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一个长达8年的蜘蛛饲养实验: wenlelei 2020-3-4 21:44; 不同膳食对一种平甲蛛 Loxosceles laeta 生长发育的影响摘要把单个卵袋中孵化出的幼蛛分成两组，分别进行 2 种两种不同的喂食处理：一组喂食不同的果蝇、黄粉虫和大约喂食十次多种昆虫（多元膳食组），另一组只喂食仅果蝇和黄粉虫（单一膳食组）。单一膳食的蜘蛛的成熟前死亡率 (61%) 大约是多元膳食蜘蛛 (21%) 的三倍。那些多元膳食的蜘蛛比单一膳食的蜘蛛蜕皮次数更少，更早发育成熟，但成年后寿命更长，总寿命也更长。它们也比那些单一膳食的蜘蛛体型更大。两组蜘蛛显示出相似的生存曲线，但不包括单一膳食组的初期，这组第一年的幼蛛死亡率为 50% ，集中在成熟前蜕皮过程中死亡。此后，单一膳食组与多元膳食组一样，存活曲线都是 A 型。因此，这种蜘蛛甚至可能所有种类的蜘蛛的膳食都应该包括多样的昆虫，以接近最佳的生长条件。 . 简介在室内蜘蛛通常用果蝇和黄粉虫等极少种类的猎物饲养，本研究是为了确定这种蜘蛛在单一膳食（仅喂食果蝇和黄粉虫幼虫 ) 的条件下能否成功完成生活史。虽然这种名为 Loxosceles Laeta 的蜘蛛的活动范围在南美洲，但这项研究是在南加州地区生活了一段未知时间（肯定有好多年了）的种群中的个体中进行的。它们在那里和世界其他地方都有很好的繁衍生存 (Gertsch and Ennik 1983) 。实验方法饲养从一个卵袋中孵化出的约 130 只蜘蛛幼蛛，并一直持续到死亡。用于获取幼蛛的雌性亲本于 1969 年 6 月在洛杉矶圣加布里埃尔山谷的马德雷山脉采集。她未成熟，在 7 月 12 日蜕皮， 11 月 1 日再次蜕皮并成熟。她与一只同种雄性蜘蛛交配，这只雄蛛在 1969 年 7 月被抓获时还未成熟，他于当年 10 月 8 日蜕皮成熟。 1970 年 5 月 1 日这一对蜘蛛终于交配成功，并于 1970 年 6 月 4 日产下卵囊。幼蛛在 7 月 27 日孵化出来。所有蜘蛛都是单独饲养在塑料瓶子里 ( 幼蛛约 40 cm 3 的管子，高龄期幼蛛和成蛛约 80cm 3 ) ，并有严密的盖子。没有给这些蜘蛛喂水，除了喂食，很少会摘下盖子。瓶子里的水蒸气可能很少 ( 没有测试 ) ，因为房间湿度很低，通常在 10% 到 20% 左右，几乎没有超过 30% 。这些蜘蛛被放在室温下，温度从 15°C 到 20°C 不等，可能与它们居住的房子里的栖息地相似。蜘蛛生活的瓶子被储存在实验室的橱柜里的同一个架子上，或者后来，当我搬到圣达菲的时候，蜘蛛饲养在我的房子里，那里的环境条件与之前没有太大的不同。每隔两到三周不定期，两组中的每只蜘蛛都会同时喂食等量的食物。其中一组 50 个蜘蛛属于多元膳食组，在蜘蛛很小的时候喂食果蝇，黑腹果蝇 ( 大多是翅膀退化的突变体，残翅型 ) ，当它们较大的时候喂食黄粉虫 (Tenebrio Molitor) 的幼虫。此外，它们一生中大约有十次喂食是由各种昆虫组成的 ( 通过扫网扫过野外植被获得的多种昆虫的混合物，由苍蝇、臭虫和其他几个目的昆虫组成 ) 。另一组 80 只蜘蛛属于单一喂食组，只喂食果蝇和黄粉虫。三只蜘蛛在喂食时被意外杀死，因此每组最终的总数分别为 48 只（多元膳食组）和 79 只（单一膳食组）。两组蜘蛛数量虽然不相等，但对数据结果的分析并不重要，因为这些数量的蜘蛛足以证明喂食处理对蜘蛛的生活史影响的差异。蜘蛛的性别、大小和任何其他变量在两组中都是随机分布。蜘蛛何时进食，何时蜕皮，何时成熟，以及每次每个蜘蛛的头胸甲宽（用来表征蜘蛛的大小）都被记录了下来。表中显示了摘要（ Table1 ）。在那些活着的蜘蛛达到成熟期 ( 两到三年 ) 后大约一年多的时间，我没有把它们保存（其实就是用酒精浸泡蜘蛛作为标本）起来，而是停止像以前那样喂养蜘蛛。虽然这项研究的最后一部分不在我最初的计划中，但最后它们成为了结果的重要组成部分。在两年半的时间里 (1973 年 12 月至 1976 年 7 月 22 日 ) ，我不定期地 ( 三到十个月 ) 喂食了 4 次蜘蛛，每次仅喂食了一只黄粉虫。 7 月 22 日之后，我完全不再喂它们了（进入饥饿阶段）。到那时，只有 23 只雌蛛还活着，没有雄蛛活着。 14 只多元膳食组雌蛛耐饥饿实验的一些结果已经发表 (Lowrie ， 1980) 。这份报告增加了 9 只单一膳食组雌蛛耐饥饿阶段的生长结果。结果与讨论寿命和生长实验中总共研究考察直到死亡的 127 只蜘蛛幼蛛中，在多元膳食组， 21%(48 只中的 10 只 ) 在不同的时间死亡，通常是在发生在成熟前的蜕皮过程中。这一组蜘蛛（其实是成熟前死亡的蜘蛛）的平均寿命为 236 天，范围为 166.5 至 306.3 天 (95% 置信区间 ) 。在 79 只单一膳食的蜘蛛中， 61%(79 只中的 48 只 ) 的蜘蛛在成熟前死亡。在未成熟阶段的总共 75 次喂食中，多元膳食组也只喂食了两次杂虫（ miscellaneous insects ）。单一膳食组蜘蛛的平均寿命为 324 天，范围从 297 天到 351 天 (95% 的置信区间 ) ，比多元膳食的蜘蛛长近 50% 。在这两组蜘蛛中，单一膳食组的蜘蛛死亡数明显高于多元膳食组的蜘蛛 (P0.01) 。成蛛的寿命雄性 ( Table 1) 的寿命明显短于雌性 ( Table 2) 。这两组不同喂食的蜘蛛，在第一只雌蛛死亡时，几乎所有的雄蛛都死了。 Table1 和 Table2 的数据显示 (95% 置信区别 ) ，单一膳食的雄蛛存活时间 ( 平均 1132 天 ) 比多元膳食的雄蛛 ( 平均 1417 天 ) 短。单一膳食的雌蛛寿命 ( 平均 1844 天 ) 比多元膳食的雌蛛 ( 平均 2507 天 ) 短。 t 检验证实了两者之间差异显著 ( Table 1 和 Table2) 。虽然雌蛛成熟所需的时间只是略短于雄蛛 (762 天，多元膳食；雄蛛 819 天 ) ，但她们成年后的寿命几乎是雄蛛的三倍 ( 雄蛛 598 天，雌蛛 1745 天 ) 。 Galiano(1967) 饲养 Loxosceles （平甲蛛）到成熟期，雌性平均 316 天，雄性 406.5 天。 Galiano and Hall (1973) 的进一步针对该类蜘蛛的生命周期研究表明，成熟的时间比她 1967 年的研究略长：雌蛛为 328.5 天，雄蛛为 454.7 天。同样，成熟后寿命和总寿命也是如此。他们雌性的数据显示，未交配雌蛛成熟后寿命为 1547.4 天，总寿命为 1893.8 天，而未交配的雄性寿命分别为 640.9 天和 1155.4 天。这些数据显示，他们的蜘蛛的寿命一直比我的短，而且可能有显著差异。与加州的标本（就是作者采集的蜘蛛）相比，阿根廷标本（ Galiano 所使用）的成熟时间如此之短，我无法解释。可能的解释是，这个加州种群是一个不同的种群，在不同的地方生活了一段未知的时间，它可能进化出了不同的生长特征。饲养条件 ( 温度、湿度、喂食频率和猎物类型等 ) 可能多少有些不同，可能是造成这些差异的原因。在绝对饥饿期间，单一膳食的雌蛛寿命仅为多元膳食的雌蛛的一半 (244 天对 453 天 ) 。两个样本间差异极显著 (P0.01) 。生存曲线 ( 图 1) 显示了多元膳食的蜘蛛的生长曲线是是符合 Allee 等提出的 A 型曲线 (1949 ，第 300 页 ) ；就是指生命周期的起初死亡率最低，然后在生命周期快结束时短时间内大量死亡。然而，那些单一膳食的蜘蛛的初始死亡率更符合 C 型曲线，在曲线的第一部分，初始死亡率很高。然而，在成熟之后，它很好地拟合了 A 型曲线。可以注意到，在这项研究中，蜘蛛的寿命可能比野生种群的寿命更长，因为蜘蛛是饲养在封闭的瓶子里，所以捕食和寄生这些情况不会发生，也就更不可能影响到蜘蛛寿命了。此外，食物是直接获得，而且可能比在野外吃的要多。成熟所需的蜕皮次数和大小的差异那些生活在单一膳食条件下的蜘蛛发育成熟所需的平均蜕皮数量略多，但有显著差异。雌雄蛛从孵化后记录到的的实际蜕皮数虽然相近，但在统计学上差异显著 (P0.02) 。结论是，那些单一膳食的蜘蛛成熟较慢，平均到成年期大约要多蜕皮 1 次。 Galiano(1967) 的蜘蛛标本显示了相同的蜕皮次数区间（ range of number of molts ）。头胸甲宽度是用来衡量蜘蛛大小的，因为 Hagstrum(1971) 表明，即使在蜕皮间期的不同时间点测量头胸甲宽度，头胸甲宽度上也没有显著变化（蜘蛛头胸甲比较坚韧，不易变形）。多元膳食的雌性平均头胸甲宽度比单一膳食的雌性大 10% 左右。在雄蛛中，这一增幅仅略高于 5% 。多元膳食组与单一膳食组蜘蛛头胸甲宽差异显著 ( 雌蛛 P0.05 ，雄蛛 P0.02) 。那些 “ 吃得很好 ” 、多元膳食的个体能稳定地长得更大。这可能是意料之中的，因为膳食营养更好，动物能生长的更好是动物界的普遍情况。总结为什么那些多元膳食的幼蛛比单一食物的幼蛛最开始的阶段死亡得更早，这一点还没有确定。这可能与幼蛛历期较长有关，幼蛛历期长蜕皮次数较多，这通常是蜘蛛死亡发生的关键期（蜘蛛往往是卡蜕皮死亡）。尽管多元膳食那一组幼蛛的食物多种多样，但在此期间，它们在 50 到 75 次喂食中也只有两次喂食杂虫。同样，与单一膳食的蜘蛛相比，多元膳食的蜘蛛蜕皮更少，成熟更早，成熟后寿命更长（ lived longer as adults ），整个寿命也更长。多元膳食的成年蜘蛛体型更大，多元膳食的饥饿成年蜘蛛的寿命几乎是单一膳食的成熟蜘蛛的两倍（这里比较的应该是禁食之后的寿命）。基本的结论似乎很清楚，在这个物种中，多元膳食组，尽管只喂食了几次杂虫，但与只吃黄粉虫和果蝇的单一喂食组相比，多元膳食是更好、更健康、可能更充足的膳食。在任何涉及饲养或维持 Loxosceles Laeta ，可能还有其他 Loxoseles 属的蜘蛛，甚至任何种类的蜘蛛的实验中，都应该提供多样化的膳食，以确保所有必需的营养都存在。根据 Brues(1946) ， Patton(1963) 和 Wigglesworth(1947) 的说法，这些结果似乎符合膳食预期，因为大多数昆虫（注意蜘蛛不属于昆虫）的膳食必须含有一定的碳水化合物、脂肪、蛋白质、维生素、矿物质等 ( 含量随昆虫而异 ) ，蜘蛛在这方面不会有什么不同。参考文献 Allee, W. C., A. Emerson, O. Park, T. Park and K. P. Schmidt. 1949 . Principles of Animal Ecology. W. B. Saunders, Philadelphia, Pa., 837 pp . Brues, C. T. 1946. Insect Dietary. Harvard Univ. Press, Cambridge, Mass., 466 pp. Galiano, M. E. 1967. Ciclo biologicoy desarrollo de Loxosceles laeta (Nicolet, 1849). Acta Zool . Lilloana, 23:432-464 . Galiano, M. E. and M . Hall. 1973. Datos adicionales sobre el ciclo vital de Loxosceles laeta. Physis, 32(85):277-288 . Gertsch, W. J. and F. Ennik. 1983. The spider genus Loxosceles in North America, Central America , and the West Indies (Araneae; Loxoscelidae). Bull. American Mus. Nat. Hist., 175(3):263-360 . Hagstrum, D. W. 1971. Carapace width as a tool for evaluating the rate of development of spiders i n the laboratory and the field. Ann. Entomol. Soc. Amer., 64(4):757-760 . Lowrie, D. C. 1980. Starvation longevity of Loxosceles laeta (Nicolet) (Araneae). Entomol. News, 91(4):130-132 . Patton, R. L. 1963. Introductory Insect Physiology. W. B. Saunders Co., Philadelphia, Pa., 245 pp . Wigglesworth, V. B. 1947. The Principles of Insect Physiology. Methuen Co., Ltd., London, 434 pp. Lowrie, D.C., 1987. Effects of diet on the development of Loxosceles laeta (Nicolet)(Araneae, Loxoscelidae) . Journal of Arachnology, 303-308. 翻译参考的文章评论作者从1969年采集亲本蜘蛛，但亲本雌雄蛛这一对直到当年年底才全部成熟，正确的做法应该是直接采集野外成熟雌蛛，蜘蛛的雌蛛在野外一般都交配过了。 1970 年 5 月 1 日，这一对雌雄蛛终于交配成功，1个月后产卵袋，再1个多月后幼蛛孵化出来，然后分配到2个喂食处理中。但非常奇怪的是，作者尽然声称从来没给蜘蛛喂过水，水对蜘蛛来说生存也是是非常重要了，没有水蜘蛛室内饲养一般很难存活超过2个月，然而作者的确开始了长达8年的蜘蛛饲养过程，准确的说，最开始的2年多，作者每隔2到3周喂食一次，大概1年多的时候，除去死掉的蜘蛛，剩下所有的蜘蛛全部成熟，然后作者保持喂食节律大概1年。但是蜘蛛依然很多还没自然死亡，在之后两年半的时间里 (1973 年 12 月至 1976 年 7 月 22 日 ) ，作者又不定期地 ( 三到十个月 ) 喂食了 4 次，但是每次仅喂食了一只黄粉虫，也就是在这2年半的时间内，每只蜘蛛仅仅取食了4只黄粉虫，到了1976年 7 月 22 日之后，作者并再也没有喂它们了，大概到1977年10月全部的蜘蛛死亡。 1984年论文投稿美国蛛形学报《Journal of Arachnology》，1987年论文修订随后接收。作者从1969年开始采集蜘蛛，直到论文1987发表，时间跨度达18年，中间作者搬家过一次。作者饲养蜘蛛和发表论文的坚韧精神还是非常值得肯定的。心语然而这么漫长的蜘蛛饲养时间，对于中国学生来说是难以想象的。而且 Journal of Arachnology虽然这个杂志在蜘蛛界还算比较有名，但最近才从SCI4区升到3区，影响因子只有1.1，这么低分放在现在是无法生存下去的。饲养蜘蛛的确是一件十分辛苦的事情，我曾在2017年饲养过800多只草间钻头蛛幼蛛，然而最终能发育成熟的却挺少，其中雄蛛又比雌蛛少。蜘蛛的存活与否，很大程度上取决于先天之本，“肾虚”的蜘蛛自然难以存活，繁殖后代更是渺茫（雌蛛产卵少，卵不孵化）。用中医的理论，其实可以较好地解释蜘蛛在室内饲养遇到的生存繁殖的复杂情况，但这无法被认同。受到疫情的影响，有很多同学的蜘蛛恐怕已经完蛋，它们恐怕很难像上文中提到的蜘蛛能耐旱耐饿那么久。同时由于人类活动给蜘蛛生境带来了极大破坏，现在野外蜘蛛越来越少，采集蜘蛛一年更比一年难。蜘蛛作为农田生态系统中害虫的重要天敌，对其应该予以保护。我自2013年（研二）开始研究蜘蛛，主要研究蜘蛛营养spider nutrition，惭愧的是，截止目前为止还没能以第一作者在SCI期刊上正常发表论文。特意在科学网博客上放上一篇翻译自国外学者的饲养蜘蛛的论文，介绍国外学者Lowrie的一次旷日持久的饲养蜘蛛的经历。这即是对蜘蛛饲养和生活史观察知识的科普，也作为自勉，或可共勉之。; 个人分类: 文献摘要|3855 次阅读|0 个评论

我的文章将被推广到全球: 热度 1 maohaitao 2015-10-30 09:30; 毛海涛;黄庆豪;龙顺江;王正成作者，您好！为了扩大《农业工程学报》刊载论文的国际影响力，《农业工程学报》拟决定授权中国知网从已经发表在本刊中遴选适合在国际上传播的优秀中文论文，组织国际上精通英文的本领域专家将全文翻译为英文，并以中英文对照的形式在中国知网的平台上面向全球在线出版，由中国知网负责在国际上广泛传播。经本刊学术编委会推荐，鉴于您在本研究领域的学术声誉，拟将您发表在《农业工程学报》2015年第17期的文章“ 土壤盐渍化治理防护毯的研发及试验土壤盐渍化治理防护毯的研发及试验” 您是否同意将您的上述中文文章全文的翻译权转让给《农业工程学报》编辑部，并由中国知网以中英双语对照网络版的方式在海外宣传推广？请回复“同意”或“不同意”。 2）您是否有能力，而且同意在规定的时间内将本文全文翻译成英文？中国知网将根据文章的翻译质量酌情支付您翻译费用。若您选择自己翻译，则需选取本文前言部分500字左右的内容进行翻译测试，并在同意翻译之日起2个工作日之内将测试译文发送到指定邮箱 pxj7960@cnki.net ，中国知网会对测试结果做出回应，以确定您是否可以继续翻译全文。若在2个工作日之内没有发送测试译文到此邮箱，则视为放弃自己翻译，中国知网将代为翻译。请回复“自己翻译”或“知网翻译”。请您尽快回复，谢谢！《农业工程学报》编辑部（联系方式：010-65929451） 2015年10月29日背景详情如下：为提升中文学术期刊和中文学术文章的国际影响力，中国知网决定首批择优精选100种左右在国际影响力较好的中文学术期刊，组织实施“中文精品学术期刊外文版数字出版工程”，即由中国知网负责将遴选出来的优秀中文文章翻译成英文，面向海外宣传推广。《农业工程学报》因在本学术研究领域较好的国际影响力和较高的学术水平，率先成为中国知网隆重推出的此工程第一批合作的期刊。翻译及其他推广宣传费用均由中国知网承担。参与翻译的作者将根据翻译质量酌情支付翻译费用。; 个人分类: 论文|4037 次阅读|2 个评论

“扯淡的生物燃料”－全文翻译诺奖获得者米歇尔教授的新近一文: 热度 32 longkouwan 2012-4-28 02:47; 译者注：哈特穆特·米歇尔，德国生物化学家，因研究光合作用反应中心蛋白复合体的立体结构而荣获 1988 年诺贝尔化学奖。米歇尔教授于今年 3 月 12 日的德国《应用化学》杂志撰文发表了“ The Nonsense of Biofuels （扯淡的生物燃料）”一文，直言生物燃料的缺陷。征得米歇尔教授同意，以及德国《应用化学》杂志社的授权，现将其全文翻译如下，敬献国内读者。按照要求，在此声明本文的英文原文的详细信息是： Hartmut Michel.2012. Angewandte Chemie International Edition. 51, 2516-2518. Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH Co. KGaA. Reproduced with permission. DOI:10.1002/anie.201200218 德国《应用化学》杂志在其网站也将收录该文如下的中文版。扯淡的生物燃料 Hartmut Michel 哈特穆特·米歇尔（ E-mail: hartmut.michel@biophys.mpg.de ）化石燃料，例如石油，煤炭和天然气，都是古代沉积的动植物和微生物的遗体演变而来。因此，从能量来源的角度讲，化石燃料其实是光合作用的间接产物。由此，人们自然的联想到能否利用目前存在的生物质来生产生物燃料，例如生物柴油、沼气和生物氢气。关于生物燃料的好处，我们经常读到文章讲它是一种二氧化碳中性的能源，也就是说不会增加大气中二氧化碳的浓度，所以有助于缓解全球变暖；并且生物燃料能够降低汽油和天然气的进口量，从而降低许多国家能源的海外依赖率。本文中，我将展开讨论生物燃料生产中的能量转化效率，并从能量转化效率的角度将生物燃料与其他的清洁能源生产进行比较，从而得出一些显而易见的结论，并提出我个人的一些看法。光合作用的能量转化效率（从太阳能到生物能）首先，有必要讨论一下光合作用的能量转化效率 , 以及通过提高光合作用来提高生物质产量的途径。光合作用包括两个部分，一是光反应，二是暗反应。在光反应中，植物通过光合色素吸收太阳光的能量并将其聚集到反应中心。然后通过电子和质子传递合成了生物体中通用的能量载体分子三磷酸腺苷（ ATP ）和具有还原能力的辅酶Ⅱ（ NADPH ）。换言之，在这个过程中植物吸收的太阳以 ATP 和 NADPH 的形式储存起来；然后在随后的暗反应中，植物利用 ATP 和 NADPH 中所存储的太阳能将从空气中所吸收到的二氧化碳和从土壤中吸收的水合成为碳水化合物。植物光合色素只能吸收和利用太阳辐射能量的 47% ，因为绿光，紫外光和红外线等波段的能量不能为光合所利用。理论上讲，合成一个 NADPH 分子需要 8 个光子的能量；但是事实上则需要 9.4 个光子。根据一个光子所携带的平均能量计算，光合作用在理论上仅仅能将 11.8 % 的太阳能通过合成 NADPH 的形式存储。因此， 11.8 % 也将是生物氢气生产中的太阳能转换效率的上限。不幸的是，从能量转化效率的角度讲，光合作用在弱光条件下最高。在 20% 的日照强度下，光合作用即达到最高值，意味着在晴朗的夏日正午日照最强的时候， 80% 的太阳能竟无法为光合作用所利用。其理论上的原因很可能是由于光合反应中心的电子传递的限制造成。更为不幸的是，在高光强条件下，光合反应组件“磨损”加剧，以至于其中的一个叫做 D1 蛋白的组件，植物一小时得更换三次！生物学上将这种现象称为“光抑制”。显然，“光抑制”现象是对太阳能的极大浪费；但是在经历了漫漫 35 亿年进化后的今天，光合作用终究也没有克服“光抑制”。暗反应的过程也同样存在严重的能量浪费。这主要是由于将二氧化碳还原成碳水化合物的 RuBisCO 酶，时常错误的将氧气作为反应对象，导致了大量能量被用于纠正这一错误，其比例高达植物所吸收的太阳能的 1/3 ！另外，暗反应的高效进行需要充足的水，但是很多时候植物处于缺水状态，极大的降低能量转化效率。考虑到光反应和暗反应中的种种限制因素， 4.5% 的太阳能转化效率是 C3 植物的光合作用的理论上限。现实的农业生产中，即使是杨树一类的速生树木，其太阳能转化效率仅仅在 1% 的水平。生物燃料根据生物燃料的单产（公斤 / 公顷）以及生物燃料的能量密度（焦耳 / 公斤），我们可以轻松的计算出生物燃料生产过程中太阳能的转化效率。其结果是，德国的生物柴油（油菜籽加工而来）含有低于 0.1 % 的初始太阳能，生物乙醇低于 0.2% ，沼气大约是 0.3% 。值得注意的是，这些数值没有扣除生产中投入的额外能量（包括生产相应化肥和农药的能量投入，耕作、播种、施肥、喷药、收获和运输的能量投入）。这些能量投入超过了生物燃料本省能量的 50% ，并且主要来源于化石燃料。因此，生物燃料并非是完全二氧化碳中性。特别是，当使用小麦和玉米作为原料生产生物乙醇时，其额外的能量投入更高，以致于许多科学家认为从生物乙醇的能量中扣除额外的能量投入后，结果接近于零。可以肯定是，通过使用生物燃料来降低二氧化碳排放，其作用杯水车薪。以整株植物为原料来生产生物燃料的第二代技术，可以将生物燃料的单产翻番，但是也需要更多的额外能量投入。例如，在“费托合成”的方法生产合成气（一氧化碳和氢气的混合气体）时，生物源的合成气中氢气含量偏低，需要添加额外的氢气。总结说来，通观单位土地上太阳能到生物燃料的转化效率，我的结论是，生物燃料生产的土地利用效率极其低下。巴西通过甘蔗来生产酒精也是一样。生物燃料的替代途径目前商业推广的太阳能发电面板的能量转化效率已经达到了 15% 的水平。这些电能，绝大部分都可以被有效的存储到蓄电池中。从太能转化效率来看，太阳能到蓄电池的效率是太阳能到生物燃料的 150 倍！并且，如果用蓄电池驱动车辆， 80% 的能量将转化为驱动能量；而生物燃料中只有 20% 的能量转化为动力。因此，从太阳能到驱动能量，光伏发电 / 蓄电池 / 电动机这一组合的太阳能利用效率是生物燃料途径的 600 倍！提高光合作用的效率诚然，提高光合作用和生物质产量是有一定空间的。首先，通过改造光合色素来扩大有效光合波段具有理论的可能性，例如将紫外和绿光变成光合有效辐射就是一个方向。另外一个更加现实的途径是，通过改变光子收集原件和光反应中心的布局来优化电子传递速度、降低光抑制现象以及提高光合作用的光饱和点。在暗反应方面，目前有研究表明，红色蓝藻在碳水化合物合成中对二氧化碳结合的专一度要比植物高，从而降低了暗反应过程中的能量浪费；因此这一途径很可能也会提高高等植物在碳水化合物合成过程中的能量利用效率。当前生物氢气的生产主要是利用氢气合成酶在光合系统 I （光反应中的两个系统之一）中富集电子的一侧合成氢气。如果能够将具有分解水能力的光合系统 II 也利用起来话，通过分解水来生产氢气，就可以将目前的能力转化效率提高一倍，明显提高与光伏太阳能发电的竞争能力。但是，从目前蛋白质工程的技术水平上看，其实现遥遥无期。当前普遍看好以蓝藻作为原料生产生物燃料的潜力。但是许多人对该体系的太阳能转化效率的估计过分乐观，有些数值甚至已经高于光合作用中能量转化的理论上限。我承认与高等植物相比，蓝藻体系具有两大优势，一是所有细胞全部参与光合作用，二是充足的供水。但是，其限制条件也相当明显： 1 ）光反应中的“光抑制”， 2 ）暗反应中的能量浪费， 3 ）养殖和收获蓝藻以及随后的生物燃料生产过程中的巨大额外能量的投入。展望前面已经叙述了提高光合作用能量转化效率对提高生物燃料能量转化效率的重要意义，并且提高光合作用能量转化效率也是提高作物产量、保证全球食品安全的重要途径，但是这些都不能挑战光伏发电 / 蓄电池 / 电动机这一系统突出的高能量转换效率的地位。目前，对于光伏发电 / 蓄电池 / 电动机这一能量转换系统，其主要限制因素是当前蓄电池的电能储存能力水平较低。但是，近年来的蓄电池技术的发展取得了令人欣喜的进展；例如本杂志就报道的一种硫－锂－铁的新型电池 1 ，其蓄电能力是普通锂电池的 10 倍！该技术一旦实现商业化，那么配有该电池的电动汽车，其充电一次的行使里程将等同于传统燃油汽车一箱汽油的里程。同时，这种高效储能电池也是储存电能的一项有效手段。在更远的将来，当常温超导材料实现商业化后，也许就不需要进行大规模的储存电能。届时，全球范围内的位于不同时区的光伏发电场将通过超导电缆连接成一个整体，从而实现持续不断的电力供应。建议种植能源植物生产生物燃料将不可避免的与粮食作物争地，同时考虑到该系统低下的太阳能利用效率，我们不应将宝贵的耕地和水资源用于生物燃料的生产。种植能源作物将不可避免的推高粮食价格，加剧贫困人口的粮食危机。最好利用生物质的方式之一是生产高附加值的化工原料。即使利用生物质直接燃烧来取暖或者发电，也比通过生产生物燃料来驱动汽车或取暖要好的多。生产生物燃料过程中所投入的额外的化石能源，也应该直接用于交通运输。通过在热带雨林地区种植棕榈树来生产生物燃料是一项非常危险的方案。因为热带雨林土壤中的泥炭将被暴露在空气中，与氧气反应形成二氧化碳，其结果是释放出的二氧化碳将比棕榈树所吸收的二氧化碳还要多。同时，热带雨林在全球气候中起着极其重要的作用，并且也是宝贵的药用植物资源库。从降低大气二氧化碳浓度的角度来讲，我们更应该做的是将种植能源植物的土地改造成森林；因为在 1% 光合太阳能转化效率条件下，一平方米的森林可以从大气中吸收 2.7 公斤的二氧化碳，而如果用同样一平方米的能源作物来生产生物燃料的话，将最终导致 0.31 公斤的二氧化碳净排放量！电动车一定是个人交通工具的未来。参考文献 1 J. Hassoun,B. Scrosati,Angew. Chem.2010,122,2421–2424; Angew. Chem. Int. Ed.2010,49,2371–2374.; 个人分类: 粮食安全 vs 能源安全|13234 次阅读|47 个评论

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