细菌也能炼金？

出品：科普中国

作者：王锦鸿（中国科学院微生物研究所）

监制：中国科普博览

微生物虽然肉眼不可见，但它们却在我们的日常生活中起着极为重要的作用。比如，我们自古以来就会自觉或不自觉地将微生物使用在我们的食品中，酸奶、腐乳、泡菜等等发酵食品就是最好的例子。

酸奶就是微生物发酵的功劳

（图片来源：Wikipedia）

但其实在现代工业中，微生物能做的远不止满足人类的口腹之欲——在现代科技的帮助下，我们可以用微生物编织出我们身上的衣服（微生物纤维素）、熔铸出我们常用的工具（微生物塑料）、榨取出充当能源的各种油脂（微生物燃料），甚至可以帮助我们从不起眼的矿石中提黄金。

微生物和黄金在常人的认知中，似乎是风马牛不相及的，那细菌是如何“炼金”的呢？

炼金都在炼什么？

要解答这个问题，我们需要先搞明白，一般意义上的“炼金”的本质是什么。

和铁、铜、铝等主要以化合物形式储藏在矿石中的金属不同，由于金的化学性质很不活泼，其不容易与环境中常见的氧气、二氧化碳、水乃至弱酸/弱碱反应，因此我们在岩矿中勘探到的黄金几乎都是纯净的金元素。但这些金散落于整个金矿层的其他岩石成分中，很少能够像挖化石一样直接开采出比较大的金块。

因此，炼金实际上就是通过一些方法把这些分散的金从矿石中“抓”出来，再使其重新“结晶”成金块或金粒的过程。

大部分黄金以极小的微粒形式存在于金矿石中，通常情况下每吨矿石中只有几克黄金

（图片来源：Wikipedia）

在实际操作中，往往需要大量金矿石才能提取出少量黄金，唐代诗人白居易的诗句“披砂复凿石,矻矻无冬春”描述的就是当时开采金银的不易。

采出的金矿石，需要将其磨成细粉后在水中淘洗，利用金密度大，不容易随水流失的特点达到筛选富集黄金的目的。近现代炼金工业中会加入一些化学试剂来协助开采过程，化学试剂中就包括剧毒的氰化钠，因此传统的炼金工业是污染比较大的工业门类。

微生物也能成为“炼金术师”

黄金的开采和冶炼流程极为复杂，因此能直接发掘得到的自然金——狗头金，尤为珍贵，地质学家认为，这些狗头金应当是金矿石中的黄金微粒被溶解为金离子后二次结晶形成的，但具体的机制很长一段时间以来都没有被破解。

自然金在极少数情况下会以狗头金形式出现

（图片来源：Wikipedia）

在2006年，《科学》杂志上刊登了Frank Reith领导的一项研究，该研究通过分子生物学技术在澳大利亚自然金表面检测到了生物成分，并在其中鉴定出30种细菌的DNA，其中一种被称为金属罗尔斯通菌（Ralstonia metallidurans）的细菌在所有DNA阳性金粒上均有发现，且在自然金周围的土壤中并不存在。

紧接着，研究人员将这种细菌的培养物中加入含有金离子的溶液，随后观察到了明显的金沉淀现象，由此证明这些细菌参与了自然金的形成。在之后的许多年里，来自世界其他地区的研究也支持了这一观点，并且在当地的自然金中发现了更多种类的“炼金微生物”。

为什么微生物可以？

令科学家们费解的是，金不是营养物质，不能为细菌提供能源，不参与细菌正常的生命活动，甚至对细菌来说，金离子还是有毒的，那“炼金微生物”们为什么会聚集到自然金表面生活，还要参与沉积黄金呢？

事实上，自然界的各种生物与其说是生活在“最适合”的环境中，不如说是生活在“最有优势”的环境中，“炼金微生物”们之所以选择在金块上生活，并参与“建设”金块，就是因为只有它们能够耐受金的毒性，而其他微生物不会来和它们争夺生存空间和周围的营养物质。

2018年，D.H.Nies在《金属组学》杂志上发表的文章揭示了“炼金微生物”的代表——耐金属贪铜菌（Cupriavidus metallidurans）通过一种被称为“CopA”的酶将细胞外的金离子转化为难吸收的金颗粒，从而抵御金离子对自身细胞的侵害，在这个过程中产生了“炼金”的效果。单独把“CopA”分离出来投放到金溶液中时，金粒子也会产生。

这项研究理清了微生物参与天然金块形成过程的机制，受到了生物化学领域和金属冶金领域的特别关注。

黄金表面的Cupriavidus metallidurans细菌

（图片来源：Wikipedia）

结语

“炼金微生物”们或许本来并不希望变得那么“金光闪闪”，但为了生存，它们选择定居在富含黄金的环境下，努力进化出了对抗黄金侵害的“盾牌”，这也使得在“微生物炼金”的秘密被揭开时，它们与对它们来说应当是“废物”的黄金一样受到瞩目。

从另一个方面讲，“微生物炼金”的发现宣示着天然金块的冶炼似乎本就是微生物的作用，如果我们能将“微生物炼金”开发为一项能够大规模应用的实用技术，一定有助于解决当前炼金工业存在的问题，推动人类社会更加绿色可持续发展。

参考文献

[1]Reith F, Rogers S L, McPhail D C, et al. Biomineralization of gold: biofilms on bacterioform gold[J]. science, 2006, 313(5784): 233-236.

[2]Bütof L, Wiesemann N, Herzberg M, et al. Synergistic gold–copper detoxification at the core of gold biomineralisation in Cupriavidus metallidurans[J]. Metallomics, 2018, 10(2): 278-286.