强大的自然改造者

冉浩

假如没有微生物

假如没有微生物，垃圾不会变臭，食品不会发霉，人也会免去很多疾病，那该多美好啊。可是，我们马上就会面临新的问题，因为动植物的残骸再也不会自然腐烂然后消失了！所有的尸体都得不到分解，一些会保持原样，但不会腐烂，另一些会在太阳的照射下慢慢变干，也许风吹日晒能够使这些干尸风化，但是那将经历非常漫长的过程。千百年积累的尸体会堆积成小山，覆盖住森林、河流和海洋，活着的生物将没有立足之处。而那些粪便则会形成厚厚的一层，也许会形成硬硬的屎壳子，也许就是便便“沼泽”的样子，也许是便便“海洋”上漂着很多尸体？总之，似乎都不是太美好。

正是有了微生物等分解者，这样的场面才终于没有出现，大多数多余的有机物都会迅速转变成无机物回归到环境中去。以一片树叶为例，当它还在树上时，微生物就已经开始了分解作用，而活植物体产生的各种分泌物、渗出物都是微生物的食物。落叶一旦到达地面，就立即成为细菌、放线菌、真菌等微生物所进攻的目标。分解过程还会因为许多无脊椎动物的参与而加速，它们的吞食和穿孔作用破坏了叶子的结构，也增大了接触面积，使微生物更易侵入。被它们吞下的，大量的、未经消化吸收有机物通过消化道以粪便形式排出，更易为微生物分解者所利用。如果气温和湿度适宜，这些作用使得一片叶子很快就会消失。

城市垃圾有克星

现在，以微生物的分解作用为基础的生物处理技术正在慢慢被人们接受。它主要利用的是好氧或者厌氧微生物来进行垃圾处理，前者必须在有氧条件下才能发挥作用，主要是利用细菌、放线菌和真菌等微生物类群；后者则需要在密闭的条件下进行，发挥分解作用的主要有一些水解细菌、产氢产醋酸菌群或产甲烷菌群等。堆肥是最简单的生物处理方法，也是一种暴露在空气中的好氧分解过程。在这个过程中，细菌凭借着其强大的相对表面积，能够更快地吸收有机质，数量远远超过了真菌和放线菌。整个堆肥过程，随着大量细菌分解有机质释放能量，“肥堆”内部温度开始升高，普通细菌大量死亡。这时候，不怕烫的嗜热细菌繁殖了起来，并且成了分解工作的主力，直到“肥堆”中的有机成分大量减少，内部温度开始下降，这时候，普通细菌等又会再次活跃起来，完成分解的最后阶段。

于是，人们精选了菌群，按照一定的比例制成了复合微生物菌剂，这些菌种会在垃圾上形成一个由不同微生物共同构成的互助、稳定的群落，加快分解速度。

实力强大的环境修复

很多时候，由于人类的活动远远超过了环境的承受和自净能力，需要进行人为环境修复。相比传统的环境修复方法，使用生物进行污染物清除要安全得多。起主要分解和消化作用的是微生物，它们就像对付生活垃圾一样，干净利落地将常规有机污染物解决掉。

而对于不好解决的污染物，微生物也有办法。尽管石油烃类化学性质稳定，极难分解，但微生物会使用自身如脱氢酶这样的武器来解决掉石油。自然界中能降解烃类的微生物有200多种，分属于细菌、放线菌、霉菌、酵母以及藻类。一般认为，细菌分解原油比真菌和放线菌容易，但真菌降解效果好于细菌。为了提高细菌的分解效率，科学家还曾利用转基因技术培养了能够分解多种石油烃类的“超级细菌”。以现在的研究成果看，只要不到一年的时间，大部分石油污染物就能被妥妥地清除掉。

新能源崛起

能源是我们赖以生存和发展的重要基础，现在我们所依赖的煤、石油和天然气等化石燃料，具有不可再生性，预计将在未来100年或稍长的时间内枯竭，全球能源安全面临着严峻的挑战。同时，化石能源的利用也造成了严重的环境污染。因此，寻找清洁的替代能源就显得格外迫切了。微生物燃料电池（Microbial fuel cells， MFCs）便是其中的一种选择。微生物燃料电池的思路源自20世纪初。1911年，英国植物学家波特（Pitter）就发现大肠杆菌和酵母菌能够产生电流，但是相当长一段时间内，由于其产电量少、成本高，而且需求不迫切，该技术一直得不到发展。但进入21世纪以来，人们再次将目光投到了这个领域。

微生物燃料电池的基本结构包括阳极室和阴极室，两者中间以特殊的半透膜隔开。阳极室连接电池的阳极，里面灌满了酸碱缓冲液、营养液，生存着产电微生物。产电微生物是其中的核心，它们要将电子供体氧化并将电子传递到阳极。其与普通微生物最大的区别在于能将细胞呼吸过程中产生的电子释放到细胞外，同时也能从电子传递中获得能量而生长。目前已知的产电微生物有20多种。其中，希万氏菌和硫还原地杆菌已经成为研究的模式菌，完成了全基因组测序。阴极室内存在着电子受体溶液，接受穿过半透膜传递来的电子，如果电子受体为空气中的氧气，则结构更为简单。两个室之间的半透膜的作用是让质子或其它带电粒子通过，形成电流，防止阴极氧化剂和阳极的燃料直接接触。目前，微生物燃料电池已经取得了长足进步，电压最高达到过1.385V，离普通电池的1.5V已经非常接近，如果将多个电池串联，曾经得到过2.02V的电压。

微生物燃料电池也已经有了小型化应用，如Tender等人曾用它来驱动波托马克河中的气象光学浮标，持续供电7个月，直到浮标被冰块撞坏……英国科学家甚至设想了未来能够“吃剩饭”的机器人——利用各种剩菜剩饭以及落叶作为机器人的电池“燃料”。微生物的胃口不大，家里的垃圾或许就能养个机器人。同样的道理，废水发电也是科学家期待的领域，如果能将污水处理厂借助该技术变成发电站，那同样是效益巨大的。以我国为例，2010年废水排放总量为617.3亿吨，其中蕴含潜在的电能为5.15×1010千瓦时，而我国当年用于废水处理的总耗电量为4×1010千瓦时。如果将其潜在电能挖掘出来，不仅能弥补耗电，而且还能反哺电网，变废为宝。此外，微生物燃料电池在制氢以及将大气中的二氧化碳转化成甲烷等燃料气体方面也大有前途。

你瞧，这小小的微生物虽然很不起眼，但却是自然界中强大的分解者，也与我们的生活和未来密切相关呢。endprint