藍藻從智利阿塔卡馬沙漠的巖石中獲取養(yǎng)分的生化過程啟發(fā)了加州大學爾灣分校的工程師們思考微生物可能幫助人類在月球和火星上建立殖民地的新方法。
UCI材料科學與工程系和約翰霍普金斯大學生物系的研究人員使用高分辨率電子顯微鏡和先進的光譜成像技術來精確了解微生物如何改變天然礦物和合成納米陶瓷。據(jù)科學家稱，一個關鍵因素是藍藻產生生物膜，溶解石膏巖中的磁性氧化鐵顆粒，隨后將磁鐵礦轉化為氧化赤鐵礦。
該團隊的發(fā)現(xiàn)是最近發(fā)表在《今日生物材料》雜志上的一篇論文的主題，可以為新的仿生采礦方法提供一條途徑。作者還表示，他們認為這些結果是朝著在大規(guī)模3D打印或增材制造中使用微生物邁出的一步，其規(guī)?？捎糜趷毫迎h(huán)境中的土木工程，例如月球和火星上的環(huán)境。
“通過數(shù)百萬年進化的生物過程，這些微型礦工挖掘巖石，提取對生理功能至關重要的礦物質，例如光合作用，使它們能夠生存，”通訊作者、UCI材料教授DavidKisailus說?？茖W與工程。“人類能否使用類似的生化方法來獲取和操縱我們認為有價值的礦物質?這個項目讓我們走上了這條道路。”
阿塔卡馬沙漠是地球上最干燥、最荒涼的地方之一，但約翰霍普金斯大學團隊在那里收集的石膏樣本中發(fā)現(xiàn)的藍藻Chroococccidiopsis已經發(fā)展出“最驚人的適應能力以在其巖石棲息地生存，”合著者說JocelyneDiRuggiero，巴??爾的摩大學生物學副教授。
“其中一些特性包括產生吸收遠紅外光子的葉綠素，以及從周圍礦物質中提取水和鐵的能力，”她補充說。
研究人員使用先進的電子顯微鏡和光譜儀器，通過觀察石膏中所含礦物質的轉化方式，發(fā)現(xiàn)了石膏中存在微生物的證據(jù)。
“藍藻細胞通過產生豐富的細胞外聚合物促進磁鐵礦溶解和鐵溶解，導致磁鐵礦溶解和氧化成赤鐵礦，”DiRuggiero說。“在磁鐵礦納米顆粒存在的情況下，鐵載體(由細菌和真菌產生的結合鐵的化合物)的產生得到增強，這表明它們被藍細菌用于從磁鐵礦中獲取鐵。”
Kisailus說，微生物在它們荒涼的家園中處理金屬的方式讓他想到了我們自己的采礦和制造實踐。
他說：“當我們開采礦物時，我們經常會發(fā)現(xiàn)礦石，這些礦石可能對提取有價值的金屬構成挑戰(zhàn)。”“我們經常需要對這些礦石進行極端加工，以將其轉化為有價值的東西。這種做法可能會付出金錢和環(huán)境代價。”
Kisailus說，他現(xiàn)在正在考慮一種生化方法，使用鐵載體、酶和其他分泌物的天然或合成類似物來處理礦物質，而目前只有大型機械破碎機才能工作。從這里邁出步，他說還有一種方法可以讓微生物利用類似的生化能力，在不太方便的地方按需生產工程材料。
“我稱之為‘月球形成’而不是地球化，”Kisailus說。“如果你想在月球上建造一些東西，我們可以擁有機器人系統(tǒng)3D打印介質，然后讓微生物將其重新配置成有價值的東西，而不是讓人們去做它的費用。這可以在不危及生命的情況下完成人的生命。”
他補充說，人類并不總是需要使用愛迪生的方法來弄清楚如何做事。
“這是我的仿生學和納米結構材料實驗室的主題。既然大自然已經在數(shù)億年內完善了輪子，為什么還要重新發(fā)明輪子呢?”基賽盧斯說。“我們只需要提取大自然的秘密和藍圖，然后應用或調整它們以適應我們的需要。”
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