瞧！一大波細(xì)菌來了

厲壤

生活在地球上的我們，正在陷入麻煩的旋渦。

化石燃料、含碳量高的食品，正在對氣候造成破壞性影響;一次性塑料，逐漸淹沒陸地和海洋;無法用抗生素殺死的致病微生物，挑戰(zhàn)著公共衛(wèi)生安全……

但希望無處不在。近來有證據(jù)表明，我們可以通過將二氧化碳從大氣中去除，來減緩氣候變化的步伐;我們不需要大量的碳參與也能生產(chǎn)出高質(zhì)量的蛋白質(zhì);我們可以清理地球污染并降低抗生素耐藥性的影響。

細(xì)菌是醫(yī)者

這希望的締造者，就是與我們朝夕相伴的細(xì)菌。聽起來似乎不太可能，但這些不起眼的微生物，確有可能保障我們未來的健康和幸福。

現(xiàn)在，讓我們走進(jìn)世界各國的實(shí)驗(yàn)室，感受一下這些能夠消滅污染、吞噬廢物、產(chǎn)生能量并幫助人類保持健康的“小東西”。

細(xì)菌是有害的，它帶來了肺結(jié)核和霍亂等致命疾病。抗生素因?yàn)槟軌驓⑺兰?xì)菌，成了20世紀(jì)最重大的發(fā)明之一——事實(shí)上，在過去的80年中，僅“青霉素”就挽救了大約2億人的生命。

但細(xì)菌也可能是有益的。在每個(gè)人的皮膚和內(nèi)臟中，都有著數(shù)萬億有益細(xì)菌和其他微生物。這些“好細(xì)菌”不僅可以幫助我們從食物中攝取能量，而且有時(shí)可以保護(hù)我們免受致病的“壞細(xì)菌”的侵害——比如，當(dāng)好細(xì)菌占據(jù)了所有可用空間時(shí)，壞細(xì)菌就無棲身之所。

事實(shí)上，在人體內(nèi)，好細(xì)菌天然地“霸占”了可用空間。但是，長期服用抗生素的人使這一狀況發(fā)生了改變。該類藥物為了消滅諸如艱難梭菌（感染艱難梭菌可引起腹瀉、惡心和發(fā)燒等）等致病微生物，卻也無差別地殺死了腸道中的有益細(xì)菌。

現(xiàn)在，研究人員提出了一個(gè)令人驚訝的治療艱難梭菌感染的方法。那就是將來自健康志愿者的糞便樣本，轉(zhuǎn)移到患者的腸道中。這樣，糞便中包含的好細(xì)菌可能會(huì)通過擠占艱難梭菌的生存空間，從而將其“淘汰”。這些“糞便”還可以幫助治療其他疾病，但目前尚不清楚它是如何做到的。

此外，研究人員已經(jīng)對一些人類經(jīng)常打交道的細(xì)菌有了深入了解，將它們用于醫(yī)學(xué)中。比如，大腸桿菌現(xiàn)在對于研究人員就像一臺(tái)微型、可編程的生物計(jì)算機(jī)，可用于治療疾病。一些大腸桿菌的菌株可以找到腫瘤并在其內(nèi)部生長，使它們成為提供癌癥療法的合適載體。

美國紐約哥倫比亞大學(xué)的研究人員已經(jīng)開始展開實(shí)驗(yàn)，他們將額外的DNA植入大腸桿菌，使其能夠制造出稱為“納米抗體”的有效抗癌分子。該DNA還會(huì)促使大腸桿菌細(xì)胞在腫瘤中繁殖然后自毀，從而用制造出的納米抗體清洗癌組織。

當(dāng)該大腸桿菌被吞食，會(huì)以腫瘤為目標(biāo)發(fā)動(dòng)攻擊并將其摧毀。他們在小鼠中測試了該方法，并獲得了可喜的結(jié)果。

但是，用基因工程微生物治療人的做法存在道德和安全問題，受到法律法規(guī)的限制，目前尚無法對人類進(jìn)行試驗(yàn)。

細(xì)菌是非凡的化學(xué)家。它們不僅可以制造強(qiáng)大的抗癌藥物，還可以生產(chǎn)出可再生的生物燃料。

英國曼徹斯特大學(xué)的研究人員改造了一種被稱為“成纖維細(xì)胞活化蛋白（FAP）”的酶——這種酶存在于許多細(xì)菌中——使其可以通過發(fā)酵分解人類食物垃圾并產(chǎn)生丙烷氣體。丙烷可以用于運(yùn)輸燃料以及家庭取暖和烹飪。

利用細(xì)菌發(fā)電

這種利用細(xì)菌發(fā)酵的方式，還可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。大多數(shù)工業(yè)發(fā)酵系統(tǒng)是由鋼制成的，必須仔細(xì)消毒以確保無有害微生物進(jìn)入發(fā)酵罐，否則將導(dǎo)致效率低下。研究人員將FAP酶植入鹽單胞菌，鹽單胞菌是少數(shù)能夠在異常咸水中生存的微生物之一。由于鹽單胞菌發(fā)酵系統(tǒng)使用鹽水進(jìn)行操作，因此無需進(jìn)行昂貴的滅菌處理——因?yàn)槌}單胞菌之外，幾乎沒有其他細(xì)菌可以在鹽水中存活。

如此一來，即使在塑料等材料制成的廉價(jià)反應(yīng)器中也可以進(jìn)行發(fā)酵，從而使得投資成本大大減少。細(xì)菌還有其他幾種產(chǎn)生生物燃料的方式。其中一種方法涉及一些不尋常的細(xì)菌種類，它們通過吃掉并排泄電子來發(fā)電。在合適的環(huán)境中將電極貼在地面上，這些“電活性”細(xì)菌的菌落將開始在其周圍生長。

美國馬薩諸塞大學(xué)的研究人員將卵形孢子菌偏愛的“食物”——?dú)洌饾u從它們生存的環(huán)境里除去，并同時(shí)給它們提供充足的電力。慢慢地，這些微生物適應(yīng)了以電子而不是氫為食，然后利用電能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙酸鹽（一種商業(yè)上有吸引力的鹽，可以轉(zhuǎn)化為生物燃料或塑料）。這一過程被稱為“微生物電合成”，它具有比農(nóng)業(yè)更有效地生產(chǎn)生物燃料的潛力。這是因?yàn)榻o這一過程提供動(dòng)力的是太陽能電池板，與目前用于生產(chǎn)生物燃料的光合作用植物（如油菜籽）相比，這是一種更有效的捕獲太陽能的方法。

此外，一些電活性細(xì)菌會(huì)長出細(xì)小的導(dǎo)電毛發(fā)：研究人員拔掉了這些毛發(fā)，將它們夾在兩個(gè)導(dǎo)電金屬板之間，然后發(fā)現(xiàn)該設(shè)備會(huì)自發(fā)地發(fā)電。它們的“空氣發(fā)電”設(shè)備直接從空氣中汲取電能，顯然是利用了濕度的差異。這種“空氣發(fā)電”設(shè)備的性能，甚至超越當(dāng)今的商用太陽能電池板，因?yàn)檫@種設(shè)備在晚上也可以工作。

人類將污水視為廢物，細(xì)菌卻將其視為食物——這是它們在廢水處理廠中發(fā)揮關(guān)鍵作用的原因。但運(yùn)營這樣的工廠很昂貴：因?yàn)楸仨毷褂貌僮鞒杀靖甙旱臍獗脤U水進(jìn)行充氣，以此為分解廢物的好氧微生物供氧。

美國馬薩諸塞州“寒武紀(jì)創(chuàng)新公司”將改變這種情況。該公司開發(fā)了一種清潔工業(yè)廢水的方法，利用厭氧菌來分解廢物，從而節(jié)省了運(yùn)行空氣泵的成本。而且，這些厭氧菌例如地桿菌和希瓦氏菌，它們還是“電活性”微生物，在消耗水中的廢物后，它們排泄出的是電子和其他帶電粒子。也就是說，這些厭氧菌在分解廢物的同時(shí)還能發(fā)電！

使用微生物來處理廢水并同時(shí)發(fā)電的想法15年前就出現(xiàn)了，因?yàn)楣I(yè)廢水本身通常就是充滿能量的。例如，乳制品行業(yè)的廢水中一般富含碳水化合物和蛋白質(zhì)。但是將這個(gè)設(shè)想從實(shí)驗(yàn)室推廣到商業(yè)應(yīng)用非常困難，畢竟污水中的能量密度很低，為了獲得那點(diǎn)能量，反而需要消耗更多能源，很不劃算。現(xiàn)在寒武紀(jì)創(chuàng)新公司從厭氧微生物這里找到突破口，終于一舉兩得，既處理了污水又獲得了一定的能源。

細(xì)菌可以養(yǎng)活世界。

有些細(xì)菌可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的燃料，而有的細(xì)菌可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為適合人類食用的蛋白質(zhì)，后者這里統(tǒng)一稱為“氫營養(yǎng)菌”。

從某種意義上說，這并不奇怪。我們吃的植物或喂飼牲畜的植物之所以生長，是因?yàn)樗鼈儚奶栔形漳芰坎⑵滢D(zhuǎn)化為碳水化合物。嚴(yán)格來說，植物沒有進(jìn)化出將二氧化碳轉(zhuǎn)化為食物的能力：它們通過將光合細(xì)菌整合到細(xì)胞中形成葉綠體，而獲得了這項(xiàng)技能。

考慮到太陽能電池板在捕獲太陽能方面比光合作用的生物更有效，如果我們能夠利用太陽能來幫助細(xì)菌從二氧化碳中生成蛋白質(zhì)，就可以比以往更有效地種植食物。

芬蘭一家名為“太陽能食品”的新興企業(yè)是眾多嘗試此做法的公司之一。該公司使用太陽能電池板的能源來分解水分子并產(chǎn)生氫氣。然后將氫供給發(fā)酵罐中生長的氫營養(yǎng)菌，而氫營養(yǎng)菌則可以用某種方式將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)可以代替我們飲食中的動(dòng)物蛋白質(zhì)。該公司計(jì)劃將這些蛋白質(zhì)添加到面包等一些食品當(dāng)中，以此來提高其中植物性蛋白質(zhì)的含量。

該公司首席執(zhí)行官瓦尼卡說：“我們正在使糧食生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)脫節(jié)。”利用細(xì)菌生產(chǎn)糧食，對土地的需求只占傳統(tǒng)農(nóng)場所需土地的二十分之一，這有可能使一些農(nóng)田轉(zhuǎn)化為森林。

雖然細(xì)菌很小，但它們能夠?qū)θ驓夂蜃兓a(chǎn)生巨大影響，因?yàn)樵S多細(xì)菌會(huì)“吃”二氧化碳。但美中不足的是：細(xì)菌只能緩慢地“吃”。

以色列魏茲曼科學(xué)研究所的羅恩·米洛教授的研究表明，用快速增長的大腸桿菌來“吃”二氧化碳是可行的。他們在大腸桿菌中植入光合細(xì)菌（這種細(xì)菌能消耗二氧化碳）的DNA，然后將其置于二氧化碳濃度高、無糖的環(huán)境中。大約一年后，這些細(xì)菌變成了主要以二氧化碳為食。

科學(xué)界認(rèn)為：這是一個(gè)重大突破，隨著研究的發(fā)展，它可能對全球變暖產(chǎn)生重要的、積極的影響。

還有一些科學(xué)家正在進(jìn)行“土壤益生菌”的實(shí)驗(yàn)，他們在泥土中注入經(jīng)過精心挑選的微生物，這些微生物既可以提高土壤的碳儲(chǔ)存能力，又可以加快農(nóng)作物的生長速度。一些研究人員聲稱，在施用土壤益生菌后，1公頃農(nóng)田可以額外儲(chǔ)存10噸二氧化碳，這意味著地球上的農(nóng)田有潛力吸收人類一年內(nèi)排放的所有碳。

不過，這樣的研究受到了不少質(zhì)疑。一些生態(tài)學(xué)家認(rèn)為，我們對土壤中微生物群落的性質(zhì)了解得還不夠多，對它們進(jìn)行有益的改造相當(dāng)困難;微生物可能具有提高土壤碳儲(chǔ)存的能力，但更好的方法應(yīng)該是通過已經(jīng)生活在土壤中的微生物而不是添加新的微生物來實(shí)現(xiàn)。

細(xì)菌會(huì)吃掉幾乎所有含碳的東西。一些微生物甚至適應(yīng)了某些污染，例如漏油污染。2010年，在墨西哥灣的深水地平線發(fā)生漏油事件，之后該區(qū)域有大量的細(xì)菌繁殖。

細(xì)菌具有驚人的進(jìn)化和適應(yīng)能力，可以吃新的食物。如果一家工廠周圍的土壤被油脂污染，則該土壤中的細(xì)菌很快就會(huì)適應(yīng)這種新的環(huán)境，把油脂作為新的食物。細(xì)菌“吃”油的這種能力現(xiàn)在開始受到了科學(xué)家的重視：來自世界各地的研究人員都對溢油附近土壤中的細(xì)菌群落進(jìn)行了分析，想要找出哪些物種最能降解污染物，然后再將這些物種注入世界上石油污染嚴(yán)重的地區(qū)。

科學(xué)家們還打算通過添加氮、磷和鐵等肥料，來幫助細(xì)菌更快地進(jìn)餐，使細(xì)菌能更快地清除油污，這是一種稱為“生物刺激”的方法。

科學(xué)家們還可以對細(xì)菌進(jìn)行基因工程改造，使它們能夠?qū)⒅亟饘伲ɡ绻┺D(zhuǎn)化為毒性較小的形式。但是，將轉(zhuǎn)基因生物釋放到自然界中存在道德和安全問題。

細(xì)菌并不挑食，除了“吃”油，它們還會(huì)“吃”用這種油制造的含碳的產(chǎn)品，例如塑料。

日本一個(gè)研究小組對PET（聚對苯二甲酸乙二酯）塑料樣品——該樣品用于制造飲料瓶和衣服中的聚酯——進(jìn)行了研究。他們在一些樣本中發(fā)現(xiàn)了食用塑料的細(xì)菌。這些細(xì)菌使用一種酶將塑料分解成較小的分子（例如乙二醇）——這些分子可以被再利用來制造新的塑料。研究人員將細(xì)菌命名為“大阪伊德氏桿菌”。

PET塑料污染自然界的時(shí)間不超過80年，就已經(jīng)有細(xì)菌進(jìn)化出以此為食物的嗜好了，這不能不令人驚嘆。

大阪伊德氏桿菌在自然環(huán)境中吃塑料的速度很慢，但是生物學(xué)家可以將它們體內(nèi)特有的酶分離出來，并調(diào)整其結(jié)構(gòu)，從而幫助它們提高吃塑料的效率。英國樸茨茅斯大學(xué)的約翰·麥基漢教授的研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)調(diào)整了大阪伊德氏桿菌體內(nèi)的酶，使其分解塑料的效率提高了約20%。他們現(xiàn)在正在嘗試發(fā)掘和改造其他的細(xì)菌酶，這些細(xì)菌酶可以有效地用于一系列關(guān)于塑料污染的商業(yè)用途。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌不僅僅只是吃PET塑料，某些細(xì)菌還能夠分解“聚氨酯”——一種通常用于制造絕緣材料和汽車零件的化合物。如此看來，培養(yǎng)、改造細(xì)菌來降解地球上堆積如山的塑料，前景一定很廣闊。

1928年，亞歷山大·弗萊明發(fā)現(xiàn)了第一種抗生素——青霉素，多年來人們依靠它來消滅細(xì)菌從而保持健康。由于使用（和過度使用）抗生素，我們的環(huán)境逐漸被它所淹沒，這為細(xì)菌提供了充分的機(jī)會(huì)來產(chǎn)生抗藥性。然而，出乎意料的是，細(xì)菌能夠幫助我們解決抗生素泛濫這個(gè)問題，因?yàn)橐恍┘?xì)菌會(huì)吃抗生素。

美國圣路易斯華盛頓大學(xué)的高塔姆·丹塔斯教授發(fā)現(xiàn)了一種酶，可以幫助一些土壤細(xì)菌吃青霉素。接著，他們將該酶轉(zhuǎn)移到了超級常見的、無害的微生物大腸桿菌中。這些改良過的細(xì)菌（接受酶轉(zhuǎn)移的細(xì)菌）最終可能會(huì)被用于廢水處理廠，用來從水中去除抗生素。

但是，在此之前還需要克服一些障礙。最大的問題可能是這些細(xì)菌會(huì)與它們遇到的其他微生物交換DNA，因此，真正令人擔(dān)憂的是，食用抗生素的這種基因會(huì)傳給其他細(xì)菌，并最終傳給引起疾病的危險(xiǎn)物種。那樣的話，有害細(xì)菌將有能力吃掉用來對付它們的藥物。研究人員需要更多的研究來找到克服這些障礙的方法，并將細(xì)菌變成抵抗抗生素耐藥性的主要武器。

從轉(zhuǎn)化二氧化碳、吞食塑料、清理污染到創(chuàng)造食物、清潔水，再到生產(chǎn)可再生能源、針對性地治療癌癥，小小細(xì)菌在現(xiàn)代社會(huì)所能發(fā)揮的作用令人既驚訝又振奮！如何全面發(fā)揮這些細(xì)菌的作用，科學(xué)家們還將需要克服不少挑戰(zhàn)，還要解決不少困難。