以下文章经在线出版物 The Conversation 许可转载，该出版物涵盖最新研究。
航空业产生全球人为二氧化碳排放量的 2%。这个比例看起来可能相对较小——从角度来看，发电和家庭供暖占 40% 以上——但航空业是世界上增长最快的温室气体来源之一。预计未来 20 年航空旅行需求将翻一番。
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航空公司正面临压力，需要减少碳排放，并且极易受到全球油价波动的影响。这些挑战激发了人们对生物质衍生喷气燃料的浓厚兴趣。生物喷气燃料可以通过各种化学和生物途径，从包括油料作物、糖料作物、淀粉类植物和木质纤维素生物质在内的各种植物材料中生产出来。然而，将油转化为喷气燃料的技术正处于更高级的开发阶段，并且比其他来源产生更高的能源效率。
我们正在对世界上产量最高的植物甘蔗进行工程改造，以生产可以转化为生物喷气燃料的油。在最近的一项研究中，我们发现使用这种工程改造的甘蔗每英亩土地可产出超过 2,500 升的生物喷气燃料。简单来说，这意味着一架波音 747 飞机可以使用仅 54 英亩土地上生产的生物喷气燃料飞行 10 小时。与两种竞争性植物来源——大豆和麻风树相比，脂蔗每单位土地将分别产生大约 15 倍和 13 倍的喷气燃料。
创造双用途甘蔗
源自富油原料（如亚麻荠和藻类）的生物喷气燃料已在概念验证飞行中成功测试。全球标准开发组织 ASTM International 已批准将 50:50 的石油基喷气燃料和加氢处理可再生喷气燃料混合物用于商业和军事飞行。
然而，即使经过大量的研究和商业化努力，目前生物喷气燃料的产量仍然很小。大规模生产这些产品将需要进一步的技术改进和丰富的低成本原料（用于制造燃料的作物）。
甘蔗是一种众所周知的生物燃料来源：巴西几十年来一直在发酵甘蔗汁以制造酒精基燃料。甘蔗制成的乙醇产生的能量比生产过程中使用的能量多 25%，并且与化石燃料相比，温室气体排放量减少12%。
我们想知道是否可以提高植物的天然产油量，并利用这些油来生产生物柴油，从而提供更大的环境效益。生物柴油产生的能量比制造它所需的能量多93%，并且与化石燃料相比，排放量减少 41%。乙醇和生物柴油都可以在生物喷气燃料中使用，但将植物来源的油转化为喷气燃料的技术正处于高级开发阶段，具有高能源效率，并已准备好大规模部署。
当我们最初提出对甘蔗进行工程改造以生产更多石油时，我们的一些同事认为我们疯了。甘蔗植物仅含有 0.05% 的油，这太少了，无法转化为生物柴油。许多植物科学家推测，将石油含量提高到 1% 对植物有毒，但我们的计算机模型预测，我们可以将石油产量提高到 20%。
在能源部高级研究计划署 (Advanced Research Projects Agency-Energy) 的支持下，我们在 2012 年启动了一个名为“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 的研究项目。从那时起，通过基因工程，我们提高了油和脂肪酸的产量，使甘蔗叶片中的油含量达到 12%。
现在我们正在努力实现 20% 的石油含量——根据我们的计算机模型，这是理论极限——并将石油积累的目标对准植物的茎部，因为茎部比叶片更容易获取。我们的初步研究表明，即使工程改造的植物产生更多的油，它们仍然继续产生糖。我们将这些工程改造的植物称为脂蔗。
来自脂蔗的多种产品
脂蔗为农民和环境带来了许多优势。我们计算得出，种植含油量为 20% 的脂蔗，每英亩的利润将是目前美国用于制造生物柴油的主要原料大豆的五倍，是玉米每英亩利润的两倍。
为了实现可持续性，生物喷气燃料还必须在加工方面具有经济性，并具有高产量，从而最大限度地减少耕地的使用。我们估计，与大豆相比，含油量为 5% 的脂蔗每英亩土地可生产的喷气燃料多四倍。含油量为 20% 的脂蔗每英亩可生产的喷气燃料多 15 倍以上。
脂蔗还提供其他能源效益。果汁提取后剩余的植物部分（称为蔗渣）可以燃烧以产生蒸汽和电力。根据我们的分析，这将产生足够的电力来为生物精炼厂供电，因此可以将剩余电力出售回电网，从而取代化石燃料产生的电力——巴西的一些工厂已经使用这种做法从甘蔗中生产乙醇。
一种潜在的美国生物能源作物
甘蔗在不适合许多粮食作物的边际土地上生长良好。目前，它主要种植在巴西、印度和中国。我们还在对脂蔗进行工程改造，使其更耐寒，以便可以更广泛地种植，特别是在美国东南部的未充分利用的土地上。
如果我们在美国东南部划出 2300 万英亩土地种植含油量为 20% 的脂蔗，我们估计这种作物可以生产美国65% 的喷气燃料供应量。目前，以当前美元计算，这种燃料将使航空公司付出每加仑 5.31 美元的成本，这低于藻类或其他油料作物（如大豆、油菜籽或棕榈油）生产的生物喷气燃料。
脂蔗也可以在巴西和其他热带地区种植。正如我们最近在《自然·气候变化》杂志上报道的那样，在巴西大幅扩张甘蔗或脂蔗的生产可以使当前的全球二氧化碳排放量减少高达 5.6%。这可以在不侵占巴西政府指定为环境敏感区域（如雨林）的地区的情况下实现。
追求“能源甘蔗”
我们的脂蔗研究还包括对植物进行基因工程改造，使其光合作用效率更高，从而转化为更多生长。在 2016 年发表在《科学》杂志上的一篇文章中，我们中的一位（Stephen Long）和来自其他机构的同事证明，提高烟草的光合作用效率使其生长增加了20%。目前，初步研究和并排田间试验表明，我们已将甘蔗的光合作用效率提高了 20%，在凉爽条件下提高了近 70%。
现在我们的团队开始致力于工程改造一种更高产的甘蔗品种，我们称之为“能源甘蔗”，以实现每英亩更高的石油产量。在实现商业化之前，我们还有很多工作要做，但开发出一种可行的、含油量足以经济地生产生物柴油和生物喷气燃料的植物是重要的第一步。
编者注（2018 年 1 月 5 日）：本文已更新，以澄清 Stephen Long 等人在 2016 年发表在《科学》杂志上的研究涉及提高烟草植物的光合作用效率。
本文最初发表于 The Conversation。阅读 原文。