πηγή:newscenter

Στοιχεία σπανίων γαιών(REEs) όπωςλανθάνιοκαινεοδύμιοαποτελούν βασικά στοιχεία της σύγχρονης ηλεκτρονικής, από κινητά τηλέφωνα και ηλιακούς συλλέκτες μέχρι δορυφόρους και ηλεκτρικά οχήματα. Αυτά τα βαρέα μέταλλα υπάρχουν παντού γύρω μας, αν και σε μικρές ποσότητες. Ωστόσο, η ζήτηση συνεχίζει να αυξάνεται και επειδή εμφανίζονται σε τόσο χαμηλές συγκεντρώσεις, οι παραδοσιακές μέθοδοι εξαγωγής REE μπορεί να είναι αναποτελεσματικές, περιβαλλοντικά ρυπογόνες και επιζήμιες για την υγεία των εργαζομένων.

Τώρα, με χρηματοδότηση από την Υπηρεσία Προηγμένων Ερευνητικών Έργων της Defense (DARPA) Environmental Microbes ως πρόγραμμα BioEngineering Resource (EMBER), ερευνητές του San Diego State University αναπτύσσουν προηγμένες μεθόδους εξαγωγής με στόχο την ενίσχυση της εγχώριας προσφοράς REE.

«Προσπαθούμε να αναπτύξουμε μια νέα διαδικασία ανάκτησης που να είναι φιλική προς το περιβάλλον και πιο βιώσιμη», δήλωσε η βιολόγος και κύρια ερευνήτρια Marina Kalyuzhnaya.

Για να γίνει αυτό, οι ερευνητές θα αξιοποιήσουν τη φυσική τάση των βακτηρίων που καταναλώνουν μεθάνιο που ζουν σε ακραίες συνθήκες να συλλαμβάνουν REE από το περιβάλλον.

«Απαιτούνται στοιχεία σπάνιων γαιών για να κάνουν μία από τις βασικές ενζυμικές αντιδράσεις στα μεταβολικά τους μονοπάτια», είπε ο Kalyuzhnaya.

Τα REE περιλαμβάνουν τα πολλά στοιχεία λανθανιδών του περιοδικού πίνακα. Σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, το Μπέρκλεϋ και το Εθνικό Εργαστήριο του Βορειοδυτικού Ειρηνικού (PNNL), οι ερευνητές του SDSU σχεδιάζουν να αναστρέψουν τις βιολογικές διεργασίες που επιτρέπουν στα βακτήρια να συλλέγουν τα μέταλλα από το περιβάλλον. Η κατανόηση αυτής της διαδικασίας θα ενημερώσει τη δημιουργία συνθετικών πρωτεϊνών σχεδιαστών που συνδέονται με υψηλή ειδικότητα σε διαφορετικούς τύπους λανθανιδών, σύμφωνα με τον βιοχημικό John Love. Η ομάδα του PNNL θα εντοπίσει τους γενετικούς καθοριστικούς παράγοντες των ακραίων φιλικών και συσσωρευόμενων βακτηρίων REE και στη συνέχεια θα χαρακτηρίσει την πρόσληψή τους REE.

Η ομάδα στη συνέχεια θα τροποποιήσει τα βακτήρια για να παράγουν τις πρωτεΐνες που δεσμεύουν τα μέταλλα στην επιφάνεια των κυττάρων τους, είπε ο Love.

Οι REE είναι σχετικά άφθονες στα απορρίμματα ορυχείων, τα απόβλητα ορισμένων μεταλλευμάτων, όπως το αλουμίνιο.

«Τα απορρίμματα ορυχείων είναι στην πραγματικότητα απόβλητα που έχουν ακόμα πολλά χρήσιμα υλικά», είπε ο Kalyuzhnaya.

Για τον καθαρισμό και τη συλλογή των REE μέσα, αυτές οι ιλύς νερού και θρυμματισμένων πετρωμάτων θα περάσουν μέσω ενός βιοφίλτρου που περιέχει τα τροποποιημένα βακτήρια, επιτρέποντας στις πρωτεΐνες σχεδιασμού στην επιφάνεια των βακτηρίων να συνδεθούν επιλεκτικά με τους REE. Όπως τα βακτήρια που αγαπούν το μεθάνιο που χρησίμευαν ως πρότυπά τους, τα βελτιωμένα βακτήρια θα ανέχονται ακραία pH, θερμοκρασία και αλατότητα, συνθήκες που βρίσκονται στα απορρίμματα του ορυχείου.

Οι ερευνητές θα συνεργαστούν με έναν βιομηχανικό εταίρο, το Palo Alto Research Center (PARC), μια εταιρεία Xerox, για τη βιοεκτύπωση ενός πορώδους, ροφητικού υλικού για χρήση στο βιοφίλτρο. Αυτή η τεχνολογία βιοεκτύπωσης είναι χαμηλού κόστους και επεκτάσιμη και αναμένεται να οδηγήσει σε σημαντική εξοικονόμηση πόρων όταν εφαρμοστεί ευρέως στην ανάκτηση ορυκτών.

Εκτός από τη δοκιμή και τη βελτιστοποίηση του βιοφίλτρου, η ομάδα θα πρέπει επίσης να αναπτύξει μεθόδους για τη συλλογή των καθαρισμένων λανθανιδών από το ίδιο το βιοφίλτρο, σύμφωνα με την περιβαλλοντική μηχανική Christy Dykstra. Οι ερευνητές συνεργάστηκαν με μια startup εταιρεία, την Phoenix Tailings, για να δοκιμάσουν και να βελτιώσουν τη διαδικασία ανάκτησης.

Επειδή ο στόχος είναι να αναπτυχθεί μια εμπορικά βιώσιμη αλλά φιλική προς το περιβάλλον διαδικασία για την εξόρυξη REE, η Dykstra και αρκετοί από τους εταίρους του έργου θα αναλύσουν το κόστος του συστήματος σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες ανάκτησης λανθανιδών, αλλά και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις.

«Προβλέπουμε ότι θα έχει πολλά οφέλη περιβαλλοντικά και χαμηλότερο ενεργειακό κόστος σε σύγκριση με αυτό που χρησιμοποιείται σήμερα», δήλωσε ο Dykstra. «Ένα σύστημα σαν αυτό θα ήταν περισσότερο ένα παθητικό σύστημα βιοδιήθησης, με λιγότερες εισροές ενέργειας. Και μετά, θεωρητικά, λιγότερη χρήση πραγματικά επιβλαβών για το περιβάλλον διαλυτών και τέτοια πράγματα. Πολλές τρέχουσες διαδικασίες θα χρησιμοποιούν πραγματικά σκληρούς και μη φιλικούς προς το περιβάλλον διαλύτες.»

Ο Dykstra σημειώνει επίσης ότι εφόσον τα βακτήρια αναπαράγονται, οι τεχνολογίες που βασίζονται σε μικρόβια αυτοανανεώνονται, «ενώ αν χρησιμοποιούσαμε μια χημική μέθοδο, θα έπρεπε να παράγουμε συνεχώς όλο και περισσότερες χημικές ουσίες».

«Ακόμα κι αν κοστίσει λίγο περισσότερο, αλλά δεν βλάπτει το περιβάλλον, αυτό θα ήταν λογικό», είπε ο Kalyuzhnaya.

Ο στόχος του έργου που χρηματοδοτείται από την DARPA είναι να παράσχει απόδειξη της ιδέας της βιο-οδηγούμενης τεχνολογίας ανάκτησης REE σε τέσσερα χρόνια, για την οποία ο Kalyuzhnaya είπε ότι θα απαιτήσει ένα στρατηγικό όραμα και μια διεπιστημονική προοπτική.

Πρόσθεσε ότι το έργο θα παράσχει στους μεταπτυχιακούς φοιτητές του SDSU την ευκαιρία να συμμετάσχουν σε διεπιστημονική έρευνα «και να δουν πώς οι έννοιες μπορούν να αναπτυχθούν από απλές ιδέες μέχρι την πιλοτική επίδειξη».

---

Ώρα δημοσίευσης: Απρ-17-2023