月球上採礦真的有戲？問過嫦娥的意見了嗎

提起採礦

我們就會聯想起巨大的礦卡車

還是深不見底的礦坑

我們的地球雖大

但一些稀缺的可用資源有限

枯竭是早晚的事

科學家們明顯不願意看到這一幕

人類探索太空

一方面是為了追求宇宙的真相

另一方面則是尋找補充地球的資源

▲關於太空採礦，美國國家航空航天局（NASA）正在規劃於2022年奔赴位於火星與木星之間的小行星16Psyche。天文學家們評估它幾乎全部由金屬組成，包括近272000000億噸的鐵和鎳。

可問題來了

外面的世界並不精彩

空氣要麼稀薄要麼有毒

最重要的是沒有Wifi

誰會願意待在外太空呢

你還別說

科學家還真找到一群吃苦耐勞的小傢伙

01

假設找到了目標星球

假設人類找到了價格便宜……啊不是條件合適，距離不遠的星球，例如月球。剛好這顆星球富集一些地球上稀缺的元素，下一步該做什麼呢？

在地球，化學元素一般喜歡聚在一起形成化合物，尤其是金屬元素、稀土元素等，由化學性質決定了它們極少以單質出現。所以，常規的採礦順序一般是：原礦開採—粉碎選礦—冶煉提取。取金屬的方法有火法冶金、溼法冶金、電冶金。

可是在外太空並沒有這麼多能量供給，原礦直接運回成本又高又費時間，難道就沒有一步到位的方法了嗎？

親，「生物淋洗法」（Bioleaching）了解一下！

在可能的採礦手段中，「生物淋洗法」（ Bioleaching）是一個有前景的方向。它最早被應用於汙染土壤修復，其原理是利用一些微生物的直接作用或其代謝產物的間接作用，例如氧化、還原、絡合、吸附或溶解，將土壤中重金屬分離浸提出來。

▲重金屬絡合富集過程示意圖

生物淋洗法近年來也發展出了微生物採礦，即將礦石用菌落混合液衝刷。在微生物釋放的無機或有機酸下，礦物發生溶解，並且與微生物產生相互作用。人們從而能從浸出液中萃取銅、金、稀土等有價值的元素。目前，美國約15%的銅和5%的金是利用微生物開採的。

微生物採礦在地球上已經成為現實，人類能否派遣這些小東西去條件艱苦的外太空，完成稀土開採等任務呢？

02

為什麼選它們

歐洲空間局去年為此在國際空間站上做了個生物巖石實驗（BioRock），實驗考察了三種細菌，分別是鞘氨醇單胞菌、枯草芽孢桿菌和耐金屬貪銅菌。採集對象則是玄武巖，這是因為，月球和火星表面的大部分物質與之類似。

▲月球上深色部分稱為月海，物質成分約等於玄武巖

微生物種類這麼多，科學家為什麼偏偏就挑中這三位呢？

首先，它們都具備極頑強的生存能力，能夠忍受高度貧營養環境和惡劣環境，靠著特殊的代謝調控機制以適應多變的環境，例如飢餓、嚴寒、強紫外線等。

鞘氨醇單胞菌被發現在紫外線直射的南極洲冰層下生存。

枯草芽孢桿菌會在生長環境惡劣、營養物質缺乏等不適宜的環境下進入孢子休眠期，並且形成具有極強抗逆作用、在高溫、酸鹼等極性環境下亦可生存的芽胞，從而適應環境得以生存。

而耐金屬貪銅菌憑藉「天然鍊金術」特異功能在近幾年被人們所了解，銅是耐金屬貪銅菌的重要微量元素之一，細菌轉換銅的過程中，為了確保更少的金化合物進入細胞內，會釋放一種酶，使難以吸收的有毒黃金化合物於細胞內部轉變為幾納米大小的無毒金塊。

▲微量黃金在耐金屬貪銅菌內部構成

03

太空採礦不是夢

原料有了，微生物「工具人」也齊了，可萬一到了外太空，菌們認出來不是地球罷工了怎麼辦？

如果搬到太空環境裡，重力可能是個變量。我們不知道細菌等原核生物能否直接感知重力，但微重力環境下熱對流和沉降條件的改變，確實關係到養分和廢物的混合情況，從而影響微生物的生長和代謝。

歐洲空間局去年為此在國際空間站上做了個生物巖石實驗（BioRock），檢驗了生物淋洗法在微重力、模擬火星重力和地球重力三種重力條件下的潛力，相關成果發表在《自然-通訊》上。

▲太空人盧卡·帕爾米塔諾正在研究BioRock（ESA攝）

▲生物巖石實驗（BioRock）工作示意圖

▲生長在玄武巖上的鞘氨醇單胞菌

研究團隊測量了這些細菌從玄武巖中浸出的14種不同稀土元素的含量。他們發現，鞘氨醇單胞菌在三種重力條件下都能讓玄武巖浸出稀土元素，浸出率相差不大。玄武巖中含量最豐富的稀土元素的浸出率最高，例如鈰和釹的浸出率約為70%。

另兩種細菌的浸出率或是在低重力條件下減少，或是在任何實驗條件下都無法浸出稀土元素。

事實證明，會「鍊金術」也不一定能煉土，鞘氨醇單胞菌勝出！

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，但在太空和類似火星的重力條件下是可以存在的。

論文表示，這項研究也增進了我們對太空中微生物與礦物相互作用的理解，涉及到許多移居外星所需的技術。例如，如何用貧瘠巖石製造土壤？如何在外星表土中維持微生物生存？如何利用微生物來生產燃料電池和建築材料？

主要參考文獻：

Aerospace Research - Space Stations; Researchers from University of Edinburgh Discuss Research in Space Stations (No Effect of Microgravity and Simulated Mars Gravity on Final Bacterial Cell Concentrations on the International Space Station: Applications to Space Bioproduction)[J]. Biotech Week,2020.

BioRock: new experiments and hardware to investigate microbe–mineral interactions in space[J]. International Journal of Astrobiology, 2017. 1- 11

Bütof L, Wiesemann N, Herzberg M, et al. Synergistic gold-copper detoxification at the core of gold biomineralisation in Cupriavidus metallidurans.. 2018, 10(2):278-286.

Antoine Buetti-Dinh, et al."Systems biology of acidophile biofilms for efficient metal extraction." Scientific Data 7.1(2020)

胡杰,何曉紅,李大平,劉強.鞘氨醇單胞菌研究進展[J].應用與環境生物學報,2007(03):431-437.

周亞妮.淺談枯草桿菌的特性及其應用[J].黔南民族醫專學報,2010,23(02):84+88.