美国人每年消耗 1400 亿加仑汽油。即使驾驶员改用更节能的汽车和卡车，由于汽车和飞机使用量的急剧增加，未来 20 年全国的燃料需求预计仍将增加五分之一。这就是为什么，除了开发太阳能、风能和地热能外，包括巴拉克·奥巴马总统在内的政策制定者都在倡导生物燃料，以改变交通文化。
然而，他们谈论的不是玉米乙醇，因为玉米乙醇已被证明是浪费且对环境有害的。相反，人们的目光投向了美国各地少数几家高科技实验室，这些实验室正在完善从食物链最底层的生物体（酵母、藻类和细菌）中制造汽油和柴油替代品的方法。挑战在于以经济的方式生产足够多的这些燃料，并使其形式与今天的汽车兼容。
一旦下一代生物燃料可用，您就可以在当地能源站加油，加注一种与汽油几乎相同的液体。它将由美国公司制造，而不是从中东运来。即使生物燃料燃烧时会释放二氧化碳，但制造它们的生物体会从空气中吸收等量的二氧化碳，从而使生物燃料基本上实现碳中和。
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超越玉米
汽油是从原油中提炼出来的。不想依赖石油公司的 DIY 爱好者们不遗余力地用生物燃料驱动他们的旧汽车，通常是通过加工从餐厅油炸锅中回收的废食用油，并将结果储存在车库的油箱中。然而，在商业规模上，今天主要的生物燃料是乙醇，也称为谷物酒精。它是通过发酵玉米粒制成的——一种类似于给我们带来啤酒和葡萄酒的生物过程。将玉米和酵母放在一个大桶中，酵母会吃掉玉米中的糖分，产生乙醇和水。今天，美国销售的汽油中有超过 40% 含有乙醇——通常与汽油预混合，制成一种名为 E10 的混合物，其中 90% 是汽油，10% 是乙醇。在少数地区，主要是中西部地区，也出售 85% 乙醇 (E85) 的混合物，用于配备所谓弹性燃料发动机的车辆。
玉米一直是首选的原材料，因为发酵是一种成熟的工艺，而且还有政府补贴。农业产业与乙醇紧密结合，它已经能够说服政府支持其利益。但大多数科学家都认为，乙醇实验并没有很顺利。根据康奈尔大学科学家大卫·皮门特尔发表的一项研究，生产一加仑乙醇需要 21 磅玉米。而种植这些玉米需要半加仑化石燃料。
因此，专家表示，玉米基燃料的生产不仅可能导致粮食短缺，而且这个过程效率太低，无法对我们的能源需求产生重大影响。“当您看看我们的乙醇产量，并将其与我们对运输燃料的需求进行比较时，我们就无法实现目标，”科罗拉多州落基山研究所（一家非营利性能源政策组织）的生物燃料顾问弗吉尼亚·莱西说。
大多数研究人员都同意现在是时候放弃玉米基乙醇了，但他们对如何继续前进有两种相反的理论。加州大学伯克利分校的化学工程师杰伊·基斯林是几位试图用柳枝稷等植物制造乙醇和相关燃料的研究人员之一，柳枝稷生长迅速，并且能抵抗许多害虫和疾病。他最大的挑战是让酵母和其他实验性微生物消化植物的所有部分，包括难以分解的茎秆。基斯林方法的另一个症结在于，植物需要大量空间，更不用说生长时间了：我们对植物基燃料的需求可能会超过我们的生产能力。
这就是为什么包括 J·克雷格·文特尔（企业家和生物学家，他在马里兰州罗克维尔的基因组研究所为绘制人类基因组图谱发挥了关键作用）在内的第二批科学家主张采取更大胆的方法。这些研究人员认为，最好的生物燃料将绕过农作物植物——完全切断中间环节——而是依赖藻类和少数几种微生物，这些微生物具有类似植物的天赋，可以直接有效地通过光合作用将阳光转化为能量。然而，该方案尚未在大规模上得到证实。“我还没有看到任何人真正对藻类能做什么进行公平的计算，”基斯林指出，“在看到之前，我不会相信。”
无论采用哪种方法，科学家都必须改进大自然，才能制造出成功的生物燃料，改造现有的微生物，甚至构建全新的微生物。数十家初创公司正在用新型酵母、藻类和细菌制造燃料。几家公司承诺，到 2011 年，它们将制造出可以直接泵入汽车的汽油或柴油替代品。尽管这些生物燃料最初可能会与传统汽油或柴油预混合供应——很像今天的 E10——但总有一天我们会单独使用它们，并告别石油基汽油。
从生物威利到 Q 微生物
基斯林认为有趣的 idea 是让微生物做奇怪的事情。“我想看看我们能调整细胞多少，并探索自然的极限，”他说。微生物是完美的小工厂，因为可以对其进行工程改造以执行几乎任何化学反应。它们也可以自行复制，而在实验室中进行的化学反应则需要科学家几乎持续不断的关注。自从基斯林 1992 年加入伯克利分校以来，他已经对细菌进行了工程改造，以生产救命的疟疾药物和可生物降解的塑料，并分解一系列环境污染物。
现在基斯林已将注意力转向能源。2008 年 12 月，他和他在加利福尼亚州埃默里维尔的联合生物能源研究所（能源部三个新的可持续生物燃料研究中心之一）的同事改造了一种常见的酵母菌株，使其能够产生通常由四种不同微生物使用的消化酶。这种经过改进的酵母可以消化更多的纤维素植物材料，生物燃料产量最多可提高 10 倍。
基斯林在内布拉斯加州一个小镇的玉米农场长大，因此他了解玉米基乙醇的缺点。农民通过化学处理玉米粒以分离糖分，然后将糖分喂给酵母来制造燃料，酵母消化糖分并分泌乙醇。不仅玉米皮和玉米秸秆被浪费了，而且乙醇生产还通过减少玉米的供应量推高了玉米的食品价格。环保主义者也开始批评使用玉米、甘蔗和其他农作物，因为它们通常需要大量淡水、富含化石燃料的肥料和土地才能生长。基斯林正在设计新型酵母、细菌和古菌——三种单细胞生物——它们具有特殊的消化系统，可以分解复杂的淀粉，即纤维素，纤维素不仅存在于玉米秸秆中，而且存在于许多草、灌木和树木中。由于这些植物不是食用作物，因此它们不会减少食品供应。他说，如果我们希望用生物燃料替代大部分汽油，“那必须通过植物来实现”。
基斯林还在研究工程改造微生物，以生产他所谓的“第二代”生物燃料，例如丁醇、异戊醇和十六烷。虽然这些燃料的结构与乙醇相似，但它们的行为更像汽油。它们每单位体积含有更多能量；一辆以一加仑乙醇行驶的汽车只能行驶一加仑汽油汽车 67% 的距离；而以丁醇行驶的汽车可以行驶 80% 的距离。与乙醇不同，这些燃料可以直接用于喷气发动机和柴油发动机。
其他创新者也在采取类似的方法。两家总部位于加利福尼亚州的公司——Amyris Biotechnologies（基斯林于 2003 年在埃默里维尔共同创立）和圣卡洛斯的 LS9——已经对细菌进行了工程改造，使其能够食用植物并分泌生物柴油。生物柴油最广为人知的是用回收的食用油制成的燃料，例如超级环保主义者、歌手威利·纳尔逊使用的那种，他称之为“生物威利”。但我们根本吃不了那么多炸薯条来制造大量的这种燃料。Qteros 是一家总部位于马萨诸塞州哈德利的公司，它正在使用一种名为“Q 微生物”的专有细菌来分解纤维素植物，并将其转化为乙醇。Gevo 是一家位于科罗拉多州恩格尔伍德的生物技术公司，它正在对细菌进行工程改造，以用甘蔗和纤维素植物废料制造异丁醇。“这不是梦想，”加州理工学院化学工程师、Gevo 的创始人之一弗朗西斯·阿诺德说。“这项技术非常有效。”
事实上，生物燃料并非遥不可及——自从石器时代的人们大约在公元前 10,000 年开始酿造啤酒以来，人类一直在使用微生物将植物发酵成乙醇。今天的工作关键在于工程改造一种完美的微生物，它可以吃掉植物的全部，只为自己保留少量食物，并将剩余部分作为高能量燃料喷射出来。“我们正处于生物学的一个转折点，”基斯林说，“我们不必接受大自然赋予我们的东西。”
重访池塘浮渣
其他科学家认为，发酵不是制造燃料的最佳方法。文特尔认为他更具前瞻性的方法将占上风。他说，最“令人兴奋”的生物燃料将由微生物制成，这些微生物在暴露于阳光下时，会消耗二氧化碳并将其直接转化为能量——相当于将需要长时间中途停留的航班升级为直飞航班。这个想法听起来可能好得令人难以置信，但以雄心勃勃而闻名的文特尔表示，这是可能的。
地球的能量来自太阳。一小时的阳光蕴含的能量足以满足人类一年的能源需求。但只有不到千分之一的能量被植物捕获。文特尔和其他科学家正在试验光合微生物，例如藻类和蓝藻（有时称为蓝绿藻）。这些微生物不仅可以从空气中去除二氧化碳，而且生长速度也很快——某些形式的微生物在短短 12 小时内就能增加一倍，而草和其他大型植物则可能需要数周或数月才能做到这一点。光合微生物还储存大量脂肪，这构成了燃料的基础。亚利桑那州立大学的生物学家威廉·弗尔马斯最近对蓝藻进行了工程改造，使其脂肪积累量达到其干重的一半；只需打开细胞，他就可以收获储存的脂肪，并在几个简单的步骤中将其转化为生物燃料。一些植物，例如大豆，也储存脂肪，可以用作燃料来源，但弗尔马斯的亚利桑那州立大学同事布鲁斯·里特曼认为，光合微生物每英亩产生的脂肪几乎是植物的 250 倍。
藻类燃料的概念并非完全新鲜，而且问题重重。1978 年，美国能源部开始尝试用藻类制造生物柴油，但该计划在 18 年后结束，原因是政府得出结论，认为该概念在经济上不可行。藻类和蓝藻是复杂的生物：虽然它们可以在露天池塘中生长，但不想要的微生物菌株很容易污染水源，并干扰燃料制造菌株的生长。文特尔的替代方案是在称为光生物反应器的透明户外容器中种植藻类，但这些容器的建造和维护成本很高。它们的构造还必须使适量的阳光照射到它们——过多或过少都会减缓生长。更重要的是，收获微生物并吸出储存的脂肪需要对环境不利的溶剂，并且必须培养新的生物体来代替收获的生物体。
文特尔说，他的最新公司 Synthetic Genomics（位于加利福尼亚州拉霍亚）正在克服障碍方面取得进展：他的微生物可以多次重复使用，因为他已经对它们进行了工程改造，使其释放脂肪而不是储存脂肪。此外，他找到了一种方法来防止这些生物体意外从设施中释放出来后不想要的扩散；它们只有在被喂食一种它们无法自行产生的化学物质时才能存活。Synthetic Genomics 即将对该方法进行商业规模的测试。“我们取得了一些非常重大的突破，”文特尔说。
在高风险游戏中对冲赌注
其他公司也在顺利发展。圣地亚哥生物技术公司 Sapphire Energy 声称，它最早可能在 2011 年开始销售用藻类制成的汽油。Solix Biofuels 是一家总部位于科罗拉多州柯林斯堡的初创公司，计划在今年夏天之前启动其第一家试点工厂。“很多人都说我们永远不会飞，我们永远不会登上月球，灯泡永远不会亮。我们需要的是大量的纪律和勤奋才能前进，”Solix 的首席运营官里奇·斯库诺弗说。
那么，哪种微生物将拯救地球呢？Khosla Ventures（一家位于旧金山湾区的风险投资公司，支持采用两种方法的初创公司）的合伙人萨米尔·考尔表示，能够生存下来的公司将是那些燃料可以与每桶 40 美元石油竞争的公司。文特尔对此表示赞同：“我认为这将最终成为最大的挑战：我们能否建造这些真正的大型设施，并以具有成本效益、环境友好的方式做到这一点？”这是一场高风险的游戏，即使是科学家也在对冲他们的赌注；文特尔的一些项目涉及纤维素生物燃料，类似于基斯林正在做的事情。尽管里特曼忠于蓝藻，但他也在与其他微生物合作。
无论谁生产出丰富的生物燃料，最终都可能不仅仅赚大钱——他们还将创造历史。“在这一领域取得成功的公司和国家，将在下一个时代成为经济上的赢家，就像今天的石油资源丰富的国家一样，”文特尔说。他甚至以他一贯的直言不讳的方式暗示，这些公司和国家最终可能会引发第二次工业革命——这场革命的动力来自于需要消除第一次工业革命造成的环境后果。