細菌：太空采礦的好幫手

李忠東

地球資源在枯竭

人類對自然資源的消耗超出了資源再生速度，而自然環(huán)境的自潔能力也跟不上人類排放污染的速度。據(jù)美國環(huán)保機構“全球生態(tài)足跡網(wǎng)絡”發(fā)布的歷史數(shù)據(jù)，20世紀60年代，世界上大多數(shù)國家呈現(xiàn)生態(tài)盈余，直到20世紀70年代，“地球透支日”開始出現(xiàn)。“地球透支”的概念最早由“全球生態(tài)足跡網(wǎng)絡”提出，是指在一年內(nèi)，人類對地球自然資源的消耗量超過了地球自然資源的再生總量。“地球透支日”是不確定的。隨著人口的不斷增加，人類對于自然資源的消耗也在不斷增加，“地球透支日”每年都在提前。從1986年起，大約每過10年，“地球透支日”就會提早一個月到來。如1993年的“地球透支日”為10月21日，2003年的是9月22日。2018年的“地球透支日”是8月1日，2019年提前到7月29日，成為史上最早的“地球透支日”。換句話說，從2019年7月29日開始，人類在當年使用的資源都是向2020年“借”的。年度資源總量用完時間的不斷提前，反映了人類對于自然資源的索取正在不斷加劇。而對未來自然資源的不斷透支，損害了地球的生物承載力。按照目前的消耗速度，每年需要1.75顆地球的資源才能滿足人類需求。人類如果想要在2050年前實現(xiàn)地球自然資源消耗量和地球自然資源再生總量的平衡，未來每年都要將“地球透支日”延遲5天。

對礦產(chǎn)資源的過度和不合理的開發(fā)，給地球生態(tài)環(huán)境帶來負面影響。有關資料表明，按照目前人類對地球資源的估算，現(xiàn)在剩余的資源僅能供應人類使用幾百年便會枯竭。例如黃金，大部分在地球形成之際都沉降在了很深的地下。目前，世界上有些金礦已經(jīng)開采到了距地面3.6千米以下的深度，開采難度大且成本高。截至目前，全球已探明的主要金屬與非金屬礦產(chǎn)資源儲量為1450億噸，按目前的開采速度計算，銅、鋁、鎳和錫可供開采的年限分別為22年、164年、77年和28年，許多不可再生的稀有金屬資源僅可供人類使用10來年。以鉑為例，全世界所有的鉑金屬在15年內(nèi)就會用光。這種稀有金屬無法合成，一用完，將不會再有獲取的辦法。同樣的事情還發(fā)生在了很多其他稀有金屬上。隨著礦物資源的不斷消耗，未來，44種瀕危元素將在地球上出現(xiàn)供應短缺。

太空寶藏知多少

月球、火星和很多小行星都富含金屬，這使得人類對那些主要用于制造電子設備和其他產(chǎn)品的稀有金屬的持續(xù)獲取有了可能。它們在地球上很難找到，而其中部分元素的數(shù)量在太空中幾乎是無限的。科學家設想，在將來的某一天，所有重工業(yè)和采礦業(yè)都要“移師太空”，地球上只進行與生活有關的活動。

以目前的科學技術水平，要實現(xiàn)太空采礦，首先需要選擇好采礦的星球。月球是未來人類探索太空的中轉站，科學家通過月球探測軌道飛行器對月球隕石坑的分析，發(fā)現(xiàn)月球地下蘊藏著高含量的鐵和鈦等金屬，估計達到了驚人的萬億噸。此前“阿波羅登月計劃”采集的數(shù)據(jù)表明，月球的“氨-3”資源總量達到了100萬～500萬噸，而“氨-3”是一種如今已被世界公認的下一代高效、清潔、安全和廉價的核聚變發(fā)電燃料。此外，研究人員曾使用中性氣體和離子質(zhì)譜儀在火星上部大氣層檢測到鐵、鎂和鈉離子，這是史上第一次有確鑿證據(jù)表明，金屬離子可以持久地存在于地球以外的另一個行星上。

除了火星和月球，小行星豐富的礦物和金屬藏量也很引人注目。小行星是指太陽系內(nèi)環(huán)繞太陽運動、類似行星但體積和質(zhì)量比行星要小得多的天體。98.5%的小行星位于太陽系內(nèi)介于火星和木星軌道之間的小行星帶上。在這個相當廣袤的區(qū)域內(nèi)，已經(jīng)被編號的小行星有120437顆。根據(jù)構造，小行星可以分為S型、C型和M型。其中，S型小行星的主要成分為硅酸鹽礦物和大量的冰;C型小行星由碳質(zhì)化合物與水冰構成;M型小行星的數(shù)量沒有前兩者多，但它們的主要成分是純凈的金屬。以神秘的小行星“16 Psyche”為例，它的直徑超過200千米，距離地球大約3.7億千米，是一個鐵、鎳和稀有金屬（包括金、鉑和銅）組成的大型金屬體，屬于M型小行星。據(jù)估算，“16 Psyche”的金屬總價值超過全球所有流通貨幣的總值。美國宇航局計劃在2022年發(fā)射一個無人探測器去探訪小行星“16 Psyche”。研究人員認為，它可能是一個早期行星的外露核心。包括地球在內(nèi)的行星，在巖石深處都存在著金屬核心。如果科學家們的猜測是正確的，探索這顆小行星將幫助他們理解行星或其他天體在早期的形成過程中是如何分層的，比如地球的地核、地幔和地殼的形成過程。

生物采礦效果好

如果人類想進一步探索太陽系并在其他衛(wèi)星和行星上建立定居點，就需要找到一種在原地開采礦物和金屬的方法。科學家正在研究進行太空生物采礦的可行性。生物采礦技術擁有良好的前景，其基本原理是將礦石放入裝有水和細菌的容器中，利用細菌萃取巖石中包含的特定金屬。細菌參與巖石的自然風化和破壞，釋放出其中所含的礦物質(zhì)，同時還能夠幫助凈化污染的土壤。生物采礦完全依賴于生物有機體的自然作用，能更好地從先前認為不可用的低品位礦石和尾礦中提取礦物。雖然它比傳統(tǒng)采礦花費的時間長，但由于不需要破碎礦石的機械操作，操作系統(tǒng)比較簡單，需要的經(jīng)費也少，特別有利于開采礦脈深、品位低的礦石。

生物采礦包括生物浸出法和生物氧化法兩種不同的提煉技術。傳統(tǒng)的從銅礦中提取銅的方法，依賴于在極高溫度下使用有毒化學物質(zhì)，會造成環(huán)境破壞和疾病等問題。目前，世界上大約20%的銅提取自生物浸出法。人們將低品位礦石傾倒在“浸出堆”中，并用弱硫酸洗液浸泡礦石。接下來，與礦石硫化物基質(zhì)的酸反應促使氧化亞鐵硫桿菌生長，從而降解礦石并釋放金屬或礦物沉淀。富含礦物質(zhì)的液體被收集并分離，剩余的硫酸可重新用于下一個浸出循環(huán)。生物氧化法則廣泛應用于從含金難熔礦石中提取黃金。這種工藝能夠減少開采黃金時對氰化物的依賴。據(jù)統(tǒng)計，地球上5%的黃金是利用細菌開采的。

十幾年來，英國愛丁堡大學天體生物學家查爾斯·科克爾領導的一個研究團體一直在開發(fā)利用細菌在月球或火星上進行采礦作業(yè)的新技術。他們設計了一種只有小型火柴盒大小、被叫作“生物開采反應器”的裝置，可以輕松地運輸并安裝在國際空間站上。每個生物開采反應器都包含一種細菌溶液，一小塊含有可以被微生物分解出礦物元素的玄武巖浸沒在該溶液中。

2019年7月底，査爾斯·科克爾研究團隊的這項名為“生物巖石”的實驗搭乘美國太空探索技術公司的“龍”飛船抵達國際空間站，進行低地球軌道實驗。科學家通過18個生物開采反應器測試細菌在太空微重力，甚至無重力環(huán)境下采礦的可行性。為了明確細菌從玄武巖中提取14種不同稀土元素的效率，以及能否對月球或火星上的巖石產(chǎn)生同樣的風化作用，國際空間站宇航員將鞘氨醇單胞菌、枯草芽孢桿菌和貪銅桿菌的分離溶液分別放置在模擬火星重力、模擬地球重力和微重力的環(huán)境下進行實驗，用3周的時間評估了不同重力條件下3種不同細菌的生物開采潛力。在國際空間站進行實驗的同時，地球上也進行了普通重力條件下的對照實驗。

研究結果表明，只有鞘氨醇單胞菌在3種重力狀態(tài)下都從玄武巖中浸出了稀土元素，能夠使生物開采反應器中的礦物有效提取率提高111.9%～429.2%。其中，稀土元素中含量最豐富的鈰和釹浸出率最高，達到70%。而枯草芽孢桿菌和貪銅桿菌在低重力下均表現(xiàn)出浸出效率降低或根本無法提取稀土元素。這說明，雖然細菌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仍能繼續(xù)存在，以幫助人類尋找在太空中生存所必需的材料。

“生物巖石”實驗為整個太陽系中生物采礦技術的可行性提供了支持，相信這項技術能夠幫助人類在未來殖民于其他星球過程中發(fā)揮更大的作用。

（摘自《科學畫報》2021年第6期）