重新發(fā)明“煉金術(shù)”！只靠微生物，就能發(fā)財了？

微生物雖然肉眼不可見，但它們卻在我們的日常生活中起著極為重要的作用。比如，我們自古以來就會自覺或不自覺地將微生物使用在我們的食品中，酸奶、腐乳、泡菜等等發(fā)酵食品就是最好的例子。

酸奶就是微生物發(fā)酵的功勞

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但其實在現(xiàn)代工業(yè)中，微生物能做的遠(yuǎn)不只滿足人類的口腹之欲——在現(xiàn)代科技的幫助下，我們可以用微生物編織出我們身上的衣服（微生物纖維素）、熔鑄出我們常用的工具（微生物塑料）、榨取出充當(dāng)能源的各種油脂（微生物燃料），甚至可以幫助我們從不起眼的礦石中提黃金。

微生物和黃金在常人的認(rèn)知中，似乎是風(fēng)馬牛不相及的，那細(xì)菌是如何“煉金”的呢？

煉金的本質(zhì)是什么？

要解答這個問題，我們需要先搞明白“煉金”的本質(zhì)是什么。

和鐵、銅、鋁等主要以化合物形式儲藏在礦石中的金屬不同，由于金的化學(xué)性質(zhì)很不活潑，其不容易與環(huán)境中常見的氧氣、二氧化碳、水乃至弱酸/弱堿反應(yīng)，因此我們在巖礦中勘探到的黃金幾乎都是純凈的金元素。但這些金散落于整個金礦層的其他巖石成分中，很少能夠像挖化石一樣直接開采出比較大的金塊。

因此，煉金實際上就是通過一些方法把這些分散的金從礦石中“抓”出來，再使其重新“結(jié)晶”成金塊或金粒的過程。

在實際操作中，往往需要大量金礦石才能提取出少量黃金，唐代詩人白居易的詩句“披砂復(fù)鑿石，矻矻無冬春”描述的就是當(dāng)時開采金銀的不易。

采出的金礦石，需要將其磨成細(xì)粉后在水中淘洗，利用金密度大，不容易隨水流失的特點達(dá)到篩選富集黃金的目的。

近現(xiàn)代煉金工業(yè)中會加入一些化學(xué)試劑來協(xié)助開采過程，化學(xué)試劑中就包括劇毒的氰化鈉，因此傳統(tǒng)的煉金工業(yè)是污染比較大的工業(yè)門類。

微生物也能成為“煉金術(shù)師”

黃金的開采和冶煉流程極為復(fù)雜，因此能直接發(fā)掘得到的自然金——狗頭金，尤為珍貴，地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為，這些狗頭金應(yīng)當(dāng)是金礦石中的黃金微粒被溶解為金離子后二次結(jié)晶形成的，但具體的機制很長一段時間以來都沒有被破解。

自然金在極少數(shù)情況下會以狗頭金形式出現(xiàn)

圖片來源：Wikipedia

2006 年，《科學(xué)》雜志上刊登了澳大利亞阿德萊德大學(xué)教授弗蘭克·里斯（Frank Reith）領(lǐng)導(dǎo)的一項研究，該研究通過分子生物學(xué)技術(shù)在澳大利亞自然金表面檢測到了生物成分，并在其中鑒定出 30 種細(xì)菌的 DNA，其中一種被稱為金屬羅爾斯通菌（Ralstonia metallidurans）的細(xì)菌在所有 DNA 陽性金粒上均有發(fā)現(xiàn)，且在自然金周圍的土壤中并不存在。

緊接著，研究人員在這種細(xì)菌的培養(yǎng)物中加入含有金離子的溶液，隨后觀察到了明顯的金沉淀現(xiàn)象，由此證明這些細(xì)菌參與了自然金的形成。在之后的許多年里，來自世界其他地區(qū)的研究也支持了這一觀點，并且在當(dāng)?shù)氐淖匀唤鹬邪l(fā)現(xiàn)了更多種類的“煉金微生物”。

為什么微生物可以？

令科學(xué)家們費解的是，金不是營養(yǎng)物質(zhì)，不能為細(xì)菌提供能源，不參與細(xì)菌正常的生命活動，甚至對細(xì)菌來說，金離子還是有毒的，那“煉金微生物”們?yōu)槭裁磿奂阶匀唤鸨砻嫔?，還要參與沉積黃金呢？

事實上，自然界的各種生物與其說是生活在“最適合”的環(huán)境中，不如說是生活在“最有優(yōu)勢”的環(huán)境中，“煉金微生物”們之所以選擇在金塊上生活，并參與“建設(shè)”金塊，就是因為只有它們能夠耐受金的毒性，而其他微生物不會來和它們爭奪生存空間和周圍的營養(yǎng)物質(zhì)。

2018 年，哈雷-維滕貝格馬丁路德大學(xué)的微生物學(xué)家迪特里?！·尼斯（Dietrich H. Nies）在《金屬組學(xué)》雜志上發(fā)表的文章揭示了“煉金微生物”的代表——耐金屬貪銅菌（Cupriavidus metallidurans）通過一種被稱為“CopA”的酶將細(xì)胞外的金離子轉(zhuǎn)化為難吸收的金顆粒，從而抵御金離子對自身細(xì)胞的侵害，在這個過程中產(chǎn)生了“煉金”的效果。單獨把“CopA”分離出來投放到金溶液中時，金粒子也會產(chǎn)生。

這項研究厘清了微生物參與天然金塊形成過程的機制，受到了生物化學(xué)領(lǐng)域和金屬冶金領(lǐng)域的特別關(guān)注。

黃金表面的耐金屬貪銅菌

圖片來源：Wikipedia

結(jié)語

“煉金微生物”們或許本來并不希望變得那么“金光閃閃”，但為了生存，它們選擇定居在富含黃金的環(huán)境下，努力進(jìn)化出了對抗黃金侵害的“盾牌”，這也使得在“微生物煉金”的秘密被揭開時，它們與對它們來說應(yīng)當(dāng)是“廢物”的黃金一樣受到矚目。

從另一個方面講，“微生物煉金”的發(fā)現(xiàn)宣示著天然金塊的冶煉似乎本就是微生物的作用，如果我們能將“微生物煉金”開發(fā)為一項能夠大規(guī)模應(yīng)用的實用技術(shù)，一定有助于解決當(dāng)前煉金工業(yè)存在的問題，推動人類社會更加綠色可持續(xù)發(fā)展。

參考資料

[1]Reith F, Rogers S L, McPhail D C, et al. Biomineralization of gold: biofilms on bacterioform gold[J]. science, 2006, 313(5784): 233-236.

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

策劃制作

出品丨科普中國

作者丨王錦鴻 中國科學(xué)院微生物研究所

監(jiān)制丨中國科普博覽

責(zé)編丨林林、金禹奮（實習(xí)生）