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(guó)際空間站。此行的目的很簡(jiǎn)單——測(cè)試不同微生物在太空微重力、甚至無(wú)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(jiàn)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(lái)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(zhǎng)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(guó)天體生物學(xué)家、英國(guó)愛(ài)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(guó)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(zhǎng)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(lái)，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(wèn)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(guó)家競(jìng)相爭(zhēng)奪的目標(biāo)。

近年來(lái)，科學(xué)家一直在研究利用細(xì)菌開(kāi)采小行星金屬礦藏的可行性，這種開(kāi)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(guó)總統(tǒng)特朗普簽署了一份行政命令——《太空資源開(kāi)采和使用的國(guó)際支持保障》，為將來(lái)美國(guó)進(jìn)入太空，尤其是前往月球和小行星開(kāi)采太空資源正式確立了政策，并指出美國(guó)政府有權(quán)探索和開(kāi)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(guó)共享，開(kāi)采前也不需要征得其他國(guó)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(lái)建造空間站和空間探測(cè)器的重要金屬材料來(lái)源，這就意味著人類未來(lái)或許可以直接在太空建造空間站和探測(cè)器，而無(wú)需使用昂貴的重型運(yùn)載火箭。

就拿稀土資源來(lái)說(shuō)，無(wú)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(guò)程中，是否擁有充足的可開(kāi)采稀土資源，對(duì)于一個(gè)國(guó)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(lái)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(kāi)采稀土元素不僅難度大，而且成本高，未來(lái)也可能會(huì)供不應(yīng)求。一直以來(lái)，人類希望在地外星球找到 “第二個(gè)地球” 來(lái)居住或開(kāi)采稀有資源，在這一探索過(guò)程中，找到一種可以在地球之外進(jìn)行簡(jiǎn)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)釋放有機(jī)酸來(lái)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(lái)開(kāi)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(jiǎn)單

在此次研究中，研究人員通過(guò)在國(guó)際空間站上開(kāi)展一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)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(guò)將微重力作為可能的最低重力水平進(jìn)行研究，來(lái)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(lái)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(lái)源：該研究論文

研究人員表示，“我們將通過(guò)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(zhǎng)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(shuō)，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(zhǎng)于玄武巖上（來(lái)源：該研究論文）

他們測(cè)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(jiàn)）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(kāi)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(wú)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(lái)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(yáng)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(lái)涌出的玄武巖熔巖淹沒(méi)了這一巨型坑，形成今天所見(jiàn)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(wàn)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(zhǎng)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(lái)說(shuō)，以太陽(yáng)能電池板的形式利用就地發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)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(wú)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(lái)，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(lái)，人類可以借助地外星球的本地資源，建成第二個(gè) “地球”。