źródło: newscenter

Pierwiastki ziem rzadkich(REE) jaklantanIneodymto podstawowe elementy nowoczesnej elektroniki, od telefonów komórkowych i paneli słonecznych po satelity i pojazdy elektryczne. Te metale ciężkie występują wszędzie wokół nas, choć w niewielkich ilościach. Jednak popyt stale rośnie, a ponieważ występują one w tak niskich stężeniach, tradycyjne metody ekstrakcji REE mogą być nieefektywne, zanieczyszczające środowisko i szkodliwe dla zdrowia pracowników.

Obecnie, dzięki finansowaniu z programu Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA) Mikroby środowiskowe jako zasoby bioinżynieryjne (EMBER), naukowcy z Uniwersytetu Stanowego w San Diego opracowują zaawansowane metody ekstrakcji w celu zwiększenia krajowej podaży REE.

„Próbujemy opracować nową procedurę odzyskiwania, która będzie przyjazna dla środowiska i bardziej zrównoważona” – powiedziała biolog i główna badaczka Marina Kalyuzhnaya.

W tym celu badacze wykorzystają naturalną skłonność bakterii zużywających metan, żyjących w ekstremalnych warunkach, do wychwytywania REE ze środowiska.

„Potrzebują pierwiastków ziem rzadkich, aby przeprowadzić jedną z kluczowych reakcji enzymatycznych na szlakach metabolicznych” – stwierdziła Kalyuzhnaya.

REE obejmują wiele pierwiastków lantanowców układu okresowego. We współpracy z Uniwersytetem Kalifornijskim w Berkeley i Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) badacze z SDSU planują przeprowadzić inżynierię wsteczną procesów biologicznych, które umożliwiają bakteriom pobieranie metali ze środowiska. Według biochemika Johna Love, zrozumienie tego procesu umożliwi stworzenie syntetycznych białek projektowych, które wiążą się z dużą specyficznością z różnymi typami lantanowców. Zespół PNNL zidentyfikuje determinanty genetyczne bakterii ekstremofilnych i gromadzących REE, a następnie scharakteryzuje ich wychwyt REE.

Następnie zespół zmodyfikuje bakterie, aby wytwarzały białka wiążące metale na powierzchni swoich komórek, powiedział Love.

REE występują stosunkowo obficie w odpadach kopalnianych, produktach odpadowych niektórych rud metali, takich jak aluminium.

„Odpady kopalniane to tak naprawdę odpady, w których wciąż znajduje się wiele przydatnych materiałów” – stwierdziła Kalyuzhnaya.

Aby oczyścić i zebrać znajdujące się w nich REE, zawiesiny wody i pokruszonych skał zostaną przepuszczone przez biofiltr zawierający zmodyfikowane bakterie, umożliwiając projektantom białek na powierzchni bakterii selektywne wiązanie się z REE. Podobnie jak bakterie uwielbiające metan, które posłużyły za ich matryce, ulepszone bakterie będą tolerować ekstremalne pH, temperaturę i zasolenie, czyli warunki panujące w odpadach kopalnianych.

Naukowcy będą współpracować z partnerem branżowym, Palo Alto Research Center (PARC), firmą Xerox, w celu biodruku porowatego materiału sorbentowego do zastosowania w biofiltrze. Ta technologia biodruku jest niedroga i skalowalna i przewiduje się, że przy szerokim zastosowaniu do odzyskiwania minerałów przyniesie znaczne oszczędności.

Według inżyniera ochrony środowiska Christy Dykstry, oprócz testowania i optymalizacji biofiltra, zespół będzie musiał także opracować metody zbierania oczyszczonych lantanowców z samego biofiltra. Naukowcy nawiązali współpracę ze start-upem Phoenix Tailings, aby przetestować i udoskonalić proces odzyskiwania.

Ponieważ celem jest opracowanie opłacalnego, ale przyjaznego dla środowiska procesu wydobywania REE, Dykstra i kilku partnerów projektu przeanalizuje koszty systemu w porównaniu z innymi technologiami odzyskiwania lantanowców, ale także wpływ na środowisko.

„Przewidujemy, że przyniesie to wiele korzyści dla środowiska i obniży koszty energii w porównaniu z obecnie stosowanym” – stwierdził Dykstra. „Taki system byłby bardziej pasywnym systemem biofiltracji, zużywającym mniej energii. A potem, teoretycznie, mniejsze użycie naprawdę szkodliwych dla środowiska rozpuszczalników i tym podobnych. Wiele obecnych procesów wykorzystuje naprawdę ostre i nieprzyjazne dla środowiska rozpuszczalniki.

Dykstra zauważa również, że ponieważ bakterie replikują się, technologie oparte na drobnoustrojach ulegają samoodnawieniu, „podczas gdy gdybyśmy zastosowali metodę chemiczną, musielibyśmy stale wytwarzać coraz więcej środków chemicznych”.

„Nawet jeśli będzie to kosztować trochę więcej, ale nie zaszkodzi środowisku, to miałoby sens” – stwierdziła Kalyuzhnaya.

Celem projektu finansowanego przez DARPA jest przedstawienie w ciągu czterech lat dowodu słuszności koncepcji technologii odzyskiwania REE napędzanej biologicznie, co według Kalyuzhnaya będzie wymagało strategicznej wizji i perspektywy interdyscyplinarnej.

Dodała, że ​​projekt zapewni studentom studiów magisterskich SDSU możliwość wzięcia udziału w interdyscyplinarnych badaniach „i zobaczenia, jak koncepcje mogą rozwinąć się od samych pomysłów aż do pilotażowej demonstracji”.

---

Czas publikacji: 17 kwietnia 2023 r