USC科学家可能已开启以海带作为主要生物燃料来源的大门 - 海洋生物燃料技术

USC Wrigley环境研究所的研究人员利用一种“海带升降机”（Kelp Elevator），能够在开放海域中大量种植这种生物燃料作物。

近几年来，用于汽车、喷气式飞机、船舶和大型卡车驱动动力的生物燃料主要来自玉米和其他大规模生产的农作物。但是，USC的研究人员独辟蹊径，将目光投向海洋，找到了一种可能更优的生物燃料作物：海藻。

卡塔利娜岛USC Wrigley环境研究所的科学家们与私营企业合作，发表报告称，他们在加州海岸采用的一项新型水产养殖技术能够极大地促进海带生长，生物产量甚至高达普通自然生长海带的四倍。这项技术使用了一种被称为“海带升降机”的设备，将海带升降到不同的深度，以优化这种青铜色浮藻的生长。

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根据这支团队最新发表的研究结果，利用开放海域种植海藻作物来生产低碳生物燃料可能可行——就像利用土地种植玉米和甘蔗等燃料原料一样，而且这可能还能够减少对环境的不利影响。

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美国国家研究委员会（National Research Council）指出，使用玉米和大豆等原料生产生物燃料会增加水污染：农作物的种植需要施以杀虫剂和化肥，而这最终会导致河流和湖泊污染。但尽管存在这些明显的缺陷，美国7%的交通燃料仍然来自主要的粮食作物，而且几乎所有的乙醇都提炼自玉米。

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“要找到制造生物燃料的新途径，我们需要证明新方法和原料的有效性。这项在加州南部海岸开展的实验是重要的一步，因为实验证明可以通过对海带进行管理进而实现其最大化生长，”USC Wrigley环境研究所的Diane Young Kim说道。她是该项研究的通讯作者，也是USC Dornsife文理学院环境研究学教授。

这项研究的结果于2月19日发表在了《可再生和可持续能源评论》（Renewable and Sustainable Energy Reviews）期刊上。该研究的作者还包括Wrigley环境研究所的多位USC Dornsife文理学院研究人员，还有位于La Cañada Flintridge的Marine BioEnergy Inc.公司的研究者，该公司为这项研究设计并建造了实验系统，目前正在设计开放海域海带养殖场的技术。

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过程并非一帆风顺，但海带作为生物燃料作物的前景依然乐观

政府及相关行业看到了新一代气候友好型生物燃料的前景，这种生物燃料能够减少二氧化碳的净排放量和对外国进口石油的依赖。新型生物燃料可用作汽油、柴油、喷气式发动机燃料和天然气的补充甚至替代品。

如果能够成功挖掘海带的潜力，那它的吸引力会远超普通的生物燃料作物（即玉米、油菜籽、大豆和柳枝稷），这有两个重要原因：其一，海洋作物不会争夺淡水资源、占据农田，也不需要施肥。其次，当边际土地转为耕地时，海洋养殖不会威胁到重要的产地。

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在这项研究中，科学家们重点关注的是巨型海带，即巨藻（Macrocystis pyrifera），这种海藻沿加利福尼亚海岸和其他地方长成了宏伟的水下森林，被冲到海滩上时仿佛浓密的垫子。海带是自然界生长最快的植物之一，人们对海带的生命周期了解较深，因此适合作为培育作物。

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我们发现，经过深度循环的海带的生长速度比对照组快得多，生物产量是对照组的四倍。 ——Diane Young Kim

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但是，海带的种植还需要克服一些障碍。要确保海带茁壮成长，我们必须要将海带固定在基质上，而且海带只能在阳光照射的水域中生长，即大概水深60英尺左右。但在开放海域，有阳光照射的表层却又缺乏深水区域中的营养物质。

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在这个生态系统中，为了让海带能实现最大限度的生长，科学家们必须想出解决方案，让海带有依附处，同时还要确保充足的阳光和营养。他们必须了解海带是否能在更深层水域中生存。为此，Marine BioEnergy公司发明了海带深度循环的概念，USC Wrigley研究所的科学家们开展了生物学和海洋学试验。

海带升降机由玻璃纤维管和不锈钢线缆组成，为开放海域中的海带提供了支撑地。幼藻被固定在水平梁上，整个结构通过自动化的绞盘在水体中升降。

从2019年开始，研究潜水员从野外采集海带，将其固定在海带升降机上，然后将装置部署在卡塔利娜岛的西北海岸，Wrigley海洋场观测站附近。每天白天，升降机将海带提升到海面附近，让海带吸收阳光，到了晚上，则将海带降低到大约260英尺的深度，以便它吸收更深层水域中的硝酸盐和磷酸盐等营养元素。这个过程要持续约100天。与此同时，研究人员会不断观测水的条件和温度，并将这些海带与在自然条件下生长的海带对照组进行比较。

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Kim表示：“我们发现，经过深度循环的海带的生长速度比对照组快得多，生物产量是对照组的四倍。”

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推动研发新一代生物燃料

在实验之前，研究人员并不确定海带是否能在深、冷、暗的环境中有效吸收营养物质。硝酸盐是植物和藻类生长一个主要限制因素。研究表明，海带在夜间沉到深水区域时，能够获得生长所需的一切营养元素。而且同样重要的是，海带能够承受更大的水下压力。

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Marine BioEnergy公司联合创始人兼总工程师Brian Wilcox表示：“好消息是，这个种植系统可以使用现成的产品进行组装，没有用到新技术。实施完毕后，深度循环种植场可能会带来一种全新方式，全年生产高经济效益的碳中和燃料。”

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Marine BioEnergy公司的联合创始人兼总裁Cindy Wilcox估计，要生产足够替代美国每年消耗液体石油量的10%的海带生物燃料，需要相当于犹他州大小的海洋面积。而犹他州面积在整个太平洋中只占了0.13%。

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研发新一代生物燃料一直都是加州和联邦政府的优先要务。美国能源部（U.S. Department of Energy）的高级能源研究计划署（Advanced Research Projects Agency-Energy）投入了2200万美元，以增加用于生物燃料生产的海洋原料，其中200万美元用于海带升降机研究。能源部已开展了研究，每年为生物燃料找到10亿吨的原料；Marine BioEnergy公司的Cindy Wilcox表示，加州、夏威夷和阿拉斯加之间的海洋可能有助于实现这一目标，支持美国成为这项新能源技术的领导者。

这项研究的作者包括USC Wrigley环境研究所的Ignacio A. Navarrete、Diane Kim、David W. Ginsburg、Jessica M. Dutton、John Heidelberg和Yubin Raut；Marine BioEnergy公司的Cindy Wilcox和Brian Howard Wilcox；以及加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校海洋科学研究所的Daniel C. Reed。

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这项研究获得了ARPA-E的支持，美国能源部的奖金编号为DE-AR0000689；还有Marine BioEnergy, Inc.公司的支持，该公司在该研究中拥有商业利益，并投入了其260万美元的联邦拨款的一部分，以用于USC Wrigley环境研究所的研究。

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编辑：Gary Polakovic

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头图：潜水员将海藻附着在一个“海带升降机”设备原型上。通过升降机将海带升降到不同的深度，可以极大地加速海带生长——研究证明，大规模生产的海藻具备为汽车提供海洋生物燃料动力的潜力。（USC摄影/David Ginsburg）

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