微生物雖然肉眼不可見，但它們卻在我們的日常生活中起著極為重要的作用。比如，我們自古以來就會自覺或不自覺地將微生物使用在我們的食品中，酸奶、腐乳、泡菜等等發酵食品就是最好的例子。

酸奶就是微生物發酵的功勞

但其實在現代工業中，微生物能做的遠不只滿足人類的口腹之欲——在現代科技的幫助下，我們可以用微生物編織出我們身上的衣服（微生物纖維素）、熔鑄出我們常用的工具（微生物塑料）、榨取出充當能源的各種油脂（微生物燃料），甚至可以幫助我們從不起眼的礦石中提黃金。

微生物和黃金在常人的認知中，似乎是風馬牛不相及的，那細菌是如何“煉金”的呢？

煉金的本質是什麼？

要解答這個問題，我們需要先搞明白“煉金”的本質是什麼。

和鐵、銅、鋁等主要以化合物形式儲藏在礦石中的金屬不同，由於金的化學性質很不活潑，其不容易與環境中常見的氧氣、二氧化碳、水乃至弱酸/弱鹼反應，因此我們在岩礦中勘探到的黃金幾乎都是純淨的金元素。但這些金散落於整個金礦層的其他岩石成分中，很少能夠像挖化石一樣直接開采出比較大的金塊。

因此，煉金實際上就是通過一些方法把這些分散的金從礦石中“抓”出來，再使其重新“結晶”成金塊或金粒的過程。

在實際操作中，往往需要大量金礦石才能提取出少量黃金，唐代詩人白居易的詩句“披砂复鑿石，矻矻無冬春”描述的就是當時開採金銀的不易。

采出的金礦石，需要將其磨成細粉後在水中淘洗，利用金密度大，不容易隨水流失的特點達到篩選富集黃金的目的。

近現代煉金工業中會加入一些化學試劑來協助開採過程，化學試劑中就包括劇毒的氰化鈉，因此傳統的煉金工業是污染比較大的工業門類。

微生物也能成為“煉金術師”

黃金的開采和冶煉流程極為複雜，因此能直接發掘得到的自然金——狗頭金，尤為珍貴，地質學家認為，這些狗頭金應當是金礦石中的黃金微粒被溶解為金離子後二次結晶形成的，但具體的機制很長一段時間以來都沒有被破解。

自然金在極少數情況下會以狗頭金形式出現圖片來源：Wikipedia

2006 年，《科學》雜誌上刊登了澳大利亞阿德萊德大學教授弗蘭克·里斯（Frank Reith）領導的一項研究，該研究通過分子生物學技術在澳大利亞自然金表面檢測到了生物成分，並在其中鑑定出30 種細菌的DNA，其中一種被稱為金屬羅爾斯通菌（Ralstonia metallidurans）的細菌在所有DNA 陽性金粒上均有發現，且在自然金周圍的土壤中並不存在。

緊接著，研究人員在這種細菌的培養物中加入含有金離子的溶液，隨後觀察到了明顯的金沉澱現象，由此證明這些細菌參與了自然金的形成。在之後的許多年裡，來自世界其他地區的研究也支持了這一觀點，並且在當地的自然金中發現了更多種類的“煉金微生物”。

為什麼微生物可以？

令科學家們費解的是，金不是營養物質，不能為細菌提供能源，不參與細菌正常的生命活動，甚至對細菌來說，金離子還是有毒的，那“煉金微生物”們為什麼會聚集到自然金表面生活，還要參與沈積黃金呢？

事實上，自然界的各種生物與其說是生活在“最適合”的環境中，不如說是生活在“最有優勢”的環境中，“煉金微生物”們之所以選擇在金塊上生活，並參與“建設”金塊，就是因為只有它們能夠耐受金的毒性，而其他微生物不會來和它們爭奪生存空間和周圍的營養物質。

2018 年，哈雷-維滕貝格馬丁路德大學的微生物學家迪特里希·H·尼斯（Dietrich H. Nies）在《金屬組學》雜誌上發表的文章揭示了“煉金微生物”的代表——耐金屬貪銅菌（Cupriavidus metallidurans）通過一種被稱為“CopA”的酶將細胞外的金離子轉化為難吸收的金顆粒，從而抵禦金離子對自身細胞的侵害，在這個過程中產生了“煉金”的效果。單獨把“CopA”分離出來投放到金溶液中時，金粒子也會產生。

這項研究釐清了微生物參與天然金塊形成過程的機制，受到了生物化學領域和金屬冶金領域的特別關注。

黃金表面的耐金屬貪銅菌圖片來源：Wikipedia

結語

“煉金微生物”們或許本來並不希望變得那麼“金光閃閃”，但為了生存，它們選擇定居在富含黃金的環境下，努力進化出了對抗黃金侵害的“盾牌”，這也使得在“微生物煉金”的秘密被揭開時，它們與對它們來說應當是“廢物”的黃金一樣受到矚目。

從另一個方面講，“微生物煉金”的發現宣示著天然金塊的冶煉似乎本就是微生物的作用，如果我們能將“微生物煉金”開發為一項能夠大規模應用的實用技術，一定有助於解決當前煉金工業存在的問題，推動人類社會更加綠色可持續發展。

參考資料

[1]Reith F, Rogers SL, McPhail DC, 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.

策劃製作

出品丨科普中國

作者丨王錦鴻中國科學院微生物研究所

監製丨中國科普博覽

責編丨林林、金禹奮（實習生）