生物质用于可持续生物经济：世界生物质生产和利用概况
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近日，《可再生和可持续能源评论》期刊发表了一篇题为《可持续生物经济的生物质：世界生物质生产和利用概况》的研究评论文章。该文章指出：面对气候变化和人口增长，我们必须应对能源可持续供应的挑战。通过更好地了解其生物学和经济学特性，生物燃料及相关高价值生物产品将成为实现这一目标的关键。文章全面概述了世界生物质的生产和利用，提出从遗传学和管理的角度，通过对相关微生物的管理提高生物质产量，微生物到植物的信号化合物有助于提升农业应对气候变化的韧性。
（图文无关）图源：绿会融媒·海洋与湿地
鉴于世界人口的不断增长和气候变化的不断加剧，开发和部署可持续的生物质生产方法以建立繁荣和可持续的生物经济越来越重要。绿色技术，包括生物燃料和生物产品，是减少温室气体排放，减缓全球变暖的最有效策略之一，同时也能满足人类的能源需求。生物质现在为许多国家提供了一定程度的能源，但支持技术并未得到广泛接受，主要是因为生物质生产商的回报率低。
论文概述了世界生物质的生产和利用情况。它还指出了提高生物质产量的潜在方法，包括农艺实践、相关微生物、基因组编辑、最佳技术选择，为全球人类和动物种群提供食物的最佳组合途径，同时减少温室气体排放并用生物能源取代对化石能源的需求。
文章提出了一个更新颖的概念，即微生物对植物的信号化合物，作为应对我们面临的挑战的潜在方法。这些化合物，例如脂壳寡糖和苏云金素17（lipochitooligosaccharide and thuricin 17），已被证明可以促进各种植物物种的生长，特别是在压力条件下生长时，然而，它们的商业开发/利用还远未完成。这篇综述文章将加深读者对作物和有益微生物之间的信号交互在以下三个维度应用的理解：①促进植物生长；②提升农业可持续性；③促进生物经济繁荣。
引 言
全球变暖是人类目前面临的最大威胁。根据最近的数据，全球平均气温上升2°C将导致一亿人死亡，数百万动植物物种灭绝。政府间气候变化专门委员会(IPCC)在2007年发布的第四次评估报告和2019年发布的关于气候变化、荒漠化、土地退化、可持续土地管理、粮食安全和陆地生态系统温室气体通量的特别报告中表示，过去50年气候变暖加剧很可能是由于二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)等温室气体(GHG)的大量排放造成的。在污染物中，二氧化碳被认为是罪魁祸首，因为化石燃料的使用产生了非常高的人为排放量。化石燃料被用于产生热量和电力，以及作为运输燃料，占全球温室气体排放量的80%左右。随着人口的增长，化石燃料的使用也在增加，预计到2050年，全球人口将达到90亿左右。因此，为了阻止全球变暖、减少温室气体排放并满足现代文明的能源需求，需要用可再生能源取代化石燃料，这是解决全球变暖的合理方法，也是一种有效的替代能源。地球上化石燃料的形成需要数百万年的时间，其储量有限，并且会因过度开采而枯竭。
生物质是一种天然存在的非化石有机材料，含有内在的化学能，具有抵消化石燃料排放的潜力，可以成为化石燃料的良好替代品。来自农业、林业和城市垃圾的生物质资源由各种不同的材料组成，包括木材、作物残渣、锯末、稻草、粪肥、废纸、家庭垃圾和废水。生物质作物残渣如果用作替代能源，其热值约为3×106 kcal Mg-1；与生物燃料相比，其热值约为煤炭的50%和柴油的33%，估计燃料值为18.6×109 J Mg-1（相当于2桶柴油）。与化石碳商品相比，生物基产品释放的温室气体较少，但排放量因物流、原料类型和生产最终产品的技术而异。1970年，由于人们意识到迫切需要实现可持续能源自给自足，生物质作为可再生能源供应来源的贡献在世界范围内引起了相当大的关注。20世纪90年代中期，为了应对全球气候变化和全球变暖，人们对生物质能重新产生了兴趣。在这个千年里，我们正在研究生物质作为替代和可再生能源的问题，主要有三个原因：1）减少温室气体排放，以减轻全球变暖和相关的气候变化；2）尽量减少对有限化石燃料储量的过度开发；3）通过生产可持续的可再生能源减少对能源进口的依赖。
在未来几十年里，人类人口的持续增长、对动物产品的依赖增加以及相关的能源需求增加将需要大幅增加世界市场上植物衍生的生物能源和相关的高价值产品，这将减少化石燃料能源需求和相关的温室气体排放。20世纪60年代的绿色革命对提高植物产量做出了重大贡献；最近，生物技术的进步已经并将继续帮助植物生产更多更好的生物质，因为植物捕获光并将其转化为生物质（碳同化）的效率提高了，同时减少了肥料和水的投入。因此，研究更多新颖且鲜为人知的机制对于推动这一领域的发展至关重要。这些研究和由此产生的理解将有助于政府和生产者建立监管网络，通过多种植物物种提高生物质生产的效益。
在未来几十年，人类人口的持续增长、对动物产品的依赖性增加以及随之而来的能源需求增加将需要大幅增加全球市场上植物源生物能源和相关高价值产品的数量，这将减少对化石燃料能源的需求和相关的温室气体排放。20世纪60年代的绿色革命为提高植物产量做出了重大贡献；最近，生物技术的进步已经并将继续帮助植物生产更多、更好的生物质，因为植物捕获光并将其转化为生物质（碳同化）的效率提高了，同时减少了肥料和水的投入。因此，研究更多新颖和鲜为人知的机制以推动这一领域的发展至关重要。这些研究和由此产生的理解将有助于政府和生产者建立监管网络，通过各种植物物种提高生物质生产的效益。
从农业角度来看，土壤肥力现在很大程度上依赖于土壤的化学和物理特性、来源和气候，而不是土壤中的生物活动。为了避免这种疏忽，有必要深入了解土壤的化学和物理特性如何与生物活动相互关联，以及它们如何共同受到农艺管理实践的影响。对土壤系统及其在可持续植物生产中的作用的理解可能与微生物-微生物、植物-微生物和物理-化学-生物之间的相互作用有关。土壤中的植物根部由于其分泌物和不断增加的营养浓度而可以充当“微生物热点”。微生物对植物的信号化合物（例如脂壳寡糖(LCO)和苏云金素17）已被证明可以促进多种植物的生长，尤其是在植物在压力条件下生长时。脂壳寡糖的受体是豆科植物-根瘤菌共生体的 LysM激酶；这种受体系统似乎在近20亿年前就已经进化用于病原体检测。固氮Frankia共生体中微生物对植物的信号仍有待确定，但似乎不是脂壳寡糖。因此，还需要进行更多研究才能实现这一非常有前景的概念的潜力。
由于过度使用农业用地、施用杀虫剂和除草剂造成的恶化效应，农业土壤变得相对贫瘠，从而导致低生产力生态系统、地下水和地表水污染、温室气体产生和土壤酸化。因此，需要采用减少相互关联变量负面影响的策略，同时不损失产量和可持续性，从而找到解决方案。据报道，土壤微生物有可能通过提高作物吸收养分和水分的效率来满足种植者的需求，从而提高作物生产效率，同时提高产量。作为一种具有巨大潜力的方法，植物生长促进根际细菌(PGPR)，即土壤和植物根系中的细菌菌株，可以促进植物的发育、生长和生产力。这些菌株根据其生态位构成三大类，包括根区周围自由生活的细菌 (根际)、根表面细菌 (根面) 和生活在植物根内的细菌(内生)。然而，土壤和植物根系的环境条件可能在允许某些细菌菌株存在于所有三个细菌生态位空间中方面发挥重要作用。此外，PGPR联合体被推荐用作作物的生物肥料，它是化学肥料的理想替代品，因为PGPR可以通过提高植物生产力和提供对病原体和其他害虫生物的保护来帮助作物。作为合成肥料，尽管环境条件多种多样，但它在为全球近一半人口提供粮食方面发挥着至关重要的作用。尽管肥料使用的扩大导致了包括水体富营养化在内的一系列环境问题，但肥料需求量每年仍以约1.9%的速度增长。因此，迫切需要使用促进植物生长的微生物，以促进植物对大量和微量营养素的利用，从而显著提高生物量产量。
本综述重点关注生物质利用，包括生物能源、生物燃料、生物产品和生物炭。它还研究了当前可用于促进生物质生产的技术方法，重点关注种植系统、基因操作、植物微生物组及其信号化合物，以生产足够的生物质来维持强大的可行生物经济，减少温室气体排放并减缓气候变化进程。
生物质生产及其生产可再生生物能源的潜力因国家而异，取决于地理位置、资源可用性、生物多样性、技术和经济。据估计，到2050年，生物质可提供3000太瓦时(TWh)电力，每年可节省1.3Bt二氧化碳当量排放，每生产1TWh能源就会产生472.89 Kt二氧化碳。到2014年，全球可再生能源产量增长至18.6%。
世界能源市场严重依赖煤炭、石油和天然气，统称为化石燃料。化石燃料燃烧的副产品包括各种有毒空气污染物和二氧化碳，从而对人类的健康和福祉构成重大威胁，并显著导致全球变暖和环境恶化。18世纪，煤炭开采开始后，煤炭成为工业革命的主要燃料。
我们在21世纪面临的一些主要挑战涉及增加粮食产量同时减少投入、减少温室气体排放及其对环境的影响以及适应已经发生和将要发生的气候变化。解决这些问题是一个长期而复杂的项目，但并非不可能完成的挑战；世界各地都在应用先进技术。
迫切需要通过所有可用方法研究和改进生物质生产并开发新技术，从而能够养活不断增长的全球人口，并提供与生物经济方法相关的生物能源和高价值产品。世界正在以令人担忧的方式发生变化，严重的环境限制缩小了农业系统的全球产量能力。
结 论
在未来几年，能源生产将需要越来越多的生物质。这种需求可能导致生物质生产和潜在消费之间的差距，可能最早在2020年开始。对于能源生产目的，森林残留物、农业生物质和专门种植的生物质作物将作为生物质原料发挥关键作用。许多生产商和商业实体正计划获得即时回报，特别是在增加生产投入方面。
（注：本文仅代表资讯，供读者参考，不代表平台观点。）
编译 | Daisy
编辑 | ZYP
排版 | 绿叶
【参考资料】
Mohammed Antar et all，Biomass for a sustainable bioeconomy: An overview of world biomass production and utilization，https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110691
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