источник:информационный центр

Редкоземельные элементы(РЗЭ) каклантанинеодимявляются важными компонентами современной электроники: от сотовых телефонов и солнечных батарей до спутников и электромобилей. Эти тяжелые металлы встречаются повсюду вокруг нас, хотя и в крошечных количествах. Но спрос продолжает расти, и поскольку они встречаются в таких низких концентрациях, традиционные методы извлечения РЗЭ могут быть неэффективными, загрязнять окружающую среду и вредить здоровью работников.

Теперь, благодаря финансированию программы «Экологические микробы как биоинженерный ресурс» (EMBER) Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), исследователи из Университета штата Сан-Диего разрабатывают передовые методы добычи с целью увеличения внутреннего предложения РЗЭ.

«Мы пытаемся разработать новую процедуру восстановления, которая была бы экологически чистой и более устойчивой», — сказала биолог и главный исследователь Марина Калюжная.

Для этого исследователи воспользуются естественной склонностью бактерий, потребляющих метан, живущих в экстремальных условиях, улавливать РЗЭ из окружающей среды.

«Им необходимы редкоземельные элементы для осуществления одной из ключевых ферментативных реакций в их метаболических путях», — сказала Калюжная.

РЗЭ включают в себя множество лантаноидов периодической таблицы. В сотрудничестве с Калифорнийским университетом в Беркли и Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией (PNNL) исследователи SDSU планируют реконструировать биологические процессы, которые позволяют бактериям собирать металлы из окружающей среды. По словам биохимика Джона Лава, понимание этого процесса позволит создать синтетические дизайнерские белки, которые с высокой специфичностью связываются с различными типами лантаноидов. Команда PNNL определит генетические детерминанты экстремофильных бактерий и бактерий, накапливающих РЗЭ, а затем охарактеризует их поглощение РЗЭ.

Затем команда модифицирует бактерии, чтобы они производили металлсвязывающие белки на поверхности своих клеток, сказал Лав.

РЗЭ сравнительно много в хвостах шахт, отходах добычи некоторых металлических руд, например алюминиевых.

«Хвосты шахты на самом деле являются отходами, в которых еще много полезных материалов», — сказала Калюжная.

Чтобы очистить и собрать находящиеся внутри РЗЭ, эти суспензии воды и измельченных камней будут пропущены через биофильтр, содержащий модифицированные бактерии, что позволит дизайнерским белкам на поверхности бактерий избирательно связываться с РЗЭ. Подобно бактериям, любящим метан, которые служили их шаблонами, улучшенные бактерии будут переносить экстремальные значения pH, температуры и солености, условия, встречающиеся в хвостах шахт.

Исследователи будут сотрудничать с отраслевым партнером, Исследовательским центром Пало-Альто (PARC), компанией Xerox, для биопечати пористого сорбирующего материала для использования в биофильтре. Эта технология биопечати является недорогой и масштабируемой и, по прогнозам, приведет к значительной экономии при широком применении для добычи полезных ископаемых.

По словам инженера-эколога Кристи Дайкстра, помимо тестирования и оптимизации биофильтра, команде также придется разработать методы сбора очищенных лантаноидов из самого биофильтра. Исследователи объединились со стартапом Phoenix Tailings, чтобы протестировать и усовершенствовать процесс восстановления.

Поскольку цель состоит в разработке коммерчески жизнеспособного, но экологически чистого процесса извлечения РЗЭ, Дикстра и несколько партнеров проекта проанализируют стоимость системы по сравнению с другими технологиями извлечения лантаноидов, а также воздействие на окружающую среду.

«Мы ожидаем, что это принесет много преимуществ для окружающей среды и снизит затраты на электроэнергию по сравнению с тем, что используется в настоящее время», — сказал Дикстра. «Подобная система будет скорее пассивной системой биофильтрации с меньшими энергозатратами. И затем, теоретически, меньше использования действительно вредных для окружающей среды растворителей и тому подобного. Во многих современных процессах используются очень агрессивные и неэкологичные растворители».

Дикстра также отмечает, что, поскольку бактерии размножаются, микробные технологии самообновляются, «тогда как если бы мы использовали химический метод, нам пришлось бы постоянно производить все больше и больше химикатов».

«Даже если это будет стоить немного дороже, но не нанесет вреда окружающей среде, это имело бы смысл», — сказала Калюжная.

Целью проекта, финансируемого DARPA, является обеспечение доказательства концепции биотехнологии извлечения РЗЭ за четыре года, что, по словам Калюжной, потребует стратегического видения и междисциплинарного подхода.

Она добавила, что проект предоставит аспирантам SDSU возможность принять участие в междисциплинарных исследованиях «и увидеть, как концепции могут вырасти из простых идей до пилотной демонстрации».

---

Время публикации: 17 апреля 2023 г.