优秀作业 | 利用真菌生产“小行星土壤”可行性分析
由北京大学物理学院王科老师开设的“现代天文学”课程是上学期的通识核心课程之一。本文为该课程的优秀作业，作者是生命科学学院的本科生高慧泽。本文在2021年春季学期北大通识核心课优秀作业评比中，获得“系列IV. 数学、自然与技术”部分三等奖。
将小行星建成太空采集基地或太空中转站已经日益成为一个可能的未来，为提供未来小行星基地人类长期生活所需的食物来源，植物土培种植是资源成本较低的方式。利用真菌分解小行星岩石，生产小行星土壤用于植物种植的设想已经被提出，并通过了NIAC项目的一期审核。本文具体分析生产小行星土壤中可能存在的技术难点及设想的可行性分析，同时给出了减低生产成本的两个设想。
Vol.1316
优秀作业
利用真菌生产“小行星土壤”可行性分析
高慧泽 | 生命科学学院本科生
自从2013年小行星太空采集计划的提出和相关公司的成立，人们对太空采矿与太空生产生活的关注不断增加。近年来，小行星的观测与实地勘探也在稳步推进，世界也对小行星有了更加深入和全面的理解。小行星不仅可以成为未来的稀土等稀有矿产资源的来源，较大的小行星也可以为未来长期的空间旅行作为中转站、提供补给等。这一切设想实现都以在小行星上建立人类长期生活的基地为基础。在这样的基地中生活，通过种植植物来生产食物并循环利用能量及资源也是一个合理的设想。
植物培养有两种常见方式：水培法及土培法。有观点认为，水培法需要提供大量营养，同时耗费资源和能量也较多。充分利用小行星表面资源，生产“小行星土壤”，用于植物土培或许不失为一个有效地解决方式。今年2月，一个名为利用真菌生产供给人类未来太空栖息的小行星土壤（Making Soil for Space Habitats by Seeding Asteroids with Fungi）的项目（以下简称小行星土壤项目）通过了美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）的创新先进概念计划（NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) Program）一期审核，有望成为正式项目。本文基于太空采集计划及小行星土壤项目的设想，从小行星选择、生产土壤的微生物选择两个方面细化了项目构想，并分析项目的可行性，对未来研究提出展望。
图为NASA新闻中真菌造土的图示
由于太阳系中小行星种类众多，要寻找用于生产小行星土壤的微生物种类，确定建立基地的小行星是第一步。
太阳系中小行星通过光谱分类，可以分为C-群、S-群、X-群等，其中C-群中的C-型小行星占全部小行星的约75%，为常见的小行星类型。C-型小行星的构成与碳质球粒陨石较为相近，表面含有较多的碳化合物，具有水合物或其他形式存在的水（Endress and Bischoff, 1993），其中一些含有较高的金属成分及硫化物矿物等。同时，碳质球粒陨石还含有β-丙氨酸、甘氨酸和γ-氨基正丁酸（ABA）等氨基酸（Ehrenfreund et al., 2001）以及其他有机物，C-型小行星作为这种陨石的重要来源，也可能含有类似的有机物。由于C-型小行星含有较多碳元素化合物，可以为真菌提供能量及生长所需的营养；并且，其含有结合水以及硫、铁、镁等元素形成的矿物，满足太空采集利用水产生氢、氧燃料及开采矿物的目的，成为未来人类建立近地小行星太空补给站或采矿基地的很好选择。因此，小行星土壤的生产可以被聚焦到利用C-型小行星地表岩石生产土壤的问题上来。
图为三种小行星类型的图示
近年，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）发射的隼鸟2号探测器探索的小行星龙宫（Ryugu，1999 JU3）（Cb-型小行星）就是一个较为理想的系统。虽然回收的岩石样品分析工作仍在进行，并未找到其采集样品的物质组成数据，但光谱分析发现其岩石具有显著的的羟基吸收峰，可以确定一定量的水合物存在（Sugita et al., 2019）。本文使用Ryugu作为后续关于真菌生产小行星土壤的讨论的模型。
确定具体小行星系统后，选择微生物类群就是整个项目的难点和重点。小行星土壤项目中，研究团队给出选择真菌原因是，自然界中广泛存在真菌破碎岩石以及分解生长基质，为自身生长提供矿物元素的现象。与其他微生物相似，真菌也具有众多的特化适应极端环境的类群，例如，通过化石证据，人们已经发现在海底火山岩上也有真菌分布（Ivarsson et all., 2016）。同时，真菌的生长不只存在于岩石表面，一些种类也会形成石内群落（Gadd，2017）。
地衣是地球上参与土壤产生和岩石生物风化的主要类群。地衣以及相关真菌群落也具有岩表生长及石内生长两种模式。石内生长的地衣及真菌借助岩石的保护，能更好的抵御外界的严寒干燥的不利气候（Wierzchos et al. 2012）。例如在南极荒漠中广布的石内地衣群落，其包含地衣型及非地衣真菌菌丝两种形式（Wierzchos et al. 2012）。同时，石内生长的地衣也会参与岩石的内部生物风化，从内部分解岩石。
然而，选择对干燥、寒冷环境有较好适应能力的地衣也有一些问题。首先，地衣大多为好氧的藻类和真菌（子囊菌或担子菌）形成的共生体，需要较高的氧含量。地衣对大气污染物敏感，特别是 （沈萍等，2016），可见，培养地衣的气体要求较高，不适合直接在“自然环境下”生产小行星土壤。其次，地衣的分解效率较低，生产足量土壤在地球生态系统中也需要百年时间。通过人工密集培养、或是通过基因编辑手段来提高地衣的分解效率将会是未来研究需要关注的问题。
图为岩石上的地图地衣
微菌落真菌也是参与岩石生物风化的重要群落，其以单细胞酵母样微菌落的方式生长，不产生多细胞菌丝。同时，许多微菌落也具有石内生长的特性，虽然石内裂隙产生原因可能为菌落生长或是岩石自身破裂（Marvasi et al, 2012），但可以表明其从岩石外部及内部共同参与生物风化过程。同时研究者还发现这类真菌分解岩石的机制不同于常见的有机酸溶解机制，而是通过胞内压及胞外多糖的共同作用对岩石产生机械性破坏。由于C-型小行星岩石主要由硅酸盐组成，不同于碳酸盐，难以被有机酸有效分解，所以这一机械破坏机制或许更适合用于小行星岩石的生物风化。
然而微菌落真菌为单细胞生活，对寒冷（或炎热）干旱环境的抵御能力远低于地衣等多细胞真菌共生体，大多对生长条件要求相对苛刻，需要寻找这一类型中能够适应更严苛环境的类群。
由此可见，选择合适的真菌种类并利用现代基因编辑手段对其基因系进行调整，最终使其能够较好的适应小行星本身环境，降低人工环境的能量消耗，是这个项目成功的关键。
决定真菌是否能够适应小行星环境的因素首先是温度。Ryugu太阳轨道的远日点为1.415AU，近日点为0.963AU，通过简化公式：
取太阳表面温度 ，太阳半径 ， ，Ryugu半径远小于其与太阳距离，忽略。简化估计平均温度在 即 间。微生物对温度要求较高，小行星表面温度变化范围对于大多数微生物过宽，大多不能够存活。
小行星由于体量过小，不存在大气，不能提供稳定的适宜微生物生长的温度环境。同样由于没有大气和有效磁场，小行星不能屏蔽宇宙的多种辐射以及太阳风吹出的高能粒子，这些都是真菌的致死因素。上述已发现的真菌及共生体大多为好氧类群，需要一定量的氧气浓度才可以维持其正常有氧呼吸，而小行星本身的气体环境不能提供足量氧。
同时，由于真菌本身并不能分解获得小行星岩石中所含有的结合水，则其生长所需的水分需要人为提供。
另一个重要的问题为小行星表面的微重力环境能否保持真菌正常的生物风化能力。细菌中的部分种类（鞘氨醇单胞菌、枯草芽孢杆菌和贪铜杆菌）已经发现可以在零重力条件下有效分解矿物并浸出14重稀土元素，且其效率与正常重力环境下相近（Cockell et al., 2020）。对于真菌暂时没有相关研究，但相信可以找到适应微重力环境生长的真菌。
综上，选择可以较好适应小行星的微重力环境，具有适应干旱、温度变化较大的真菌（如地衣及微群落真菌）对小行星岩石进行生物风化降解，仍然需要人为提供一部分的保护（例如宇宙射线及高能粒子辐射）以及生长必须物质（如必须的氧气及水分）和环境（如排除对其生长有害的气体）。目前而言，生产小行星土壤仍然需要较高的资源成本，未来研究通过选择更合适的真菌，可以进一步节省成本。
本文仅根据现有研究程度选择了Ryugu作为目标小行星，但真正实现小行星土壤项目的小行星环境与Ryugu可能会具有较大的差距。不同类型，不同轨道的小行星表面环境也很多样，很可能需要选择适应不同环境的真菌类群。实现小行星土壤项目，研究人员仍有许多需要克服的困难。
图为小行星Ryugu的照片
上述提到，利用真菌生产小行星土壤，再用生产的土壤种植植物一定程度上是资源及能量的二次消耗，会较大提高小行星种植的成本。一个设想为，将真菌生物风化作用与小行星矿产开采结合起来，利用真菌浸出所需的矿物元素，同时分解有害物质，生产小行星土壤，用于植物种植。另一个设想为，寻找合适的担子菌类群与参与分解小行星岩石的真菌种类共同培养，或是通过基因编辑直接获得可以分解岩石的担子菌类群，也可以在生产小行星土壤的同时生产食物（可食用的子实体），减少资源的浪费。回到生物学角度，在已有发现的基础上，更多的设想可以通过将细菌和真菌共同培养，充分利用细菌多种多样的代谢途径分解有害物质及真菌难以利用的碳基大分子，产生可供真菌利用的无害小分子能源物质；真菌主要通过生物风化作用降解岩石，两者共同作用，达到更好的土壤产生效果。
参考文献
1. S. Sugita et al., The geomorphology, color, and thermal properties of Ryugu: Implications for parent-body processes. Science 364 (2019).
2. K. Ritz, I. M. Young, Interactions between soil structure and fungi. Mycologist 18, 52-59 (2004).
3. R. Miller, J. Jastrow, "Mycorrhizal fungi influence soil structure" in Arbuscular mycorrhizas: physiology and function. (Springer, 2000), pp. 3-18.
4. M. Endress, A. Bischoff, Mineralogy, degree of brecciation, and aqueous alteration of CI chondrites Orgueil, Ivuna, and Alais. Meteoritics 28 (1993).
5. P. Ehrenfreund, D. P. Glavin, O. Botta, G. Cooper, J. L. Bada, Extraterrestrial amino acids in Orgueil and Ivuna: Tracing the parent body of CI type carbonaceous chondrites. Proceedings of the National Academy of Sciences 98, 2138-2141 (2001).
6. C. S. Cockell et al., Space station biomining experiment demonstrates rare earth element extraction in microgravity and Mars gravity. Nature communications 11, 1-11 (2020).
7. 沈萍, 陈向东主编, 微生物学 (高等教育出版社, 北京, 2016), vol. 8.
8. J. Wierzchos, A. d. l. Ríos, C. Ascaso, Microorganisms in desert rocks: the edge of life on Earth. (2012).
9. M. Marvasi et al., Black microcolonial fungi as deteriogens of two famous marble statues in Florence, Italy. International Biodeterioration & Biodegradation 68, 36-44 (2012).
10. M. Ivarsson, S. Bengtson, A. Neubeck, The igneous oceanic crust–Earth's largest fungal habitat? Fungal Ecology 20, 249-255 (2016).
11. G. M. Gadd, Fungi, rocks, and minerals. Elements: An International Magazine of Mineralogy, Geochemistry, and Petrology 13, 171-176 (2017).
12. C. S. Cockell et al., Space station biomining experiment demonstrates rare earth element extraction in microgravity and Mars gravity. Nature Communications 11, 5523 (2020).
坤坤 编辑 / 万一 校对
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