去年 7 月，馬斯克的 SpaceX 龍飛船將 18 個(gè)裝有火山巖和微生物（細(xì)菌）的微型反應(yīng)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(huán)境下進(jìn)行 “生物采礦” 的可行性。
其中，每一個(gè)微型反應(yīng)堆內(nèi)都裝有一種常見于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(gè)星期后會(huì)被送回地球進(jìn)行分析。

11 月 10 日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然－通訊》（Nature Communications）雜志上，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，微生物可以在零重力條件下浸出巖石中具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的稀土元素（Rare Earth Element，REE）。這一研究發(fā)現(xiàn)，讓人類利用微生物在宇宙中其他星球進(jìn)行 “生物采礦” 成為可能。

（來源：Nature Communications）

據(jù)論文描述，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將研究低重力環(huán)境是否影響微生物從巖石中提取礦物質(zhì)的能力，以及微生物在太空中如何生長并形成生物膜、低重力條件對(duì)生物膜的影響等。

對(duì)于這項(xiàng)研究工作，英國天體生物學(xué)家、英國愛丁堡大學(xué)物理與天文學(xué)學(xué)院天體生物學(xué)教授、英國天體生物學(xué)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(wù)于人類太空探索和太空移民等工作，比如應(yīng)用于采礦業(yè)、將巖石變成月球和火星土壤等�！�

“太空采礦” 商業(yè)價(jià)值巨大

一直以來，隨著人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)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(jīng)成為了美日等各個(gè)國家競相爭奪的目標(biāo)。

近年來，科學(xué)家一直在研究利用細(xì)菌開采小行星金屬礦藏的可行性，這種開采方式的成本低于常規(guī)手段，他們甚至認(rèn)為，只需將水和細(xì)菌傾瀉到巖石上，就能得到金屬。

今年 4 月，美國總統(tǒng)特朗普簽署了一份行政命令——《太空資源開采和使用的國際支持保障》，為將來美國進(jìn)入太空，尤其是前往月球和小行星開采太空資源正式確立了政策，并指出美國政府有權(quán)探索和開采外太空的資源，而且并不認(rèn)為外太空的資源應(yīng)由各國共享，開采前也不需要征得其他國家同意。

為何太空資源如此重要？事實(shí)證明，太空采礦具有巨大的經(jīng)濟(jì)前景。太空中的很多小行星富含金屬（比如用于制造電子設(shè)備的稀有金屬），但這些金屬卻很難在地球上找到。同時(shí)，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(yùn)載火箭。

就拿稀土資源來說，無論是在制造芯片、智能手機(jī)方面，還是在制造電動(dòng)汽車等高科技產(chǎn)品的過程中，是否擁有充足的可開采稀土資源，對(duì)于一個(gè)國家而言至關(guān)重要。

由于具有獨(dú)特的磁性和催化性能等特點(diǎn)，稀土元素現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電腦屏幕等電子設(shè)備生產(chǎn)和其他高科技領(lǐng)域應(yīng)用，以及石油化工、冶金、機(jī)械、能源、輕工、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，并用來生產(chǎn)超導(dǎo)材料、磁致伸縮材料、磁致冷材料、磁光存儲(chǔ)材料、光導(dǎo)纖維材料、熒光材料、稀土金屬氫化物電池材料、電光源材料、永磁材料、儲(chǔ)氫材料、催化材料、精密陶瓷材料、激光材料等。

但是，開采稀土元素不僅難度大，而且成本高，未來也可能會(huì)供不應(yīng)求。一直以來，人類希望在地外星球找到 “第二個(gè)地球” 來居住或開采稀有資源，在這一探索過程中，找到一種可以在地球之外進(jìn)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(fēng)化為土壤以及促進(jìn)生物圈中元素的循環(huán)等。同時(shí)，微生物也被用于各種工業(yè)和制造業(yè)過程，微生物可以提高從巖石中提取有價(jià)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(duì)環(huán)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凈化被污染的土壤。

同樣，細(xì)菌和真菌等異養(yǎng)微生物可以在近中性或堿性環(huán)境下，通過釋放有機(jī)酸來改變周圍環(huán)境的 pH 值等方式，實(shí)現(xiàn)有效的生物浸出，比如微生物已經(jīng)被用來開采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(xiàng)工作。

這種細(xì)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(shí)驗(yàn)來評(píng)估 3 種細(xì)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采礦潛力。
研究人員通過將微重力作為可能的最低重力水平進(jìn)行研究，來探討缺乏沉降作用對(duì)生物浸出的影響，同時(shí)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(jìn)行工業(yè)生物采礦的可行性。

圖｜位于太空艙內(nèi)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。其中，圖 a 中的兩個(gè)培養(yǎng)室中充滿了培養(yǎng)液；圖 b 為培養(yǎng)室的橫截面；圖 c 為浸泡在培養(yǎng)液中的玄武巖；圖 d 為正在做實(shí)驗(yàn)的歐洲航天局宇航員（來源：該研究論文

研究人員表示，“我們將通過實(shí)驗(yàn)首次了解微生物在微重力和模擬火星重力環(huán)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(huì)影響微生物附著在巖石表面并進(jìn)行生物采礦的能力。也就是說，利用微生物在地外星球進(jìn)行生物采礦的想法是否可行。”

圖 ｜ 被染成熒光綠色的 Sphingomonas desiccabilis 生長于玄武巖上（來源：該研究論文）

他們測量了 3 種細(xì)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(shí)，他們也在地球普通重力條件下開展了相關(guān)的平行實(shí)驗(yàn)。

他們發(fā)現(xiàn)，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(xì)菌在不同生物采礦環(huán)境下的適用性。而且，Sphingomonas desiccabilis 對(duì)玄武巖中含量最多的稀土元素的浸出率最高，比如對(duì)鈰（Cerium）和釹（Neodymium）的浸出率達(dá)到了 70％ 左右；而 Bacillus subtilis 和 Cupriavidus metallidurans 兩種細(xì)菌物種的浸出率，要么在低重力條件下相較于地球普通重力條件下降低，要么在任何實(shí)驗(yàn)條件下都無法浸出稀土元素。

圖 ｜ 在生物實(shí)驗(yàn)和非生物控制實(shí)驗(yàn)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濃度的相對(duì)差異（來源：該研究論文）

以上結(jié)果表明，雖然微生物的生物采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(shí)，據(jù)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(xué)成分）的巖石就含有異常高濃度的稀土元素。

研究人員認(rèn)為這一研究成果可能反映了在月球重力作用下進(jìn)行生物采礦的潛力，并建議在月球上的風(fēng)暴洋（Oceanus Procellarum）和雨海（Mare Imbrium）地區(qū)，建立稀土生物采礦設(shè)施，在那里，KREEP 巖石異常豐富。

雨海是月球上布滿整個(gè)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。雨海盆地形成于后期重轟炸期階段一顆原行星的碰撞，后來涌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(fēng)暴洋是月球近月面西側(cè)，形成于31－35億年前的一座巨大的月海。由于面積最大，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(dá)2500公里以上，其范圍約400萬平方公里。

此外，這一研究成果也可以應(yīng)用到其他對(duì)原位資源利用（In－Situ Resource Utilisation，ISRU）具有經(jīng)濟(jì)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(shí)驗(yàn)顯示了在低重力小行星環(huán)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(chǔ)存和使用在其他天文物體上發(fā)現(xiàn)或制造的材料，以代替原本從地球帶走的材料的做法。ISRU可以為航天器的有效載荷或太空探索人員提供生命支持材料，推進(jìn)劑，建筑材料和能源�，F(xiàn)在，對(duì)于航天器和機(jī)器人行星表面任務(wù)來說，以太陽能電池板的形式利用就地發(fā)現(xiàn)的太陽輻射已非常普遍。

除了在地外星球采礦，了解微生物與礦物在太空環(huán)境下的相互作用，還有助于：

將貧瘠巖石“轉(zhuǎn)變”為土壤；形成具有固炭、固氮等功能的生物土壤結(jié)皮；使用風(fēng)化層作為生態(tài)系統(tǒng)的原料；使用風(fēng)化層作為生物燃料；以及礦物建筑材料的生產(chǎn)。

這就需要我們了解，微生物如何在太空環(huán)境下附著在巖石和風(fēng)化層表面并與發(fā)生相互反應(yīng)，以及微生物在不同星球、不同重力環(huán)境下的離子浸出和礦物降解變化。而此次實(shí)驗(yàn)證明了微生物和礦物相互作用在推進(jìn)建立在地球之外可自我維持的永久人類生存環(huán)境，以及實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)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(shí)驗(yàn)旨在幫助人類和微生物界建立一個(gè)新的太空聯(lián)盟，人類在微生物的 ‘幫助’ 下實(shí)現(xiàn)在宇宙中永久存在�！�

接下來，他們將繼續(xù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)，以提高整體工藝水平和反應(yīng)器規(guī)模。也許在不久的將來，人類可以借助地外星球的本地資源，建成第二個(gè) “地球”。