微生物矿工可以帮助人类殖民月球和火星

蓝藻从智利阿塔卡马沙漠的岩石中获取营养的生化过程激发了加州大学欧文分校的工程师思考微生物可以帮助人类在月球和火星上建立殖民地的新方法。

UCI材料科学与工程系和约翰霍普金斯大学生物系的研究人员使用高分辨率电子显微镜和先进的光谱成像技术来精确了解微生物如何改变天然存在的矿物质和合成制造的纳米陶瓷。根据科学家的说法，一个关键因素是蓝藻产生生物膜，溶解石膏岩石中的磁性氧化铁颗粒，随后将磁铁矿转化为氧化赤铁矿。

该团队的研究结果是最近发表在《今日材料生物》(Materials Today Bio)杂志上的一篇论文的主题，可以为新的仿生采矿方法提供一条途径。作者还表示，他们认为这些结果是朝着在大规模3D打印或增材制造中使用微生物迈出的一步，这种规模在恶劣环境中的土木工程中很有用，例如在月球和火星上。

“通过经过数百万年进化的生物过程，这些微小的矿工挖掘岩石，提取对生理功能(如光合作用)至关重要的矿物质，使它们能够生存，”通讯作者David Kisailus说，UCI材料科学与工程教授。“人类能否使用类似的生化方法来获取和操纵我们认为有价值的矿物质?这个项目引领我们走上了这条道路。

阿塔卡马沙漠是地球上最干燥，最荒凉的地方之一，但约翰霍普金斯大学团队在那里收集的石膏样本中发现的一种蓝细菌Chroococcidiopsis已经开发出“最惊人的适应在其岩石栖息地生存，”共同作者，巴尔的摩大学生物学副教授Jocelyne DiRuggiero说。

“其中一些特征包括产生吸收远红光子的叶绿素以及从周围矿物质中提取水和铁的能力，”她补充说。

使用先进的电子显微镜和光谱仪器，研究人员通过观察石膏中所含的矿物质是如何转化的，发现了石膏中微生物的证据。

“蓝藻细胞通过产生丰富的细胞外聚合物物质来促进磁铁矿溶解和铁溶解，导致磁铁矿溶解和氧化为赤铁矿，”DiRuggiero说。“在磁铁矿纳米颗粒存在下，铁载体[由细菌和真菌产生的铁结合化合物]的生产得到增强，这表明蓝藻利用它们从磁铁矿中获取铁。

Kisailus说，微生物在他们荒凉的家中处理金属的方式让他想到了我们自己的采矿和制造实践。

“当我们开采矿物时，我们经常会得到可能给提取有价金属带来挑战的矿石，”他说。“我们经常需要对这些矿石进行极端加工，以将其转化为有价值的东西。这种做法可能会在金钱和环境上付出代价。

Kisailus说，他现在正在考虑一种生化方法，使用天然或合成的铁载体，酶和其他分泌物来操纵目前只有大型机械破碎机工作的矿物质。他说，从这里开始，还可以有一种方法让微生物利用类似的生化能力，在不方便的地方按需生产工程材料。

“我称之为'月球形成'而不是地球化，”Kisailus说。“如果你想在月球上建造一些东西，而不是花钱让人们做，我们可以让机器人系统3D打印介质，然后让微生物将其重新配置成有价值的东西。这可以在不危及人的生命的情况下完成。

他补充说，人类并不总是需要使用爱迪生方法来弄清楚如何做事。

“这是我的仿生学和纳米结构材料实验室的主题。当大自然经过数亿年完善它时，为什么要尝试重新发明轮子呢?”基赛鲁斯说。“我们只需要提取大自然所做的事情的秘密和蓝图，并应用或调整它们以满足我们的需要。

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