المصدر: مركز الأخبار

العناصر الأرضية النادرة(ريس) مثلاللانثانموالنيوديميومهي مكونات أساسية للإلكترونيات الحديثة، من الهواتف المحمولة والألواح الشمسية إلى الأقمار الصناعية والمركبات الكهربائية. توجد هذه المعادن الثقيلة في كل مكان حولنا، وإن كان بكميات صغيرة. لكن الطلب مستمر في الارتفاع، ولأنه يحدث بتركيزات منخفضة، فإن الطرق التقليدية لاستخراج العناصر الأرضية النادرة يمكن أن تكون غير فعالة، وملوثة للبيئة، ومضرة بصحة العمال.

الآن، وبتمويل من برنامج الميكروبات البيئية كموارد للهندسة الحيوية (EMBER) التابع لوكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA)، يقوم الباحثون في جامعة ولاية سان دييغو بتطوير طرق استخراج متقدمة بهدف تعزيز العرض المحلي من العناصر الأرضية النادرة.

وقالت عالمة الأحياء والباحثة الرئيسية مارينا كاليوزنايا: "إننا نحاول تطوير إجراء جديد للتعافي يكون صديقًا للبيئة وأكثر استدامة".

وللقيام بذلك، سيستفيد الباحثون من الميل الطبيعي للبكتيريا المستهلكة للميثان والتي تعيش في ظروف قاسية لالتقاط العناصر الأرضية النادرة من البيئة.

وقال كاليوزنايا: "إنهم يحتاجون إلى عناصر أرضية نادرة لإجراء أحد التفاعلات الأنزيمية الرئيسية في مساراتهم الأيضية".

تشمل العناصر الأرضية العديد من عناصر اللانثانيدات في الجدول الدوري. بالتعاون مع جامعة كاليفورنيا، بيركلي ومختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني (PNNL)، يخطط باحثو SDSU لإجراء هندسة عكسية للعمليات البيولوجية التي تسمح للبكتيريا بحصد المعادن من البيئة. إن فهم هذه العملية سوف يساعد في إنشاء بروتينات مصممة اصطناعية ترتبط بخصوصية عالية بأنواع مختلفة من اللانثانيدات، وفقًا لعالم الكيمياء الحيوية جون لوف. سيقوم فريق PNNL بتحديد المحددات الجينية للبكتيريا المتراكمة في الظروف القاسية والعناصر الأرضية النادرة، ومن ثم تحديد خصائص امتصاصها للعناصر الأرضية النادرة.

وقال لوف إن الفريق سيقوم بعد ذلك بتعديل البكتيريا لإنتاج البروتينات المرتبطة بالمعادن على سطح خلاياها.

العناصر الأرضية النادرة وفيرة نسبيا في مخلفات المناجم، ومنتجات النفايات من بعض الخامات المعدنية، مثل الألومنيوم.

وقال كاليوزنايا: "إن مخلفات المناجم هي في الواقع نفايات لا تزال تحتوي على الكثير من المواد المفيدة".

لتنقية العناصر الأرضية النادرة وجمعها في الداخل، سيتم تمرير هذه المواد من الماء والصخور المكسرة من خلال مرشح حيوي يحتوي على البكتيريا المعدلة، مما يسمح للبروتينات المصممة الموجودة على سطح البكتيريا بالارتباط بشكل انتقائي بالكيانات الأرضية النادرة. مثل البكتيريا المحبة للميثان التي كانت بمثابة قوالب لها، فإن البكتيريا المحسنة سوف تتحمل درجات الحموضة القصوى ودرجة الحرارة والملوحة، وهي الظروف الموجودة في مخلفات المنجم.

سيتعاون الباحثون مع شريك صناعي، وهو مركز أبحاث بالو ألتو (PARC)، التابع لشركة زيروكس، لإجراء طباعة بيولوجية لمادة ماصة مسامية لاستخدامها في الفلتر الحيوي. تتميز تقنية الطباعة الحيوية هذه بأنها منخفضة التكلفة وقابلة للتطوير، ومن المتوقع أن تؤدي إلى تحقيق وفورات كبيرة عند تطبيقها على نطاق واسع لاستعادة المعادن.

بالإضافة إلى اختبار الفلتر الحيوي وتحسينه، سيتعين على الفريق أيضًا تطوير طرق لجمع اللانثانيدات المنقاة من الفلتر الحيوي نفسه، وفقًا للمهندس البيئي كريستي ديكسترا. وقد تعاون الباحثون مع شركة ناشئة، Phoenix Tailings، لاختبار وتحسين عملية الاسترداد.

نظرًا لأن الهدف هو تطوير عملية قابلة للتطبيق تجاريًا وصديقة للبيئة لاستخراج العناصر الأرضية النادرة، سيقوم ديكسترا والعديد من شركاء المشروع بتحليل تكاليف النظام مقارنة بالتقنيات الأخرى لاستعادة اللانثانيدات، ولكن أيضًا التأثير البيئي.

وقال ديكسترا: "نتوقع أن يكون لها الكثير من الفوائد البيئية وتكاليف طاقة أقل مقارنة بما يتم استخدامه حاليًا". "إن نظامًا كهذا سيكون أكثر من نظام ترشيح حيوي سلبي، مع مدخلات طاقة أقل. ومن ثم، من الناحية النظرية، استخدام أقل للمذيبات الضارة بالبيئة وأشياء من هذا القبيل. ستستخدم الكثير من العمليات الحالية مذيبات قاسية وغير صديقة للبيئة."

ويشير ديكسترا أيضًا إلى أنه بما أن البكتيريا تكرر نفسها، فإن التقنيات المعتمدة على الميكروبات تتجدد ذاتيًا، "بينما إذا استخدمنا طريقة كيميائية، فسيتعين علينا إنتاج المزيد والمزيد من المواد الكيميائية باستمرار".

وقال كاليوزنايا: "حتى لو كان الأمر سيكلف أكثر قليلاً، لكنه لا يضر بالبيئة، فسيكون ذلك منطقياً".

الهدف من المشروع الممول من DARPA هو تقديم إثبات لمفهوم تقنية استرداد العناصر الأرضية النادرة القائمة على الحيوية خلال أربع سنوات، والتي قال كاليوزنايا إنها ستتطلب رؤية استراتيجية ونظرة متعددة التخصصات.

وأضافت أن المشروع سيوفر لطلاب الدراسات العليا بجامعة SDSU الفرصة للمشاركة في أبحاث متعددة التخصصات "ورؤية كيف يمكن للمفاهيم أن تنمو من مجرد أفكار وصولاً إلى العرض التجريبي".

---

وقت النشر: 17 أبريل 2023