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自荷兰人列文虎克首次在显微镜下观察到细菌后,人们对这个“小人国”的探索就从未停歇。时至今日,细菌成为了人类的忠实“奴仆”,已经在食品、化工等领域发挥着巨大的作用,如利用乳酸杆菌、醋酸杆菌生产乳酸、醋酸等原料;用细菌处理污水、发酵沼气等。此外,细菌还是重要的实验材料,科学家就曾用肺炎球菌发现并证实DNA是遗传物质。最近,科学家又把细菌拿来净化空气、发电和推动微型机器人。
用菌净化
在隧道等现代交通设施中,空气污浊是令人关注的一个问题。尽管隧道污浊空气里的一氧化碳及一氧化氮含量超出了规定的标准,但若用普通的过滤方法来净化它们,往往收效甚微。近来,德国汉堡大学的科学家们提出了一种利用细菌来净化空气的新方案,这种方案利用嗜氮菌释放出来的酶分解空气中的一氧化氮,以净化受到轻微污染的空气——将要净化的空气吸入一个管道,在那边一批贪婪的嗜氮菌早已严阵以待。尽管空气以每秒20米的速度流动,其中的一氧化氮分子还是能够被嗜氮菌分解吞噬。据计算,这种装置每小时能净化3000立方米的空气。同时,汉堡大学的科学家们还在积极寻找能降解一氧化碳的细菌,预计那时,人们就能将经过多重净化的空气重新导入隧道,既省电,又环保。而且这种生物净化方案还可用于地下停车场及商场等场所。
诚然,让生存能力超强的细菌只处理废气还是太“大材小用”。美国布鲁克海文国家实验室的科学家最近就培育出了一种能净化原油的细菌。他们先采集到一种生活在温泉里的细菌,然后经过在实验室里多年的繁殖,最后从中挑选出经过自然淘汰而成活下来的变异品种——具有净化原油的能力,同时还能经受油井里的高温高压。如果将这种人工培育的细菌注入油井,原油中50%的硫和氮等杂质就能被它清除,从而降低原油的黏稠性,使多杂质原油的开采更加方便和彻底。在工业方面,美国科学家发现一种在光合条件下能产生纤维素的细菌,其生产出的纤维比一般的植物纤维要长,质地更坚实、柔软,用这种细菌纤维织的布,比棉麻织品要经久耐用得多。美国有家化学公司最近发明了一种利用细菌直接生产塑料的新方法,用这种方法生产出的塑料制成农用地膜,使用一定时间后会自行降解,不但不会造成污染,反而会增加土壤中的有机质。美国有个大型制糖厂用的原料既不是甘蔗也不是甜菜,而是一种嗜热细菌,这种细菌专门“消化”各种纤维素,如废纸,并产生一种无气味的颗粒状合成蛋白或葡萄糖,每“消化”100公斤废纸,就可生产50公斤食糖。德国有个垃圾处理厂,处理垃圾的方法既不是焚烧,也不是填埋,而且是将一种厌氧的细菌置于垃圾中,让细菌分离垃圾并产生一种类似乙炔的可作燃料使用的气体。
细菌发电
除了靠分解物质生长的细菌外,还有些细菌自己可以靠糖分来产生能量,于是有了用细菌发电的计划。1910年,英国植物学家将铂作为电极放进大肠杆菌的培养液里,成功地制造出世界上首个细菌电池。20世纪80年代末,英国化学家让细菌在电池组里分解糖,以释放电子向阳极运动产生电能,并在糖液中添加某些芳香族化合物作为稀释液,来提高生物系统输送电子的能力。据计算,利用该细菌电池,每1克糖可获得约1.3万库的电能,效率达40%。只要不断地往电池里添入糖就可获得2安强度的电流,且能持续数月。虽然目前看来这种细菌发电的成本还偏高,但这是一种无污染的电站,且随着技术的发展,完全可用如锯末、秸秆等有机废物的水解物来代替糖液,所以细菌发电的前景很诱人。
现在对这项技术,各发达国家如八仙过海,各显神通:美国设计出一种综合细菌电池,由电池里的单细胞藻类利用阳光将二氧化碳和水转化为糖,再让细菌利用这些糖来发电;日本将两种细菌放入特制糖浆中,让一种细菌吞食糖浆产生醋酸和有机酸,而让另一种细菌将这些酸转化成氢气,由氢气进入磷酸燃料电池发电;英国则发明出一种以甲醇为电池液,以醇脱氢酶铂金为电极的细菌电池。
此外,人们还发现某些细菌具有将太阳能转化成电能的特异功能。美国科学家在大盐湖找到一种嗜盐杆菌,它含一种紫色素,可把大约10%的太阳能转化成电能。科学家们用它制造另外小型实验性太阳能的细菌电池,结果证明这些嗜盐杆菌是可以用来发电的,而且用盐代替糖,成本大大降低。由此可见,让细菌为人类发电已不再是遥远的设想。
推动微型机器人
据报道,当年美国科幻小说家阿西莫夫所写的乘着微型潜艇完成人体之旅的故事即将变成现实。科学家们对一种能够让浴帘上长出粉红色斑点的黏质沙雷氏菌进行研究,发现了利用细菌的天然推动力操纵微型机器人在液体中穿行的方法。然而对于微小的细菌来说,在液体里推动机器人并非易事——以它们的力量,在液体中移动就好像是人在糖浆中游泳一样困难。好在这种细菌拥有一个旋转的螺旋状尾巴——鞭毛——可提供推进的动力。研究人员将这种细菌机器人置于葡萄糖水溶液中,它们就能推动机器人以大约每秒15微米的速度前进,就像安上了个微型发动机。当科学家们向溶液中加入硫酸铜时,铜离子会吸附在鞭毛上,抑制其旋转,相当于起到刹车作用;在加入另一种可将铜离子除掉的化学物质后,发动机又开始工作了。所以依次加入这些化学物质就可控制发动机,一旦机器人抵达目的地,就能开始如检查组织状况或释放药物之类的工作了。
虽然要让这种“机器人”实现人体之旅,完成制定任务,还需解决“机器人”携带电子设备、传感器和微型电池等难题,但科学家对这个实验的前景还是很乐观。
细菌,这个无所不在,而又“无所不能”的宝贵资源,一旦为人类正确利用,其无尽的威力必将创造出一个又一个让人类生活更加美好的奇迹。
用菌净化
在隧道等现代交通设施中,空气污浊是令人关注的一个问题。尽管隧道污浊空气里的一氧化碳及一氧化氮含量超出了规定的标准,但若用普通的过滤方法来净化它们,往往收效甚微。近来,德国汉堡大学的科学家们提出了一种利用细菌来净化空气的新方案,这种方案利用嗜氮菌释放出来的酶分解空气中的一氧化氮,以净化受到轻微污染的空气——将要净化的空气吸入一个管道,在那边一批贪婪的嗜氮菌早已严阵以待。尽管空气以每秒20米的速度流动,其中的一氧化氮分子还是能够被嗜氮菌分解吞噬。据计算,这种装置每小时能净化3000立方米的空气。同时,汉堡大学的科学家们还在积极寻找能降解一氧化碳的细菌,预计那时,人们就能将经过多重净化的空气重新导入隧道,既省电,又环保。而且这种生物净化方案还可用于地下停车场及商场等场所。
诚然,让生存能力超强的细菌只处理废气还是太“大材小用”。美国布鲁克海文国家实验室的科学家最近就培育出了一种能净化原油的细菌。他们先采集到一种生活在温泉里的细菌,然后经过在实验室里多年的繁殖,最后从中挑选出经过自然淘汰而成活下来的变异品种——具有净化原油的能力,同时还能经受油井里的高温高压。如果将这种人工培育的细菌注入油井,原油中50%的硫和氮等杂质就能被它清除,从而降低原油的黏稠性,使多杂质原油的开采更加方便和彻底。在工业方面,美国科学家发现一种在光合条件下能产生纤维素的细菌,其生产出的纤维比一般的植物纤维要长,质地更坚实、柔软,用这种细菌纤维织的布,比棉麻织品要经久耐用得多。美国有家化学公司最近发明了一种利用细菌直接生产塑料的新方法,用这种方法生产出的塑料制成农用地膜,使用一定时间后会自行降解,不但不会造成污染,反而会增加土壤中的有机质。美国有个大型制糖厂用的原料既不是甘蔗也不是甜菜,而是一种嗜热细菌,这种细菌专门“消化”各种纤维素,如废纸,并产生一种无气味的颗粒状合成蛋白或葡萄糖,每“消化”100公斤废纸,就可生产50公斤食糖。德国有个垃圾处理厂,处理垃圾的方法既不是焚烧,也不是填埋,而且是将一种厌氧的细菌置于垃圾中,让细菌分离垃圾并产生一种类似乙炔的可作燃料使用的气体。
细菌发电
除了靠分解物质生长的细菌外,还有些细菌自己可以靠糖分来产生能量,于是有了用细菌发电的计划。1910年,英国植物学家将铂作为电极放进大肠杆菌的培养液里,成功地制造出世界上首个细菌电池。20世纪80年代末,英国化学家让细菌在电池组里分解糖,以释放电子向阳极运动产生电能,并在糖液中添加某些芳香族化合物作为稀释液,来提高生物系统输送电子的能力。据计算,利用该细菌电池,每1克糖可获得约1.3万库的电能,效率达40%。只要不断地往电池里添入糖就可获得2安强度的电流,且能持续数月。虽然目前看来这种细菌发电的成本还偏高,但这是一种无污染的电站,且随着技术的发展,完全可用如锯末、秸秆等有机废物的水解物来代替糖液,所以细菌发电的前景很诱人。
现在对这项技术,各发达国家如八仙过海,各显神通:美国设计出一种综合细菌电池,由电池里的单细胞藻类利用阳光将二氧化碳和水转化为糖,再让细菌利用这些糖来发电;日本将两种细菌放入特制糖浆中,让一种细菌吞食糖浆产生醋酸和有机酸,而让另一种细菌将这些酸转化成氢气,由氢气进入磷酸燃料电池发电;英国则发明出一种以甲醇为电池液,以醇脱氢酶铂金为电极的细菌电池。
此外,人们还发现某些细菌具有将太阳能转化成电能的特异功能。美国科学家在大盐湖找到一种嗜盐杆菌,它含一种紫色素,可把大约10%的太阳能转化成电能。科学家们用它制造另外小型实验性太阳能的细菌电池,结果证明这些嗜盐杆菌是可以用来发电的,而且用盐代替糖,成本大大降低。由此可见,让细菌为人类发电已不再是遥远的设想。
推动微型机器人
据报道,当年美国科幻小说家阿西莫夫所写的乘着微型潜艇完成人体之旅的故事即将变成现实。科学家们对一种能够让浴帘上长出粉红色斑点的黏质沙雷氏菌进行研究,发现了利用细菌的天然推动力操纵微型机器人在液体中穿行的方法。然而对于微小的细菌来说,在液体里推动机器人并非易事——以它们的力量,在液体中移动就好像是人在糖浆中游泳一样困难。好在这种细菌拥有一个旋转的螺旋状尾巴——鞭毛——可提供推进的动力。研究人员将这种细菌机器人置于葡萄糖水溶液中,它们就能推动机器人以大约每秒15微米的速度前进,就像安上了个微型发动机。当科学家们向溶液中加入硫酸铜时,铜离子会吸附在鞭毛上,抑制其旋转,相当于起到刹车作用;在加入另一种可将铜离子除掉的化学物质后,发动机又开始工作了。所以依次加入这些化学物质就可控制发动机,一旦机器人抵达目的地,就能开始如检查组织状况或释放药物之类的工作了。
虽然要让这种“机器人”实现人体之旅,完成制定任务,还需解决“机器人”携带电子设备、传感器和微型电池等难题,但科学家对这个实验的前景还是很乐观。
细菌,这个无所不在,而又“无所不能”的宝贵资源,一旦为人类正确利用,其无尽的威力必将创造出一个又一个让人类生活更加美好的奇迹。