kilde: nyhetssenter

Sjeldne jordelementer(REEs) likerlantanogneodymer essensielle komponenter i moderne elektronikk, fra mobiltelefoner og solcellepaneler til satellitter og elektriske kjøretøy. Disse tungmetallene forekommer overalt rundt oss, om enn i små mengder. Men etterspørselen fortsetter å øke, og fordi de forekommer i så lave konsentrasjoner, kan tradisjonelle metoder for å utvinne REE være ineffektive, miljøforurensende og skadelig for arbeidernes helse.

Nå, med finansiering fra Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Environmental Microbes as a BioEngineering Resource (EMBER), utvikler forskere fra San Diego State University avanserte utvinningsmetoder med sikte på å øke den innenlandske tilgangen på REE.

"Vi prøver å utvikle en ny prosedyre for utvinning som er miljøvennlig og mer bærekraftig," sa biolog og hovedetterforsker Marina Kalyuzhnaya.

For å gjøre dette vil forskerne benytte seg av den naturlige tilbøyeligheten til metanforbrukende bakterier som lever under ekstreme forhold til å fange REE fra miljøet.

"De krever sjeldne jordartsmetaller for å lage en av de viktigste enzymatiske reaksjonene i deres metabolske veier," sa Kalyuzhnaya.

REE inkluderer de mange lantanidelementene i det periodiske systemet. I samarbeid med University of California, Berkeley og Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), planlegger SDSU-forskerne å reversere de biologiske prosessene som gjør at bakteriene kan høste metallene fra miljøet. Å forstå denne prosessen vil informere om dannelsen av syntetiske designerproteiner som binder seg med høy spesifisitet til forskjellige typer lantanider, ifølge biokjemiker John Love. PNNLs team vil identifisere de genetiske determinantene til de ekstremofile og REE-akkumulerende bakteriene, og deretter karakterisere deres REE-opptak.

Teamet vil deretter modifisere bakteriene for å produsere metallbindende proteiner på overflaten av cellene deres, sa Love.

REE er relativt rikelig i gruveavfall, avfallsproduktene fra noen metallmalmer, for eksempel aluminium.

"Mineavfall er faktisk avfall som fortsatt har mange nyttige materialer i seg," sa Kalyuzhnaya.

For å rense og samle REE-ene innenfor, vil disse slurryene av vann og knuste bergarter bli kjørt gjennom et biofilter som inneholder de modifiserte bakteriene, slik at designerproteinene på overflaten av bakteriene kan binde seg selektivt til REE-ene. I likhet med de metanelskende bakteriene som fungerte som deres maler, vil de forbedrede bakteriene tolerere ekstreme pH, temperatur og saltholdighet, forhold som finnes i gruveavgangen.

Forskerne vil samarbeide med en industripartner, Palo Alto Research Center (PARC), et Xerox-selskap, for å bioprinte et porøst, sorberende materiale for bruk i biofilteret. Denne bioutskriftsteknologien er rimelig og skalerbar og forventes å resultere i betydelige besparelser når den brukes bredt til mineralutvinning.

I tillegg til å teste og optimalisere biofilteret, vil teamet også måtte utvikle metoder for å samle de rensede lantanidene fra selve biofilteret, ifølge miljøingeniør Christy Dykstra. Forskerne har slått seg sammen med et oppstartsselskap, Phoenix Tailings, for å teste og avgrense gjenopprettingsprosessen.

Fordi målet er å utvikle en kommersielt levedyktig, men miljøvennlig prosess for utvinning av REE, vil Dykstra og flere av prosjektpartnerne analysere kostnadene ved systemet sammenlignet med andre teknologier for utvinning av lantanider, men også miljøbelastningen.

"Vi forventer at det vil ha mange miljømessige fordeler og lavere energikostnader sammenlignet med det som brukes i dag," sa Dykstra. "Et system som dette ville være mer et passivt biofiltreringssystem, med mindre energitilførsel. Og så, teoretisk sett, mindre bruk av virkelig miljøskadelige løsemidler og slike ting. Mange nåværende prosesser vil bruke veldig harde og ikke-miljøvennlige løsemidler."

Dykstra bemerker også at siden bakterier replikerer seg selv, er mikrobebaserte teknologier selvfornyende, "mens hvis vi skulle bruke en kjemisk metode, ville vi kontinuerlig måtte produsere mer og mer kjemisk."

"Selv om det vil koste litt mer, men det ikke skader miljøet, ville det være fornuftig," sa Kalyuzhnaya.

Målet med det DARPA-finansierte prosjektet er å gi proof-of-concept av den biodrevne REE-gjenopprettingsteknologien om fire år, som Kalyuzhnaya sa vil kreve en strategisk visjon og et tverrfaglig syn.

Hun la til at prosjektet vil gi SDSU-studenter muligheten til å delta i tverrfaglig forskning "og se hvordan konsepter kan vokse fra bare ideer hele veien til pilotdemonstrasjon."

---

Innleggstid: 17. april 2023