科學探索：食用金屬的細菌


加州理工學院的團隊發現的細菌產生的錳氧化物結核。這些結核的直徑通常在0.1至0.5毫米。該圖由掃描電子顯微鏡拍攝得來，但色彩並非真實的顏色。圖片來源：Hang Yu/加州理工大學
加州理工學院的微生物學家們發現了一種以錳為食，且以之作為能量來源的細菌。人們在一個多世紀以前便預言了這種微生物的存在，然而直至今日它們才真正被人發現。
“這是第一種被發現的以錳作為能量來源的細菌，”加州理工學院的環境微生物學教授Jared Leadbetter說道。他與博士後學者Hang Yu在《自然》雜誌上合作發表論文，詳細描述了他們的發現。“自然界中的微生物奇妙的一麵就是它們可以代謝看上去不可能利用的物質，例如金屬，並產生可供細胞使用的能量。”
這項研究也揭示了這種細菌可以利用錳元素將二氧化碳轉化為生物質，這種過程也被稱作化能合成作用。在此之前，研究者們知道一些細菌和真菌可以將錳元素氧化（也即是奪取它們的電子），但他們也僅僅是推測某些還未被發現的微生物可能會利用這一過程來促進自己的生長。
Leadbetter在一次偶然的實驗中發現了這種細菌。實驗用到了粉筆狀的錳條，他當時將一個沾上了這種錳的玻璃罐放在了他在加州理工學院辦公室的水槽裏，將其泡上自來水後便離開學校在校外工作了幾個月。在他回來的時候，這個罐子便已覆蓋上了一層深色的物質。
“我當時想，這是什麽，”他解釋說，“我開始懷疑是不是一些被人們尋找了很久的微生物在搗鬼，於是我們便開始係統性地展開了試驗來搞明白這個問題。”
這層黑色的覆蓋層事實上是被這種新發現的細菌所氧化的錳，而這種細菌很可能來自於自來水。“有證據表明這些生物的親戚們就生活在地下水中，並且帕薩迪那市（Pasadena）的部分飲用水就是從這些本地含水層中抽取出來的，”他說道。

圖片來源：Pixabay
錳是地球表麵含量最為豐富的元素之一。錳的氧化物通常以一種深色的塊狀物的形式在自然界中廣泛存在，它們在地下沉積物中也有被發現，在供水係統中亦可以形成。
“有大量的環境工程學文獻都在討論飲用水供給係統被錳氧化物堵塞的情況，”Leadbetter說道，“然而這種物質是如何形成的，為何形成的，卻仍然是一個謎。顯然，很多的科學家都考慮過以錳作為能源的微生物可能是罪魁禍首，但直到如今我們才有證據支持這一想法。”
這項發現可以幫助研究者們更好地了解地下水中的地質化學過程。我們知道細菌可以降解地下水中的汙染物，這一過程被稱作生物修複。在這一過程中，數種關鍵的生物會“還原”錳氧化物，也即是說它們會給錳提供電子，就類似於人類如何利用空氣中的氧氣一般。科學家們早就在懷疑這些錳氧化物最開始是從哪裏來的了。
“我們所發現的這種細菌可以產生錳氧化物，因而它們在享受自身的生活時也為其他微生物提供了進行反應所需要的物質，而這些反應又被我們人類看做是有益並且需要的，”Leadbetter說道。
這一研究發現還可能幫助人們了解在海床上星羅棋布分布的錳結核。這種最大能有葡萄柚大小的圓形的金屬球早在1870年代英國皇家海軍挑戰者號（HMS Challenger）進行科考航行時便被海洋學者們所知曉了。自那時起，這種結核便在世界許多海域的海底都有發現。由於這些結核內部常常富集有一些稀有的金屬，因而近些年來，礦業公司也已經製定了開采利用這些結核的計劃。

圖片來源：Pixabay
但是關於這些結核最初是如何形成的，人們卻知道得很少。 Yu和Leadbetter目前懷疑是否是一些與他們在淡水中所發現的這種細菌類似的微生物起到了某些作用。他們正計劃繼續調查研究這一謎團。“這強調了我們需要在這些海洋錳結核因為采礦而大量減少之前更好地了解它們，”Yu說道。
同樣來自加州理工學院但並沒有參與這項研究的地質生物學教授Woodward Fischer說：“這一來自Jared和Hang的發現填補了我們了解地球元素循環的一大片空白，同時又給錳這種奇妙又常見的過渡金屬元素塑造我們星球上的生物進化的多樣途徑增添了新的內容。”
翻譯：馬新雨
審校：郝豪
引進來源：加州理工大學
引進鏈接：https://phys.org/news/2020-07-bacteria-metal-diet-dirty-glassware.html


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