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最小的太空矿工!合成生物学或改造微生物提高采矿能力

生辉SciPhi | 专注于生命科学产业 2022/01/21 09:41

生物采矿是一种利用微生物从岩石和土壤中提取有价值元素的过程。目前它已在地球上成为现实,大约 20-25% 的铜和 5% 的黄金是通过生物采矿获得的,除此之外,微生物还可以直接从矿石中提取锌、镍、钴、铀等其他元素。

那么如果我们也利用微生物从太空中的岩石和土壤获取所需元素,当有天人类移民太空时,是不是就需要相对较少的能源,且可以减少从地球进口材料的需要。科学家们正努力让这一想法变成现实。

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图丨生物采矿的主要类型和机制,以及考虑到火星、月球和小行星的一般表面组成和矿物质含量,它们的潜在空间适用性。(来源:研究论文)

2019 年 ,英国爱丁堡大学的 Charles S. Cockell 和同事就研发出微生物太空采矿设备,该设备于同年 7 月被送往国际空间站,在低重力环境下测试。宇航员在空间站把月球和火星表面常见的玄武岩小石块放入这些装置,浸泡在微生物溶液中,三星期后,这些玄武岩石块被送回地球进行分析。该实验研究低重力环境是否影响微生物从岩石中提取矿物质的能力,以及微生物在太空中如何生长并形成生物膜、低重力条件对生物膜的影响等。

2020 年,该团队宣布已成功利用细菌(鞘氨醇单胞菌)从玄武岩中提取稀土矿物,并在低重力环境下,采矿提炼的能力大大提升了 4 倍多。 它的成功表明了生物采矿的真正潜力:利用微生物在月球、火星和其他地方提取有用的材料,从而维持太空移民需要。

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图丨生长在玄武岩上的鞘氨醇单胞菌,该细菌可以浸出稀土元素(来源: Nature

近日,Charles S. Cockell 、其同事 Rosa Santomartino 以及来自科罗拉多大学航空航天工程助理研究教授 Luis Zea 在 Extremophiles 杂志上共同发表了一篇名为“ The smallest space miners: principles of space biomining ”的文章,揭示了太空生物采矿的原理。

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(来源: Springer Link

文章表示任何生物采矿都需要液态水,并且需要在可以控制内部条件的复杂生物反应器中进行。生物反应器会保护微生物免受有害辐射、提供氧气、保持内部压力并保持合适的温度,装入风化层和岩石后,可以根据材料类型和用户寻求提取的元素添加微生物。一定时间后,打开生物反应器,取出里面的材料备用。

由于生物工程近年来取得的重大进展,可以对微生物进行工程改造以提高其生物采矿能力。 “虽然合成生物学在生物采矿中的应用还处于初级阶段,但改善对太空条件的抵抗力、增强在这些条件下的元素提取或克服问题的方法可能是太空生物采矿的绝佳机会。”Cockell、Santomartino 和 Zea 在文章中写道。

事实上,早在 2011 年,Cockell 就在 International Journal of Astrobiology 杂志上发表关于合成地球微生物学的看法,提供了太空中三个地球微生物学挑战的例子:通过生物岩石风化和/或使用风化层作为生命支持系统原料的地外风化层形成土壤、来自岩石的元素的生物提取(生物采矿)和其他行星表面的生物固化和灰尘控制,讨论了这三种应用中合成生物学的使用,可用于合成地球微生物学中使用的生物体的一般设计通用原则。

近年来,随着科技的进步,人类想要在太空中生活的愿景或许已不再是空想,如果我们希望长期留在太空,那么解决生物采矿问题似乎势在必行。维持来自地球的恒定供应线非常费力且危险,但生物采矿有可能使太空移民实现自给自足。


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