细菌:走,外太空采矿去

  我们现在已经知道,宇宙中有许多宝藏星球,有的遍地钻石,有的满载金银,还有的蕴藏有人类梦寐以求的能源矿藏。可惜,这些星球离地球都很遥远,人类很难将矿工和机器运送过去开采矿藏,再将这些资源运输回来。不过,地球上有一类经验丰富的老“矿工”,在它们的帮助下,这个美好的设想也许能早日实现。


  来历不明的贵金属


  日前,美国古生物学家在一个意想不到的地方发现了一个“银矿”。研究人员在加拿大西北地区的一个化石产地挖掘古生物化石,他们收获不错,找到了一批来自5亿多年前的寒武纪蠕虫及其粪便的化石。在粪便化石中,研究人员发现了一些奇怪的银色斑点,经过检验,发现那竟然是银。研究人员感到很困惑,根据环境分析,5亿多年前,这块地方还是一片海洋,蠕虫从哪里挖掘出了这些金属银?

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  其实,这不是人们第一次意外找到金属矿藏了。21世纪初,科学家在美国一个已经开采完并被水完全淹没的旧铜矿中考察时,发现其中竟然冒出了大量的铜。按理来说这完全不可能,如果矿中还有这么多铜,当初怎么可能会废弃呢?也不可能有人会选择一个充满水的地方来储藏自己的宝物。


  那么这些铜到底是从哪里来的?经过进一步的观察和研究,科学家确认这些铜其实就是铜矿中的残余矿渣,当时的技术无法把这些金属全部挖掘提炼出来,只好废弃了,而把这些残余金属全部挖掘出来的“矿工”竟然是一类嗜金属细菌。这些细菌在矿井中的含铜硫化物表面生长繁殖,以金属铜为食完成代谢,这一过程将铜从含铜硫化物中“提炼”了出来,富集在一起,就促成了废弃铜矿“死而复生”的奇迹。


  受到这一发现的启发,美国古生物学家猜想,蠕虫体内的金属银也许也是细菌带来的。寒武纪时期,海洋中含有大量银离子,原本海洋生物无法在这种富含重金属离子的环境中生存,但是海水中的细菌帮了大忙,它们能将水里的金属离子吃到腹中,将海水过滤得干净无毒。这样,其他海洋生物就能在海洋中生存下来了。后来,顺着食物链,细菌体内的金属银就富集到了蠕虫体内。


  用“吞金兽”采矿


  这些发现让科学家灵机一动,既然细菌喜欢“吃”金属,可不可以让细菌帮忙采矿呢?


  和上述铜矿相似,在采矿过程中,矿坑里总会残留大量矿渣,这些矿渣往往含有多种贵金属,但因为含量少,提炼困难且成本高,只能无奈废弃,这些矿渣还会对环境造成污染,如何处理矿渣是一个让人头疼的难题。而细菌“矿工”有助于解决这一难题。

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古生物学家在生活于海底的古代蠕虫的粪便化石中发现了银斑点。

  研究表明,根据其本身的生理结构差异,细菌可以用多种方法收集金属。有的细菌采用胞外沉淀的方法,在体表产生一种化学溶液,从而与金属发生反应,缓慢形成金属化合物;另一种方式是表面吸附,这利用了细菌表面的负电荷团与金属阳离子之间的相互作用;此外还有胞吞作用,通过类似于进食的物理方式,细菌可以将金属包围进自己的身体。人类通过微生物发酵工程培养大量细菌“矿工”,将它们派遣到矿洞中,细菌微小的身躯能深入矿洞的每一丝缝隙,将其中的金属原子彻底搜刮干净,当细菌富集大量金属后,人类就可以收集这些细菌,使用不同的方法从中分离出需要的金属。


  细菌“矿工”在黄金的开采方面帮了大忙。某些芽孢杆菌,比如蜡样芽孢杆菌可以嗅出黄金的气味,人们可以将它们当作黄金探针,根据其分布、数量等特征来寻找黄金矿区。找到矿区后,人们还可以利用细菌来开采黄金。澳大利亚科学家曾在金矿中找到了一种“聚金细菌”,矿区中80%的矿石颗粒上都有这种细菌存活。这种细菌需要利用金属金进行代谢,它体内具有一种特殊的酶,能将化合物中的金离子变成惰性固体金,从而创造出微型金块。通过这一过程,“聚金细菌”能将散落的金离子聚积成黄金,自然界中天然金矿的形成也许都离不开“聚金细菌”的功劳。如果人类可以利用好“聚金细菌”,那么就能从含金量非常低的矿石中提取出宝贵的黄金。


  除了黄金,细菌还能帮忙开采其他金属。目前美国已大规模地使用细菌冶金法从废弃物中回收铜,其生产量已相当惊人。近年来,中国也开始利用细菌冶金法采冶锰、镍、金、银等多种金属。


  带上细菌去外太空


  细菌不仅能在地球采矿,由于其强大的生存和繁殖能力,它们在太空中也能高效工作。2019年,英国科学家在国际空间站上让细菌进行了“采矿”工作。该团队开发了一种火柴盒大小的小型设备,称为生物采矿反应器,每个反应器都养着一种细菌,随后科研人员往溶液里投入了一小块玄武岩。之所以选择玄武岩,是因为它在月球上很常见,如果细菌采矿证实可行,很快就能在月球上应用起来了。

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科学家在国际空间站上让细菌进行了“采矿”工作


  在随后的三周内,研究小组分别模拟了火星重力、地球重力和微重力三种条件,测试了鞘氨醇单胞菌、枯草芽孢杆菌和耐金属贪铜菌等三种细菌的采矿能力。反应器中的细菌丝毫未受太空站里的微重力强辐射影响,生机勃勃,而在采矿能力上,虽然枯草芽孢杆菌和耐金属贪铜菌表现平平,鞘氨醇单胞菌的表现却很惊艳,与未加细菌的对照组相比,鞘氨醇单胞菌溶液中的稀土矿物含量足足提高了4倍多,这些矿物质正是细菌从玄武岩中提取出来的。


  另一组英国科学家的研究结果还表明,在重力降低的条件下,细菌开采金属钒的能力提高了283%。钒是一种工业、农业、国防上经常作为合金元素添加到钢中的重要元素,用于制造高强度、耐腐蚀的材料。由此可见,让细菌作为太空“矿工”进行大规模生物采矿工作的未来并不是幻想。


  细菌实在是太神通广大了,未来,真的去往系外星球时,人类可不能忘了带上这种万能助手。