藍(lán)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(xué)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(xué)與工程系和約翰霍普金斯大學(xué)生物系的研究人員使用高分辨率電子顯微鏡和先進(jìn)的光譜成像技術(shù)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(xué)家稱，一個(gè)關(guān)鍵因素是藍(lán)藻產(chǎn)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(zhuǎn)化為氧化赤鐵礦。
該團(tuán)隊(duì)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(rèn)為這些結(jié)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)模可用于惡劣環(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(jìn)化的生物過程，這些微型礦工挖掘巖石，提取對(duì)生理功能至關(guān)重要的礦物質(zhì)，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(xué)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(rèn)為有價(jià)值的礦物質(zhì)?這個(gè)項(xiàng)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(xué)團(tuán)隊(duì)在那里收集的石膏樣本中發(fā)現(xiàn)的藍(lán)藻Chroococccidiopsis已經(jīng)發(fā)展出“最驚人的適應(yīng)能力以在其巖石棲息地生存，”合著者說JocelyneDiRuggiero，巴??爾的摩大學(xué)生物學(xué)副教授。
“其中一些特性包括產(chǎn)生吸收遠(yuǎn)紅外光子的葉綠素，以及從周圍礦物質(zhì)中提取水和鐵的能力，”她補(bǔ)充說。
研究人員使用先進(jìn)的電子顯微鏡和光譜儀器，通過觀察石膏中所含礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化方式，發(fā)現(xiàn)了石膏中存在微生物的證據(jù)。
“藍(lán)藻細(xì)胞通過產(chǎn)生豐富的細(xì)胞外聚合物促進(jìn)磁鐵礦溶解和鐵溶解，導(dǎo)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(xì)菌和真菌產(chǎn)生的結(jié)合鐵的化合物)的產(chǎn)生得到增強(qiáng)，這表明它們被藍(lán)細(xì)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(shí)踐。
他說：“當(dāng)我們開采礦物時(shí)，我們經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)礦石，這些礦石可能對(duì)提取有價(jià)值的金屬構(gòu)成挑戰(zhàn)。”“我們經(jīng)常需要對(duì)這些礦石進(jìn)行極端加工，以將其轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的東西。這種做法可能會(huì)付出金錢和環(huán)境代價(jià)。”
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(zhì)，而目前只有大型機(jī)械破碎機(jī)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(chǎn)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(jī)器人系統(tǒng)3D打印介質(zhì)，然后讓微生物將其重新配置成有價(jià)值的東西，而不是讓人們?nèi)プ鏊馁M(fèi)用。這可以在不危及生命的情況下完成人的生命。”
他補(bǔ)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(xué)和納米結(jié)構(gòu)材料實(shí)驗(yàn)室的主題。既然大自然已經(jīng)在數(shù)億年內(nèi)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(lán)圖，然后應(yīng)用或調(diào)整它們以適應(yīng)我們的需要。”
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