瞧！一大波细菌来了

厉壤

生活在地球上的我们，正在陷入麻烦的旋涡。

化石燃料、含碳量高的食品，正在对气候造成破坏性影响;一次性塑料，逐渐淹没陆地和海洋;无法用抗生素杀死的致病微生物，挑战着公共卫生安全……

但希望无处不在。近来有证据表明，我们可以通过将二氧化碳从大气中去除，来减缓气候变化的步伐;我们不需要大量的碳参与也能生产出高质量的蛋白质;我们可以清理地球污染并降低抗生素耐药性的影响。

细菌是医者

这希望的缔造者，就是与我们朝夕相伴的细菌。听起来似乎不太可能，但这些不起眼的微生物，确有可能保障我们未来的健康和幸福。

现在，让我们走进世界各国的实验室，感受一下这些能够消灭污染、吞噬废物、产生能量并帮助人类保持健康的“小东西”。

细菌是有害的，它带来了肺结核和霍乱等致命疾病。抗生素因为能够杀死细菌，成了20世纪最重大的发明之一——事实上，在过去的80年中，仅“青霉素”就挽救了大约2亿人的生命。

但细菌也可能是有益的。在每个人的皮肤和内脏中，都有着数万亿有益细菌和其他微生物。这些“好细菌”不仅可以帮助我们从食物中摄取能量，而且有时可以保护我们免受致病的“坏细菌”的侵害——比如，当好细菌占据了所有可用空间时，坏细菌就无栖身之所。

事实上，在人体内，好细菌天然地“霸占”了可用空间。但是，长期服用抗生素的人使这一状况发生了改变。该类药物为了消灭诸如艰难梭菌（感染艰难梭菌可引起腹泻、恶心和发烧等）等致病微生物，却也无差别地杀死了肠道中的有益细菌。

现在，研究人员提出了一个令人惊讶的治疗艰难梭菌感染的方法。那就是将来自健康志愿者的粪便样本，转移到患者的肠道中。这样，粪便中包含的好细菌可能会通过挤占艰难梭菌的生存空间，从而将其“淘汰”。这些“粪便”还可以帮助治疗其他疾病，但目前尚不清楚它是如何做到的。

此外，研究人员已经对一些人类经常打交道的细菌有了深入了解，将它们用于医学中。比如，大肠杆菌现在对于研究人员就像一台微型、可编程的生物计算机，可用于治疗疾病。一些大肠杆菌的菌株可以找到肿瘤并在其内部生长，使它们成为提供癌症疗法的合适载体。

美国纽约哥伦比亚大学的研究人员已经开始展开实验，他们将额外的DNA植入大肠杆菌，使其能够制造出称为“纳米抗体”的有效抗癌分子。该DNA还会促使大肠杆菌细胞在肿瘤中繁殖然后自毁，从而用制造出的纳米抗体清洗癌组织。

当该大肠杆菌被吞食，会以肿瘤为目标发动攻击并将其摧毁。他们在小鼠中测试了该方法，并获得了可喜的结果。

但是，用基因工程微生物治疗人的做法存在道德和安全问题，受到法律法规的限制，目前尚无法对人类进行试验。

细菌是非凡的化学家。它们不仅可以制造强大的抗癌药物，还可以生产出可再生的生物燃料。

英国曼彻斯特大学的研究人员改造了一种被称为“成纖维细胞活化蛋白（FAP）”的酶——这种酶存在于许多细菌中——使其可以通过发酵分解人类食物垃圾并产生丙烷气体。丙烷可以用于运输燃料以及家庭取暖和烹饪。

利用细菌发电

这种利用细菌发酵的方式，还可以应用于工业生产。大多数工业发酵系统是由钢制成的，必须仔细消毒以确保无有害微生物进入发酵罐，否则将导致效率低下。研究人员将FAP酶植入盐单胞菌，盐单胞菌是少数能够在异常咸水中生存的微生物之一。由于盐单胞菌发酵系统使用盐水进行操作，因此无需进行昂贵的灭菌处理——因为除盐单胞菌之外，几乎没有其他细菌可以在盐水中存活。

如此一来，即使在塑料等材料制成的廉价反应器中也可以进行发酵，从而使得投资成本大大减少。细菌还有其他几种产生生物燃料的方式。其中一种方法涉及一些不寻常的细菌种类，它们通过吃掉并排泄电子来发电。在合适的环境中将电极贴在地面上，这些“电活性”细菌的菌落将开始在其周围生长。

美国马萨诸塞大学的研究人员将卵形孢子菌偏爱的“食物”——氢，逐渐从它们生存的环境里除去，并同时给它们提供充足的电力。慢慢地，这些微生物适应了以电子而不是氢为食，然后利用电能将二氧化碳转化为乙酸盐（一种商业上有吸引力的盐，可以转化为生物燃料或塑料）。这一过程被称为“微生物电合成”，它具有比农业更有效地生产生物燃料的潜力。这是因为给这一过程提供动力的是太阳能电池板，与目前用于生产生物燃料的光合作用植物（如油菜籽）相比，这是一种更有效的捕获太阳能的方法。

此外，一些电活性细菌会长出细小的导电毛发：研究人员拔掉了这些毛发，将它们夹在两个导电金属板之间，然后发现该设备会自发地发电。它们的“空气发电”设备直接从空气中汲取电能，显然是利用了湿度的差异。这种“空气发电”设备的性能，甚至超越当今的商用太阳能电池板，因为这种设备在晚上也可以工作。

人类将污水视为废物，细菌却将其视为食物——这是它们在废水处理厂中发挥关键作用的原因。但运营这样的工厂很昂贵：因为必须使用操作成本高昂的气泵对废水进行充气，以此为分解废物的好氧微生物供氧。

美国马萨诸塞州“寒武纪创新公司”将改变这种情况。该公司开发了一种清洁工业废水的方法，利用厌氧菌来分解废物，从而节省了运行空气泵的成本。而且，这些厌氧菌例如地杆菌和希瓦氏菌，它们还是“电活性”微生物，在消耗水中的废物后，它们排泄出的是电子和其他带电粒子。也就是说，这些厌氧菌在分解废物的同时还能发电！

使用微生物来处理废水并同时发电的想法15年前就出现了，因为工业废水本身通常就是充满能量的。例如，乳制品行业的废水中一般富含碳水化合物和蛋白质。但是将这个设想从实验室推广到商业应用非常困难，毕竟污水中的能量密度很低，为了获得那点能量，反而需要消耗更多能源，很不划算。现在寒武纪创新公司从厌氧微生物这里找到突破口，终于一举两得，既处理了污水又获得了一定的能源。

细菌可以养活世界。

有些细菌可以将二氧化碳转化为有价值的燃料，而有的细菌可以将二氧化碳转化为适合人类食用的蛋白质，后者这里统一称为“氢营养菌”。

从某种意义上说，这并不奇怪。我们吃的植物或喂饲牲畜的植物之所以生长，是因为它们从太阳中吸收能量并将其转化为碳水化合物。严格来说，植物没有进化出将二氧化碳转化为食物的能力：它们通过将光合细菌整合到细胞中形成叶绿体，而获得了这项技能。

考虑到太阳能电池板在捕获太阳能方面比光合作用的生物更有效，如果我们能够利用太阳能来帮助细菌从二氧化碳中生成蛋白质，就可以比以往更有效地种植食物。

芬兰一家名为“太阳能食品”的新兴企业是众多尝试此做法的公司之一。该公司使用太阳能电池板的能源来分解水分子并产生氢气。然后将氢供给发酵罐中生长的氢营养菌，而氢营养菌则可以用某种方式将大气中的二氧化碳转化为高质量的蛋白质，这些蛋白质可以代替我们饮食中的动物蛋白质。该公司计划将这些蛋白质添加到面包等一些食品当中，以此来提高其中植物性蛋白质的含量。

该公司首席执行官瓦尼卡说：“我们正在使粮食生产与农业脱节。”利用细菌生产粮食，对土地的需求只占传统农场所需土地的二十分之一，这有可能使一些农田转化为森林。

虽然细菌很小，但它们能够对全球气候变化产生巨大影响，因为许多细菌会“吃”二氧化碳。但美中不足的是：细菌只能缓慢地“吃”。

以色列魏兹曼科学研究所的罗恩·米洛教授的研究表明，用快速增长的大肠杆菌来“吃”二氧化碳是可行的。他们在大肠杆菌中植入光合细菌（这种细菌能消耗二氧化碳）的DNA，然后将其置于二氧化碳浓度高、无糖的环境中。大约一年后，这些细菌变成了主要以二氧化碳为食。

科学界认为：这是一个重大突破，随着研究的发展，它可能对全球变暖产生重要的、积极的影响。

还有一些科学家正在进行“土壤益生菌”的实验，他们在泥土中注入经过精心挑选的微生物，这些微生物既可以提高土壤的碳储存能力，又可以加快农作物的生长速度。一些研究人员声称，在施用土壤益生菌后，1公顷农田可以额外储存10吨二氧化碳，这意味着地球上的农田有潜力吸收人类一年内排放的所有碳。

不过，这样的研究受到了不少质疑。一些生态学家认为，我们对土壤中微生物群落的性质了解得还不够多，对它们进行有益的改造相当困难;微生物可能具有提高土壤碳储存的能力，但更好的方法应该是通过已经生活在土壤中的微生物而不是添加新的微生物来实现。

细菌会吃掉几乎所有含碳的东西。一些微生物甚至适应了某些污染，例如漏油污染。2010年，在墨西哥湾的深水地平线发生漏油事件，之后该区域有大量的细菌繁殖。

细菌具有惊人的进化和适应能力，可以吃新的食物。如果一家工厂周围的土壤被油脂污染，则该土壤中的细菌很快就会适应这种新的环境，把油脂作为新的食物。细菌“吃”油的这种能力现在开始受到了科学家的重视：来自世界各地的研究人员都对溢油附近土壤中的细菌群落进行了分析，想要找出哪些物种最能降解污染物，然后再将这些物种注入世界上石油污染严重的地区。

科学家们还打算通过添加氮、磷和铁等肥料，来帮助细菌更快地进餐，使细菌能更快地清除油污，这是一种称为“生物刺激”的方法。

科学家们还可以对细菌进行基因工程改造，使它们能够将重金属（例如汞）转化为毒性较小的形式。但是，将转基因生物释放到自然界中存在道德和安全问题。

细菌并不挑食，除了“吃”油，它们还会“吃”用这种油制造的含碳的产品，例如塑料。

日本一个研究小组对PET（聚对苯二甲酸乙二酯）塑料样品——该样品用于制造饮料瓶和衣服中的聚酯——进行了研究。他们在一些样本中发现了食用塑料的细菌。这些细菌使用一种酶将塑料分解成较小的分子（例如乙二醇）——这些分子可以被再利用来制造新的塑料。研究人员将细菌命名为“大阪伊德氏杆菌”。

PET塑料污染自然界的时间不超过80年，就已经有细菌进化出以此为食物的嗜好了，这不能不令人惊叹。

大阪伊德氏杆菌在自然环境中吃塑料的速度很慢，但是生物学家可以将它们体内特有的酶分离出来，并调整其结构，从而帮助它们提高吃塑料的效率。英国朴茨茅斯大学的约翰·麦基汉教授的研究团队在实验中设计调整了大阪伊德氏杆菌体内的酶，使其分解塑料的效率提高了约20%。他们现在正在尝试发掘和改造其他的细菌酶，这些细菌酶可以有效地用于一系列关于塑料污染的商业用途。

科学家发现，细菌不仅仅只是吃PET塑料，某些細菌还能够分解“聚氨酯”——一种通常用于制造绝缘材料和汽车零件的化合物。如此看来，培养、改造细菌来降解地球上堆积如山的塑料，前景一定很广阔。

1928年，亚历山大·弗莱明发现了第一种抗生素——青霉素，多年来人们依靠它来消灭细菌从而保持健康。由于使用（和过度使用）抗生素，我们的环境逐渐被它所淹没，这为细菌提供了充分的机会来产生抗药性。然而，出乎意料的是，细菌能够帮助我们解决抗生素泛滥这个问题，因为一些细菌会吃抗生素。

美国圣路易斯华盛顿大学的高塔姆·丹塔斯教授发现了一种酶，可以帮助一些土壤细菌吃青霉素。接着，他们将该酶转移到了超级常见的、无害的微生物大肠杆菌中。这些改良过的细菌（接受酶转移的细菌）最终可能会被用于废水处理厂，用来从水中去除抗生素。

但是，在此之前还需要克服一些障碍。最大的问题可能是这些细菌会与它们遇到的其他微生物交换DNA，因此，真正令人担忧的是，食用抗生素的这种基因会传给其他细菌，并最终传给引起疾病的危险物种。那样的话，有害细菌将有能力吃掉用来对付它们的药物。研究人员需要更多的研究来找到克服这些障碍的方法，并将细菌变成抵抗抗生素耐药性的主要武器。

从转化二氧化碳、吞食塑料、清理污染到创造食物、清洁水，再到生产可再生能源、针对性地治疗癌症，小小细菌在现代社会所能发挥的作用令人既惊讶又振奋！如何全面发挥这些细菌的作用，科学家们还将需要克服不少挑战，还要解决不少困难。