遙感科學(xué)與技術(shù)前景精選(九篇)

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第1篇：遙感科學(xué)與技術(shù)前景范文

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；立體人才培養(yǎng)模式；課程體系；實踐教學(xué)

1997年教育部對我國高等教育專業(yè)目錄進行了修訂，在地理學(xué)一級學(xué)科下增設(shè)了地理信息系統(tǒng)本科專業(yè)。將近10年時間，全國已有100多所高校建立了該專業(yè)，其中大部分依托原有的地理學(xué)、測繪工程等專業(yè)，因此專業(yè)培養(yǎng)模式和課程體系存在著較大差異。2003年8月，地理信息系統(tǒng)協(xié)會召開了首屆GIS專業(yè)教育研討會，提出了GIS專業(yè)課程體系設(shè)置方案，提出“低年級寬口徑、高年級分類培養(yǎng)”的基本模式，但沒有涉及到農(nóng)林院校。隨著地球信息科學(xué)和現(xiàn)代林業(yè)科學(xué)的發(fā)展，GIS技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用范圍不斷拓廣，層次不斷深入，建立適應(yīng)地理學(xué)類專業(yè)基本要求、又具有森林資源與生態(tài)環(huán)境應(yīng)用特色的立體人才培養(yǎng)模式和專業(yè)發(fā)展平臺，以及立體化課程體系和實踐教學(xué)體系，對于GIS教育和現(xiàn)代林業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。北京林業(yè)大學(xué)GIS專業(yè)是在擺脫原有專業(yè)的情況下設(shè)立的全新專業(yè)，因此建立新的立體化課程體系具有必要性和可行性。

一、專業(yè)定位與特色

GIS專業(yè)的基本特點是該專業(yè)屬于新興的綜合性、交叉性學(xué)科范疇。根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)的基本要求，通過對國內(nèi)外GIS專業(yè)教學(xué)模式和課程設(shè)置的充分調(diào)研，結(jié)合我校的特點，適應(yīng)林業(yè)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)對創(chuàng)新性人才的需求，我們提出“立足林業(yè)，服務(wù)生態(tài)”的辦學(xué)理念。通過專業(yè)建設(shè)，形成既適應(yīng)地理學(xué)類專業(yè)基本要求、又具有森林資源與生態(tài)環(huán)境應(yīng)用特色的立體人才培養(yǎng)模式和專業(yè)發(fā)展平臺，以充分體現(xiàn)該專業(yè)的交叉性、邊緣性、綜合性和技術(shù)性，服務(wù)于生態(tài)環(huán)境建設(shè)。通過培養(yǎng)方案修訂、課程體系優(yōu)化、教學(xué)內(nèi)容和手段改進、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革，構(gòu)成專業(yè)建設(shè)的系統(tǒng)性工程，形成完善的立體人才培養(yǎng)模式，建立起專業(yè)發(fā)展平臺，構(gòu)建立體課程體系，使人才培養(yǎng)模式、課程體系、教學(xué)內(nèi)容和手段等各個環(huán)節(jié)都得到極大的改造和提升，形成創(chuàng)新性人才培養(yǎng)和專業(yè)發(fā)展、學(xué)科發(fā)展的新特點，即：重視基礎(chǔ)、面向應(yīng)用、突出重點、深入前沿、分類培養(yǎng)、拓寬口徑。

我校地理信息系統(tǒng)專業(yè)的特色在于培養(yǎng)學(xué)生的地理信息系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)和地球信息科學(xué)綜合應(yīng)用能力，以資源與環(huán)境調(diào)查、信息管理、監(jiān)測、評價、預(yù)測及決策為主要應(yīng)用方向。學(xué)生主要學(xué)習地理信息系統(tǒng)和地圖學(xué)、遙感技術(shù)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等方面的基本理論和基本知識，受到應(yīng)用基礎(chǔ)研究、技術(shù)開發(fā)方面的科學(xué)思維和科學(xué)實驗的訓(xùn)練，具有地理信息系統(tǒng)研究、設(shè)計與開發(fā)的基本技能及初步的教學(xué)、研究、開發(fā)和管理能力。專業(yè)定位概括為：3S理論技術(shù)基礎(chǔ)扎實(專業(yè)的根本，提高培養(yǎng)層次)；立足林業(yè)，服務(wù)于生態(tài)環(huán)境建設(shè)(體現(xiàn)專業(yè)特色)；適當兼顧其他領(lǐng)域應(yīng)用(拓寬就業(yè)渠道)。 br>

二、專業(yè)培養(yǎng)目標和培養(yǎng)方式

(一)專業(yè)培養(yǎng)目標

GIS專業(yè)主要培養(yǎng)具備地理信息系統(tǒng)與地圖學(xué)的基本理論、基礎(chǔ)知識、基本技能，能在科研機構(gòu)或高等學(xué)校從事科學(xué)研究或教學(xué)工作，能在城市、區(qū)域、資源、環(huán)境、交通、人口、住房、土地、基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和管理、政務(wù)商務(wù)管理等領(lǐng)域從事與地理信息系統(tǒng)有關(guān)的應(yīng)用研究、技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)管理和行政管理等工作的高級專門人才。畢業(yè)生應(yīng)獲得以下幾方面的知識和能力：

1.掌握數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)、地理學(xué)、信息管理等方面的基本理論和基本知識；

2.掌握地理信息系統(tǒng)和地圖學(xué)的基本理論、基本知識和基本實驗技能，以及地理信息系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)的基本原理和基本方法，具有地理信息系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)、空間信息處理分析、系統(tǒng)管理和維護的能力；

3.掌握森林資源與生態(tài)環(huán)境調(diào)查、監(jiān)測、評價、信息管理的基礎(chǔ)知識；

4.了解國家科學(xué)技術(shù)、知識產(chǎn)權(quán)、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略等有關(guān)政策和法規(guī)；

5.了解地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)學(xué)科的理論前沿、應(yīng)用前景和最新發(fā)展動態(tài)，以及地理信息系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況，具有較強的學(xué)習能力和創(chuàng)新意識；

6.受到應(yīng)用基礎(chǔ)研究、技術(shù)開發(fā)方面的科學(xué)思維和科學(xué)實驗的訓(xùn)練，具有一定的從事科學(xué)研究工作的能力；

7.掌握資料查詢、文獻檢索及運用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息的基本方法；具有一定的實驗設(shè)計，創(chuàng)造實驗條件，歸納、整理、分析實驗結(jié)果，撰寫論文，參與學(xué)術(shù)交流的能力。

(二)專業(yè)培養(yǎng)方式

GIS專業(yè)以課堂教學(xué)、實踐教學(xué)、畢業(yè)論文、綜合實習為主要培養(yǎng)方式，由技術(shù)應(yīng)用人才、地理信息系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)人才、科學(xué)研究人才、創(chuàng)新型拔尖人才四個層次構(gòu)成立體人才培養(yǎng)模式。

1.通過課堂教學(xué)使學(xué)生掌握本專業(yè)的基本理論、技術(shù)和基礎(chǔ)知識。教學(xué)過程中以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，充分發(fā)揮學(xué)生的能動性，采用啟發(fā)式、研討式等教學(xué)方式，加強學(xué)生的自學(xué)能力，培養(yǎng)學(xué)生勤于思考、善于提出問題并獨立解決問題的能力；

2.通過實踐教學(xué)加強學(xué)生的基本技能，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。主要通過綜合性設(shè)計性實驗的合理安排以及綜合性實習，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力；

3.通過畢業(yè)論文和綜合實習環(huán)節(jié)，訓(xùn)練學(xué)生的表達能力和寫作能力，以及掌握文獻資料的能力，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力、獨立工作的能力；

4.通過設(shè)置名師教室、科研訓(xùn)練學(xué)分和創(chuàng)新學(xué)分，使學(xué)生了解學(xué)科發(fā)展的前沿，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力以及團隊意識；

5.通過第二課堂、社團活動等加強素質(zhì)教育，使學(xué)生具有一定的管理組織能力，積極參與多方面的社會服務(wù)與公益活動，樹立服務(wù)社會的思想。

三、立體人才培養(yǎng)模式和課程體系

立體人才培養(yǎng)模式的基本思想是嚴格按照因材施教的原則，改革傳統(tǒng)的一刀切這種單一的人才培養(yǎng)方式，根據(jù)生源的不同特點、興趣和基礎(chǔ)，將人才培養(yǎng)目標劃分為不同層次，根據(jù)不同層次的培養(yǎng)目標制定相應(yīng)的培養(yǎng)計劃，提出不同的培養(yǎng)要求，學(xué)生畢業(yè)后達到不同的專業(yè)層次。

(一)立體人才培養(yǎng)模式

由技術(shù)應(yīng)用人才、地理信息系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)人才、科學(xué)研究人才、創(chuàng)新型拔尖人才四個層次構(gòu)成金字塔培養(yǎng)模式。

第一層次(技術(shù)應(yīng)用人才)：培養(yǎng)掌握地球信息科學(xué)基礎(chǔ)理論和技術(shù)，面向廣大行業(yè)服務(wù)的應(yīng)用型人才。要求學(xué)生具有扎實的計算機、地學(xué)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，面向多行業(yè)應(yīng)用，熟悉和了解森林資源與環(huán)境調(diào)查、監(jiān)測與評價，土地資源評價，房地產(chǎn)評估，地籍與 施工測量，區(qū)域分析與規(guī)劃等多學(xué)科的基礎(chǔ)知識與基本技能，特別是森林生態(tài)學(xué)、森林經(jīng)營與管理、資源調(diào)查監(jiān)測與評價、災(zāi)害監(jiān)測等方面的基礎(chǔ)知識與基本技能，能夠勝任林業(yè)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)領(lǐng)域有關(guān)空間信息獲取、管理、分析等工作。

第二層次(地理信息系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)人才)：在第一層次的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)在計算機、信息科學(xué)等方面具有較為扎實的知識和技術(shù)，面向企業(yè)、科研單位、教學(xué)行業(yè)的GIS設(shè)計與開發(fā)人才。要求學(xué)生熟練掌握VC++、JAVA等程序設(shè)計語言和系統(tǒng)設(shè)計工具，數(shù)據(jù)庫管理和應(yīng)用技術(shù)，軟件工程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)理論和知識，了解GIS發(fā)展的最新動態(tài)，能夠從事GIS設(shè)計與開發(fā)工作。

第三層次(科學(xué)研究人才)：培養(yǎng)掌握學(xué)科前沿理論和技術(shù)，具有進一步培養(yǎng)潛力的高層次后備人才，畢業(yè)后可以直接進入碩士階段的學(xué)習和深造，或成為科研、教學(xué)行業(yè)的研究型人才。要求學(xué)生具備多學(xué)科交叉知識的背景，掌握人工智能、空間統(tǒng)計學(xué)等基礎(chǔ)理論，能夠利用地球信息科學(xué)與技術(shù)在資源環(huán)境領(lǐng)域從事科學(xué)研究工作。

第四層次(創(chuàng)新型拔尖人才)：這類人才應(yīng)具備扎實的專業(yè)基礎(chǔ)和獨立從事研究、開發(fā)的能力，有一定的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，通過國際交流與合作，爭取到國外深造。

將該模式用一個圓錐體來表示，圓錐的每一個截面構(gòu)成一個不同的培養(yǎng)層次，在二維截面上，表示該層次應(yīng)具備的知識和技術(shù)，底面是該專業(yè)的基本要求。層次越高，人數(shù)逐漸減少，學(xué)生的知識儲備量是相應(yīng)截面下圓臺的體積。通過該模式的培養(yǎng)，學(xué)生畢業(yè)后可以成為3S技術(shù)在資源環(huán)境中的應(yīng)用人才、軟件開發(fā)人才、了解和掌握3S技術(shù)前沿信息的研究型人才以及高素質(zhì)的拔尖人才。

根據(jù)此培養(yǎng)模式，在新的教學(xué)計劃中，將第一層次的基礎(chǔ)知識和基本技能培養(yǎng)作為專業(yè)基礎(chǔ)和主干課程，通過不同門類的專業(yè)選修課達到該層次不同行業(yè)應(yīng)用型人才的要求；第二層次通過專業(yè)主干課和有關(guān)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的專業(yè)選修課達到培養(yǎng)目標；第三層次在前兩個層次的基礎(chǔ)上，通過人工智能、空間統(tǒng)計學(xué)、數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)等理論、技術(shù)的學(xué)習，以及創(chuàng)新性實踐活動(如科研訓(xùn)練)達到要求；第四層次通過從低年級的外語加強，到高年級的專業(yè)講座、名家講堂、導(dǎo)師導(dǎo)向培養(yǎng)等多種方式，培養(yǎng)拔尖人才。

轉(zhuǎn)貼于 (二)立體化課程體系的建設(shè)和優(yōu)化

根據(jù)立體培養(yǎng)模式，建立理論——技術(shù)——應(yīng)用的教學(xué)體系。與此相適應(yīng)，在課程體系中，專業(yè)基礎(chǔ)課注重基礎(chǔ)理論的培養(yǎng)，要求深而廣；專業(yè)課的設(shè)置注重知識的深度，體現(xiàn)學(xué)科發(fā)展的前沿，從技術(shù)的角度加深；選修課則注重知識的廣度，體現(xiàn)資源與環(huán)境特色，面向?qū)嶋H應(yīng)用。通過合理的課程設(shè)置，以3S技術(shù)在資源與環(huán)境中的應(yīng)用為核心，加強相關(guān)學(xué)科的專業(yè)知識基礎(chǔ)，形成完整的知識結(jié)構(gòu)體系，以適應(yīng)本學(xué)科綜合性邊緣學(xué)科的特點。

1.課程設(shè)置原則

(1)體現(xiàn)林業(yè)特色。我校GIS專業(yè)在加強專業(yè)基礎(chǔ)的同時，應(yīng)體現(xiàn)森林資源與環(huán)境應(yīng)用的特色。因此，設(shè)置林業(yè)生態(tài)環(huán)境工程概論、森林資源監(jiān)測與評價、森林生態(tài)學(xué)等課程。

(2)加強開發(fā)能力培養(yǎng)。根據(jù)GIS專業(yè)的基本要求以及社會需求，加強開發(fā)的基礎(chǔ)，使學(xué)生掌握GIS軟件開發(fā)的基本方法、開發(fā)環(huán)境的工具，適應(yīng)多種行業(yè)對軟件開發(fā)人員的需求，設(shè)置VC++、C語言、GIS設(shè)計與開發(fā)等必修課，以及選修課Java語言、WEBGIS等。

(3)強化實踐環(huán)節(jié)。GIS專業(yè)是技術(shù)性很強的專業(yè)，對學(xué)生實際動手能力要求很高，因此實踐環(huán)節(jié)是教學(xué)效果和質(zhì)量保障的關(guān)鍵。主要措施包括：綜合實習5周，時間按排在第六學(xué)期末的暑假，不占用正常教學(xué)時間，地點以校外實習基地為主，結(jié)合教師的科研課題，內(nèi)容包括數(shù)據(jù)獲取的途徑和方法、應(yīng)用主流平臺進行空間數(shù)據(jù)處理、模型與系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)據(jù)維護等。

(4)盡早培養(yǎng)專業(yè)意識和創(chuàng)新意識。將遙感、GIS等主干課程設(shè)在二年級下半學(xué)期，使學(xué)生在二年級就開始接觸專業(yè)核心。在核心課程教學(xué)中增加講座、討論教學(xué)方式，該方式已經(jīng)在目前的教學(xué)中嘗試并取得很好的效果。同時，設(shè)置“數(shù)據(jù)倉庫與知識挖掘”、“地學(xué)模型基礎(chǔ)”兩門選修課，跟蹤學(xué)科發(fā)展。

(5)強調(diào)課程之間的銜接，體現(xiàn)學(xué)科交叉的特征。由于學(xué)科的交叉性強，涉及計算機、地理學(xué)、數(shù)學(xué)、資源與環(huán)境等多種課程，課程之間密切相關(guān)，將“地球科學(xué)概論”與“系統(tǒng)科學(xué)概論”合并為“地球系統(tǒng)科學(xué)概論”，體現(xiàn)專業(yè)的特征。

(6)體現(xiàn)分類培養(yǎng)的理念。根據(jù)專業(yè)特點，同時體現(xiàn)我校的特色，拓寬專業(yè)渠道。選修課分為三類：開發(fā)類、應(yīng)用類和前沿類課程。學(xué)生可以根據(jù)自身的特點選擇相應(yīng)類別的課程，并自成體系。

2.基本課程設(shè)置

(1)主要專業(yè)基礎(chǔ)課：強調(diào)計算機、地學(xué)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，以面向多種行業(yè)發(fā)展。

①計算機課程：包括計算機技術(shù)基礎(chǔ)(理)、VC++、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫原理與技術(shù)、軟件工程等。

②地學(xué)基礎(chǔ)課程：包括自然地理學(xué)、地球系統(tǒng)科學(xué)概論、地圖學(xué)。

③數(shù)學(xué)課程：包括高等數(shù)學(xué)A、線性代數(shù)A、數(shù)理統(tǒng)計等。

④資源環(huán)境管理：包括林業(yè)生態(tài)環(huán)境工程概論、森林資源監(jiān)測與評價。

(2)主要專業(yè)課：強調(diào)3S理論和技術(shù)的掌握。

包括專業(yè)概論、測量學(xué)、GPS原理與應(yīng)用、計算機制圖、數(shù)字攝影測量、遙感原理與應(yīng)用、地理信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用、遙感圖象處理、GIS設(shè)計與開發(fā)。

(3)專業(yè)選修課：注重計算機、數(shù)學(xué)、地學(xué)知識的擴展和在3S技術(shù)中的應(yīng)用，與研究生教育銜接。

專業(yè)選修課包括：

①計算機科學(xué)：計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)及應(yīng)用、微機原理、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算方法、Java語言、人工智能、數(shù)據(jù)倉庫與知識挖掘。

②地學(xué)：經(jīng)濟地理學(xué)、人文地理學(xué)。

③數(shù)學(xué)：地學(xué)模型基礎(chǔ)、多元統(tǒng)計分析。

④應(yīng)用：土地評價與土地管理、地籍測量與管理、施工測量、森林生態(tài)學(xué)、WEBGIS、區(qū)域分析與規(guī)劃、資源環(huán)境信息系統(tǒng)、森林經(jīng)營管理等。

通過以上課程設(shè)置，以3S技術(shù)在資源與環(huán)境中的應(yīng)用為核心，加強相關(guān)學(xué)科的專業(yè)知識基礎(chǔ)，形成完整的知識結(jié)構(gòu)體系，以適應(yīng)本學(xué)科綜合性邊緣學(xué)科的特點。

四、立體實踐教學(xué)模式

在實踐教學(xué)方面，改革和完善實習、實驗內(nèi)容，增加綜合性實習比重，以利于學(xué)生了解課程之間的聯(lián)系并聯(lián)系實際。立體實踐教學(xué)模式包括四個基本層次。

(一)課堂實驗

根據(jù)新的培養(yǎng)模式，對原有教學(xué)計劃中專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課以及部分專業(yè)選修課的實驗環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)分析和實驗效果跟蹤，根據(jù)跟蹤結(jié)果對部分實驗內(nèi)容進行適當調(diào)整，增加綜合性設(shè)計性實驗的比重。

(二)課程實習

實習內(nèi)容注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計和開發(fā)能力，如在遙感圖象處理與應(yīng)用、GIS開發(fā)與應(yīng)用課程中，采用國際主流平臺培養(yǎng)學(xué)生的軟件設(shè)計和開發(fā)能力。組織學(xué)生到企業(yè)、科研院所參觀學(xué)習，增強學(xué)生對科研和生產(chǎn)應(yīng)用的了解，以利于學(xué)生擴展就業(yè)思路，確定自身專業(yè)發(fā)展方向。

(三)綜合實習

通過項目研究，決定增加5周的綜合實習環(huán)節(jié)，以教學(xué)基地為主要平臺，聯(lián)合相關(guān)企業(yè)開展高年級綜合實習，由專業(yè)教師和企業(yè)、科研院所共同承擔指導(dǎo)工作，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，將理論和技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實際中。

(四)科研訓(xùn)練

制定學(xué)生參與科研活動的計劃，并要求有科研課題的教師通過雙項選擇確定3～5名本科生參與課題研究。同時組織高年級的學(xué)生參加全國GIS設(shè)計大賽，學(xué)科教師為指導(dǎo)。

第2篇：遙感科學(xué)與技術(shù)前景范文

隨著適用性研究和開發(fā)的進展，人們可以發(fā)現(xiàn)許多經(jīng)濟上可行的方案來滿足整個地球的需求。該"設(shè)想"確定了方向和相應(yīng)的規(guī)劃，采取措施建立利用植物系統(tǒng)中能源和碳源的可再生資源基礎(chǔ)。面臨的挑戰(zhàn)是嚴重的，但機遇也是難以衡量的。人類可以適應(yīng)變化，但必須接受所面臨的挑戰(zhàn)。序言中從兩方面進一步闡明“設(shè)想”提出的背景：

1、界定植物/農(nóng)作物基資源

植物/農(nóng)作物基(有時用生物基bio-based)資源是指來自于一定范圍的植物系統(tǒng)，主要是農(nóng)作物、林產(chǎn)品和食品、飼料和纖維工業(yè)加工過程中的副產(chǎn)物。它們可以通過一年生的作物和樹種，多年生植物和短期輪作樹種等途徑在一個較短的時間內(nèi)再生。石油化學(xué)品原本也是以植物為基礎(chǔ)，其基本分子為烴類。植物/農(nóng)作物基可再生資源當前所用的大量基本分子是碳水化合物、木質(zhì)素和植物油。也有一些量少高值的分子是來自二級植物新陳代謝。另一個主要區(qū)別是烴類及其提取系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)并加工處理其所需要的原料型產(chǎn)品，而植物基可再生資源在某些程度上雖然也被認定，但某種植物會含有某種資源，加工后會留下什么，尚未完全搞清。

最近生物技術(shù)進展可以改變植物成分和酶提取系統(tǒng)，這就為現(xiàn)在需要的化學(xué)產(chǎn)品和新型中間人體及產(chǎn)品制造提供了新的經(jīng)濟機遇。據(jù)統(tǒng)計，美國的森林、耕地、牧場等面積約22.46億英畝(1英畝=0.405公頃，下同)，其中主要農(nóng)作物的種植面積有4.24億英畝，可以生產(chǎn)大量植物/農(nóng)作物基資源。過去50年，這類資源的重點主要是面向食物、飼料和纖維生產(chǎn)。

2、烴類經(jīng)濟

20世紀后期，世界經(jīng)濟發(fā)展很快，生產(chǎn)增長率有很大提高，尤其是各發(fā)達國家，一些發(fā)展中國家也不斷增長。成功的增長和發(fā)展過程中起主要作用的是烴類經(jīng)濟。自20年代以來，礦物化石燃料的采取和利用提供了人們當前所享受的經(jīng)濟效益和生活水準。許多國家都依靠這種資源來滿足能源和原材料的需要。

在過去50年中，大量的研究開發(fā)在能源生產(chǎn)和基礎(chǔ)產(chǎn)品制造方面創(chuàng)造了許多可以大量增值的工藝過程。市場經(jīng)濟明顯地受人們提高生活水準的意愿所驅(qū)動，以創(chuàng)造各種產(chǎn)品。生物基資源的(主要是用植物基)用量很小。據(jù)統(tǒng)計，在能源方面少于1%，在原材料方面亦低于5%。美國1996年玉米、黃豆和小米等生產(chǎn)用作食品和飼料量約為6900億磅(1磅=0.4536公斤，下同)。由此從經(jīng)濟角度看還不能趕上工業(yè)原料，而以烴類為基礎(chǔ)的經(jīng)濟卻繁榮昌盛。

烴類雖然將繼續(xù)起到非常有效的經(jīng)濟發(fā)展平臺作用，但是在其未來應(yīng)用中卻有若干問題有待解決。首先是對石油化學(xué)產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境問題日益受到關(guān)注，隨著又產(chǎn)生了許多相關(guān)的問題?；剂鲜且活愓跍p少的原料資源。應(yīng)用植物/農(nóng)作物基資源作為一種補充，由于它們是可再生的，所以為經(jīng)濟有序地向可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了機會。

通過對能源狀態(tài)的審視就可看到可再生資源作為一種補充的必要性。烴類資源有限，許多專家提出世界可采和探明儲量，如按現(xiàn)在消費水平計算只能提供50-100年，此處的一個重要假設(shè)是“現(xiàn)在消費水平”是保持不變，但是從全世界人口增長和生活水準變化來考慮，此假設(shè)是不合理的。當前世界上按人口平均的能源消費水平差距很大，詳見表1，許多發(fā)展中國家都將增加能源消費。未來的能源供應(yīng)問題是多方面的，因為發(fā)展中國家人口眾多。例如，中國按人口平均能源消費相當于美國水平的1/3，其需要增加的能量數(shù)量約相當于美國現(xiàn)在全年能源使用總量。

表1當前按人口平均能源消費水平kwh/人美國法國日本巴西泰國中國

122007500700015001200900

一些有效利用烴類的開發(fā)將有助于需要增長問題的解決，但是對烴類找到補充資源是完全必要的，只有如此才能保持可持續(xù)發(fā)展的工業(yè)基礎(chǔ)。

新技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用需要時間。石油化學(xué)工業(yè)本身的發(fā)展就是一個事例。1920年烴類原材料經(jīng)濟并不像今天這樣具有吸引力，過了50年，開始適應(yīng)化石燃料狀況的工藝。因此，要使植物/農(nóng)作物基系統(tǒng)達到同樣現(xiàn)代化水平也需要時間。

當前正是開展大量研究開發(fā)工作、利用各種可再生資源和各種新工藝、并開始在各種可供選擇的途徑中提出選擇標準的時候。現(xiàn)在進行研究并不意味系統(tǒng)要立即改變，但是，烴類經(jīng)濟的經(jīng)濟學(xué)未來將出現(xiàn)問題：要支付高額環(huán)境費用，或是由于原料缺少而價格上揚。

投資適用性研究可以在未來能源和原材料間進行相關(guān)的比較，提供非常需要的選擇。在中期至長期，選擇植物/農(nóng)作物基可再生資源可能是要兼顧環(huán)境方面容許和經(jīng)濟方面具有吸引力。而在近期，研究和開發(fā)可能只在一些領(lǐng)域內(nèi)進行，使植物/農(nóng)作物可再生資源能開始進入基本化學(xué)原料市場，從而擴大資源基礎(chǔ)，延長有價值的化石燃料儲備的應(yīng)用壽命。

在上述背景環(huán)境下，通過研究討論，提出了2020年開發(fā)利用植物/農(nóng)作物可再生資源的設(shè)想的目標；“設(shè)想”是要通過植物/農(nóng)作物基可再生資源的開發(fā)來提供經(jīng)濟繼續(xù)發(fā)展、生活的健康標準和強大的國家安全。植物/農(nóng)作物基可再生資源可以改變當前對日益減少的非再生資源的依賴。

本“設(shè)想”的內(nèi)涵重點是建立新的觀念，即植物基資源是越來越重要的工業(yè)原料資源。非再生資源可能因經(jīng)濟和環(huán)境因素逐步被植物基再生資源所取代，“設(shè)想”反對等到危機發(fā)生時現(xiàn)開始啟動替代。

展望2020年，化石燃料可能仍將占90%，增加植物基可再生資源并不是可有可無的，它對滿足未來的需求非常迫切。當然，需要有效地加工和利用這些植物衍生原料。其新途徑的研究從現(xiàn)在就要開始，為經(jīng)濟發(fā)展有足夠的時間，保證解決環(huán)境而進行良好的合作。

要取得有成效的進展，應(yīng)當確定以下的方向性目標：

1、2020年化學(xué)基礎(chǔ)產(chǎn)品中至少有10%來自植物的可再生資源原料，到2050年提高到50%。

2、建立植物基(農(nóng)作物，林產(chǎn)，加工業(yè))系統(tǒng)，用有效的轉(zhuǎn)化加工工藝生產(chǎn)可再生原料，為2020年選中的產(chǎn)品提供經(jīng)濟合理、對環(huán)境瓜敏感的制造平臺。用此生產(chǎn)鏈來示范一個綜合的植物/農(nóng)作物基原料系統(tǒng)的經(jīng)濟合理性和潛在效益，顯示工業(yè)應(yīng)用機遇的新領(lǐng)域，為2020年以后國內(nèi)和出口的需求做出貢獻。

3、在工業(yè)投資者、植物商、生產(chǎn)者、學(xué)術(shù)界和各級政府之間建立合作伙伴關(guān)系，開發(fā)從小范圍到大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，重新激活農(nóng)村經(jīng)濟，改進增值加工和制造鏈的集成，消除食品、飼料和纖維加工業(yè)與基礎(chǔ)材料制造業(yè)之間的差別。

“設(shè)想”中提出，科研與開發(fā)方面要制定有詳細目的和要求的相應(yīng)計劃，支持上述方向性目標的實現(xiàn)，從而也可取得投資的優(yōu)勢。

植物/農(nóng)作物基資源利用現(xiàn)狀和前景

一、現(xiàn)狀

烴類提供人類能源和衣著。塑料、油料、油漆、染料、藥品等基礎(chǔ)原料，已經(jīng)成為現(xiàn)代生活的主要依靠。1970-1990年間石油基的塑料增加了4倍，已經(jīng)逐步代替了玻璃、金屬甚至紙張。植物/農(nóng)作物基資源目前尚未有效利用，主要是因為可用性差、質(zhì)量不高、供應(yīng)不穩(wěn)或是價格高。要推動和提高植物/農(nóng)作物可再生資源應(yīng)用的興趣，需要從以下幾個方面來分析。

1、實用性

盡管消費總量不高，但是植物基原料當前在化學(xué)品方面應(yīng)用面很廣，如用于油漆、粘合劑及劑等。黃豆是植物袖的傳統(tǒng)原料，隨著基因工程進展，可以生產(chǎn)滿足特殊劑市場需要的專門油。最近，可用黃豆衍生物制造油墨，在乙醇、山梨醇、纖維素、擰槽酸、天然橡膠、多數(shù)氨基酸以及各種蛋白質(zhì)等化學(xué)品生產(chǎn)中，植物基資源是主要原料，詳見表2。

表2、美國植物基資源用量萬t/a類別用量用途

木材8090紙，紙板，木質(zhì)素纖維復(fù)合材料

工業(yè)淀粉300粘合劑，聚合物，樹脂

植物油100表面活性劑，油墨，油漆，樹脂

天然橡膠100輪胎，家用品

木材提取物90油料，膠

纖維素50紡織纖維，聚合物

木質(zhì)素20粘合劑，丹寧，vanillin

在多數(shù)情況下，應(yīng)用的植物基材料主要是原始狀態(tài)分子。如木質(zhì)素纖維、植物油和橡膠等復(fù)雜分子的應(yīng)用也只有有限的改性。這就與石油化學(xué)工業(yè)構(gòu)成明顯的反差，石油化工則是用化學(xué)方法按需要將烴類裂解成幾種簡單分子，如甲烷、丙烯等。用這些基礎(chǔ)原料進行化學(xué)合成，制造所需要的復(fù)雜的分子。

在少數(shù)情況下，植物/農(nóng)作物原料進行裂解成為不同的基礎(chǔ)分子，例如高果糖的玉米生產(chǎn)糖漿和玉米淀粉發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。1996年美國用211億磅(1磅=0.4536公斤，下同)玉米采用新型酶發(fā)酵方法生產(chǎn)9億加侖(1加侖=4.546l,下同)乙醇，從而加工為90億加侖混合汽油。從許多實例看，植物基原料有一定實用性，雖還未生產(chǎn)像藥物那樣的高度專業(yè)化的分子，但卻包括了大量生產(chǎn)的中間體及產(chǎn)品。

2、供應(yīng)及質(zhì)量

植物系統(tǒng)地區(qū)分布廣，由于土壤和氣候條件不同，導(dǎo)致供應(yīng)和質(zhì)量的差異。森林和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)縮小了天然野生植物的供應(yīng)差異。

生物質(zhì)的總產(chǎn)量雖然很大，但是由于沒有經(jīng)濟的轉(zhuǎn)化技術(shù)而使其應(yīng)用受限制。一些新進展如快速裂解提供了從中獲得低分子量產(chǎn)品的機會，如果能在分離技術(shù)上進一步創(chuàng)新，就可以推動此應(yīng)用。生物質(zhì)資源可以來自快速增長木材、田邊作物以及其他專門培植的植物物種。另一潛在的生物質(zhì)資源是當前為食用和飼料種植的農(nóng)作物，如玉米、黃豆、小麥和高梁等。一般情況下這些作物只應(yīng)用其產(chǎn)量的一半。此4種作物估計每英畝(1英畝=0.405公頃,下同)約有2600磅(以干物質(zhì)計,下同)遺留在田地中，總計約有5200億磅。一部分留在耕地以改良土壤結(jié)構(gòu)，但大部分運出去，作為原料應(yīng)用。因此要求有適當?shù)摹⒊杀镜偷膬\系統(tǒng)和加工技術(shù)。

供應(yīng)方面的主要問題是對原始生產(chǎn)的管理。當前，樹木可作木材和紙漿，種植農(nóng)作物只是為食品、飼料和纖維加工，沒有在綜合利用上進行優(yōu)化。對植物/農(nóng)作物投入的成本評價基礎(chǔ)是未經(jīng)優(yōu)化的植物生產(chǎn)系統(tǒng)，因此經(jīng)濟性不佳。一些邊際土地的利用可以擴大植物基可再生資源原料基地。但是從經(jīng)濟上比較，其很難達到經(jīng)濟可行目標。在估算其經(jīng)濟回報時，要考慮化肥、農(nóng)藥等化學(xué)品的使用費用。要增加可再生資源來源，除了要提高邊際土地利用率外，主要應(yīng)是如何對良田建立優(yōu)化種植生產(chǎn)系統(tǒng)。

當前低投入、低產(chǎn)出的植物生產(chǎn)對農(nóng)民難以盈利，并不利于農(nóng)村發(fā)展，也不能為加工業(yè)提供低價原料。但是在產(chǎn)出方面，數(shù)量和質(zhì)量相差甚大，從此系統(tǒng)得到的產(chǎn)品必然價格較高，嚴重地限制了經(jīng)濟上的可行性。而且，由于低產(chǎn)出生產(chǎn)就需要更多的土地，其對環(huán)境的單位影響常常大于更為強化、密集的系統(tǒng)。因此要優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)，同時改善邊際土地的利用。此外利用生產(chǎn)率高的土地作為植物/農(nóng)作物可再生資源的原料基地，這也有利于解決數(shù)量和質(zhì)量上的波動變化。

農(nóng)村根據(jù)市場需求規(guī)劃種植計劃，如根據(jù)乙醇市場還是植物油供需情況，做出種玉米還是種黃豆的選擇，其次則要進行第2輪對品種的選擇，作乙醇則要種高淀粉含量的玉米品種，如要種飼料，則種含高油量玉米更佳。這些選擇都對產(chǎn)出經(jīng)濟效益有很大影響。面對“設(shè)想”需要擴大食品或飼料、飼料或原料、油料或淀粉、纖維或糖、藥品或聚合物等等選擇范圍。要根據(jù)供應(yīng)或需求來決策，就需要進一步仔細研究有關(guān)課題。

3、植物/農(nóng)作物基原料成本

利用植物/農(nóng)作物基可再生資源主要是成本問題，它與烴類相比是不經(jīng)濟的。工業(yè)生產(chǎn)要求大量的便宜原料。植物原料價格便宜，如果能開發(fā)適當?shù)南到y(tǒng)將極具競爭能力。利用植物/農(nóng)作物基原料生產(chǎn)化學(xué)品的成本比較，詳見表3。

表3、植物/農(nóng)作物基化學(xué)品生產(chǎn)成本類別生產(chǎn)量萬噸通常方法美元/1b植物衍生美元/1b植物衍生占總產(chǎn)量%

糠醛300.750.7897.0

粘合劑5001.651.4040.0

脂肪酸2500.460.3340.0

表面活性劑3500.450.4535.0

醋酸2300.330.3517.5

增塑劑801.502.5015.0

炭黑1500.500.4512.0

洗滌劑12601.101.7511.0

顏料15502.005.806.0

染料45012.0021.006.0

墻涂料7800.501.203.5

油墨3502.002.503.5

專用涂料2400.801.752.0

塑料30000.502.001.8

實際上,在制造業(yè)中選用不同的化學(xué)加工工藝對其成本影響很大。

植物/農(nóng)作物基可再生資源不是一種替代性資源,而是為工業(yè)原料提供的補充資源。成本問題并非只限于原料,而且與加工過程有關(guān)，因此要進一步開發(fā)新的化學(xué)和生物加工工藝，才能擴大植物基可再生資源應(yīng)用范圍，使之成為經(jīng)濟可行系統(tǒng)。

二、前景

由于植物/農(nóng)作物基可再生資源的來源不同，每種來源的原料又可以利用不同的加工工藝，構(gòu)成了一種多維的發(fā)展前景。本“設(shè)想”運用矩陣分析方法進行探討。不同投人的植物原料，可以運用不同的加工系統(tǒng)，并取得各種不同的開發(fā)效果。

1、廢料和副產(chǎn)物利用

從當前看，利用機會多，但需要有新的加工技術(shù)才能使其成為更重要的資源。

(1)現(xiàn)代化學(xué)

森林工業(yè)已經(jīng)將副產(chǎn)物利用發(fā)展成為一個較大的行業(yè)，如紙漿副產(chǎn)液轉(zhuǎn)化為磺酸木質(zhì)素表面活性劑ch3soch3以及用樹皮制丹寧。農(nóng)作物的磨榨工業(yè)開發(fā)了許多應(yīng)用副產(chǎn)物進行加工的工藝，如從燕麥制糠醒、淀粉粘合劑、專用棉籽油、從濕磨料生產(chǎn)擰蒙酸鹽和氨基酸等。但是，許多食品加工業(yè)，如蔬菜和水果卻沒有開發(fā)相應(yīng)的副產(chǎn)利用加工工藝，經(jīng)常將副產(chǎn)淀粉和糖排放入周圍環(huán)境。副產(chǎn)物的利用具有許多發(fā)展機遇，提取及銷售其所含的有效成分是降低主產(chǎn)物成本的手段，而且從戰(zhàn)略上看是擴大利用植物基資源。

(2)改進化學(xué)

木本植物和有些農(nóng)作物加工中有較高的木質(zhì)纖維素含量和一些碳水化合物，如烴類工業(yè)一樣，可以將復(fù)雜分子轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小分子技術(shù)。便宜的植物衍生發(fā)酵制糖的開發(fā)已在進行。用金屬有機物化學(xué)將碳水化合物轉(zhuǎn)變?yōu)樵鲋祷瘜W(xué)品是擴大利用植物基原料的又一技術(shù)途徑。改進化學(xué)方法具有潛力，可以使植物衍生的廢料加工利用提高經(jīng)濟回報率。

(3)生物加工

在比較復(fù)雜的料漿中用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)某種分子，再將其分離出來成為需要的產(chǎn)物。生物轉(zhuǎn)化是應(yīng)用微生物、細胞或不含細胞的酶系統(tǒng)的一步法工藝，它提供了改進廢物料和副產(chǎn)物利用機會，隨著分離技術(shù)的提高，生物加工工藝可以獲得更為廣泛的應(yīng)用。

(4)新分子

在此方面似乎不太重要，從廢料中生產(chǎn)新分子不是一條最佳途徑。

2、現(xiàn)有農(nóng)作物

從近期看擴大應(yīng)用具有最佳機會。

(1)現(xiàn)代化學(xué)

從化學(xué)工業(yè)整體看，并沒有|認為植物衍生材料具有較高的經(jīng)濟價值，但是具體|問題要具體分析。石油化工利用烴類而不用碳水化合物和其他生物基分子。

(2)改進化學(xué)

如果植物衍生原料是結(jié)構(gòu)型的生物質(zhì)，含有木質(zhì)素和纖維素等成分，其具有一定優(yōu)勢。一些新技術(shù)，如綜合燃燒或金屬有機化學(xué)等都能提供更好地利用此類資源的機會。除林產(chǎn)資源外，約有5200億磅的生物質(zhì)資源目前尚未加以利用。改變加工工藝路線可以提高利用現(xiàn)有資源的效益。新的工藝開發(fā)可以提供利用糖和淀粉的機會。植物淀粉有不同來源，如水稻、土豆、玉米和小麥，它們的性質(zhì)、用途都不同，因此需要改進其化學(xué)方法，發(fā)揮其潛能。新化學(xué)工藝與生物加工及先進的分離技術(shù)綜合起來可產(chǎn)生很大效益。

(3)生物加工工藝

植物作為生物加工原料量大而多樣，從結(jié)構(gòu)型生物質(zhì)到一些專門的植物組分，在生物加工方面潛在優(yōu)勢很大：用酶轉(zhuǎn)換玉米衍生的葡萄糖生產(chǎn)高果糖的玉米糖漿。最近從玉米葡萄糖經(jīng)過發(fā)酵制琥珀酸也取得成功。琥珀酸鹽可以用作制一些化學(xué)產(chǎn)品如丁二醇、四氫呋喃，這些中間體又可進一步加工制成許多種產(chǎn)品。當前，用10億磅這種原料可得到價值13億美元產(chǎn)品，現(xiàn)在正在中試。多種學(xué)科進行合作就可取得良好的效果，這是短期內(nèi)取得成效的一種良好運行模式。

(4)新分子

植物原料的投入固定，利用基因改性所用微生物或是專用酶，可產(chǎn)生新分子。此工作目前只在很小的市場中進行。當市場對具有特殊性能的新產(chǎn)品需求增加，投入產(chǎn)出可能會促使其發(fā)展，技術(shù)和經(jīng)濟的綜合研究要沿著產(chǎn)品開發(fā)鏈進行，從界定所需要的產(chǎn)品——需要的特性——分子結(jié)構(gòu)——中間體——酶技術(shù)——蛋白質(zhì)/基因工程——投入植物的最佳原料——生產(chǎn)優(yōu)化等。

3、新鮮農(nóng)作物

此項作為中期發(fā)展機遇。

(l)現(xiàn)代化學(xué)

因為化學(xué)工業(yè)一般不認為農(nóng)作物的利用能獲得較高的經(jīng)濟價值，因此新鮮農(nóng)作物并無吸引力。過去曾認為可以降低成本，但是實際上的技術(shù)限制否定了其經(jīng)濟性。

(2)改進化學(xué)

從投入產(chǎn)出看，存在類似問題，如果改進的化學(xué)工藝需要專門的農(nóng)作物，-新鮮農(nóng)作物可能會有優(yōu)勢。另一優(yōu)勢是在物流方面。按照改進工藝實施和運作規(guī)模，所需原料只能就近供應(yīng)新鮮農(nóng)作物。因此改進工藝應(yīng)當與供應(yīng)系統(tǒng)平行進行才能互相支持共同發(fā)展。植物作為原料補充資源時，困難在于許多烴類加工裝置不位于農(nóng)作物和森林種植地區(qū)，而植物基原料運輸費用很高。

(3)生物加工工藝

與改性化學(xué)類似,區(qū)別在于如何將原料加工成中間體和最終產(chǎn)品。在技術(shù)上要考慮農(nóng)作物品種的適用性，一種生物工藝可以對多種品種進行加工。優(yōu)化工藝是影響運作經(jīng)濟很重要的因素。

4、改性基因類植物

這是中長期發(fā)展機遇，其可提供的成效目前尚難以想像，今后是否出現(xiàn)碳水化合物經(jīng)濟，或是其他經(jīng)濟，這要看建立在生物工程基礎(chǔ)上的新工業(yè)平臺所能發(fā)揮的作用。

(1)現(xiàn)代化學(xué)

基因改性植物基原料可能成為現(xiàn)有的烴類加工系統(tǒng)原料。但是，改性植物分子在烴類系統(tǒng)中降解所花代價太高。因此投入技術(shù)要能跨越加工技術(shù)，或者是較復(fù)雜的分子能直接得到并進入制造鏈，再有是新工藝路線能高效地應(yīng)用此改性原料。當然這些變革都要從經(jīng)濟和環(huán)境兩方面來評價其效益。

(2)改性化學(xué)

對優(yōu)化植物/農(nóng)作物基原料投入和加工有好處，應(yīng)當進行此方面研究。至于何時見效則要根據(jù)基因技術(shù)進展及其達到工業(yè)化時間來確定。

(3)生物加工工藝

微生物或酶進行基因改變達到強化工藝過程目的。生物工程具有長期潛力，在原料投入和生物技術(shù)本身之間創(chuàng)優(yōu)，有時所需要的可作基礎(chǔ)原料的分子可以部分在植物原料內(nèi)進行合成，用生物轉(zhuǎn)化或高度專門化的生物/化學(xué)工藝進行分離。為了繼續(xù)應(yīng)用化石燃料生產(chǎn)專門產(chǎn)品，需要進行研究開發(fā)，使有限資源能取得最大的價值。

(4)新分子

過去20年中，塑料已成為最大的工業(yè)部門，在日常生活中代替了玻璃、陶瓷、木材和金屬。市場將會根據(jù)消費者的意愿和需求發(fā)生變化。材料科學(xué)將繼續(xù)發(fā)展，市場銷售者將繼續(xù)設(shè)計新的消費品，塑料的未來變化難以預(yù)料。能作為新工業(yè)發(fā)展平臺基礎(chǔ)的新分子將會很多，物理與化學(xué)科學(xué)與生物工程材料結(jié)合將產(chǎn)生新的領(lǐng)域。植物基可再生資源將是未來的主要資源。新陳代謝工程是將豐富資源制造成所需基礎(chǔ)原料的渠道，支持社會基礎(chǔ)設(shè)施。開發(fā)和拓寬其可能性，需要先進的技術(shù)，這將是未來新領(lǐng)域。

生物技術(shù)的潛在影響及實施“設(shè)想”的工作途徑

生物技術(shù)的潛在影響

對一個新的技術(shù)領(lǐng)域進行評價，可以從如下幾個方面來分析：近來變化的速度和引入的速度、量度及其帶來利益的水平及公共公司投資、評價專利活動和有關(guān)協(xié)會的活動、觀察開發(fā)進程、審視所取得的成功進展。

90年代初期，許多人對生物技術(shù)將對農(nóng)作物帶來很大變化是持懷疑態(tài)度的。到1996年，轉(zhuǎn)基因作物在產(chǎn)業(yè)化方面取得成功，明確地澄清了這個問題。這些早期的成效是關(guān)于新的作物保護途徑，對保護植物生產(chǎn)免受病蟲害起了重要作用，對進一步了解和掌握如何改進植物組分也很重要。

由于管理方面的需要，轉(zhuǎn)基因大田試驗記錄由美國動物和植物健康監(jiān)測服務(wù)中心保存。從記錄中可以看到一些行之有效的轉(zhuǎn)基因改變植物組分的工作正在進行之中，試驗范圍也在不斷擴大，一些主要的公司如杜邦、孟山都和pioneerhi-bred等都在進行。

為了改變植物組分以提高營養(yǎng)價值，改善加工性能，或是為了某些工業(yè)和制藥的應(yīng)用，一些轉(zhuǎn)基因改性品種已經(jīng)進行了評價，包括碳水化合物的變革、油和脂肪酸改性、提高氨基酸水平、蛋白質(zhì)形態(tài)操作(typemonipulation)、纖維特性改性、產(chǎn)生抗體、工業(yè)酶生產(chǎn)、二級化合物操作(甾醇，earotenoids等)、新型聚合物生產(chǎn)。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)發(fā)展非常迅速，為植物基材料擴大應(yīng)用開辟了新的途徑，使其可以為工業(yè)生產(chǎn)提供分子基礎(chǔ)原料和更為復(fù)雜的分子原料。用植物基原料主產(chǎn)聚合物，制造塑料就是一個成功事例。從a1-coligenenentrophus細菌的3種基因已經(jīng)能轉(zhuǎn)入植物的1ipid合成中，可以得到polyhydroxybutyrate(聚羥基丁酸酯)，濃度可達14%。這種生物可降解的熱塑性塑料正在進一步開發(fā)，使之可以從黃豆、棉花和油菜籽制備。

在過去50年內(nèi)，通常用的植物培植產(chǎn)率已經(jīng)提高了3倍，根據(jù)農(nóng)作物滿足食物、飼料和纖維不同用途，選擇不同的方法得到具有不同特性的產(chǎn)物。高級植物種植要用基因圖譜和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，進一步提高食物和飼料生產(chǎn)需要供應(yīng)的植物基原料。

生物技術(shù)對植物基原料已經(jīng)產(chǎn)生革命性的影響。但是，用生物技術(shù)來改變植物，使之適合烴類經(jīng)濟需要，并不是一條最佳途徑。這就需要進一步弄清什么是工業(yè)鏈需要的因素，而這些因素又是能在未來轉(zhuǎn)基因植物基可再生資源中具有最大的優(yōu)勢。

實施“設(shè)想”的工作途徑

要成功實施美國可再生資源開發(fā)利用的戰(zhàn)略設(shè)想(以下簡稱“設(shè)想”)中所提出的大綱，需要將研究、開發(fā)、工業(yè)過程工程以及對未來的市場了解等項工作有效地集成起來。適應(yīng)“設(shè)想”的多學(xué)科計劃以及各個項目的協(xié)作都要求有一共同的目標，向前沿技術(shù)邁進。應(yīng)用改進的化學(xué)工藝加工現(xiàn)有的農(nóng)作物，包括集成運用生物工藝，可以納入短期計劃之內(nèi)，從當前到今后10年可以著手實施。這是研究中的一個熱點。另一個熱點是觀念上的飛躍，超越當前的烴類化學(xué)，結(jié)合基因改性植物，運用新的工藝，這可以納人中長期計劃中，在10到20年甚至更長時期內(nèi)實施并產(chǎn)生影響。上述兩個熱點都是當前在研究中進行投資，在不同期限內(nèi)可以取得回報。

如果在這些領(lǐng)域內(nèi)取得成功，在工業(yè)應(yīng)用上就可以有了一個可行的堅實科學(xué)基礎(chǔ)。新鮮作物應(yīng)用開發(fā)將被看作是一個降低這些系統(tǒng)成本的一種機制，或是改善供應(yīng)狀況(數(shù)量和質(zhì)量)，滿足工業(yè)發(fā)展需要。

當審視植物基可再生資源的前景時，可以看到供應(yīng)鏈本身包含著許多重大課題。不同物種發(fā)展有各自的地理優(yōu)勢，可以形成專門原料的加工中心，包括進入國內(nèi)和國外兩個市場。對轉(zhuǎn)基因作物的鑒別保護機制仍在變化，植物基可再生資源上的這些系統(tǒng)都需要進一步研究。

本“設(shè)想”并非要給各種問題以答案，而是指出未來潛在的可能，在各方面采取一定的步驟就可以使其實現(xiàn)。下一階段就要進行各方的協(xié)調(diào)工作，使多方面的投資者能有一個投入的基礎(chǔ)，針對“設(shè)想”提出的目標進行開發(fā)工作。該規(guī)劃要訂出各項目計劃，通過研究和開發(fā)來支持“設(shè)想”中提出的方向性指標。各計劃項目要符合下列一個或幾個方面的要求。

優(yōu)化生物質(zhì)和農(nóng)作物基原料生產(chǎn)，達到計劃應(yīng)用要求狀況。

為植物基原料的供應(yīng)鏈提出裝置、地點、貯運和分銷措施，包括加強農(nóng)村經(jīng)濟的機制。

加速發(fā)展基于改性化學(xué)和生物工藝的新工藝，同時考慮利用植物/農(nóng)作物基可再生資源原料。

對多類投資者支持的項目，對上述三個方面中一個或一個以上將產(chǎn)生影響的項目，或是多學(xué)科項目等將給以優(yōu)先和優(yōu)惠待遇。投資項目選擇標準應(yīng)考慮時間要求和潛在影響的大小來確定。

植物/農(nóng)作物基可再生資源對工業(yè)基礎(chǔ)原產(chǎn)的需求增長是一個戰(zhàn)略性措施，也是使美國在21世紀繼續(xù)保持領(lǐng)先地位的戰(zhàn)略性選擇。開發(fā)基礎(chǔ)資源具有經(jīng)濟、環(huán)境和社會方面的好處。機遇是明確的，考慮未來的設(shè)想是需要的，要聯(lián)合投資者對新途徑進行投資，才能創(chuàng)造一個安全的未來。

“設(shè)想”文本中不止一處引用達爾文的名言“能夠幸存下來的物種，不是最強的，也不是最聰明的，而是能適應(yīng)變化的”。

2020年可再生資源應(yīng)用將增加五倍

《植物/農(nóng)作物基可再生資源2020年設(shè)想實施的技術(shù)指南》(以下簡稱“技術(shù)指南”)，是《植物/農(nóng)作物基可再生資源2020年設(shè)想》(以下簡稱“設(shè)想”)的補充，提出的目的是：支持“設(shè)想”方向，確定發(fā)展中的主要障礙和問題，確定優(yōu)先的研究領(lǐng)域。

要達到上述目的需要進行協(xié)調(diào)觀念開發(fā)，收集專家證明，組織多學(xué)科研討會、聽證會，優(yōu)勢排隊試驗和團隊行動計劃等多項工作。在“技術(shù)指南”編制過程中吸收了各方面人士的意見，參加研討的共有66名有關(guān)部門不同行業(yè)的專家。專家們就全球性問題提出“設(shè)想”，針對“設(shè)想”結(jié)合現(xiàn)實狀況提出存在的主要障礙與問題，再確定研究與開發(fā)領(lǐng)域，從而找出優(yōu)先研究開發(fā)的課題。這些課題所屬領(lǐng)域都是能為利用可再生資源實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展起最大杠桿作用的研究領(lǐng)域。通過參加“技術(shù)指南”研究和編制的專家的專業(yè)情況反映出在化工制造中應(yīng)用生物基原料需要涉及多門學(xué)科。但是有3個產(chǎn)業(yè)是中心，即化學(xué)、生物和農(nóng)業(yè)，每個產(chǎn)業(yè)都涉及幾門不同的學(xué)科，如農(nóng)業(yè)，林業(yè)和石油化學(xué)。

1、農(nóng)業(yè)和林業(yè)

農(nóng)業(yè)：是一個廣泛的概念，包括谷物生產(chǎn)、林地和牧場等。這些土地上生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品和林產(chǎn)品一起構(gòu)成生物基材料，它們通過太陽能，大氣中的co2和土壤中養(yǎng)分進行原始生產(chǎn)而成為可再生資源。美國擁有大量優(yōu)良土地，豐富的自然水資源和先進的技術(shù)基礎(chǔ)，通過資源保護和利用，每年可產(chǎn)生可再生資源的巨大財富。林業(yè)：在美國有超過6.5億英畝（1英畝=4046.24平方米）的森林，從業(yè)人口140萬，每年生產(chǎn)價值2000億美元產(chǎn)品。過去10年內(nèi)，紙張部門的增長比木材業(yè)快。木材和紙產(chǎn)品回收循環(huán)利用率高，每年有約4000萬t紙再生利用。美國的林業(yè)已經(jīng)制定出2020年發(fā)展設(shè)想以及相應(yīng)的研究計劃。該設(shè)想呼吁進行研究，用先進的生物和遙感技術(shù)以及樹木生理學(xué)和土壤科學(xué)等理論。

農(nóng)業(yè)和林業(yè)通過應(yīng)用基因?qū)W技術(shù)和轉(zhuǎn)基因植物等新手段將會出現(xiàn)大的躍進。在不久的將來，可生產(chǎn)出大數(shù)量和高質(zhì)量的作物。除了飼料和食品，還可以為工業(yè)部門提供原材料。而且還可以引入某些酶標記基因，可能會在植物體內(nèi)制造完全新型的聚合物，并可大量生產(chǎn)，成為經(jīng)濟的消費用品。

美國將技術(shù)進展應(yīng)用于植物和農(nóng)作物的調(diào)整，使其在農(nóng)業(yè)、林業(yè)和制造業(yè)中保持可持續(xù)發(fā)展的領(lǐng)先地位起著主要作用。國家的未來明顯地要依靠近期開發(fā)可再生資源基礎(chǔ)的研究來支持。

2、石油化工業(yè)

化學(xué)、工程學(xué)、物理學(xué)和地理學(xué)等幾門學(xué)科在石油化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用，對人們生活產(chǎn)生的影響是50年前難以想像的。石油化學(xué)工業(yè)成功地創(chuàng)造了眾多產(chǎn)品，從高性能的噴氣發(fā)動機燃料到基礎(chǔ)化學(xué)品以及許多聚合物，如聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯和聚碳酸酯等。

石油化學(xué)工業(yè)：是資本密集型工業(yè)，已經(jīng)建立了可觀的基礎(chǔ)設(shè)施來處理和加工化石燃料。美國每天要用1390萬桶烴類原料，多數(shù)是作為燃料型產(chǎn)品，用于化工及其他工業(yè)基礎(chǔ)原料生產(chǎn)，每天約為260萬桶油短類原料。

近年來，工業(yè)化學(xué)品和塑料生產(chǎn)都有巨大的增長。塑料工業(yè)從業(yè)人員120萬人，有20000套生產(chǎn)加工裝置，過去在研究開發(fā)上花費以10億美元數(shù)計的投資，才獲得了今日成就。如果塑料制品的原料沒有可再生資源，遲早有一天會變得十分昂貴。一方面，是否還有上萬億桶的石油開采量，原油價格能否在每桶10美元以內(nèi)。世界原油生產(chǎn)已經(jīng)變化迅速，而且有許多不定因素。另一方面，化石燃料資源是有限的，這是無可爭議的事實。重要的是考慮當供應(yīng)呈峰值時未來價格的敏感度，而不是去爭論何時是油將用盡的理論時間。最近由于幾處新資源的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用，在20年內(nèi)原油產(chǎn)量可能會有所增加。但是，必須注意美國一直是原油進口國，50%原油靠進口。如果原油進口一旦停止，北美可采用的化石燃料資源儲量按目前消費水平只能維持約14年。如果保持目前進口水平而不增加，也只能使用28年。當然，將會有新的改進的抽提技術(shù)，例如水平鉆探和核磁共振鉆孔等，但是要在近年取得成效，希望是不大的。

用可再生資源補充石油化學(xué)品，要從現(xiàn)在開始，由少量到大量逐步進行，有關(guān)研究工作要立即開始。不考慮化石原料供應(yīng)衰退時間表的爭論，由于人口增長以及一些新興國家人們生活水平提高，需求將繼續(xù)增長。在可再生資源取代化石燃料之前，它將作為一種補充資源。因此，無論如何在美國開發(fā)可再生資源作為工業(yè)原料都是十分重要的。

“設(shè)想”中提出的指標是“2020年基礎(chǔ)化學(xué)品至少有10%來自植物衍生可再生資源，隨著發(fā)展觀念到位，2050年要提高到50%”。要注意無論是美國還是全世界總消費量的增加是很快的，因為即使2020年的10%目標是按當時的生產(chǎn)總量計算，也比當前消費水平要提高4—5倍，絕對的增加更大。如果2020年消費水平本身提高1倍，可再生資源的絕對指標也要翻番。

換言之，不能期望可再生資源在不變的需求環(huán)境下能完全取代烴類資源，而只有當消費產(chǎn)品需求增加，可再生資源可以能滿足此增加需求中的一部分。在2040年時間框架中，指標可以是：可再生資源應(yīng)用使化石燃料能穩(wěn)定地維持現(xiàn)在的消費水平。按此指標可以形成以下的觀念：

由于不是一個競爭替代戰(zhàn)略，可再生資源并不與非再生資源直接競爭。

需要用可再生資源和非再生資源兩種資源來滿足未來20年的需要。30年以后，可能要更多依靠可再生資源，因為那時的化石燃料將會很貴而且有限。滿足近期指標的支持和研究完全與長期目標保持一致，這些方向性指標，非常清楚地表明面臨的挑戰(zhàn)是巨大的，需要從現(xiàn)在就采取行動，應(yīng)當開始建立通向擴大利用可再生資源的道路。除了建立可操作的可再生資源基礎(chǔ)指標外，其他一些相關(guān)的指標也是很重要的，包括：

建立系統(tǒng)，通過加強經(jīng)濟可靠性的基礎(chǔ)設(shè)施支持，將供應(yīng)、制造和分銷等活動集成起來。

通過功能基因?qū)W來提高對植物新陳代謝的理解，優(yōu)化對專門的增值加工工藝的設(shè)計和應(yīng)用，除應(yīng)用現(xiàn)有的組分外，要開拓新型聚合物生產(chǎn)和應(yīng)用。要保證開發(fā)的新工藝過程的效率高于95%，同時應(yīng)用伴生工藝，應(yīng)用所有副產(chǎn)物，消除廢料，保證新的平臺能在特殊的環(huán)境條件下堅持目標方向?qū)Υ_定目標與研究指標要反復(fù)交叉檢驗，使其能堅持可再生燃料/能源需要的目標。

在生產(chǎn)和分銷中要開發(fā)保持穩(wěn)定供應(yīng)的途徑，在年生產(chǎn)一定范圍基礎(chǔ)上控制一些因素，如價格、數(shù)量、性能、地區(qū)分布、質(zhì)量等。同時要制定提出這些因素的標準。

建立進一步合作伙伴關(guān)系，改進綜合集成，通過加強農(nóng)村發(fā)展來支持取得成功。

“設(shè)想”的目標要實現(xiàn)，主要要使本“技術(shù)指南”中所列出的目的大綱都能達到?；蚋男灾参锷a(chǎn)專門的代謝產(chǎn)品和開發(fā)補充性的化學(xué)改性產(chǎn)品取得成效就可以達到2020年可再生資源應(yīng)用增加5倍的目標。這些進展也將為2020年以后的進一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

可再生資源應(yīng)用技術(shù)和市場的障礙及問題

將可再生資源制成消費產(chǎn)品的整個系統(tǒng)中有許多障礙和問題，其中關(guān)鍵和問題是：

植物科學(xué)方面：基因?qū)W、酶、新陳代謝和組分。

生產(chǎn)方面：單位成本、收率、持續(xù)性、基礎(chǔ)設(shè)計、植物設(shè)計。

加工方面：經(jīng)濟學(xué)、分離、轉(zhuǎn)化、生物催化、基礎(chǔ)設(shè)施。

應(yīng)用方面(由技術(shù)和材料驅(qū)動的問題)：經(jīng)濟學(xué)、功能性、性能、新用途。

應(yīng)用方面(由市場和需求驅(qū)動的問題)：價格性能比、性能、知覺、市場開發(fā)。

現(xiàn)將上述關(guān)鍵和問題擇要分別介紹于下。

一、關(guān)于應(yīng)用方面（材料驅(qū)動問題）

1、經(jīng)濟學(xué)

單位成本是當前植物衍生材料使用的主要障礙，也是經(jīng)常引起爭論的一個問題，問題的核心是競爭性成本狀態(tài)。在多數(shù)情況下，應(yīng)用植物基原料的成本都比較高，難以與以烴類原料為基礎(chǔ)的加工工藝競爭。但是，成本競爭情況有幾個非常復(fù)雜的因素互相影響，諸如產(chǎn)品價值、材料成本、產(chǎn)量、需要加工程度以及所用基礎(chǔ)原料的性能等。因此如果未來的戰(zhàn)略只考慮降低本是不會成功的。最重要的經(jīng)濟推動因素不是成本本身，而是制得的產(chǎn)品和制造費用的差價(即增值)。

產(chǎn)品價格是諸多因素的函數(shù)，諸如產(chǎn)品利用、性能、消費者喜好和需求等，而制造成本則受原材料價格、供應(yīng)的持續(xù)性、加工、廢料處理費用和投資等諸因素影響，要符合當前的具有競爭性的通用化學(xué)品工業(yè)的低成本需要。但是，從長遠考慮，只進行成本比較是有問題的，因為未來的化石燃料的成本是難以預(yù)測的。

在當前情況下，用烴類原料生產(chǎn)消費型產(chǎn)品的加工效率是很高的。但這并非是化石原料本身具備的特點。因為石油化工已經(jīng)研究了100年，有了3代科學(xué)家，政府投入了大量資源才使之達到今日的水平。與之相比，植物基材料應(yīng)用尚處于較低的水平，開拓植物基原料應(yīng)用來適應(yīng)已臻成熟的烴類加工需要并不是一條唯一的道路，目前應(yīng)用數(shù)量還是很少的。另一條路線是通過弄清植物衍生材料性能進行技術(shù)開發(fā)，用基因改性植物，使之能提供含有需要功能的組分。

2、功能性

改變植物中的不同組分含量的目的是提高其功能性。在石油化工中先進行原料裂解降級成為簡單的分子，隨后用它們再行合成為較復(fù)雜的分子和聚合物。植物中已經(jīng)含有不同形態(tài)的聚合物，可以在許多產(chǎn)品中應(yīng)用。但是，在現(xiàn)在加工系統(tǒng)中尚無大量應(yīng)用。用量有限的原因有幾個方面，其中主要的是由于缺乏對其功能性的理解，而只注意其成本。最近，已經(jīng)由植物衍生的蛋白質(zhì)聚合物研制出塑料薄膜的試驗產(chǎn)品，顯示出其應(yīng)用的潛力。而且，植物擁有立體化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以得到一些有價值的手性分子，如糖類、維生素、氨基酸等。從總體看，目前對植物基礎(chǔ)原料的反應(yīng)性和功能性尚不夠了解，因此限制了新應(yīng)用思路的產(chǎn)生。

二、關(guān)于應(yīng)用方面（需求驅(qū)動問題）

1、市場開發(fā)的費用

植物衍生材料應(yīng)用的一個關(guān)鍵是市場開發(fā)費用高。正如許多新產(chǎn)品市場一樣，新產(chǎn)品的研究往往是由小公司開始的，它們投資不足，缺乏繼續(xù)發(fā)展的資源，常常只停留在試驗階段。工業(yè)化的成功率低，由于沒有一定的供應(yīng)量而常使產(chǎn)品衰落。因此，需要大力改進產(chǎn)品開發(fā)和支持機制，而且要進行與產(chǎn)品相關(guān)的市場開發(fā)，這是擴大利用可再生資源的主要工作。目前市場上應(yīng)用的標準都是基于石化產(chǎn)品，沒有適應(yīng)生物基產(chǎn)品的標準，這也是要成功地與石化產(chǎn)品競爭的另一障礙。

2、認識問題

植物衍生材料常給人以較低級的印象，這可能是由于當前處于“石化時代”之故。對某些制造廠商來說，它的性能較差，主要是因為未得優(yōu)化。雖然公眾環(huán)境意識增強，但是對植物基產(chǎn)品需求尚不足以創(chuàng)造市場來拉動技術(shù)開發(fā)。因此，當前可再生資源的進展主要是基于技術(shù)推動的結(jié)果，只有增加市場拉動才能有力吸引公司更多投資。沒有要變革的沖擊，就不會有更多的變革。因此，如果沒有各種經(jīng)濟傾斜途徑，現(xiàn)狀是難以改變的。

三、加工問題

1、基礎(chǔ)設(shè)施中分銷問題

多年來石油化學(xué)工業(yè)已經(jīng)建立了加工和分銷烴類基礎(chǔ)產(chǎn)品的有效基礎(chǔ)設(shè)施。由于依賴進口原油，美國的多數(shù)基礎(chǔ)設(shè)施是建設(shè)在海岸線上。因此，許多現(xiàn)有的加工裝置并不適合大量植物基材料的收集。植物原料都是在木材加工廠、榨油廠和玉米濕法加工廠進行加工，它們最好接近于供應(yīng)地。要應(yīng)用大量植物原料就需要進一步將供應(yīng)和加工制造集成起來。應(yīng)當開拓確立農(nóng)村發(fā)展優(yōu)勢和重點的戰(zhàn)略和措施，更好地鼓勵多用可再生資源。

2、分離技術(shù)

應(yīng)用植物于工業(yè)用途的一個關(guān)鍵是缺少植物組分的分離技術(shù)。樹木具有非常復(fù)雜的成分如木質(zhì)纖維素。此成分強度高，但要將它分離為有用的分子組分則很困難。多數(shù)農(nóng)作物收獲品是種子，它們含有碳水化合物、蛋白質(zhì)、油分和數(shù)萬種其他組分。通常對許多谷物發(fā)芽和生長都能進行良好的安排，而對其作為原料進行分別管理則很困難。一些除去原始粗組分的工藝，如榨油和提取糖分等已經(jīng)開發(fā)，但如何將專門形態(tài)的蛋白質(zhì)和純的含碳組分分離則仍是困難。在植物基原料加工中常遇到非常稀的水溶液物料，處理費用很高而且技術(shù)困難，這是應(yīng)當要解決的問題。將反應(yīng)與分離集成起來的加工系統(tǒng)(如催化蒸餾)可能是一個解決問題的方向。但是此類系統(tǒng)目前應(yīng)用有限。而且還未被開發(fā)作為植物基原料方面的應(yīng)用。通過引入某些基因而使植物增加新的組分，就更需要應(yīng)用先進的分離技術(shù)來回收有意義的新組分。例如生物聚合物開發(fā)中目前就因缺少高效純凈的經(jīng)濟上可行的分餾工藝技術(shù)而受到限制。植物的組分如不能有效地分離出來，就不可能控制最終產(chǎn)品的特性和質(zhì)量。

3、轉(zhuǎn)換技術(shù)

要利用植物中各種組分的另一問題是將這些非均相的混雜原料轉(zhuǎn)換成較為簡單的分子，這才可以進行進一步反應(yīng)。在植物基原料中，加工工藝需要有高性能的多功能生物催化劑或是非均相催化劑，這些催化劑具有多種功能并可以進行回收。

知識不足是另一關(guān)鍵，目前人們尚缺乏關(guān)于植物組分的自然差別和來自不同作物的同樣組分的特性等方面知識。這些知識的缺乏和不足就構(gòu)成難以鑒別植物的差異性，缺少鑒別的手段，因此也就難以考慮作為原料的應(yīng)用。發(fā)酵是用來將某些農(nóng)作物轉(zhuǎn)化為各種產(chǎn)品的工藝，轉(zhuǎn)化是非均相的。所用的轉(zhuǎn)化方式，副產(chǎn)利用和分離等方面仍有許多有待改進之處。一般地說，植物系統(tǒng)的復(fù)雜化學(xué)問題使新型或改進植物基加工工藝的設(shè)計較為困難。烴類化學(xué)制造中有豐富的氧化化學(xué)知識，還原化學(xué)方面較少，這些都是植物系統(tǒng)加工所需要的。目前特別缺少關(guān)于還原生物催化劑共生因子系統(tǒng)方面的實踐知識。

植物原料加工工藝開發(fā)的另一個大的障礙是當前缺乏有關(guān)的教育培訓(xùn)。目前化學(xué)工程課程中只有少數(shù)涉及生物化學(xué)課題，多數(shù)畢業(yè)生成為化學(xué)工程師只擁有非?；A(chǔ)的生物工藝知識和有限的重要生物分離的知識。多年來，工藝化學(xué)家和工程師的培訓(xùn)重點都是烴類化學(xué)，考慮植物基可再生資源加工需要很少。

四、生產(chǎn)方面

1、收率、持續(xù)性和基礎(chǔ)設(shè)施

因為目前尚未利用大量植物基原料，除木材和造紙外，只是關(guān)注未來的供應(yīng)分銷而不是現(xiàn)實存在的問題。但是，這些對實現(xiàn)可再生資源的目標都是十分重要的。在供應(yīng)的持續(xù)性方面，數(shù)量和質(zhì)量都是未知數(shù)。如果植物基原料能加工成簡單的碳分子，其持續(xù)性問題就不成關(guān)鍵。但是如果要設(shè)計應(yīng)用其中某種特殊組分(如聚合物)，或是要直接抽取其中某種專門組分，原料的質(zhì)量和數(shù)量的穩(wěn)定性就非常重要。

在一些情況下，供應(yīng)持續(xù)性中的不確定因素實際上就是風險管理的內(nèi)容。未來的石油化工供應(yīng)問題和可再生資源供應(yīng)問題都有風險。對石油化工來說，未來的供應(yīng)不桷定因素可能因世界上一些區(qū)域的政治變化而增加。而對植物基原料來說，氣候可能成為不確定的地區(qū)因素。如果某些專門植物不能大量生產(chǎn)可能導(dǎo)致貿(mào)易上的不確定因素，這些問題不需要采取斷然措施，但是需要重視通過改變基礎(chǔ)設(shè)施來保證經(jīng)濟可靠性。另一個沖擊供應(yīng)持續(xù)性的不確定因素是未來的農(nóng)作物用途是作為食物還是作為工業(yè)原料。一方面是根據(jù)供應(yīng)短缺理論，認為農(nóng)業(yè)難以供應(yīng)飛躍增長的人口和消費品增長所需的原料。實際上，從需求角度看，食物和原料都在增長，即使不考慮可再生資源進行工業(yè)利用，食物本身也存在問題。解決食物問題的方案也可能就是解決工業(yè)原料問題的方案。因此，在供應(yīng)方面必須應(yīng)用新技術(shù)，如生物技術(shù)，這樣才能保持產(chǎn)率不斷提高，使農(nóng)業(yè)能達到一個新的水平。

2、植物設(shè)計、植物科學(xué)、基因?qū)W

轉(zhuǎn)基因技術(shù)已經(jīng)顯示出令人鼓舞的前景，要進一步充分利用尚有大量工作有待進行。存在的一個主要障礙是對植物本身內(nèi)在新陳代謝過程還不夠了解，不能按特殊聚合物和其他材料的需要進行設(shè)計。因此，對植物新陳代謝和碳流的知識匱乏是其發(fā)展中的限制因素。

近年來功能基因?qū)W的進展有望促進對材料合成設(shè)計的理解。但是這門科學(xué)目前剛開始，與類似的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相比所取得的支持還是很有限的?；蜣D(zhuǎn)變中的另一成就是讓更多的專用基因嵌入和對質(zhì)體以及細胞核的常規(guī)轉(zhuǎn)變。在植物變化、基因?qū)W和生物信息等方面有著廣泛的研究項目，但是將這些出現(xiàn)的新技術(shù)應(yīng)用于可再生資源的專門研究則很少。

要使科學(xué)知識不斷深化，在一定程度上取決于消除這些主要障礙，有些已被稱為多學(xué)科的研究。但是，需要努力加強和協(xié)調(diào)才能促進現(xiàn)有的障礙及時地被克服。換言之，基因管理的研究必須緊密地與植物內(nèi)含聚合物的功能性以及分離工程等研究相結(jié)合。

研究和開發(fā)的課題

《美國植物/農(nóng)作物基可再生資源2020年設(shè)想的技術(shù)指南》(以下簡稱“技術(shù)指南“)列出為解決植物/農(nóng)作物基可再生資源利用中的主要障礙應(yīng)當進行研究開發(fā)的課題?！凹夹g(shù)指南”按4個主要方面的障礙依重要性大小列出研究開發(fā)課題，每個研究課題的影響都有其時間范圍，其中近期表示0—3年、中期表示2010年、長期表示2020年，近期目標的達到可用以衡量面向2020年可再生資源開發(fā)利用設(shè)想的前進步伐。

一、植物科學(xué)研究方面

1、近期影響課題(按重要性依次減小順序排列,，下同)

(1)應(yīng)用功能基因?qū)W了解植物新陳代謝和組成，至少要與1種主要農(nóng)作物基因計劃結(jié)合；

(2)開發(fā)能實時進行植物組分的定量分析工具；

(3)改進轉(zhuǎn)基因方法，特別是對麥桿基因的專門嵌入，要在1998年基礎(chǔ)上提高效益10倍；

(4)開發(fā)1—2種主要農(nóng)作物的基因標記系列，使之有助于擺在有用的可再生組件含量；

(5)將80%現(xiàn)有的germplasmbase進行編目，有效利用各類淀粉、蛋白質(zhì)和油分；

(6)找尋發(fā)展中的生物信息學(xué)利用途徑，推動可再生資源的研究和開發(fā)，

(7)弄清nuclear-plastid相互作用。

2、中期影響課題

(1)在新陳代謝過程和碳流中至少弄清50個限制速率的關(guān)鍵步驟；

(2)利用功能基因?qū)W弄清分子、細胞和整個植物的控制管理；

(3)為主要植物用于可再生資源的組分制定標準；

(4)在2種植物中，建立碳庫并為細胞分割確定控制點；

(5)在plastid轉(zhuǎn)變中高效率(大于90%)方法的建立；

(6)創(chuàng)建示范工廠，使主要組分利用率大于60%(如油料、淀粉)或是專門碳鍵(如c5)大于3o%；

(7)利用基因開關(guān)的方法；

(8)建立為植物可再生資源利用的生物信息學(xué)基礎(chǔ)。

3、長期影響課題

(1)重新設(shè)計新陳代謝過程，提供有用的碳結(jié)構(gòu)骨架；

(2)應(yīng)用有針對性進化技術(shù)建立100個未來原料的品種庫；

(3)設(shè)計新型分子或改性現(xiàn)有化合物，使之適應(yīng)于功能需要；

(4)為提供工業(yè)用原料，創(chuàng)制2種新植物種類；

(5)利用簡單的細胞組織進行成本和能源效率評價；

(6)利用計算機技術(shù)設(shè)計植物組分。

二、生產(chǎn)研究方面

1、近期影響課題

(1)提高畝產(chǎn)量10%~15%以降低原材料單位成本；

(2)改善農(nóng)業(yè)管理，提高肥料利用效率和蟲害防治，

(3)確定至少10種影響原料組分和質(zhì)量的因素；

(4)對至少10種具有潛力的系統(tǒng)和植物類型的畝產(chǎn)效率進行定標趕超（如主要農(nóng)作物、林業(yè)和多年生種類等）；

(5)調(diào)節(jié)氣候條件對生產(chǎn)的影響；

(6)每年對2種農(nóng)作物的潛力進行評價或用其他方法評價畝產(chǎn)量；

(7)提高當前農(nóng)業(yè)加工中廢料利用率5倍；

(8)在單位投入基礎(chǔ)上提高貧瘠土地產(chǎn)量2倍。

2、中期影響課題

(1)提高產(chǎn)量，使單位投入的碳產(chǎn)出為1998年基礎(chǔ)上的2倍；

(2)為長期可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)盡量減小土地、大氣和水利用影響的系統(tǒng)方法；

(3)對收獲產(chǎn)物和主要植物成分建立標準；

(4)專門設(shè)計收獲裝備，盡量增大碳的收獲；

(5)開發(fā)新的利用方法，使現(xiàn)在遺留在土地上的農(nóng)作物45%能得到利用，

(6)培育適應(yīng)專門土地和土壤的農(nóng)作物；

(7)建立農(nóng)業(yè)信息學(xué)基礎(chǔ)，重點是不同來源的可再生資源植物類型、生產(chǎn)價值、質(zhì)量和單位成本。

3、長期影響課題

(l)在化石燃料排出廢氣中co2的固定；

(2)從現(xiàn)在植物/農(nóng)作物生產(chǎn)中消除碳的廢料；

(3)設(shè)計新的農(nóng)作物/植物生長系統(tǒng)，優(yōu)化原料回收率(大于95%可利用)；

(4)對主要能源獲取和固定，提高化合效率；

(5)對收獲前期工作和部分就地加工的裝置進行設(shè)計；

(6)對連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)進行設(shè)計和評價。

三、加工研究方面

1、近期影響課題

(1)改進分離技術(shù)，處理大于95%的非均—植物材料；

(2)改進單體基礎(chǔ)原料變換的生物催化劑；

(3)開發(fā)3種具有高選擇性的快速反應(yīng)強力催化劑；

(4)為將植物聚合物轉(zhuǎn)換為有用的單體，找出新型和性能優(yōu)良的酶(具有10倍活性)并進行評價；

(5)將微生物進行工程化，改善非均—植物的發(fā)酵；

(6)提高廢物利用率2倍；

(7)開發(fā)高效的除水技術(shù)并對改進的非水溶劑反應(yīng)系統(tǒng)進行評價；

(8)在植物材料中利用天然立體化學(xué)方法的評價。

2、中期影響課題

(1)應(yīng)用5種以上高級分離系統(tǒng)(如自行清凈膜、離子交換、精餾等)；

(2)為經(jīng)濟捕集植物單體和聚合物開發(fā)改進的分離——純化技術(shù)；

(3)為2種以上植物類型建立經(jīng)濟共生系統(tǒng)；

(4)通過分子進化技術(shù)設(shè)計并創(chuàng)制50種新型酶；

(5)開發(fā)100種以上具有性能成本特性的新型酶庫；

(6)研究反應(yīng)性分級系統(tǒng)；

(7)對微生物、酶和化學(xué)品庫的性能建立信息學(xué)基礎(chǔ)，用于特殊的轉(zhuǎn)化。

3、長期影響課題

(1)實現(xiàn)原料加工中無廢料的多種產(chǎn)出的連續(xù)工藝；

(2)為改性植物和組分設(shè)計新設(shè)備；

(3)為3種以上新產(chǎn)品(如將工程化酶轉(zhuǎn)入植物并在收獲中得到活化)設(shè)計新機制；

(4)固態(tài)酶轉(zhuǎn)化；

(5)設(shè)計14種化學(xué)與生物結(jié)合型反應(yīng)器；

(6)評價植物組分在分離前相內(nèi)的作用。

四、應(yīng)用和基礎(chǔ)設(shè)施研究方面

1、近期影響課題

(3)探求3種在現(xiàn)有加工裝置(如玉米濕法加工廠、紙漿廠)上擴大應(yīng)用植物原料的機遇；

(4)分析測量系統(tǒng)，對90%以上的主要植物組分進行定量；

(5)實時評價單位性能成本和增值成本的方法；

(6)評價運輸系統(tǒng)及成本；

(7)計算出100%年加工貯存量和投人產(chǎn)出的需求量；

(8)創(chuàng)建基礎(chǔ)設(shè)施，擴大利用農(nóng)業(yè)廢料。

2、中期影響課匾

(1)深入掌握植物中10種以上組分和碳鍵新陳代謝體的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系知識；

(2)開發(fā)對高質(zhì)量原材料的100%鑒別保護系統(tǒng)；

(3)為價值驅(qū)動的生產(chǎn)和定貨實現(xiàn)營銷系統(tǒng)；

(4)對在同一地點的多目的利用區(qū)的協(xié)同作用進行評價；

(5)對原材料組分和加工過程中的中間產(chǎn)物實現(xiàn)實時定量分析手段(小于3分鐘/試樣)；

(6)開發(fā)生產(chǎn)預(yù)測手段，準確性大于95%；

(7)在一組植物原料性能基礎(chǔ)上建立信息學(xué)基礎(chǔ)，如單位成本、性能、功能性、最佳來源、應(yīng)用范圍等。

3、長期影響課題

(1)所需功能進行分子結(jié)構(gòu)設(shè)計制備植物化合物至少10種；

(2)在植物生產(chǎn)區(qū)內(nèi)開發(fā)至少5個制造利用中心；

(3)開發(fā)3種以上有新功能的新材料；

(4)提出擴大利用可再生資源所需的教育培訓(xùn)需求；

(5)在植物組分功能間協(xié)同作用的利用；

(6)設(shè)計最終產(chǎn)品的貯存和運輸，使之到達銷售中心和出口；

(7)為供需關(guān)系的控制創(chuàng)建減輕超過90%風險的戰(zhàn)略。

當前，美國有一些項目已在進行，可視為工業(yè)原料中應(yīng)用可再生資源的先驅(qū)，也可視為本“技術(shù)指南”中研究項目的示范事例。其一是在轉(zhuǎn)基因植物開發(fā)中的聚羥基丁酸酯(pib)。phb可在植物中生成，作為制造生物降解塑料的原料，用適當?shù)募毦蜻M行轉(zhuǎn)化并弄清植物內(nèi)在的新陳代謝路徑，從而構(gòu)成制備方法。現(xiàn)在正在進行分離、生產(chǎn)標準等項工作。

其二是用玉米淀粉作原料，通過酶反應(yīng)制備聚乳酸(pla)。cargi11-dow合資企業(yè)已在充分研究的基礎(chǔ)上進一步投資數(shù)百萬美元建立制造裝置進行工業(yè)開發(fā)。pla是一種生物裂解聚合物，原料是由玉米濕法加工工藝制備的葡萄糖，其中發(fā)酵過程和酶的活性是重要因素。最終的pla樹脂可視用戶制膜、纖維、碳制品和涂層的需要分別制出不同規(guī)格品種。pla具有聚苯乙烯、聚烯烴和纖維素的功能性。

協(xié)同與合作是取得成功的途徑

未來利用可再生資源需要采取一條多學(xué)科和跨行業(yè)途徑。在許多領(lǐng)域內(nèi)的研究成就都提供了發(fā)展機遇，如生物聚合物、立體結(jié)構(gòu)型分子、新型酶、新材料和轉(zhuǎn)基因設(shè)計等。但是每個方面內(nèi)的任何進展如果只當作孤立的技術(shù)領(lǐng)域是遠遠不夠的，需要更有力的相關(guān)研究計劃，采取平行的和協(xié)調(diào)的方式進行工作，才能取得成果。

要取得有效益的進展必須采取多學(xué)科的途徑，這是非常清楚的。但是，任何一個組織都難以具備有如此深度和廣度的技術(shù)能力。因此，對研究提供的支持應(yīng)當是多方面的，而且要在跨行業(yè)的系統(tǒng)中進行。

“植物/農(nóng)作物基可再生資源2020年設(shè)想”(以下簡稱“設(shè)想”)中提出的要求需將重點瞄準有限的熱點目標同步取得進展。對于研究工作則需要有準確的時間表和系統(tǒng)中各方面的廣泛交流，所有這些都要走相互協(xié)同的道路。例如，一位科學(xué)家可能發(fā)現(xiàn)一種新型聚合物，具有可以作為高級生物降解塑料的功能，但是，此研究成果的價值受到以下一些因素的限制：發(fā)現(xiàn)適當?shù)幕颉⑿玛惔x過程可靠性、:最佳作物類型是否能有足夠的產(chǎn)率和可承受的成本、各種聚合物組分分離可能和利用此材料制造新產(chǎn)品的方法等。所有這些因素都需通過研究和開發(fā)才能取得相應(yīng)的進展。進行這些研究開發(fā)要采取最佳途徑保證研究成果關(guān)鍵的目標互相協(xié)調(diào)、平行地進行，此途徑要鼓勵私營部門的參與。

當前，植物和農(nóng)作物作為生物質(zhì)和原料已被應(yīng)用，諸如淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪酸和異戊二烯化合物。林業(yè)主要是為紙漿和造紙?zhí)峁┰?。黃豆則是用于油墨和涂料。玉米通過濕法加工發(fā)酵工藝已經(jīng)進入幾個工業(yè)部門，但是各種用量都很少。由于基因工程可以通過新陳代謝操作使植物或農(nóng)作物生成有功能需要的材料，從而顯示出新的發(fā)展機遇。

“技術(shù)指南”已經(jīng)突出了未來取得進展的途徑，而且確定了系統(tǒng)的各個組成部分的目標。成功地達到這些目標就可實現(xiàn)“設(shè)想”中確定的到2020年可再生資源利用增加5倍的目的，同時也為2020年以后進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。按“技術(shù)指南”目標提出課題是人們用所有的天然資源滿足不斷增長的消費品和能源的需要。當前進行研究將為今后的產(chǎn)品選擇提供機會?？稍偕Y源需要將注意焦點放在以下幾個方面：發(fā)展方向、最佳科學(xué)思維的應(yīng)用、最先進技術(shù)的應(yīng)用和最高級智能水平的繼續(xù)研究等。本“技術(shù)指南”已經(jīng)提出了需求和研究開發(fā)課題，其目的就是為美國開拓實施一條成功的可再生資源戰(zhàn)略。而且也選出了需要優(yōu)先支持的領(lǐng)域，它們都是從幾個已經(jīng)確定的科學(xué)研究和工業(yè)開發(fā)需求中選擇出來的，而且考慮了在高級可再生資源的關(guān)鍵部門有最大的投資回報。

未來世界許多方面都會延續(xù)但將發(fā)生變化。幸運的是我們已看見其需求并具有科學(xué)智慧適應(yīng)變化的發(fā)展。美國要保持領(lǐng)先地位就要繼續(xù)采取迅速的行動來滿足擴大利用可持續(xù)發(fā)展的可再生資源的需求。不斷的科學(xué)突破和技術(shù)進步(正如“技術(shù)指南”文件中所列出的項目和課題)才能滿足資源利用的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)正在我們面前，我們面臨的挑戰(zhàn)是為滿足人們對產(chǎn)品不斷增長的需求。

“技術(shù)指南”中從兩個方面表明多學(xué)科和跨部門的研究開發(fā)對實現(xiàn)“設(shè)想”的重要性：

一是植物的投人，同時要考慮廢料和副產(chǎn)物利用、改性基因?qū)W的應(yīng)用。