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神奇微生物吃铁为生

它们食入铁锈,清理污染的下水道,并同时产生电能,这些微小的生物中可能包含着原始生命的线索。自从Derek Lovley发现一种神奇的泥土细菌以来,这个微生物家族真的带给我们许多惊奇。

Lovley早就知道,如果有一些必需的原料,比如硫酸盐、沼气等,一些微生物可以在无氧环境下生存,因此,他推测,这些微生物也可能利用铁来生存。因此,从1987年起,Lovley开始研究泥浆里的微生物,并最终从里面发现了这种“吃”金属的细菌。他从美国华盛顿附近波拖马可河中挖取富含金属的泥浆,回到实验室后,在试管里加入泥浆,放进一些醋酸盐——微生物最喜欢的食物——然后观察。最后,他注意到微小的黑色的矿物质聚集于试管的底部,存在于毛茸茸的红色的氧化铁(即铁锈)的包围当中。如果把磁石放在试管的一边,所有的铁质小片都流向磁石的那一边。这些黑色的矿物质就是磁铁矿。

这种可以降解铁锈的泥土菌,通过向铁传递电子而获得生存的能量。在这个过程中,它们把铁锈变成了磁铁矿。这种生物的代谢方式是独一无二的:它们利用食物中的金属来获得能量,就像人类利用氧气一样。磁铁矿在2百万年前是地球上储存的主要磁性矿物,因此,Lovley推测这种微生物可能是早期磁铁矿产生的主要来源。

从那以后的17年里,Lovley发现了这个细菌家族超过30多种类型,并且测出了一些基因序列。最近他又测出了这个细菌家族中一种更加神奇的细菌的基因,这种细菌能够产生电能,并且可以净化被铀污染的下水道。

“不要小瞧微生物世界的能力,”科学家们相信,自1987年Lovley的发现以来,这一系列泥浆细菌家族的发现以及其他可降解金属的细菌被不断的发现,是通向一个全新、具有独特生物代谢方式的微生物世界的开始。

“我们越来越明朗的看到,这些微生物在地球的微生物总量中占有很大的比例,他们是维护地球环境和生态进步的巨大推动力量。

自从嗜金属的泥土菌被发现以来,Lovley和他的同事们就在设想利用这种特殊的微生物来保护地下水,解决水污染的问题。因此,科学家们呼吁人们保护这些神奇的嗜铁锈微生物。

电子牧羊犬“牧放”微生物

作者:亦云

人类放牧的历史已有数千年,比如牧放山羊、绵羊、牛等。但是人类最初放牧并不是件很容易的事。后来,人们开始利用牧羊犬把牧场里的牲畜集中在一起。例如,一种叫作“博德”的牧羊犬(Border Collie)就具有独特的本领,可以很轻松地把牛羊集中起来。

那么能否找到一种很简单的方法集中微生物?其实找到微生物世界的“牧羊犬”,其意义非常重大。比如,在宇宙飞船或国际空间站上,饮用水系统如果被病菌污染将是一件很可怕的事。同样,地球上的城市供水系统也至关重要。在暴发重大疫情或有恐怖分子对供水系统进行破坏时,迅速把水里的微生物集中起来,然后进行有效处理就显得尤为重要。

“电子博德牧羊犬”初露锋芒

由美国航空航天局资助的科学家小组,正在位于美国得克萨斯州的A&M大学里,开发一种能集中微生物的装置,他们称这种装置为“电子博德牧羊犬”。电子牧羊犬的工作原理其实很简单:一些微生物的细胞膜带电,如果在这些微生物存在的环境中加一个电场,微生物就会定向移动并最终被吸附,从而达到将微生物集中的目的。

单细胞微生物的细胞膜,把细菌和外部的微环境隔离开。目前的观点认为,细胞膜主要是由脂类分子构成的双分子膜,在这层双分子膜中镶嵌着多种糖类和蛋白质分子,这些分子共同承担着微生物细胞和外界的多种交互作用(包括能量和信息传递等)。镶嵌在脂类分子层上的各种分子的表面,都聚集着数量不尽相同的电荷,有的分子带正电荷,有的带负电荷。虽然细胞膜的酸碱度和一般的饮用水差不多,但是这些镶嵌在脂类分子层上的分子,总体上呈现出微电负性的特征,即负电荷多。因此,这些微生物必然会被正电极所吸引。

传统的微生物探测器在工作时用来盛放微生物样品的是一个容积很小的水槽,水槽的体积大概只有1升水的千万分之一。这使样品检测面临一个问题:由于所采集的样本量非常少,因此,若致病微生物已经在供水系统中广泛扩散,那么很有可能待测样本中根本没有包含致病微生物。这样,检测的结果就有可能误导人们。

苏瑞舍·佩莱教授等人设计的这种装置,每小时可以对5升循环水进行处理,这些水在被处理时要经过数百根并联的管子,每一根管子的直径大约只有1/4毫米。这些纤细的管子里设置有电极,当这些电极带正电并且有水流过时,水中的微生物很容易被吸附到管壁上。当把这些电极转换成负电极时,吸附在管壁上的大量微生物就会瞬间从管壁脱落。这样一来,便可以把需要检测的水样中的微生物聚集起来。

待检测的水经过这种装置反复循环几次后,水样中大多数细菌和病毒就能够被吸附。利用这种装置,十几升水中的微生物可以被收集在一个只有千分之一毫升的装置里,在那里自动检测装置可以对水样中微生物的数量和种类进行分析。如此一来,确定水样中是否含有病原微生物就变得轻而易举。

佩莱教授介绍说,该装置可以把水样中90%的微生物收集起来。接下来他的工作是,和同事拜斯柯克确定电极的工作强度。也就是说,多大的电场强度吸附微生物最适合。同时,用来吸附微生物的纤细管子的直径和数量也要确定。并且他们计划在1年内确定实验用的原型机。

“电子博德牧羊犬”进军太空

现在,佩莱教授等人正在美国得克萨斯州推广这个项目,以便对居民的饮用水系统进行更好的监控。同时,他们还在设计体积更小、更轻便的“电子博德牧羊犬”。

在国际空间站或宇宙飞船上,对循环水的品质进行实时检测尤为重要。在漫长的太空旅程中,水都是循环利用的,比如宇航员呼出的水气、排泄的汗液甚至尿液等,都要收集起来进行再利用。因此,轻便的“电子博德牧羊犬”将在太空环境中发挥重要作用。

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