细菌：太空采矿的好帮手

李忠东

地球资源在枯竭

人类对自然资源的消耗超出了资源再生速度，而自然环境的自洁能力也跟不上人类排放污染的速度。据美国环保机构“全球生态足迹网络”发布的历史数据，20世纪60年代，世界上大多数国家呈现生态盈余，直到20世纪70年代，“地球透支日”开始出现。“地球透支”的概念最早由“全球生态足迹网络”提出，是指在一年内，人类对地球自然资源的消耗量超过了地球自然资源的再生总量。“地球透支日”是不确定的。随着人口的不断增加，人类对于自然资源的消耗也在不断增加，“地球透支日”每年都在提前。从1986年起，大约每过10年，“地球透支日”就会提早一个月到来。如1993年的“地球透支日”为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，成为史上最早的“地球透支日”。换句话说，从2019年7月29日开始，人类在当年使用的资源都是向2020年“借”的。年度资源总量用完时间的不断提前，反映了人类对于自然资源的索取正在不断加剧。而对未来自然资源的不断透支，损害了地球的生物承载力。按照目前的消耗速度，每年需要1.75颗地球的资源才能满足人类需求。人类如果想要在2050年前实现地球自然资源消耗量和地球自然资源再生总量的平衡，未来每年都要将“地球透支日”延迟5天。

对矿产资源的过度和不合理的开发，给地球生态环境带来负面影响。有关资料表明，按照目前人类对地球资源的估算，现在剩余的资源仅能供应人类使用几百年便会枯竭。例如黄金，大部分在地球形成之际都沉降在了很深的地下。目前，世界上有些金矿已经开采到了距地面3.6千米以下的深度，开采难度大且成本高。截至目前，全球已探明的主要金属与非金属矿产资源储量为1450亿吨，按目前的开采速度计算，铜、铝、镍和锡可供开采的年限分别为22年、164年、77年和28年，许多不可再生的稀有金属资源仅可供人类使用10来年。以铂为例，全世界所有的铂金属在15年内就会用光。这种稀有金属无法合成，一用完，将不会再有获取的办法。同样的事情还发生在了很多其他稀有金属上。随着矿物资源的不断消耗，未来，44种濒危元素将在地球上出现供应短缺。

太空宝藏知多少

月球、火星和很多小行星都富含金属，这使得人类对那些主要用于制造电子设备和其他产品的稀有金属的持续获取有了可能。它们在地球上很难找到，而其中部分元素的数量在太空中几乎是无限的。科学家设想，在将来的某一天，所有重工业和采矿业都要“移师太空”，地球上只进行与生活有关的活动。

以目前的科学技术水平，要实现太空采矿，首先需要选择好采矿的星球。月球是未来人类探索太空的中转站，科学家通过月球探测轨道飞行器对月球陨石坑的分析，发现月球地下蕴藏着高含量的铁和钛等金属，估计达到了惊人的万亿吨。此前“阿波罗登月计划”采集的数据表明，月球的“氨-3”资源总量达到了100万～500万吨，而“氨-3”是一种如今已被世界公认的下一代高效、清洁、安全和廉价的核聚变发电燃料。此外，研究人员曾使用中性气体和离子质谱仪在火星上部大气层检测到铁、镁和钠离子，这是史上第一次有确凿证据表明，金属离子可以持久地存在于地球以外的另一个行星上。

除了火星和月球，小行星丰富的矿物和金属藏量也很引人注目。小行星是指太阳系内环绕太阳运动、类似行星但体积和质量比行星要小得多的天体。98.5%的小行星位于太阳系内介于火星和木星轨道之间的小行星带上。在这个相当广袤的区域内，已经被编号的小行星有120437颗。根据构造，小行星可以分为S型、C型和M型。其中，S型小行星的主要成分为硅酸盐矿物和大量的冰;C型小行星由碳质化合物与水冰构成;M型小行星的数量没有前两者多，但它们的主要成分是纯净的金属。以神秘的小行星“16 Psyche”为例，它的直径超过200千米，距離地球大约3.7亿千米，是一个铁、镍和稀有金属（包括金、铂和铜）组成的大型金属体，属于M型小行星。据估算，“16 Psyche”的金属总价值超过全球所有流通货币的总值。美国宇航局计划在2022年发射一个无人探测器去探访小行星“16 Psyche”。研究人员认为，它可能是一个早期行星的外露核心。包括地球在内的行星，在岩石深处都存在着金属核心。如果科学家们的猜测是正确的，探索这颗小行星将帮助他们理解行星或其他天体在早期的形成过程中是如何分层的，比如地球的地核、地幔和地壳的形成过程。

生物采矿效果好

如果人类想进一步探索太阳系并在其他卫星和行星上建立定居点，就需要找到一种在原地开采矿物和金属的方法。科学家正在研究进行太空生物采矿的可行性。生物采矿技术拥有良好的前景，其基本原理是将矿石放入装有水和细菌的容器中，利用细菌萃取岩石中包含的特定金属。细菌参与岩石的自然风化和破坏，释放出其中所含的矿物质，同时还能够帮助净化污染的土壤。生物采矿完全依赖于生物有机体的自然作用，能更好地从先前认为不可用的低品位矿石和尾矿中提取矿物。虽然它比传统采矿花费的时间长，但由于不需要破碎矿石的机械操作，操作系统比较简单，需要的经费也少，特别有利于开采矿脉深、品位低的矿石。

生物采矿包括生物浸出法和生物氧化法两种不同的提炼技术。传统的从铜矿中提取铜的方法，依赖于在极高温度下使用有毒化学物质，会造成环境破坏和疾病等问题。目前，世界上大约20%的铜提取自生物浸出法。人们将低品位矿石倾倒在“浸出堆”中，并用弱硫酸洗液浸泡矿石。接下来，与矿石硫化物基质的酸反应促使氧化亚铁硫杆菌生长，从而降解矿石并释放金属或矿物沉淀。富含矿物质的液体被收集并分离，剩余的硫酸可重新用于下一个浸出循环。生物氧化法则广泛应用于从含金难熔矿石中提取黄金。这种工艺能够减少开采黄金时对氰化物的依赖。据统计，地球上5%的黄金是利用细菌开采的。

十几年来，英国爱丁堡大学天体生物学家查尔斯·科克尔领导的一个研究团体一直在开发利用细菌在月球或火星上进行采矿作业的新技术。他们设计了一种只有小型火柴盒大小、被叫作“生物开采反应器”的装置，可以轻松地运输并安装在国际空间站上。每个生物开采反应器都包含一种细菌溶液，一小块含有可以被微生物分解出矿物元素的玄武岩浸没在该溶液中。

2019年7月底，査尔斯·科克尔研究团队的这项名为“生物岩石”的实验搭乘美国太空探索技术公司的“龙”飞船抵达国际空间站，进行低地球轨道实验。科学家通过18个生物开采反应器测试细菌在太空微重力，甚至无重力环境下采矿的可行性。为了明确细菌从玄武岩中提取14种不同稀土元素的效率，以及能否对月球或火星上的岩石产生同样的风化作用，国际空间站宇航员将鞘氨醇单胞菌、枯草芽孢杆菌和贪铜杆菌的分离溶液分别放置在模拟火星重力、模拟地球重力和微重力的环境下进行实验，用3周的时间评估了不同重力条件下3种不同细菌的生物开采潜力。在国际空间站进行实验的同时，地球上也进行了普通重力条件下的对照实验。

研究结果表明，只有鞘氨醇单胞菌在3种重力状态下都从玄武岩中浸出了稀土元素，能够使生物开采反应器中的矿物有效提取率提高111.9%～429.2%。其中，稀土元素中含量最丰富的铈和钕浸出率最高，达到70%。而枯草芽孢杆菌和贪铜杆菌在低重力下均表现出浸出效率降低或根本无法提取稀土元素。这说明，虽然细菌的生物采矿能力具有生物体特异性，但这种能力在太空和类似火星的重力条件下仍能继续存在，以帮助人类寻找在太空中生存所必需的材料。

“生物岩石”实验为整个太阳系中生物采矿技术的可行性提供了支持，相信这项技术能够帮助人类在未来殖民于其他星球过程中发挥更大的作用。

（摘自《科学画报》2021年第6期）