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万方数据
2003年5月 欧阳平凯等：资源生态化利用中的生物加工过程 ·3·
自然生态系统具有极其巨大的潜力。自然科学
的研究表明，大约加亿年前，刚刚出现生命的地球
上，金黄色的大气层中只有C02和水，地表充满了尘
埃和红色的液体。飓风会席卷金黄色云，掀起红色
的巨浪，形成一片恐怖的景观。生命在长达40亿年
的时间中(特别是最近5亿年来)通过生物加工过程
改造了我们这个星球。形成今天美丽而温和的地球
环境，也形成了今天精确、高效、科学、稳定的生态系
统——依靠阳光提供的能量，通过食物链完成合理
的物质流和能量流循环(图1，图2)。从化学家的角
度来看，地球的进化也是一个化学进化的过程，从无
机物进化到有机物与复杂的有机生物大分子。形成
今天全球的化学循环过程最基本的方式就是生物加
工过程。
囤l碳循环
ng．1R叫de0fcmb叽
围2氮循环
F龟．2 R。qded耐∞。日田
从化学化工专家的角度来看，地球的进化也是
—个化学进化的过程，从无机物进化到有机物与复
杂的有机生物大分子。生态平衡实质上是存在于亿
万生物物种间化学反应过程的平衡，其本质过程就
是生物加工过程。
这个生态系统不仅在远古时代提供人类的食物
资源，在文明历史中为农业社会提供衣食住行资源，
而且为现代人类社会提供大量的工业生产原料和生
活的必需条件。
此外推动生态系统运行的阳光能量极其丰富。
据统计，人均食物生产所需能量为o．15kw／人，要
达到舒适生活人均需要10kw，按此计算全球印亿
人口能源需求量为518×10“kw·h／a；而太阳每天
能供给地球的能量远远超出这一标准：以世界上总
沙漠面积5000万平方公里计，每天平均日照583
w／m2，以每天日照8h计，接受的光能为60×10“
kw·h，阳光利用率按5％计，则有3000xlO”kw·h。
而2000年世界能量需求为50×10”kw．h，阳光给予
我们的局部能量为总需求的60倍。迄今为止，人类
对光能的利用率从生产者到四级消费者逐级递减，
总体利用率不到万分之一，如图3。
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图3食物链的能量传递示意图
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面对如此巨大的能量来源，我们只要充分、合理
的利用生物加工过程就可以解决人类面临的资源与
环境、食品与营养、环境与健康等重大问题，井实现
可持续发展。
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·4· 生靳加工过程 第l卷第l期
由图3可知，地球上最大的可再生资源为绿色植
物，其次是动物。绿色植物直接利用阳光，将c02和
水合成葡萄糖等有机物，它们是地球生态系统中的生
产者。动物是以植物为食物的，它们是地球生态系统
中的各级消费者，其中人类也是消费者。从食物链能
量传递过程来看，每经过一个食物链环节，能量就剧
烈衰减一次。因此，对于人类而言，如果想得到更多
能源和食物的话，就必须减少食物链的环节，最好能
够直接利用绿色植物。因此阳光经济，农工一体化应
是人类未来追求的目标。微生物是地球生态系统中
的分解者，它们是生态循环中不可缺少的一员。故微
生物对资源利用生态化具有重要作用。
由上所述，效法自然生态系统，构筑资源生态化
技术，发展和创新这种技术，形成新的人类社会和自
然和谐统一的生态工业和循环经济运行模式，不仅
是必要的，亦是可行的。
1．3资源生态化利用的关键问题
自然的生态系统是地球四十亿年进化的结果，
从化学化工的热力学平衡与物质转化而言，它有以
下特点：
1)完全循环再生
自然生态系统是由各种元素组成的，自然生态
循环实质上是各个元素的循环，它们是完全再生的，
如图l，图2所示。
2)低化学势物质通过最小能量原则向高化学
势物质转化
自然生态系统能够将低化学势物质通过最小能
量原则向高化学势物质转化，如可以将低化学势的
c晚和水转化成高化学势的葡萄糖等有机物，而且
在转换的过程中，利用的是最小能量原则。
3)低密度能源与分散资源浓缩富集转化
太阳能是典型的分散的低密度的能源，能量品位
低，自然生态系统通过植物的光合作用，将太阳富集
浓缩成高品位的化学键能，如葡萄糖中的化学键能。
由上所述，效法自然生态系统，构筑资源生态化
技术，发展和创新这种技术，在宏观上是非常必要的。
但自然生态系统无论是进化目标还是进化周期
(太长)都不符合人类社会快速发展的需求。介观和
微观尺度上与人类加工活动并不协调，速度太慢，时
间太长，效率太低，非定向性。自然的生态系统经历
了几十亿年的进化才逐步完善，而人类社会现在面
临的社会危机、资源危机和环境危机则是非常紧迫
的，不要说是一亿年，一万年也不行。它是本世纪面
临的挑战，地球生态系统的自然进化并不是人类控
制的，它的一些缓慢的低效率过程不能适应现代工
业加工技术。
因此实现资源生态化利用不仅要效法自然的生
态系统，还要注重现代工程技术、现代生物技术在生
态化系统应用中理论和技术的创新。应用现代科学
技术，特别是生物技术，解决物质循环中低“化学势”
物质通过负熵注入方式向高“化学势”转化问题，提
高大宗可再生资源高效、创新性复用问题。开发生物
新能源与生物新材料问题，解决物质生态循环中高
效产品工程技术问题，构建和调控复杂工业系统的
生态循环体系等，将是十分关键的。
2资源生态化利用的生化过程问题
2．1化学和生物学的交叉将是化学化工学科发展
的一个重要机遇
放眼今天的科技领域，无疑生物学的发展最为
迅速。具有代表性的成果，当推人类基因组计划
(hur-”gen—pmject，HGP)的成功，人类基因组的
全序列的测定完毕，为全部遗传信息的破译奠定了
基础。生命科学的研究已进入后基因时代(p∞t一
辨nomeem)，研究的重点也从结构基因过渡到功能
基因研究。但是生物功能的主要体现者或执行者是
蛋白质，细胞的许多重要功能是由蛋白质来完成的，
因此对基因组的研究已回归到对基因的执行体一蛋
白质组学的研究，特别是对功能蛋白质组的研究。
目前基因组学、功能基因组学、蛋白质组学等方面的
发展突飞猛进，日新月异。
化学化工学科经过长期的发展，目前已是一门
较为成熟的学科，无论在结构反应性原理，还是工程
应用方面。因此，化学化工和生物学的结合，即化学
生物学，将化学化工的优势和生物学的最新成果结
合，将会产生突破性的成果，具有远大的发展前景。
化学化工主动向生物学渗透、交叉，利用目前的生物
技术革命成果来带动化学、化工学科的革命。化学
化工和生物学的交叉将是化学化工学科发展的一个
重要机遇。
资源利用的本质主要是物质转化，其通过化学
反应进行，而快速反应常离不开催化，因此催化对于
高效快速的资源利用是非常重要的。用可再生的生
物资源代替目前不可再生的化石资源，是资源利用
生态化最重要特点。可再生生物资源利用的核心技
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2003年5月 欧阳平凯等：资源生态化利用中的生物加工过程 ·5
术是生物催化。生物催化具有过程高效温和，与环
境兼容的特点，是资源利用生态化的一个重要方面。
人们广泛认为，生物催化将是生物技术继医药与农
业革命以后的生物技术革命的第三个浪潮，是“2l
世纪化学工业的基本工具L20J”。以生物催化为核
心内容的生物技术在支撑新世纪社会进步与经济发
展的技术体系中的地位已经被提到空前的战略高
度。
2．2生物加工过程与生物催化
模仿自然界，通过生物加工过程来取代传统的
物质加工方式，是实现资源利用生态化和可持续发
展的一个重要趋势。生物加工过程的核心是蛋白质
(酶)的催化，是一个典型的化学和生物学的交叉点。
生物加工过程的核心是生物催化，主要研究工
作有以下四个方面：
1)生物催化的核心是催化剂一蛋白质(酶)，核
心技术为蛋白质定向进化。
2)生物催化剂的来源问题：极端微生物，“未培
养微生物”，植物。
3)生物催化剂的应用形式或反应器形式的问
题：纯化的酶，微生物反应器，植物反应器。
4)生物催化剂的应用问题：生物能源、生物材
料、生物医药中的手性化合物、化学品及大宗化学
品。
蛋白质定向进化技术是由美国工程院院士加州
理工学院化工系教授Dr．FraIlcesAmold于90年代
初提出【4J，指采用人工的技术和手段产生大量突变
基因，从而产生大量相应的变异蛋白质，再采用人工
筛选的方法，得到性状优良的变种，如此循环得到所
需要的蛋白质。简单的说，蛋白质定向进化=随机
突变+定向筛选，如图4所示。
进化方向
突变随机
围4蛋白质定向进化示意固
ng．4D g d“dm试“山‰0fPm【☆
中原本不存在的全新蛋白质(酶)。需要指出的是，
这种蛋白质(酶)可以作为安全的化学反应催化剂。
蛋白质定向进化技术最大的优势在于可操作性
强，可在实验室试管中操作。它可以使蛋白质(酶)
在自然界需要几百万年才能完成的进化过程缩短到
几年甚至几个月。该技术已成功地用于改造酶的稳
定性、括性和在非水相的反应性能，大大拓宽了蛋白
质(酶)工程应用范围【5J。
各类生物的基因组学和蛋白质组学的研究快速
地发展，特别是催化基因组学和催化蛋白质组学及
代谢工程的发展，为解密各种生物体内各种合成途
径和新陈代谢途径，为人类利用这些生物体内的合
成途径来生产化学品提供了前所未有的特殊机
会[6]。
极端微生物，未培养微生物将给人类带来新的
酶源，将会在工程应用上有独特优势，如耐热微生物
中的各种酶。
植物反应器的应用和阳光经济的兴起【7J。自
90年代以来，随着植物转基因技术的成熟，以植物
为“生物反应器”的应用在逐步兴起。以植物为生物
反应器有价廉原料(阳光，大气，水，土壤等)和大规
模生产的优势。目前国外植物反应器研究非常活
跃，已用于酶、药品、精细化学品、生物材料、生物能
源等方面。随着基因组学和蛋白质组学的进展，会
有更多植物内合成代谢途径被解密，植物作为生物
反应器的应用将越来越普遍。这对形成农工一体化
具有重大的促进作用，是实现生态工业园和“阳光经
济”的理想模式。
发展生物催化技术，对发展清洁的生物新能源，
对环境友好的生物新材料，高效手征性药物及化合
物等具有重大作用。
只要我们合理的利用生物加工过程就可能解决
人类面l临的资源与环境、食品与营养、环境与健康等
重大问题，并实现可持续发展。
质 3小结
蛋白质定向进化技术，可以使人类按照自己的
意愿和需要改造蛋白质(酶)，甚至可以产生自然界
本文阐述了资源利用生态化的重要性和可行
性，提出了资源利用生态化中的一些关键问题，现将
有关要点回顾如下：
1)制造业是一个物质加工过程，其核心是物质
转化。它主要涉及资源、能源、材料等方面。
2)资源生态化技术的要点：
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