细菌的秘密清洁能力

意大利佛罗伦萨拥有数百年历史的美第奇小教堂早已需要深度清洁。

尽管它被设计成意大利文艺复兴时期最臭名昭著的家族成员的宏伟安息之地，但这座陵墓自建成以来积累了几层污垢。其曾经闪亮的が大理石因胶水残留物、石膏碎片、油污……以及亚历山德罗·德·美第奇（Alessandro de’ Medici）遗体腐烂产生的有机物而变色，他的遗体在 1537 年被匆忙丢入他父亲的墓穴，并未经过妥善处理。

经过十多年的清洁和修复工作，一个全女性的艺术史学家、保护科学家和修复师团队去年秘密采用了非传统的方法来清除其最顽固的污渍：涂抹细菌糊，让它们“吃掉”污渍。

人们通常不将细菌与清洁联系起来。但是，尽管细菌世界中有一些臭名昭著的病菌（比如金黄色葡萄球菌和埃希氏大肠杆菌！），但绝大多数细菌与我们和平共处。许多微生物是勤劳的分解者，擅长分解其他生物无法处理的东西。生物学家和工程师已经注意到了这种才能，并将其用于清理各种棘手的烂摊子，从石油泄漏到尸体污染的大理石。

“如果你能开发出一种微生物群落，学会如何分解你想要去除的东西，那么你就可以让它们来完成工作，”劳伦斯伯克利国家实验室微生物系统组负责人 Susannah Tringe 说。

吃掉污垢并生存

Tringe 说，最基本地说，所有生物都试图分解它们可以从中获取能量和碳的东西。

由于微生物体积小且结构简单，它们可以代谢比人类等大型生物更耗能的物质。它们摄取其他生物没有生化机制来处理的物质，并将其转化为自身的能量以及其他生物可以利用的产品。

数千年来，细菌一直在消化人类的排泄物，但直到 20 世纪初，微生物学才发展到人类可以有意识地将它们用于现代污水处理的程度。后来，我们意识到，对于几乎任何类型的废物，都有微生物可以被诱导分解。

如今，微生物修复技术被用于清理水和土壤中的农药、金属和有机工业副产品。Tringe 说，细菌数量丰富且适应性强，因此如果有足够的时间让它们适应工业污泥的饮食，很可能会有“某种东西”找到生存之道。2010 年，消耗碳氢化合物的细菌在“深水地平线”石油泄漏事故中大量繁殖。2016 年，日本科学家在一个回收厂附近发现了一种细菌，它已经能够消化聚对苯二甲酸乙二醇酯，这是该工厂处理的塑料之一。

Tringe 正在参与一项研究，以更好地理解石油和天然气行业废水处理中涉及的微生物群落。用于工业废物处理的生物反应器基本上是细菌的“饥饿游戏”；工程师放入各种菌株，让自然选择发挥作用。

亚利桑那州立大学环境工程师 Bruce Rittmann 说：“如果它们想生存，它们就必须靠这些（废水）生活。”“如果你进行几次这样的循环，你最终会用有能力的生物富集群落。”然后，科学家们可以对获胜者进行表征，以了解它们的能力。

Rittmann 的研究目标之一是设计一种基于生物的方法来分解全氟和多氟代烷基物质（PFAS），这是一类特别难以处理的污染物，具有非常强的化学键。目前细菌还无法独立完成这项工作，因为 PFAS 与自然界中发现的任何分子都不同——微生物根本无法识别潜在的食物来源。但 Rittmann 发现，如果人类利用自己的化学方法启动降解过程，细菌就可以完成剩下的工作。

他表示：“我们是完美的团队。”“我们拥有大脑和组织能力，而微生物拥有令人难以置信的代谢多样性，可以将我们认为是污染物的东西转化为它们认为是食物的东西。”

手工培养的细菌

尽管它使用了一些相同的生物——例如，枯草芽孢杆菌（Pseudomonas stutzeri）既被用于水处理，也用于清洁湿壁画——但用微生物修复艺术品需要非常不同的方法。

从化学上讲，胶水和尸体汁液对细菌来说并不难分解。对于艺术修复师来说，棘手的部分是选择能够吃掉污垢而不是艺术品本身的微生物。例如，你可能不想在一件纸质文物上释放一种喜欢纤维素的细菌菌株。因此，在艺术界，细菌处理最常应用于雕塑和建筑，使用偏爱有机物而不是矿物质的微生物。

正如美第奇小教堂中的大理石一样，它与细菌是天作之合，因为它们可以轻松地从无孔材料上去除污渍。“我认为对我来说，这是一种教科书式的应用，”芝加哥艺术博物馆保护与科学执行主任 Francesca Casadio 说。

在实验室中筛选了 1000 多种可食用污垢的细菌选项，并在美第奇小教堂祭坛背面网格上测试了八种有希望的候选菌后，修复师选择了三种应用于米开朗琪罗的杰作：枯草芽孢杆菌 CONC11 (Pseudomonas stutzeri CONC11)、德氏假诺卡氏菌 ZCONT (Rhodococcus sp. ZCONT) 和费氏粘杆菌 SH7 (Serratia ficaria SH7)。

选择清理艺术品的正确技术（无论是微生物的还是其他的）是艺术史学家、修复师和 Casadio 等科学家之间密切合作的结果。她将这种合作比作医疗团队，艺术品就是病人。保护科学家必须首先使用先进的成像方法来诊断损坏（例如，污渍的化学成分），以便修复师能够选择正确的治疗方法来去除污渍而不会损坏其下的艺术品。

Casadio 说：“你需要这些专家的结合才能进行几乎是基因靶向的治疗，因为没有一个人拥有所有这些专业知识。”

目前，要确定一种微生物是否会分解一种物质的最佳方法是将其暴露在这种物质下并观察结果。未来在测序技术和宏基因组学方面的进步将帮助研究人员了解这些生物是如何工作的——我们越了解它们，就越能帮助它们在清洁的名义下处理越来越棘手的化学问题。