～14%。根据前人对植物化学成分的分析,以下类群的植物中多含有萜类、醇类、脂类等成分,其化学结构大都与石油的烃类成分相类似,具体如下。(1)类化合物大戟科化学成分很复杂,但大多含有萜类(二萜及三萜)等成分,种子含大量油脂及蛋白质。在大戟属、巴豆属(Croton)、麻疯树属和乌桕属的乳汁、树脂或种子油中含有二萜类化合物,它们有的游离存在,多数与有机酸结合成酯。常见的类型有:大戟二萜醇(euphorbol)、巴豆(大戟)烷(tigliane)、瑞香烷(daphnane)、铁仔醇(myrsinol)、贝壳杉烷(kaurane)及巨大戟烷(ingenane)等。叶下珠亚科(Phyllanthoideae)、巴豆亚科(Crotonoideae)及大戟属植物的乳汁中含有大量三萜类化合物,其中五环三萜有:蒲公英萜醇(taraxerol)、蒲公英醇(taraxasterol)、乌苏酸(ursolicacid)、羽扇豆醇(lupeol)、germanicol、木栓酮(friedelin)、叶下珠醇(phyllanthol)、降香醇(bauerenol)及multiflorenol等;四环三萜有:大戟醇(euphadienol)、环阿尔廷醇(cycloartenol)、aphylldiene及obtusifoldienol等。巴豆(C.tiglium)种子含巴豆油50%以上,其中含油酸、亚油酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸、月桂酸、巴豆油酸及顺芷酸的甘油酯等成分。蓖麻(Ricinuscommunis)种子含脂肪油50%,其主要成分为三蓖麻油酸甘油酯(ricinoletin)、油酸甘油酯、硬酯酸甘油酯等。乌桕种子含脂肪,主要为二软脂酸甘油酯及少量软脂甘油酯;并含有干性油。(2)花、黄花和黄安全性豆科化学成分复杂,类型多样。豆科的很多植物中都含有三萜类成分。金合欢属苏门答腊金合欢(Acaciasuma)的树皮中含正三十烷醇、羽扇豆庚酸酯、β-谷甾醇等成分;金合欢花含金合欢醇、香叶醇、芳樟醇、苄醇、α-松油醇和柳酸甲酯等。合欢属植物合欢(Albizziajulibrissin)的树皮含1-(29-羟基-二十九碳酸)-甘油酯、1-(24-羟基-二十四碳酸)-甘油酯、乙酸-Δ12-乌苏烯-3-β-醇酯、二十二碳酸乙酯、β-谷甾醇、α-菠甾醇-3-O-β-D-葡萄糖甙等。合欢的花含有二十四烷酸和槲皮甙等。黄檀属海南黄檀(Dalbergiahainanensis)的叶含有1-O-β-D-吡喃葡萄糖基-(2S,3S,4R,8Z)-2-[(2R)-2-羟基二十二碳酰基]-8-十八烯-1,3,4-三醇、蒲公英赛醇(taraxerol)、3β-羟基-黏霉-5-烯(3β-hydroxy-glutin-5-ene)、熊果酸、β-谷甾醇和羽扇豆醇等。黄檀(D.hupeana)根皮含蒲公英赛醇(taraxerol)、蒲公英赛酮(taraxerone)、蒲公英赛醇乙酸酯(tarrxerylacetate)、无羁萜酮(friedelin)等成分。(3)叶、叶、白坚木、络石、trawelloc.---------------------------------植物叶片主要含+-甲基肌醇、甲基肌醇、甲基肌醇、甲基肌醇、plumomomdiffiorae-5,5.5e-5-pluwelloiiee-5-pluwelloiiee-5-pla-5-plumoe-5e-5,5.5e-5,5.5e-5,5.5e-5,5.5e-5,5.5e-5,5.5-pluwelloiiee-5,5.5e-5,5.5e-5,5.5-pluwelloiiee-5,5.5e-5,5.5-pluwelloiiee-5,5.5e-5,5.5-pluwelloiiee-5,5,5.5e-5,5,5.5-pluwelloiiee-5,5,5.5e-5,5,5.5-pluwelloiiee-5,5,5.5e-5,5,5.5-pluwelloiiee-5,5,5,5.5e-5,5,5,5.5-pluwelloiiee-5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,夹竹桃科植物与萝藦科关系较密切,不仅形态上有着许多共同特点,植物体内都具有乳汁,并且化学成分也很相近。两科植物几乎都含有天然橡胶,还含有不少种类相似的环醇(cyclitols)。夹竹桃科鸡蛋花亚科(Plumerioideae)植物叶含(+)-甲基肌醇或二甲基肌醇,夹竹桃亚科(Apocynoideae)植物叶含(-)-甲基肌醇或二甲基肌醇,白坚木(Aspidospermaquebracho-blanco)、络石(Trachelospermumdifforme)含(-)-白雀木醇。盆架树(WinchiacalophyllaA.DC.)茎皮含羽扇豆烯酮、乙酸羽扇豆酯、桦木酸、乙酸-α-香树醇酯、乌索酸、ptiloepoxide、β-香树醇和cycloeucalenol。(4)合成甲基植物化合物桔梗科(Campanulaceae)植物体内通常具有乳汁。桔梗(Platycodongrandiflorus)含桦木醇(betulin),3-O-β-昆布二糖基远志酸甲酯(methyl-3-O-β-laminaribiosylpolygalacate),2-O-甲基桔梗苷酸A甲酯(methyl-2-O-methylplatyconateA),桔梗苷酸A甲酯(methylplatyconateA),桔梗酸A(platycoge-nicacidA),桔梗酸B(platycogenicacidB),桔梗酸C(platycogenicacidC),远志酸(polygalacicacid),α-菠菜甾醇(α-spinasterol),α-菠菜甾醇β-D-葡萄糖苷(α-spinasterolβ-D-glucoside)等成分。(5)排他属类植物菊科化学成分的多样性和复杂性均居植物界之首,总计有30余类。其中以倍半萜内酯、聚炔类化合物和菊糖为突出特点。菊科的舌状花亚科(Liguliflorae)植物体内含乳汁。管状花亚科(Tubuliflorae)缺乳管,但常具有油腺、油管、树脂道或分泌腔,普遍含有挥发油,尤其以蒿属(Artemisia)、胜红蓟属(Ageratum)、泽兰属、蓍属(Achillea)、母菊属(Matricaria)及艾纳香属(Blumea)植物中含量较多。其油中成分主要是单萜和倍半萜类、低分子烃类、炔类及含氧衍生物等。菊蒿(Tanacetumvulgare)含单萜烃型(monoterpenehydrocarbontype)挥发油。目前在菊科中已发现500余种倍半萜内酯成分,其生物活性显著。斑鸠菊属含斑鸠菊内酯(vernolepin)。管状花亚科植物中多含有三萜皂苷化合物,它们有的以皂苷形式存在于泽兰属、向日葵属(Helianthus)、水飞蓟属(Silybum)、一枝黄花属、紫菀属(Aster)、金盏花属(Calendula)、菜蓟属(Cynara)等属植物中。此外,菊科植物的瘦果或种子中含有大量油脂,富含亚油酸及少量的油酸和棕榈酸;很多族属含有特殊脂肪酸,如斑鸠菊属含有斑鸠菊酸(vernolicacid)。(6)罗马法上的倍半类化合物和多聚香豆素瑞香科(Thymelaeaceae)植物含有的化合物成分多样,主要有香豆素类、黄酮类、二萜酯类,以及倍半萜类和木脂体等。瑞香科荛花属(Wiskstromia)含有特殊的双香豆素(daphnoretin)、三聚香豆素(wisktrosin)。沉香属(Aquilaria)植物中发现有沉香醇(agarol)等倍半萜类化合物。瑞香属(Daphne)、狼毒属(Stellera)中都含有二萜原酸酯成分。3碳氢化合物的应用在以上介绍的有望成为能源植物的类群中,有许多植物的碳氢化合物成分含量丰富,生长适应性强,易管理,极具发展潜力,国内外正准备或已进行不同程度的开发,现将最有代表性的列举如下。(1)干旱山地的种植在民间又有香槐、千金子、千两金、菩萨豆、滩板救、小巴豆等俗称。这是一种二年生草本植物,原产欧洲,在我国北至吉林、内蒙古,南至广西,东及江苏、浙江,西南至云南、西藏的广大地区都有栽培或野生分布。同时广泛分布或栽培于欧洲、北非、中亚、东亚和南北美洲。续随子喜阳,生长适应性强,耐瘠薄土地,耐旱性强,并可耐-5～6℃低温。生长期需水量不大,宜于在不适于粮食作物生长的干旱山地种植。生长期为5～7个月,收获期长,生物产量高,管理极为简便,只需在10月间将种子直播于向阳处即可,种子自播和繁殖能力强。续随子种子含有约48%的脂肪油,其中含有油酸、棕榈酸、亚油酸等甘油酯及多种二萜醇酯[如巨大戟二萜醇-3-十六烷酸酯(ingenol3-hexadeca-noate)]等,还含有7-羟基千金二萜醇(7-hydroxylathyrol)、γ-大戟甾醇(γ-euphol)、α-大戟甲烯醇(α-euphorbol)、七叶内酯(aesculetin)、瑞香素(daphnetin)、山柰酚-3-葡萄糖醛酸苷(kaempferol-3-glucuronide)等成分。叶片含有槲皮素、槲皮素-3-β-D-葡萄糖醛酸苷、山柰酚、山柰酚3-葡萄糖醛酸苷、β-谷甾醇、p-香豆酸和阿魏酸。茎含三十一烷(hentriacontane)、蒲公英赛酮(taraxerone)、蒲公英赛醇(taraxerol)、β-谷甾醇和桦木醇。乳汁中含有0.5%的3,4-二氧苯丙氨酸。叶片的苯提取物含有0.1%橡胶(植物干重)和0.2%的蜡状物;丙酮提取物含有13.7%甘油酯,2.2%类异戊二烯和8.3%的萜类。续随子是一种生产成本低、产油量高的理想能源植物。(2)南北方绿树叶片汁汁”又名青珊瑚、光棍树、绿珊瑚、乳葱树、白蚁树等。是一种小乔木,小枝肉质,具丰富乳汁。原产于非洲东部的安哥拉一带,在热带和亚热带地区广泛栽培,并有野生现象。由于原产热带干旱地区,叶逐渐退化消失,树形奇特,无刺无叶,又被称作“光棍树”。绿玉树喜温暖,好光照,也耐半阴,耐干旱,适于排水良好的土壤。由于能适应恶劣的自然环境而易于栽培管理,在我国南北方均有栽培,其茎干中的白色乳汁富含碳氢化合物,也是制取石油的重要原料之一。绿玉树茎皮含25-二醇(25-diol)等化学成分。乳汁中含53.8%～79.9%的水和水溶性物质,2.8%～3.8%的天然橡胶。鲜乳汁含萜烯类乙醇、异大戟醛和大戟甾醇。乳汁干物质中含大戟酮,蒲公英甾醇和甘遂醇。据分析,茎含有三十一烷烯(hentriacontene)、三十一烷醇、β-谷甾醇、蒲公英甙(taraxerin)、3,3’-二-O-鞣花酸、鞣花酸等成分。整株植物含有7.4%的柠檬酸和少量丙二酸、琥珀酸。据卡尔文在20世纪70年代末期的调查,当年绿玉树在日本冲绳岛的种植曾取得了极大成功,每英亩每年可望产油5～10桶。(3)麻蜂树种子含水量、油性质和脂肪酸组成又名黄肿树,假白榄,是灌木或小乔木,具水状液汁。原产美洲热带,现广泛分布于全球热带地区。我国福建、台湾、广东、海南、广西、贵州、四川、云南等省区均有栽培或少量野生。麻疯树含α-香树精、β-谷甾醇、豆甾醇、菜油甾醇、7-酮-β-谷甾醇、豆甾-5-烯-3-β,7-α-二醇、豆甾-5-烯-3β,7β-二醇等成分。每百克种子含水分6.6g、蛋白质18.2g、脂肪38.0g、总糖类33.5g、纤维15.5g和灰质4.5g。种子含油率达40%左右,油流动性好,饱和脂肪酸中含棕榈酸17.5%、硬脂酸6.7%,不饱和脂肪酸中含油酸43%、亚油酸32.2%。这种油现已在农用柴油机上试用,可作为解决燃料不足的补充和替代品。(4)类化合物及其组成又名玉带根,茎、枝粗壮,叶肉质,体内含丰富的乳汁。原产美洲。我国云南、广西、广东南部常见栽培,北方温室亦有栽培。据报道,红雀珊瑚在印度的北部和东部一些贫瘠荒芜的土地上有大量分布,不需任何农耕管理即能生长,具有很大的经济开发价值。红雀珊瑚含表无羁萜醇(eifriedelanol)、乙酸表无羁萜醇酯(epifriedelanolacetate)等三萜类化合物,以及焦棓酚(pyrogallol)、脯氨酸(proline)、酪酸(butyricacid)、2-已烯酸(2-hexenoicacid)、已酸(caproicacid)、桂皮酸(cinnamicacid)、二羟基桂皮酸(dihydroxycinnamicacid)、p-羟基桂皮酸(p-hydroxycinnamicacid)、葡萄糖酸(gluconicacid)、棕榈酸(palmiticacid)、3,4-甲氧基桂皮酸(3,4-dimethoxycinnamicacid)、m-甲氧基-p-羟基桂皮酸(m-methoxy-p-hydroxycinnamicacid)和山萮酸(docosenoicacid)等成分。(5)水黄皮的理化性质乔木,产印度、马来西亚至澳大利亚,我国南部有分布,喜生于近水之地,是很好的防堤植物。水黄皮对环境的适应性很强,耐旱、抗严寒、抗高温,在贫瘠盐碱地等各种恶劣环境中都能生长。水黄皮被称为半红树植物,由于其抗风、耐盐性都很强,也是我国南方沿海及台湾省特有的优良海岸树种。水黄皮根皮含水黄皮醇(pongamol)、β-谷甾醇和丹宁酸等成分。果仁含水分19.0%、脂肪油27.5%、蛋白质17.4%、淀粉6.6%、粗纤维7.3%和灰质2.4%。脂肪酸中含棕榈酸3.7%～7.9%、硬脂酸2.4%～8.9%、花生酸2.2%～4.7%、山萮酸4.2%～5.3%、廿四(烷)酸1.1%～3.5%、油酸44.5%～71.3%、亚油酸10.8%～18.3%和廿(碳)烯酸9.5%～12.4%。(6)小苗子和绿茶玉米提取物的合成常绿阔叶灌木,广泛分布于美洲中部、南部加勒比海的干旱、半干旱地区,以及非洲,印度和以色列等地。白花牛角瓜对环境有很好的适应性,能在高温、缺水等恶劣条件下存活生长,生长较快,且不需管理即可生长良好。白花牛角瓜含牛角瓜素(uscharidin),其花含9,19-环羊毛甾-23-烯-3β,25-二醇(9,19-cycloart-23-ene-3β,25-diol)等三萜类化合物以及白花牛角瓜甙元(proceragenin)等成分;从其全株植物、茎、叶或6个月左右的荚果中可提取富含碳氢化合物的高密度液状物,提取物中碳含量平均为40.36%,氢含量平均为6.19%,其比值与原油中相似,热值容量与原油、燃料油和汽油相似。实验数据表明,白花牛角瓜小苗的提取物产量比续随子高2倍。卡尔文1980年曾预测,不考虑遗传改良和农业管理因素,续随子和绿玉树提取物的年产量可达3.9×109L/hm2以上。虽然尚不知白花牛角瓜的每公顷年产量,但由于其生长速度比大戟属植物快得多,估计其年产量将可能超过后者。因此,白花牛角瓜的提取物可作为较理想的石油或石化产品原料的替代品,是一种有发展潜力的碳氢化合物资源。4我国能源植物的发展现状能源是国家战略性资源,是一个国家经济增长和社会发展的重要物质基础。中国是世界六大能源消费大国之一,仅次于美国而位居世界第二。由于经济的快速增长,国内对能源的需求也在不断增长,专家预计,到2020年,中国仅石油的需求量就可达到4.5亿t～6亿t,年均递增率为12%。大规模的能源消费和以矿物能源资源为主的能源消费结构对环境的影响、污染和破坏已成为全球关注的焦点。中国现已成为世界上第三大酸雨污染区,目前全国酸雨区面积约占国土总面积的30%。因能源消费不断增长而产生的温室气体大量排放对全球气候变化形成潜在威胁,目前中国的二氧化硫和二氧化碳排放量已分别居世界第一位和第二位。为此,中国政府在21世纪能源发展战略中提出“积极发展其他新能源和可再