編者按：

隨著對微生物的認識瞭解越來越多，我們越來越意識到這一類生物的奇妙之處。它們的厲害之處不僅體現在對人體健康的重要性，還體現在它們神奇的“超能力”。從吞噬汙染物、利用空氣發電，到產生蛋白質，再到吃掉抗生素，似乎我們製造出的各種麻煩都可以被它們解決。

今天，我們特別編譯發表在 Science Focus 雜誌上題為 Bacteria：The miracle microbes that could fix planet的文章，希望給各位讀者帶來一些啟發和幫助。

細菌：超能力者

我們有麻煩了：我們對化石燃料的過度依賴以及對高碳足跡食物的過分偏好，對氣候環境造成了毀滅性的破壞；我們所處的拋棄性社會（throwaway society）用不計其數的塑膠製品淹沒了陸地，汙染了海洋；我們的世界正面臨著日益嚴重的公共衛生危機，而這一危機正是由日益增多且無法用抗生素殺死的致病微生物引發的。

（編者注：碳足跡指個人、組織、事件所造成的溫室氣體排放總量；拋棄型社會是由托勒夫首先提出來，該詞彙本意是在批評，現在指人們過度消費和過度生產一次性或者短命的產品的行為。）

為了應對這些危機，人們一直在尋找解決方法，而過去幾年裡出現了一些令人鼓舞的訊息，比如：我們已經可以把大氣中的二氧化碳從空氣中抽離，以減緩世界氣候變化的步伐；我們也有可能在不產生大量碳足跡的情況下，生產出高質量的蛋白質，並且我們也已經可以清除某些汙染，還找到了一些解決抗生素耐藥性的方法。

而這一切突破的共同點是什麼呢？是細菌。儘管這聽起來似乎幾乎不可能，但我們未來的健康和幸福，可能真的需要依靠這些不起眼的微生物們。

圖.人類糞便中的微生物

人類健康：可以改善疾病的有益菌

某些細菌會對人類的健康產生有害影響，它們會導致致命的疾病，包括肺結核和霍亂，但抗生素的橫空問世為許多疾病提供了有效的治療手段。因此，抗生素被認為是 20 世紀最偉大的發現之一，比如在過去 80 年裡，僅青黴素就拯救了大約 2 億人的生命。

不過，細菌對人類的健康也存有益處。最近，我們瞭解到，我們每個人的面板上和內臟裡都存活著數萬億計的細菌和其它微生物，而這些微生物對宿主的健康至關重要。

它們不僅能夠幫助我們從食物中提取出能量，而且這些“好”細菌有時還能保護我們免受致病的“壞”細菌的傷害。這是因為如果有益細菌佔據了所有可用的生存空間，有害細菌就無法存活。

但是如果我們“干預”它們，那情況可能就不一樣了。抗生素被用於治療某些疾病，但是長期服用抗生素的一個缺點是，這些藥物會殺死我們腸道中的一些有益細菌，從而讓艱難梭菌等致病微生物得以在腸道中生存。而艱難梭菌感染可導致腹瀉、噁心和發燒等症狀。

不過，過去幾十年的研究揭示了一種治療艱難梭菌感染的令人感到驚訝的方法。如果我們將健康志願者的糞便移植到患者的腸道中，那麼，糞便中存在的有益細菌或許就能夠戰勝在那裡生長的艱難梭菌。

“糞菌移植”也可以用於幫助治療其他的一些疾病。但目前還不清楚它們具體是如何做到的。美國田納西州 Vanderbilt 大學的 Seth Bordenstein 教授致力於研究動物、微生物和病毒之間的相互作用。他指出，糞便樣本中的哪種細菌對人體健康有益，我們對此並不清楚。

除了糞菌移植，我們還可以將有些細菌運用到醫學領域，因為我們已經瞭解它們是如何工作的。大腸桿菌尤其如此，它是一種生活在人體內的條件致病菌。

在過去的幾十年裡，研究人員們已經對大腸桿菌有了很多瞭解，現在它本質上是一臺可以用來治療疾病的微型可程式設計生物計算機。

紐約哥倫比亞大學的博士生 Candice Gurbatri 說：“一些有益於健康的大腸桿菌菌株，可以錨定並特異地生長在癌症腫瘤內，這使得它們可以成為合適的癌症治療載體。”

Gurbatri 正在與同樣來自哥倫比亞大學的 Tal Danino 教授合作，嘗試對大腸桿菌這種“尋找”腫瘤的行為加以利用。他們在大腸桿菌中插入了外源 DNA，以使這種細菌能夠製造出被稱為“奈米抗體”的強效抗癌分子。

被插入的外源 DNA 片段能夠讓大腸桿菌在腫瘤內繁殖到一定程度就發生“自我毀滅”，從而在腫瘤內釋放大量的奈米抗體。因此，如果能夠成功的話，當這些大腸桿菌被腫瘤患者吞食後，它們會瞄準體內的腫瘤並幫助機體破壞腫瘤。

今年早些時候，Gurbatri、Danino 和他們的同事們在老鼠的身上測試了這種方法，並取得了令人激動的結果。但是，在開始進行人體試驗之前，還需要掃除一些監管方面的障礙。確實，要真的將基因工程微生物用於治療人類疾病，人們肯定會存有倫理和安全方面的顧慮。

圖.利用微生物進行空氣發電

可再生能源：細菌生物燃料的前景

細菌是非凡的化學家。他們不僅可以生產出強大的抗癌藥物，還可以生產出大量的可再生的生物燃料。

今年早些時候，曼徹斯特大學的 Nigel Scrutton 教授和他的同事們發表了一項研究，並在成果中展示了細菌的這種潛力。

他們改良了一種被稱為“成纖維細胞啟用蛋白”（FAP）的蛋白酶，這種酶廣泛存在於許多細菌中，使得細菌可以透過發酵作用來分解人類食物中的廢物，併產生出丙烷氣體，而丙烷可作為運輸燃料或用於家庭取暖和烹飪。

作為已具有商業價值的“系統”，該研究專案本身已經具備良好的開端。而Scrutton 和他的同事們透過將他們的酶插入到鹽單胞菌（Halomonas）中，進一步大大提高了工業化的成功機率。因為，鹽單胞菌是少數幾個能夠在高度鹼性的水體中生存的微生物。

目前，大多數的工業發酵系統都是用鋼材建造的，要求進行仔細的消毒，以確保沒有“流氓”微生物滲透進入發酵罐中，從而避免發酵效率降低。但由於鹽單胞菌發酵系統是使用鹽水進行操作的，因此就無需進行昂貴的滅菌操作，因為在鹽水中，基本上只有鹽單胞菌才能夠存活。

“你甚至可以在由塑膠材料製成的廉價的反應器中進行這種發酵反應。” Scrutton 說道，“它降低了成本。”

細菌還可以透過其它幾種方式產生生物燃料。

其中一種方法，涉及到一些不尋常的細菌。它們可以透過“吞食”和“排洩”電子（帶負電荷的亞原子粒子）來產生出電能。在合適的環境中插入電極，隨之，一群具有“電活性”的細菌就會開始在電極周圍棲息生長。

馬薩諸塞州大學的 Derek Lovley 教授和他的同事們，圍繞如何有效利用這些微生物來生產可再生能源這一問題展開了多年的研究。

2010 年，他們捕獲了一種叫做卵形孢子菌（Sporomusa ovata）的細菌，然後逐漸讓它們失去所喜歡的“食物”——氫，同時為它們提供充足的電力。

最終，這種微生物適應了以電子而不是氫作為食物，並學會了如何利用電能將二氧化碳轉化為醋酸鹽，而醋酸鹽具有商業價值，可以被轉化為生物燃料或塑膠。

Lovley 把這個過程稱為“微生物電合成”。它比基於農業生產生物燃料更具潛力，因為在微生物的合成過程中，用於為之提供能量的電力可以來自太陽能電池板，這是一種比目前用於製造生物燃料的油菜籽等光合植物更加有效地獲取太陽能的方式。

今年的早些時候，Lovley 和他的同事們還為我們揭示了細菌生產可持續能源的另一種方式。一些有電活性的細菌會長出微小的導電毛髮：當研究人員拔掉這些毛髮，並把它們夾在兩塊導電的金片之間時，他們發現這種裝置竟然可以自發的發電。

他們的“空氣發電”裝置直接從空氣中提取出電力，沒錯，是利用溼度的差異來實現這一目的的。

Lovley 和他的團隊預測，如果他們可以成功擴大空氣發電裝置的規模，那麼它的效能將超過今天的商用太陽能電池板，而且與太陽能電池板不同的是，這種空氣發電裝置還可以在夜間工作。

圖. 水處理廠依靠微生物分解廢物

淨化水：以髒水為食的細菌

細菌是自然界裡的終極回收者。雖然在傳統認知裡，人類將汙水視為廢物，但細菌卻一直將其視為食物。這就是為什麼細菌能夠在汙水處理廠中扮演重要角色的原因。

但運營這些工廠的成本可能會很高：通常情況下，我們依靠耗氧微生物來分解廢物，這意味著我們必須透過執行成本高昂的空氣泵，以對廢水水體進行持續的曝氣。

馬薩諸塞州 Cambrian Innovation 公司的聯合創始人兼執行長 Matthew Silver 表示，事情或許可以是另一番模樣。Cambrian 公司發明出了一種清潔工業廢水的新方法，這種廢水處理方法所產生的能量大於其消耗的能量。

Silver 說，這是可能的，因為工業廢水中通常充滿著能量。例如，乳製品工業的廢水中含有豐富的碳水化合物和蛋白質。“我們處理的汙水中的複雜碳水化合物和燃料差不多。”他說。

該公司的廢水處理系統主要依靠於能在無氧環境下生長的細菌，這節省了氣泵的成本。該系統利用包括地桿菌屬（Geobacter） 和希瓦氏菌屬（Shewanella）在內的“電活性”微生物，消耗掉水中的廢物，並排出電子和其他帶電粒子。

（編者注：地桿菌屬和希瓦氏菌屬是目前研究最系統的鐵呼吸菌屬，通常被用於構建胞外呼吸電子傳遞鏈的模型。）

利用微生物來同時處理廢水和發電的想法，可以追溯到 15 年前，但是要從實驗室的示範樣例發展為具有操作性、可商業化的系統則困難重重。

紐約康奈爾大學的 Buz Barstow 教授致力於開發細菌發電的潛力，他說：“城市汙水中的能量密度很低，所以為了提供更多的能量，你需要處理的汙水水體的容量必須是巨大的。”

但 Silver 認為，當這種技術被應用到工業場所時，其經濟效益就會變得更加具有吸引力，因為工業廢水中通常比城市汙水中包含有更高的能量。

圖.光合細菌可以利用來自太陽的能量將 CO2 轉化為食物

食物：來自稀薄空氣的蛋白質?

細菌可以養活整個世界。一些細菌可將二氧化碳轉化為有價值的燃料，而另一些細菌——被稱為“hydrogenotrophs”，可以將二氧化碳轉化為適合人類食用的蛋白質。

從某種意義上說，這並不令人感到驚訝。我們吃的植物或者餵食給牲畜的植物之所以能夠進行生長，正是因為它們能夠從太陽中吸收能量，然後把二氧化碳轉化為碳水化合物。嚴格地說，植物並沒有進化出將二氧化碳轉化為食物的能力：它們只是透過將光合細菌整合到細胞中才得以獲得這項技能。

在捕獲太陽能方面，太陽能電池板比光合生物更有效率，這就提出了一個有趣的可能性：如果我們能利用太陽能幫助細菌從二氧化碳中生成出蛋白質，那麼我們就能比以前更加有效地種植食物。

Solar Foods，一家芬蘭初創公司，是幾家致力於將這種非光合作用食品商業化的公司之一。該公司的執行長 Pasi Vainikka 博士說，這種方法涉及利用太陽能電池板的能量分解水分子併產生出氫氣。

然後，Solar Foods 會將產生的氫氣供給在發酵罐中生長的細菌——出於商業原因，Vainikka 不願透露該細菌究竟是哪種水生生物。這些微生物利用氫氣作為能源，將大氣中的二氧化碳轉化為高質量的蛋白質，從而取代我們飲食中的動物蛋白質。

“我們正在切斷糧食生產與農業的聯絡。”Vainikka 說。這樣做是有好處的。例如，在未來幾年 Solar Foods 將使用的發酵罐，並不會佔用太多空間。“我們基本上是在經營一家啤酒廠。”他表示。

即便考慮到發酵罐必須連線到太陽能發電廠的事實，Solar Foods 公司的生產模式對土地的總需求量仍然是很小的：Vainikka 估計，如果利用 Solar Foods 的生產模式，那麼可能只需要傳統農場所需的二十分之一的土地，就能生產出數量相當的蛋白質。

這種模式的誕生有可能會使一些農田變成森林，而森林會比農田吸收更多的二氧化碳。“在系統層面上，我們可能是負碳的。”Vainikka 說道。

Barstow 說，研究表明，利用細菌和其他微生物生產對地球友好的蛋白質，是具有很大的應用前景的。

Vainikka 設想將 Solar Foods 的產品作為一種新增劑，以提高麵包和義大利麵等食物或燕麥牛奶等植物性飲料中的蛋白質含量。

圖.將太陽能電池板與大腸桿菌結合的系統可以有效地從大氣中去除 CO2

氣候變化：消耗溫室氣體

雖然細菌的個頭往往很小，但它們卻可能在限制氣候變化的鬥爭中產生巨大的影響。這是因為許多種類的細菌能“吃掉”二氧化碳，而二氧化碳正是主要的溫室氣體。但是這個想法有一個缺陷：細菌只是在緩慢地消耗二氧化碳。

生長快速的微生物能夠消耗掉更多的二氧化碳，但是通常來說這樣的細菌更喜歡吃糖類而不是二氧化碳。然而，在去年，以色列魏茨曼科學研究所的 Ron Milo 教授和他的同事們發現，或許可以將一種快速生長的微生物——大腸桿菌改造成二氧化碳消耗者。

Milo 的團隊透過向大腸桿菌中插入光合細菌中控制消耗二氧化碳的 DNA 片段，以對大腸桿菌進行改造。然後，他們將大腸桿菌放在一個高濃度二氧化碳且幾乎沒有糖類物質的環境中。大約一年後，大腸桿菌可以進化為適應以二氧化碳為食的細菌。

該團隊成員 Shmuel Gleizer 博士說：“我們的工作提供了一個概念證明，那就是，在合理的時間範圍內，可以使常見微生物的代謝發生劇烈變化。”

大腸桿菌可從甲酸鹽中獲得消耗二氧化碳所需要的能量。甲酸鹽是一種化學物質，可由太陽能電池板的可再生能源產生。Gleizer 說，從理論上講，在清除大氣中的二氧化碳方面，太陽能電池板—大腸桿菌系統的清除效率，可能是光合作用的 10 倍。

德國格雷夫斯瓦爾德大學（University of Greifswald）的生物技術專家 Uwe Bornscheuer 教授（他並沒有參與這項研究）說：“說實話，我認為這是一項重大突破。”他補充說道，隨著研究的深入，該系統的利用可能對全球變暖產生重要的積極影響。

還有一些科學家們正在進行“土壤益生菌”的實驗，他們在我們腳下的泥土中注入精心挑選的微生物，而這些微生物既能提高土壤的碳儲存能力，又能加快種植在土壤中的作物的生長速度。

一些研究人員聲稱，在施用土壤益生菌後，一公頃農田便可以額外儲存10噸二氧化碳。他們說，這意味著世界農業用地完全有潛力吸收掉人類一年排放的所有碳。

但是這樣的研究是有爭議的。根據澳大利亞南昆士蘭大學（University of Southern Queensland）的生態學家 Adam Frew 博士的說法，目前面臨的問題在於，我們對土壤中微生物群落的性質瞭解不夠，這使得對它們進行有益的改造變得十分困難。

“沒有簡單的捷徑可行。”他說道。微生物可能有能力提高土壤的碳儲存潛力，但更好的方法可能是透過更好地滋養已經生活在泥土中的微生物，而不是透過增加新的微生物來實現這一目的。

圖.Deepwater Horizon 石油洩漏發生後，在浮油中發現了能夠清理汙染的細菌

清理汙染

細菌可以吃掉幾乎所有含有碳的東西。一些微生物甚至已經適應了吞食洩漏的石油和其他形式的汙染物。位於密蘇里州聖路易斯的華盛頓大學微生物學家 Gautam Dantas 教授表示：“在（2010 年墨西哥灣的）深水地平線石油漏油地點的附近，有大量的細菌在那裡滋生和繁殖。”

這種吞噬石油的能力，並沒有被忽視：世界各地的研究人員們正在分析石油洩漏地點附近的土壤中的細菌群落，以確定何種細菌最善於降解石油汙染物。他們的想法是，將由可吞噬石油的微生物組成的混合物，注入到世界上任何一個石油汙染嚴重的地方的土壤中。

這種方法的一個潛在問題是，就像作用於農作物的土壤益生菌一樣，我們對土壤微生物群落的瞭解太少。

德國亥姆霍茲環境研究中心（Helmholtz Centre for Environmental Research）的 Hermann Heipieper 博士說：“新增到土壤中的微生物，很可能會與當地原有的微生物發生生存競爭。”

但毫無疑問的是細菌仍然清潔工作的重要組成部分。無論如何，我們都要記住的是，微生物具有驚人的進化和適應並消耗新食物的能力。

如果工廠周圍的土壤被石油汙染了，那麼，土壤中的一些微生物就有可能開始吞噬它。我們可以透過為這些微生物們提供保證其健康所需的其他營養物質，來幫助它們更快地消化食物——這是一種被稱為“生物刺激”的方法。

“這通常是透過新增氮、磷和鐵肥料等物質來實現的。”Heipieper 說道。

也有可能對細菌進行基因改造，以使它們將重金屬（比如汞）轉化為毒性較小的形式，但是將轉基因生物釋放到大自然中，存在著倫理和安全方面的隱患。

圖.分解塑膠的酶

塑膠的問題

細菌的口味，並不挑剔。和石油一樣，它們也會吃我們用石油製造的含碳產品，比如塑膠。

2016 年，日本的一個團隊前往一個廢物回收點，收集了用於製造飲料瓶和衣服中的聚酯纖維的塑膠——聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）樣本。他們發現，在一些樣本上，存在吃食塑膠製品的細菌。

這些微生物利用一對被稱為“PETase”和“MHETase”的催化酶，將塑膠製品分解為更小的分子，如乙二醇等。而這些小分子則可以被回收以製造出新的塑膠製品。研究人員們將這種細菌命名為 Sakaiensis。

讓這一發現更加變得令人吃驚的是，PET 塑膠對自然界產生汙染的時間，還不到 80 年。Bornscheuer 說：“這種細菌進化出吃食這種新型人造碳源的時間並不長。”

Sakaiensis 在環境中以緩慢地速度進食塑膠製品，但生物學家們可以嘗試分離出細菌內消化塑膠製品的催化酶，並調整其分子結構，以使其“消化”塑膠製品的能力變得更強。

2018年，朴茨茅斯大學（University of Portsmouth）的 John McGeehan 教授領導的一個研究小組，設計出了一種叫做 sakaiensis PETase 的催化酶，這種酶將分解塑膠的效率提高了將近 20%。

目前，他們正在試圖發現和改造其他有效的細菌酶，以將其付諸於商業用途，讓其去消除一系列汙染塑膠。

今年早些時候發表的一項研究表明，這種想法或許是可以實現的。在大約 10 年前，法國 Carbios 公司的研究人員們從一個垃圾堆裡分離出一種細菌噬塑酶——LCC，並在實驗室中對其分子結構進行了改變。

通常情況下，這種酶要分解掉 PET 塑膠需要長達幾天的時間，而改造後的版本則只需幾個小時。研究人員們嘗試使用這種酶來分解廢棄 PET 塑膠，並將分解物製作成塑膠瓶，結果與用石油製作的“天然”塑膠瓶一模一樣。

“這是一個很棒的理論驗證，酶可以被改造，以幫助我們回收對環境構成最大程度汙染的塑膠製品。”McGeehan 說道，他並沒有參與這項研究。

並不是只有 PET 塑膠可被細菌吃掉。在今年早些時候，Heipieper 和他所在的德國亥姆霍茲環境研究中心（Helmholtz Centre for Environmental Research）團隊發現了一些證據，證明一些細菌可能具備分解用於製造絕緣材料和汽車部件的聚氨酯的能力。

McGeehan 說：“關於細菌可以降解塑膠的報告接連被髮布出來——這真的令人感到無比的興奮。”

抵抗抗生素

直到 1928 年，Alexander Fleming 才發現了第一種抗生素——青黴素。這是一個非常重要的發現，以至於時到如今，我們仍然在依賴這些殺菌藥物來保持健康。

但使用（和過度使用）抗生素，使得我們的環境中到處都充斥著各種的抗生素。這給細菌提供了足夠的機會，以進化出應對各種藥物的耐藥性。然而，令人驚訝的是，細菌可能能夠協助我們解決它們製造的問題，因為它們中一些物種可以吃掉抗生素。

“我已經為此工作了十幾年，但它的發生仍然讓我感到驚訝。” Dantas 說道。

在 2018 年，Dantas 和他的同事們闡明瞭具體是哪些酶可以幫助土壤細菌吃掉青黴素。然後，他們把這種特殊的能力轉移到超級普通並且幾乎無害的大腸桿菌上。

儘管 Dantas 指出，在實現這一目標之前，仍然存在著很多重大的障礙需要去克服，但這種經過改良的細菌，最終有可能被應用於汙水處理廠，以實現從水中去除抗生素。

也許目前要考慮的最大問題是，微生物會與它們遇到的其他微生物交換 DNA 片段，因此，人們真正擔心的是，吃抗生素的基因也會進入到其他細菌中去，並最終進入導致危險疾病的物種中。這樣的話，有害細菌也會獲得這種用於對抗它們的基因。

但是如果有足夠的時間來研究這些細菌，研究人員們應該極有可能會找到克服這些障礙的方法，並把細菌改造成對抗抗生素耐藥性的關鍵武器。

這種想法不會讓任何一個意識到細菌的驚人的潛在能力的人們感到吃驚，因為它們必須克服我們給它們帶來的諸多挑戰——從消除二氧化碳、塑膠和汙染物，到生產食物、清潔水、可再生能源和進行靶向癌症治療。

作者｜Colin Barras

編譯｜朱國利