从涤纶衬衫、塑料牛奶罐和PVC管，到高等级工业乙醇的生产，化学原料乙烯的贡献几乎遍布全球。
但是，乙烯作为塑料和化学品的组成部分如此普遍，掩盖了其潜在的环境成本。这种廉价的碳氢化合物是用石油和天然气制成的，其生产方式排放的二氧化碳比任何其他化学过程都多。随着人们对大气中二氧化碳水平的担忧日益增加，一些科学家一直在尝试使乙烯生产更加环保的方法。在美国能源部国家可再生能源实验室（NREL），研究人员在蓝藻的帮助下取得了意想不到的成功。
简平·余（音译）是美国国家可再生能源实验室光生物学小组的研究科学家，他领导着一个研究这些生物体的研究团队。在他的实验室里，他们已经能够直接从基因改造的藻类中制造乙烯。
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研究人员通过引入一个编码乙烯生产酶的基因来完成这项工作，从而有效地改变了蓝藻的新陈代谢。这使得这些生物体能够将光合作用过程中通常用于制造糖类和淀粉的一部分二氧化碳转化为乙烯。由于乙烯是一种气体，因此可以很容易地收集。
制造乙烯也不需要很多投入。蓝藻的基本需求是水、一些矿物质、光和碳源。余先生说，在商业环境中，二氧化碳可以来自像发电厂这样的点源。
如果这种替代生产方法变得足够高效，它可能会取代蒸汽裂解，这种高能耗的方法目前用于将石油化工产品分解为乙烯和其他化合物。由于藻类吸收三倍的二氧化碳才能生产一吨乙烯，因此该过程充当了碳汇。根据研究人员自己的分析，这将比蒸汽裂解有显着改进，蒸汽裂解每生产一吨乙烯会产生 1 ½ 到 3 吨的二氧化碳。然后，收集到的乙烯气体可以转化为各种燃料和产品。
余先生说：“我认为将二氧化碳转化为有用的东西更好，”他将这种方法与其他碳捕获方法进行了比较。“你不必将二氧化碳泵入地下，而且（这些产品）将持续很多年。”
基因工程吸附碳
余先生和他的同事并不是第一个提出利用蓝藻生产乙烯想法的人。早在十多年前，日本的研究人员就首次尝试了这一过程。当时，研究人员无法可靠地生产乙烯。多年后，当余先生阅读这项研究时，他认为通过对一种他曾密切合作的不同菌株（Synechocystis sp. PCC6803）进行基因改造，他或许能够使乙烯生产更加稳定。
研究人员通过改变该生物体新陈代谢的一部分（称为三羧酸 (TCA) 循环）来从藻类中制造乙烯，该循环参与生物合成和能量产生。在基因未改变的蓝藻中，该循环只能吸收相对较小的比例，即固定二氧化碳的 2% 到 3% 中的 13%。但是在余先生的实验室里，藻类能够将三倍以上的碳输送到 TCA 循环，并以每升每小时 35 毫克的速度排放 10% 的固定二氧化碳作为乙烯。这听起来可能不是很多，但自从他 2010 年首次开始研究蓝藻以来，产量增加了千倍。到今年年底，余先生的目标是将产量提高到 50 毫克。
他说：“这远未达到上限，”他解释说，最终目标是将 90% 的固定碳转化为乙烯。“我看不出它为什么不能更高；我还没有碰到瓶颈。我不知道是什么会阻止这种情况发生，但当然有可能。”
令人惊讶的是，即使蓝藻正在生产更多的乙烯，这些生物体的生长速度仍然与不生产乙烯的藻类相同。余先生说，结果表明，蓝藻的新陈代谢比以前认为的要灵活得多。
他说：“这就像一个人一直在失血，但看起来很健康。”
余先生和他的同事不确定这是如何发生的，但促成乙烯生产的突变也刺激了光合作用。
他说：“该系统为我们提供了对光合作用的新见解，并使我们有希望从中学习并提高光合作用活性。”
俄克拉荷马州立大学微生物学和分子遗传学教授罗伯特·伯纳普说，对蓝藻新陈代谢的这种见解与创造能够持续生产乙烯的生物体一样重要。他没有参与这项研究，但为余先生今年 R&D 100 奖的申请提供了参考。余先生现在是机械设备/材料类别的决赛入围者。
“新陈代谢的适应性令人惊讶。它正在产生一些它没有进化成的东西。关于是否有可能持续生产乙烯，存在很多争议。这表明它是灵活的，”他说。
这项研究可以帮助其他科学家更好地了解其他植物甚至人类的代谢途径。伯纳普说，TCA 循环甚至在我们细胞的线粒体中也活跃。
他说：“这项研究真正特别之处在于他们进行的分析深度，”他将这项研究整体描述为“开创性的工作”。
制造中心......在池塘里？
现在说这些藻类何时甚至是否会在商业规模上生产乙烯还为时过早。余先生估计，发展到这个阶段可能需要 10 年以上的时间。
余先生说：“将碳效率提高到 50% 或更高，还需要做很多工作。”
美国国家可再生能源实验室国家生物能源中心生物过程研发小组的首席经理菲利普·平科斯表示，即使余先生继续努力实现更高的乙烯产量，该项目也开始更多地关注开发方面。
“你如何回收乙烯？你如何处理生物质？这个项目旨在回答这些重要问题，”平科斯说。
明年某个时候，研究人员计划将他们的工作转移到户外，以观察藻类在更接近商业种植环境中的表现。
平科斯说：“我们必须获得一个真正可扩展的乙烯工艺，以便更好地了解它会是什么样子。”
余先生设想蓝藻生长在池塘中，或者可能垂直地生长在像报纸一样的薄片上。他说，在任何一种情况下，都必须封闭固体或液体培养物以捕获乙烯。
大量生产这种气体也存在一些安全问题。藻类产生的碳氢化合物和氧气也易燃，必须采取某些安全预防措施才能安全地收集乙烯。
即使蓝藻可以产生大量的乙烯，它们的成功也将取决于产品是否可以具有成本竞争力。这并不容易，因为石油化工生产的乙烯既便宜又容易获得。根据研究人员的经济分析，石油化工生产的乙烯每吨成本为 600 至 1,300 美元，而藻类产生的乙烯估计约为每吨 3,240 美元。
平科斯说，从长远来看，证明该系统的经济可行性也有助于维持能源部的研究资金。
他说：“藻类不是能源部的首要关注点；他们几十年来一直支持纤维素工作。藻类的投资组合要小得多，而且大部分工作是直接转化为液体燃料，”他说。“乙烯有点突出，因为它不是燃料，但它可以作为燃料原料。”
R&D 100 奖的获奖者将于 11 月公布。
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