神奇細菌，讓你意想不到

劉雯

科學家已經在實驗室中培育出了種種有益細菌，可以幫助我們清除污染、回收廢物、再生能源和保持身體健康等。

我們正面臨危機：人類對化石燃料的過度依賴以及對高碳足跡食物的偏好正在持續導致環境的惡化和全球變暖，陸地和海洋被大量的一次性塑料污染，已對抗生素免疫的致病菌也正威脅著公共健康。

好消息是：可以通過把二氧化碳從大氣中分離出來以延緩全球變暖;可以不需要排放大量碳也能生產出高質量的蛋白質;污染問題和細菌耐藥性問題也有了對策。以上這些潛在的突破都基于一個共同要素——細菌。雖然聽上去不太靠譜，但我們未來的健康和幸福可能都要由這些不起眼的微生物來保障。

能治愈疾病的細菌

細菌可能危害健康，引發肺結核和霍亂等致命疾病。為了對抗致病菌，20世紀人類最偉大的發明之一——青霉素被廣泛使用，在過去80年中拯救了約2億人的生命。但除了有害，細菌也可以是人類的“友軍”。科學家發現，細菌大量存在于人皮膚表面和腸道內，數量以億萬計。好細菌不僅將食物轉化成能量，還能抵御會致病的壞細菌入侵，因為當好細菌完全占據腸道后，壞細菌自然就沒有“立足之地”了。但有時人為干預卻可能打破這種平衡。長期使用抗生素會導致腸道中一部分好細菌也被殺滅，而艱難梭狀芽孢桿菌（簡稱“艱難梭菌”）等致病壞細菌乘虛而入。感染艱難梭菌可導致腹瀉、惡心和發燒。

然而，過去幾十年的研究為治療艱難梭菌感染提供了一條新思路——糞便移植，即將健康志愿者的糞便樣本移植到患者的腸道中，利用樣本中的好細菌戰勝艱難梭菌，從而使患者腸道菌群恢復平衡。此外，糞便移植還有治療其他疾病的潛力。科學家研究了動物和微生物間的相互作用，但現在還不清楚糞便樣本中究竟哪一種或哪些細菌對人的健康有好處。

另一方面，科學家已經掌握了某些種類細菌（如大腸桿菌）的作用機制，因此能夠精準地利用它們來治療疾病。大腸桿菌在人體內很常見，且幾乎無害。基于過去幾十年的研究，科學家已經充分了解了大腸桿菌的特性，并把它比作能治病的“可編程微型生物計算機”，這是因為大腸桿菌的一些益生菌菌株能找到惡性腫瘤，并在其中生長。這讓它們成為靶向遞送腫瘤治療藥物的不二之選。

基于大腸桿菌“搜索”腫瘤的機制，科學家將一段外源DNA插入其細胞內，使它們制造出強效的抗癌分子“納米抗體”。當這種大腸桿菌尋找到腫瘤細胞并在其中增殖后，插入的另一段外源DNA使大腸桿菌“自爆”，從而將“納米抗體”釋放到周圍的腫瘤組織。也就是說，一旦這種經過加工的大腸桿菌進入腫瘤患者體內，它們就會自動尋靶并消滅腫瘤。科學家已于2020年初對小鼠進行了這方面試驗并取得可喜結果。但出于倫理和安全性考慮，在開啟轉基因微生物的人體試驗前還存在一些障礙，可能還需要啟動一系列監管程序。

可生產再生能源的細菌

細菌是杰出的化學家，它們不但能制造強大的抗癌藥物，還能生產大量的可再生燃料。2020年初，英國科學家斯克魯頓團隊的一項研究展示了細菌的發電潛能。許多細菌都含有一種成纖維細胞激活蛋白（簡稱“FAP”，是一種具有催化作用的酶），他們對FAP進行了修飾。經修飾的FAP能通過發酵來分解人類食物殘渣，并產生丙烷氣體。丙烷氣體一般可用作交通運輸、家用取暖和烹飪的燃料。

上述研究已經具備一定的商業價值，但科學家又通過把經修飾的FAP插入鹽單胞菌中使它們發電，這有望大規模應用于工業。鹽單胞菌是少數能在較高濃度鹽水中生存的細菌之一。目前，大多數工業發酵設備由鋼鐵制成，在使用前必須進行嚴格的殺菌，以確保發酵罐中沒有壞細菌存在，以免降低發酵效率。而鹽單胞菌發酵有一個顯著優勢：那就是除了它們本身，其他細菌不論好壞，幾乎都不能在鹽水中存活，采用鹽單胞菌可降低殺菌步驟的煩瑣程度和由此產生的高額成本。此外，鹽單胞菌的發酵過程甚至可在廉價的反應器（如塑料容器）中進行，因此發酵罐成本也大幅降低。

目前，除鹽單胞菌外，還有其他幾種利用細菌產生生物能量的方法。其中一種是利用“電活性”細菌“吞入”和“排出”電子的行為來發電。將一個電極放在地面上，如果環境適宜，“電活性”細菌就會開始圍繞電極生長。科學家已花費數年研究如伺利用這些“電活性”細菌來生產可再生能源。在2010年的一項試驗中，科學家通過停止給卯形鼠孢菌提供食物（氫氣）來“餓死”它們，并轉而為它們提供充足的電子。他們讓卵形鼠孢菌適應了以電子為食，并利用自身產生的電能將二氧化碳轉化為乙酸鹽。科學家把這個過程稱為“微生物電合成”。由此產生的乙酸鹽是一種具有商業價值的化學物質，后續又可被制為塑料或生物燃料。而且，“微生物電合成”產生生物燃料的效率可能會超越農業，因為太陽能可以為細菌供能。而這種直接利用太陽能板來捕獲太陽能給細菌供能的方法，比植物通過光合作用將太陽能轉化為有機物給細菌供能的方法來得快得多（例如，用油菜籽來生產生物燃料）。

2020年初，科學家還探索了另一種生產可再生能源的方法。該方法的關鍵是一種長在電活性細菌表面的導電鞭毛。將這些鞭毛從細菌表面刮落，并把它們夾在兩片金導板中間，利用濕度差直接從空氣中獲取電能。這個簡單裝置競然就這樣開始發電了。經過計算，科學家推測，如果“空氣發電裝置”的尺寸夠大，其發電效率甚至可超過太陽能電池板。而且，電磁板依賴于光照，而“空氣發電裝置”即使在夜晚也能穩定輸出電能。

可凈化水質的細菌

細菌是廢物的終極回收者。下水道污水對人類來說是廢水，但對有些細菌來說卻是美餐。這也是細菌在污水處理過程中扮演重要角色的原因。污水處理廠的主要“員工”是好氧細菌，這意味著必須用空氣泵不停地向污水中泵入空氣，才能為好氧細菌提供足夠的氧氣，從而持續分解污水中的廢物。而要使空氣泵持續運轉，成本卻相當高。

其實，污水處理廠的運轉成本是可以降低的。科學家研發了一種新方法來凈化工業污水，同時能產生電能，且產生的電能比消耗的電能更多。理論上這是完全可行的。一方面，工業廢水中通常富含“養料”（如來自乳制品工廠的廢水通常富合碳水化合物和蛋白質），它們本身就是一種能源物質，而利用不需要消耗氧氣的細菌來分解水中的廢物，則可節省掉空氣泵的運轉成本。具有“電活性”的細菌（如地桿菌和希瓦氏菌）一邊以水中廢物為食（分解廢物），一邊排出電子或其他帶電物質（產生電能），一舉兩得。另一方面，產生的帶電物質還能作為一種“產甲烷細菌”的食物，供它們把二氧化碳轉化為甲烷，這樣又可為取暖和發電供能。

事實上，利用微生物治理廢水并同時發電的構想早在一二十年前就形成了，但城市污水中的能源物質很少，因此要將實驗室方案成功轉化為商用系統并不簡單。如果要產生足夠的發電量，那么需要處理的廢水量會非常巨大。而將微生物用于處理工業廢水就顯得合理得多，兇為工業廢水中含有比城市污水中更多的能源物質。

可制造蛋白質的細菌

細菌可以“喂飽”這個世界。當一些細菌把二氧化碳轉化為燃料時，另一些細菌（如氫營養菌）則分解二氧化碳并結合其他物質產生可供人們食用的蛋白質。

我們大可不必對此感到驚訝，實際上，可供動物食用的植物都是利用光合作用將二氧化碳轉化為碳水化合物的。嚴格來講，植物其實并沒有進化出把二氧化碳轉化為食物的能力，而是靠把光合作用細菌吸收進它們的細胞內來獲得這種能力的。

就捕獲太陽能的能力而言，利用光合作用的有機體遠比不上太陽能電池板。對此，科學家有一個構想：是否能通過細菌利用太陽能和二氧化碳來合成蛋白質？如果可行，那么我們將以前所未有的超}央速度收獲食物。

要實現這個構想，涉及太陽能分解水分子，并利用產生的氫氣為發酵罐中的細菌提供養料。然后，利用這些細菌結合空氣中的二氧化碳合成高質量蛋白質，從而代替日常飲食中的動物蛋白。這種方法還有一個優點，即所用的發酵罐占地面積小，要容納整個生產鏈只需一間啤酒廠的面積。因此，一部分農場可被還原為森林，以吸收空氣中更多的二氧化碳。這樣一來，地球甚至能實現“碳的負排放”，即吸收的二氧化碳多于排出的二氧化碳。

科學家認為，在未來利用細菌或其他微生物能生產出更多對地球環境友好的蛋白質。將它們添加到燕麥、奶、面包或其他面食中，可提高飲食中蛋白質的含量。但具體要添加到哪種食物中，取決于消費者對“細菌蛋白質”的接納程度。

可吃掉溫窒氣體的細菌

細菌雖小，但它們對控制氣候變化有著巨大的潛力，因為有多種細菌都會“吃”地球主要的溫室氣體二氧化碳，只不過，它們“吃”得太慢了。

快速生長的細菌可以更快地分解二氧化碳，但相比于二氧化碳，它們更傾向于以糖類為食。2019年，以色列科學家米洛把以二氧化碳為食的光合作用細菌DNA插入大腸桿菌（一種快速生長的細菌）細胞，然后將它們置于高濃度二氧化碳環境中，且幾乎不為其提供糖類。米洛推測，只要有足夠的時間，這些經過改造的細菌在代謝方面有可能發生巨大變化。果然，一年后，這些大腸桿菌竟然真的以二氧化碳為食。如果能將這種大腸桿菌應用到實際中，這將會是一個重大突破，對延緩全球變暖有積極作用。

此外，另一些科學家也正在進行試驗，希望通過向土壤注入“精心修飾”的微生物來提高土壤碳容量，同時促進農作物生長。他們稱，這種方法可使每公頃土地多吸收10噸二氧化碳。也就是說，僅在1年內，地球上的農用土地就能將人類排放的二氧化碳全部吸收。但生態學家認為，目前我們還不夠了解微生物群落在土壤中的屬性，因此要對這些微生物進行“精心修飾”還存在不少困難。如果對微生物進行修飾能改善土壤碳容量，與其將外來微生物注入土壤中，不如為土壤中現有的微生物提供所需養分來讓它們發揮更大作用。

可凈化污染物的細菌

細菌能分解地球上幾乎所有含碳的物質。有些細菌甚至進化出了分解海洋浮油或類似污染物的能力。2010年墨西哥灣漏油事故導致至少2500平方千米海水被石油覆蓋，而浮油之下產生了大量嗜油細菌。

細菌分解石油的能力引起了科學家的關注，他們正在對被石油污染的土壤中的細菌菌落進行分析，希望找出分解力最強的菌種。然而，利用細菌來分解土壤中的石油污染物存在一個問題，即我們對微生物群落在土壤中可能表現出的特性還知之甚少。當外來微生物被引入到土壤中，它們很可能和土壤中原本存在的微生物形成競爭，而競爭的結果我們無法預測。

目前，細菌凈化仍是污染凈化程序的重要環節。更重要的一點是，微生物有驚人的進化能力和適應以新物質為食的能力。如果工廠附近的土壤被油污污染，那么這些土壤中的微生物很可能會開始以油污為食。科學家可以通過“生物刺激”——為它們提供保持“健康”所需的其他營養物質（如氮肥、磷肥和鐵肥）來幫助它們更快地分解油污。

科學家認為，利用基因工程使細菌將重金屬（如汞）轉化成毒性較小的物質也是可能的，但這也需要考慮將轉基因生物引入大自然是否會造成不良后果。

可吃塑料“大餐”的細菌

細菌幾乎是“不挑食”的生物，它們不僅“吃”油污，也“吃”各種其他含碳物質，例如塑料。

2016年，日本科學家從回收站收集了用于制造飲料瓶和服裝中聚酯纖維的塑料——“聚對苯二甲酸乙二醇酯”（PET）樣本。他們在一部分PET樣本上發現了一種吃塑料的細菌。這種細菌利用其體內的PET酶等物質來分解塑料，得到的乙二醇等更小的分子可用于生產新塑料。科學家將這種細菌命名為“大阪坍菌”。此項發現的驚人之處在于，地球受PET塑料污染不超過80年，因此大阪堺菌進化出分解PET塑料的能力所用的時間也不超過短短80年，由此可見細菌擁有超強的進化能力。

然而，大阪坍菌分解環境中塑料的速度很緩慢。生物學家將協助分解塑料的酶從它們體內分離出來，通過改變酶的結構來提高分解效率。2018年，一個英國團隊改造了大阪坍菌PET酶的結構，成功將大阪坍菌分解塑料的效率提高了近20%。現在，他們正在探索改造其他細菌酶，以尋找一種具有商業價值的分解塑料的高效途徑。在2020年初的一項研究中，科學家在分離出一種細菌酶一LCC并扭曲它的結構后發現：原本需要數天才能完成的塑料分解過程，現在只需幾小時就能完成，分解效率大幅提高。隨后，他們利用通過分解塑料瓶（以石油為原料）得到的材料制作了新塑料瓶，發現分解前和新制成的塑料瓶在材質上毫無差別。這一實驗表明，通過細菌的分解，這種塑料可以循環利用。因此科學家認為，可以通過改造酶來幫助回收對環境造成嚴重污染的塑料。

PET塑料并不是唯一一種能被細菌分解的塑料。2020年早些時候，科學家證實聚氨酯（常用于制作絕緣材料和汽車部件）也能被某些細菌分解。令人興奮的是，世界各地的科學家正大量進行這方面多種有關研究，可見細菌在塑料分解方面還有巨大潛力。

可分解抗生素的細菌

1928年，英國生物學家亞歷山大·弗萊明發現了世上第一種抗生素——青霉素，到今天人類仍在使用青霉素進行抗菌治療，但過量使用抗生素會使致病菌進化出耐藥性。出人意料的是，因為一些細菌能分解抗生素，所以它們也許能幫我們解決耐藥性這個難題。

雖然一些科學家研究這些細菌已經十幾年，但發現它們真的會“吃”抗生素時，他們還是感到非常涼奇。2018年，科學家找到了協助細菌分解土壤中青霉素的酶，并將這種酶插入大腸桿菌。雖然他們認為在這之后還有很長的路要走，但他們仍希望經改造的大腸桿菌最終可被用于分解污水中的抗生素。這個過程中可能遇到的最大難題是，互相接觸的細菌之間會交換DNA。分解抗生素的基因可能會傳遞給其他細菌，包括可能引起疾病的有害細菌。這些有害細菌有了分解抗生素的基因后，原本用來殺死它們的抗生素就有被分解的可能，這樣一來，我們對這些細菌就會束手無策。如果給科學家足夠的時間深入研究細菌特性。他們也許能找到解決這些問題的方法，讓細菌成為對抗抗生素耐藥性的武器。