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。

細菌是醫(yī)者

這希望的締造者，就是與我們朝夕相伴的細菌。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，讓我們走進世界各國的實驗室，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。抗生素因為能夠殺死細菌，成了20世紀最重大的發(fā)明之一——事實上，在過去的80年中，僅“青霉素”就挽救了大約2億人的生命。

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

事實上，在人體內(nèi)，好細菌天然地“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菌。

現(xiàn)在，研究人員提出了一個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，糞便中包含的好細菌可能會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)常打交道的細菌有了深入了解，將它們用于醫(yī)學中。比如，大腸桿菌現(xiàn)在對于研究人員就像一臺微型、可編程的生物計算機，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的研究人員已經(jīng)開始展開實驗，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還會促使大腸桿菌細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。

當該大腸桿菌被吞食，會以腫瘤為目標發(fā)動攻擊并將其摧毀。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行試驗。

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

英國曼徹斯特大學的研究人員改造了一種被稱為“成纖維細胞活化蛋白（FAP）”的酶——這種酶存在于許多細菌中——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。丙烷可以用于運輸燃料以及家庭取暖和烹飪。

利用細菌發(fā)電

這種利用細菌發(fā)酵的方式，還可以應用于工業(yè)生產(chǎn)。大多數(shù)工業(yè)發(fā)酵系統(tǒng)是由鋼制成的，必須仔細消毒以確保無有害微生物進入發(fā)酵罐，否則將導致效率低下。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)使用鹽水進行操作，因此無需進行昂貴的滅菌處理——因為除鹽單胞菌之外，幾乎沒有其他細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反應器中也可以進行發(fā)酵，從而使得投資成本大大減少。細菌還有其他幾種產(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”細菌的菌落將開始在其周圍生長。

美國馬薩諸塞大學的研究人員將卵形孢子菌偏愛的“食物”——氫，逐漸從它們生存的環(huán)境里除去，并同時給它們提供充足的電力。慢慢地，這些微生物適應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。這是因為給這一過程提供動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，一些電活性細菌會長出細小的導電毛發(fā)：研究人員拔掉了這些毛發(fā)，將它們夾在兩個導電金屬板之間，然后發(fā)現(xiàn)該設備會自發(fā)地發(fā)電。它們的“空氣發(fā)電”設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”設備的性能，甚至超越當今的商用太陽能電池板，因為這種設備在晚上也可以工作。

人類將污水視為廢物，細菌卻將其視為食物——這是它們在廢水處理廠中發(fā)揮關(guān)鍵作用的原因。但運營這樣的工廠很昂貴：因為必須使用操作成本高昂的氣泵對廢水進行充氣，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還能發(fā)電！

使用微生物來處理廢水并同時發(fā)電的想法15年前就出現(xiàn)了，因為工業(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)。但是將這個設想從實驗室推廣到商業(yè)應用非常困難，畢竟污水中的能量密度很低，為了獲得那點能量，反而需要消耗更多能源，很不劃算。現(xiàn)在寒武紀創(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。

細菌可以養(yǎng)活世界。

有些細菌可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價值的燃料，而有的細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，是因為它們從太陽中吸收能量并將其轉(zhuǎn)化為碳水化合物。嚴格來說，植物沒有進化出將二氧化碳轉(zhuǎn)化為食物的能力：它們通過將光合細菌整合到細胞中形成葉綠體，而獲得了這項技能。

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物蛋白質(zhì)。該公司計劃將這些蛋白質(zhì)添加到面包等一些食品當中，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)?！崩眉毦a(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。

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

以色列魏茲曼科學研究所的羅恩·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菌（這種細菌能消耗二氧化碳）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，這些細菌變成了主要以二氧化碳為食。

科學界認為：這是一個重大突破，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。

還有一些科學家正在進行“土壤益生菌”的實驗，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)學家認為，我們對土壤中微生物群落的性質(zhì)了解得還不夠多，對它們進行有益的改造相當困難;微生物可能具有提高土壤碳儲存的能力，但更好的方法應該是通過已經(jīng)生活在土壤中的微生物而不是添加新的微生物來實現(xiàn)。

細菌會吃掉幾乎所有含碳的東西。一些微生物甚至適應了某些污染，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)域有大量的細菌繁殖。

細菌具有驚人的進化和適應能力，可以吃新的食物。如果一家工廠周圍的土壤被油脂污染，則該土壤中的細菌很快就會適應這種新的環(huán)境，把油脂作為新的食物。細菌“吃”油的這種能力現(xiàn)在開始受到了科學家的重視：來自世界各地的研究人員都對溢油附近土壤中的細菌群落進行了分析，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重的地區(qū)。

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

科學家們還可以對細菌進行基因工程改造，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。

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

日本一個研究小組對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——進行了研究。他們在一些樣本中發(fā)現(xiàn)了食用塑料的細菌。這些細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。研究人員將細菌命名為“大阪伊德氏桿菌”。

PET塑料污染自然界的時間不超過80年，就已經(jīng)有細菌進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。英國樸茨茅斯大學的約翰·麥基漢教授的研究團隊在實驗中設計調(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)掘和改造其他的細菌酶，這些細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。

科學家發(fā)現(xiàn)，細菌不僅僅只是吃PET塑料，某些細菌還能夠分解“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，這為細菌提供了充分的機會來產(chǎn)生抗藥性。然而，出乎意料的是，細菌能夠幫助我們解決抗生素泛濫這個問題，因為一些細菌會吃抗生素。

美國圣路易斯華盛頓大學的高塔姆·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。這些改良過的細菌（接受酶轉(zhuǎn)移的細菌）最終可能會被用于廢水處理廠，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菌會與它們遇到的其他微生物交換DNA，因此，真正令人擔憂的是，食用抗生素的這種基因會傳給其他細菌，并最終傳給引起疾病的危險物種。那樣的話，有害細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，小小細菌在現(xiàn)代社會所能發(fā)揮的作用令人既驚訝又振奮！如何全面發(fā)揮這些細菌的作用，科學家們還將需要克服不少挑戰(zhàn)，還要解決不少困難。