生物质的抗降解性及其生物炼制中的科学问题

木质纤维素资源的化学成分和结构复杂,目前还缺少能够破坏纤维素结构稳定性的低成本技术,生物降解转化的效率还不能适应大规模工业化要求。国内这方面基础研究相对薄弱,急需针对生物质抗降解屏障与生物转化的难点,围绕其中3个关键科学问题开展研究：（1）植物生物质是如何抗生物降解的——从生物降解转化的角度深入研究这一系列抗性屏障的特性,寻求破解之道,是实现生物质高效转化的基础;（2）微生物是如何攻击植物生物质抗降解屏障的——深入研究微生物降解木质纤维素的机理、多样性以及酶系合成调控,探寻人工构建低成本且高效的复合酶系的可能途径;（3）破解抗性屏障和提高转化效率的可能途径——分子生物学和系统生物学研究的发展为生物的定向设计与改造提供了可能,通过设计和改造植物、微生物及其降解酶系,选育适于转化纤维素为大宗平台化合物的微生物,研究其代谢调控,构建代谢工程菌,研究定向转化的过程及相关产品,结合物理化学预处理技术的研究,可望集成和设计出新的木质纤维素类生物质生物转化液体燃料和化学品的综合生物炼制技术方案。     

利用基因工程改良杨木材性并提高造纸中纤维素利用效率的研究进展

木质纤维素是地球上数量最大的可再生资源,由木质素、半纤维素及纤维素三者紧密结合产生的抗降解屏障作用是纤维素能源利用的主要障碍。通过调控木质素生物合成途径关键基因的表达来降低杨树木质素含量或改变木质素成分,是提高杨木纤维素转化效率并降低转化成本的有效途径。通过选定木质素合成基因作为调控目标,运用RNAi抑制技术调控木质素的生物合成,转化获得转基因植株是一条可行的途径。同时建立并开发更合理的木质素提取方法,得到纯度得率更高的木质素,结合多维核磁共振等分析手段对转基因杨树组分的成分结构变化进行深入地解析,追踪基因工程对杨木材性的改良效果,进一步为木质纤维素高效利用以及生物质能源型杨树的遗传育种研究开拓新思路。     

稀土催化材料在能源环境领域中的应用探讨

稀土是我国重要的战略资源之一,有待深入的研究和开发。本文阐述了稀土催化材料在能源环境领域的研究现状,并讨论了稀土催化材料在机动车尾气净化、工业废气和人居环境净化、催化燃统及燃料电池方面的应用,最后阐述了在能源环境领域稀土催化材料进一步发展的方向。     

清洁燃料和基本有机化学品合成的绿色技术开发进展

“石油炼制和基本有机化学品合成的绿色化学”是 2 0 0 0年立项的 973计划项目。该项目以 1999年结题的国家自然科学基金重大项目“环境友好石油化工催化化学与反应工程”为基础 ,围绕“绿色化学”的宗旨 ,以解决当前国家资源与环境领域面临的突出问题为目标开展基础研究。本文介绍了项目实施几年来在新催化材料、新反应工程、新合成 /加工路线等方面形成的具有自主知识产权的重大新技术及其应用实施情况。这些技术包括生产清洁汽油的多产异构烷烃的催化裂化工艺技术、降硫降烯烃工艺技术、环己酮氨肟化技术和磁稳定床加氢技术。最后 ,总结了项目实施的组织模式。     

煤直接转化过程的产物调控基础

煤炭清洁高效利用是煤化工的发展方向。相对温和条件下的煤直接转化过程(如煤热解和直接液化等),其产物分布及组成与煤结构关系密切。深入认识低变质煤热解过程中显微组夺和矿物作用及弱键合结构在分子水平反应规律对煤转化过程产物调控以及发展新型高效煤转化技术具有重要的指导作用。为此,国家相继在973计划和新近启动的重点研发计划中安排相关的研究任务,并取得明显的进展。本文重点介绍作者正在承担的国家重点研发计划项目"低变质煤直接转化制高品质液体燃料和化学品的基础研究"(编号2016YFB0600300)的研究中,利用建立的新型原位热解-真空紫外单光子电离飞行时间质谱,在原位检测煤特征显微组分、矿物作用和催化转化等过程初级产物形成方面取得的研究进展,以此作为开启分子水平上研究煤直接转化过程产物调控的引玉之砖。     

石油炼制和基本有机化学品合成的绿色化学

本文介绍了973规划项目“石油炼制和基本有机化学品合成的绿色化学”启动两年来在新催化材料、新反应工程、新合成/加工路线、环境友好溶剂的利用等方面形成的新构思、新成果;重点分析了在降低催化裂化汽油中烯烃含量和硫含量、己内酰胺的绿色合成及芳烃硝化等方面形成的具有自主知识产权的重大新技术;并在此基础上对本项目后3年研究目标进行了展望。     

蒙脱土催化下N,N一二甲基氨基芳基甲烷和结晶紫的合成新方法

摘要：本文研究了用蒙脱土作催化荆，合成MicNer＇shydride（5），无色结晶紫（4）和结晶紫（5）的新方法。在蒙脱土催化下，3由N,N一二甲基苯胺（1）和多聚甲醛反应制得，收率达到98％；再以它和1作原料合成4，收率为58％-64％；结晶紫用1，NaCI，CuCl2作原料来制备，收率95％。     

膜催化技术用于低碳烷烃选择性氧化反应的研究进展

膜催化是近年来在催化领域中出现的一种新技术,该技术是将催化材料制成膜反应器或将催化剂置于膜反应器中操作,即集催化反应与膜分离过程于一体,反应物可选择性地穿透膜并发生反应,或产物可选择性地穿过膜而离开反应区域,从而对某一反应物(或产物)在反应器中的区域浓度产生调节,打破化学反应在热力学上的平衡,或严格地控制某一反应物参加反应时的量和状态,从而达到高的选择性.膜催化技术应用于低碳烷烃转化反应的研究也完全可能提供新的突破机会.     

中粮生产企业对工业生物技术发展的若干恩考

工业生物技术是以微生物或酶为催化剂,结合化工生产工艺。进行大规模物质转化生产人类所需的化学品、材料、医药、能源等产品的生物技术,是解决人类目前面临的资源短缺、能源紧张及环境污染的有效手段。本文从中粮集团燃料乙醇和柠檬酸装置存在的问题入手,重点分析了工业生物技术的进步在节能降耗、节水减排、降低生产成本方面带来的潜在经济效益,明确提出了工业生产对生物技术的具体需求,并归纳出其中蕴含的基础科学问题。以期对我国工业生物技术的发展及产学研的结合有所启示。     

生物质高效降解专用微生物筛选与构建技术研究

地球上每年产生的植物光合作用产物可达2000亿吨，其中超过1500亿吨是以木质纤维素为主要成分的植物生物质（Plantbiomass），是唯一可预测的能为人类提供物质和燃料的可再生资源。但是由于木质纤维素分解难，成为限制含木质纤维素生物质利用及环境治理上的瓶颈环节，因此加快分解木质纤维素无论对生物质资源的转化利用，还是环境治理都具有重要意义。     

生物炼制细胞工厂的科学基础

生物炼制是以生物可再生资源为原料生产能源与化工产品的新型工业模式。认识并利用微生物广泛的物质分解转化与卓越的化学合成能力,将微生物改造成为高效的生物炼制细胞工厂,使生物炼制逐步取代传统石油炼制,对于降低化石资源消耗、最终实现工业原材料来源的战略大转移、促进经济社会的可持续发展具有重要意义。本文分析了构建生物炼制细胞工厂亟待解决的关键问题,介绍了有关生物炼制细胞工厂的国内外最新研究进展,并对生物炼制细胞工厂的发展前景进行了展望。作为工业生物技术的核心支撑技术之一,生物炼制细胞工厂必将在解决资源、能源问题中起到重要作用。     

能源微藻与生物炼制

微藻作为重要的生物能源原料,具有巨大的生物质生产潜力。本文结合目前能源微藻在藻种选育、规模培养以及生物炼制方面的研究现状和发展中存在的问题,综述了近年来各国在微藻能源开发方面的重要科研工作,并对微藻能源开发的相关研究方向和进展进行了评述和预测,对能源微藻生物炼制的关键科学问题进行了分析,指出了在高产优质藻种筛选与培育、能源微藻规模化培养以及微藻生物炼制中需要解决的关键科学问题,并提出微藻生物质综合利用以及生态养殖是我国能源微藻产业发展的重要方向。     

长期光热稳定的染料敏化太阳电池

充足的能源是社会发展和进步的基本保障。化石燃料的极度损耗,激发了人们探索可再生能源的热情。近年来,低成本染料敏化太阳电池成为研究热点。利用新颖的光敏染料和电解质,结合高品质介孔半导体薄膜,得到了很好的结果,使这种电池成为可更新能源中的新星。2008年,染料敏化太阳电池在光热稳定这个决定其能否步入实用化进程的方面取得了突破性进展,中国科学家做出了巨大的贡献。染料敏化太阳电池的大规模生产和实用化指日可待。     

可再生能源可以“再生”吗？

文章深刻分析了可再生能源的定义,仔细研究了“再生”在《辞海》和网络上的含义,并对再生的每一个含义进行了分析,最终得出可再生能源是不可以“再生”的。用“可再生能源”来概括太阳能、水能、风能、生物质能、海洋能和地热能等这类能源是不正确的。认为把“可再生能源”改为“可更新能源”更适合。     

能量存储:基于全新原理的“纳米弹簧”

许多机械装置如钟表、玩具等都采用弹簧来驱动,其能量的存储与释放是通过弹簧内部原子间距的变化来实现的。但是这种原子间距的变化(即弹性变形)所能存储的体能量密度相对很低,如何提高能量的转换效率以及材料存储的能量密度是当前材料科学理论和实验研究共同关注的一个问题。本研究利用金属钨单晶纳米线在加载时独特的孪晶变形行为,提出了一个可以在纳米尺度下高效存储与释放机械能的新原理,并据此设计了相应的纳米装置——纳米弹簧。与块体弹簧不同,本文提出的纳米弹簧通过表面原子的重构来实现能量的存储与释放。进一步的计算还表明,由于金属钨孪晶界面的移动阻力非常小,金属钨纳米弹簧的能量转换效率可以达到98%;同时该纳米弹簧存储的体能量密度可以超过钟表发条的1600倍,并具有30%的应变以及3GPa的驱动应力。     

生物炼制中的科学难点——戊糖利用及其调控机制

以可再生的生物质资源替代不可再生的化石资源,实现工业原材料的根本转变,是转变经济增长模式、保障社会经济可持续发展的重大战略需求。木质纤维原料富含己糖和戊糖,而微生物戊糖代谢能力上的不足是一个共性问题。因此,解析微生物戊糖代谢及其调控过程的本质．是拓展微生物底物利用范围、提高微生物利用木质纤维原料能力的关键。本文综合概括了戊糖代谢及其调控的研究意义、国内外的研究概况、拟解决的关键科学问题以及研究方向。     

生物基材料

最近几年,由于可能的石油危机以及不断提高的环保要求,与国际上大多数国家一样,我国政府和各种投资机构加大了对环境友好材料的投入,特别是用可再生原料通过生物转化获得生物高分子材料或者单体,然后进一步开发各种应用产品。在聚羟基脂肪酸酯（PHA）、聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二酯（PBS）、生物乙醇（PE）、生物尼龙（PTT）、生物导电材料和聚氨基酸等材料方面,我国取得了长足的进步,同时形成了一批企业。在特种高分子材料方面,我国高校和企业合作,利用微生物转化得到了以苯环为基本结构的单体,正在开发一系列含苯的高性能材料。可以认为,在生物材料制造领域,我国与世界先进水平的差距不大,在一些方面,我们甚至是领先的。但是,一些相关的基础研究必须大力开展,否则生物材料领域还是无法与传统的石油基材料竞争。本文讨论了生物材料领域相关基础研究问题、进展及发展趋势。     

中国陆地生态系统碳收支

中国是全球CO2排放总量最大的国家之一,因此中国陆地生态系统的碳收支平衡受到科学界和国际社会的普遍关注。本项研究利用3种相互独立的方法,即地面清查结合遥感数据、生物地球化学模型和大气反演模型,定量描述了中国的碳收支及其变化机理。上述3种方法得出的结果十分相近,对中国碳汇大小的估计在0.19—0.24PgC/yr之间。这表明中国的陆地生态系统在20世纪80—90年代吸收了我国同期化石燃料碳排放的28%—37%。同时,中国陆地生态系统碳汇的空间分布并不均匀,主要位于中国南部。研究显示,我国人工林的增加、区域气候变化以及植被恢复尤其是灌丛的恢复是我国陆地生态系统碳储量增加的主要原因。