搭乘SpaceX龍飛船的「細菌」回來了

題圖來自：視覺中國

去年7月，馬斯克的 SpaceX 龍飛船將18個裝有火山巖和微生物（細菌）的微型反應堆送上了國際空間站。此行的目的很簡單——測試不同微生物在太空微重力、甚至無重力環境下進行「生物採礦」的可行性。

其中，每一個微型反應堆內都裝有一種常見於月球和火星的玄武巖巖石樣本和一種特定的微生物，被浸泡在含有微生物的溶液中的巖石樣本，幾個星期後會被送回地球進行分析。

11月10日，相關研究成果在線發表在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上，實驗數據表明，微生物可以在零重力條件下浸出巖石中具有經濟價值的稀土元素（Rare Earth Element，REE）。這一研究發現，讓人類利用微生物在宇宙中其他星球進行「生物採礦」成為可能。

（來源：Nature Communications）

據論文描述，這項實驗將研究低重力環境是否影響微生物從巖石中提取礦物質的能力，以及微生物在太空中如何生長並形成生物膜、低重力條件對生物膜的影響等。

對於這項研究工作，英國天體生物學家、英國愛丁堡大學物理與天文學學院天體生物學教授、英國天體生物學中心主任查爾斯·科克爾（Charles Cockell）此前曾表示，「我們希望深入了解微生物在太空中的生長情況，以及如何利用它們更好地服務於人類太空探索和太空移民等工作，比如應用於採礦業、將巖石變成月球和火星土壤等。」

「太空採礦」商業價值巨大

一直以來，隨著人類經濟社會的快速發展，地球資源尤其是一些稀有資源的短缺問題逐漸凸顯。地球之外的太空資源已經成為了美日等各個國家競相爭奪的目標。

近年來，科學家一直在研究利用細菌開採小行星金屬礦藏的可行性，這種開採方式的成本低於常規手段，他們甚至認為，只需將水和細菌傾瀉到巖石上，就能得到金屬。

今年4月，美國總統川普籤署了一份行政命令——《太空資源開採和使用的國際支持保障》，為將來美國進入太空，尤其是前往月球和小行星開採太空資源正式確立了政策，並指出美國政府有權探索和開採外太空的資源，而且並不認為外太空的資源應由各國共享，開採前也不需要徵得其他國家同意。

（來源：Pixabay）

為何太空資源如此重要？事實證明，太空採礦具有巨大的經濟前景。太空中的很多小行星富含金屬（比如用於製造電子設備的稀有金屬），但這些金屬卻很難在地球上找到。同時，這些小行星也可以作為未來建造空間站和空間探測器的重要金屬材料來源，這就意味著人類未來或許可以直接在太空建造空間站和探測器，而無需使用昂貴的重型運載火箭。

就拿稀土資源來說，無論是在製造晶片、智慧型手機方面，還是在製造電動汽車等高科技產品的過程中，是否擁有充足的可開採稀土資源，對於一個國家而言至關重要。

由於具有獨特的磁性和催化性能等特點，稀土元素現已被廣泛應用於手機、電腦屏幕等電子設備生產和其他高科技領域應用，以及石油化工、冶金、機械、能源、輕工、環境保護、農業等領域，並用來生產超導材料、磁致伸縮材料、磁致冷材料、磁光存儲材料、光導纖維材料、螢光材料、稀土金屬氫化物電池材料、電光源材料、永磁材料、儲氫材料、催化材料、精密陶瓷材料、雷射材料等。

但是，開採稀土元素不僅難度大，而且成本高，未來也可能會供不應求。一直以來，人類希望在地外星球找到「第二個地球」來居住或開採稀有資源，在這一探索過程中，找到一種可以在地球之外進行簡單、高效的稀土元素提取的方法意義重大。

在地球上，微生物在自然過程中起著十分重要的作用，比如將巖石風化為土壤以及促進生物圈中元素的循環等。同時，微生物也被用於各種工業和製造業過程，微生物可以提高從巖石中提取有價值的元素（比如銅和金）的效率，在某些情況下，這一過程可以減少對環境有害的有毒化合物（如氰化物）的使用，而且微生物與礦物的相互作用也被用來淨化被汙染的土壤。

同樣，細菌和真菌等異養微生物可以在近中性或鹼性環境下，通過釋放有機酸來改變周圍環境的 pH 值等方式，實現有效的生物浸出，比如微生物已經被用來開採地球巖石中的稀土元素。

但人類尚不清楚它們是否可以在低重力或零重力的條件下完成這項工作。

這種細菌不簡單

在此次研究中，研究人員通過在國際空間站上開展一系列實驗來評估3種細菌（Sphingomonas desiccabilis、Bacillus subtilis 和 Cupriavidus metallidurans）在微重力和模擬火星重力條件下的生物採礦潛力。

研究人員通過將微重力作為可能的最低重力水平進行研究，來探討缺乏沉降作用對生物浸出的影響，同時了解重力如何影響微生物與礦物間的相互作用，以及未來在小行星和其他低重力行星進行工業生物採礦的可行性。

圖｜位於太空艙內的實驗裝置圖

研究人員表示，「我們將通過實驗首次了解微生物在微重力和模擬火星重力環境下如何相互作用、生長以及從巖石表面浸出元素，以及低重力是否會影響微生物附著在巖石表面並進行生物採礦的能力。也就是說，利用微生物在地外星球進行生物採礦的想法是否可行。」

圖 | 被染成螢光綠色的 Sphingomonas desiccabilis 生長於玄武巖上（來源：該研究論文）

他們測量了 3 種細菌提取稀土元素的效率，即從玄武巖（在月球和火星表面比較常見）中浸出的 14 種不同稀土元素的含量。同時，他們也在地球普通重力條件下開展了相關的平行實驗。

他們發現，Sphingomonas desiccabilis 在三種重力條件下都可以從玄武巖中浸出稀土元素，而且浸出率較為相似，顯示出了這種細菌在不同生物採礦環境下的適用性。而且，Sphingomonas desiccabilis 對玄武巖中含量最多的稀土元素的浸出率最高，比如對鈰（Cerium）和釹（Neodymium）的浸出率達到了 70% 左右；而 Bacillus subtilis 和 Cupriavidus metallidurans 兩種細菌物種的浸出率，要麼在低重力條件下相較於地球普通重力條件下降低，要麼在任何實驗條件下都無法浸出稀土元素。

圖 | 在生物實驗和非生物控制實驗中，3 種微生物分別在微重力、模擬火星和地球重力條件下的平均稀土元素浸出率

以上結果表明，雖然微生物的生物採礦能力具有生物體特異性，但這種能力在太空和類似火星的重力條件下是可以存在的。

同時，據論文描述，一些玄武巖之外的其他材料的浸出率甚至更高，比如，月球上一種名為 KREEP（是一些被撞擊的月球角礫巖和玄武巖中的地球化學成分）的巖石就含有異常高濃度的稀土元素。

研究人員認為這一研究成果可能反映了在月球重力作用下進行生物採礦的潛力，並建議在月球上的風暴洋（Oceanus Procellarum）和雨海（Mare Imbrium）地區，建立稀土生物採礦設施，在那裡，KREEP 巖石異常豐富。

雨海是月球上布滿整個雨海撞擊盆地的遼闊月海，也是太陽系中最大的撞擊坑之一。雨海盆地形成於後期重轟炸期階段一顆原行星的碰撞，後來湧出的玄武巖熔巖淹沒了這一巨型坑，形成今天所見的平坦火山平原；風暴洋是月球近月面西側，形成於31~35億年前的一座巨大的月海。由於面積最大，它也是月球上唯一被稱為「洋」的月海，橫跨月球南北中軸線綿延達2500公裡以上，其範圍約400萬平方公裡。

此外，這一研究成果也可以應用到其他對原位資源利用（In-Situ Resource Utilisation，ISRU）具有經濟意義的材料，比如隕石材料已被證明與微生物生長相容。因此，這一微重力實驗顯示了在低重力小行星環境中生物化的潛力。

在太空探索中，原位資源利用是指收集，加工，儲存和使用在其他天文物體上發現或製造的材料，以代替原本從地球帶走的材料的做法。ISRU可以為太空飛行器的有效載荷或太空探索人員提供生命支持材料，推進劑，建築材料和能源。現在，對於太空飛行器和機器人行星表面任務來說，以太陽能電池板的形式利用就地發現的太陽輻射已非常普遍。

除了在地外星球採礦，了解微生物與礦物在太空環境下的相互作用，還有助於：

• 將貧瘠巖石「轉變」為土壤；

• 形成具有固碳、固氮等功能的生物土壤結皮；

• 使用風化層作為生態系統的原料；

• 使用風化層作為生物燃料；

• 以及礦物建築材料的生產。

這就需要我們了解，微生物如何在太空環境下附著在巖石和風化層表面並與發生相互反應，以及微生物在不同星球、不同重力環境下的離子浸出和礦物降解變化。而此次實驗證明了微生物和礦物相互作用在推進建立在地球之外可自我維持的永久人類生存環境，以及實現這一目標的技術手段。

研究人員表示，「微生物無處不在，在我們的日常生活中起著極其重要的作用，我們可以利用微生物提高太空移民的成功率，此次實驗旨在幫助人類和微生物界建立一個新的太空聯盟，人類在微生物的『幫助』下實現在宇宙中永久存在。」

接下來，他們將繼續調整實驗的相關參數，以提高整體工藝水平和反應器規模。也許在不久的將來，人類可以藉助地外星球的本地資源，建成第二個「地球」。

參考資料：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19276-w