källa: nyhetscenter

Sällsynta jordartselement(REEs) gillarlantanochneodymär viktiga komponenter i modern elektronik, från mobiltelefoner och solpaneler till satelliter och elfordon. Dessa tungmetaller förekommer överallt omkring oss, om än i små mängder. Men efterfrågan fortsätter att öka och eftersom de förekommer i så låga koncentrationer kan traditionella metoder för att utvinna REE vara ineffektiva, miljöförorenande och skadliga för arbetarnas hälsa.

Nu, med finansiering från Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Environmental Microbes as a BioEngineering Resource (EMBER), utvecklar forskare vid San Diego State University avancerade extraktionsmetoder i syfte att öka det inhemska utbudet av REE.

"Vi försöker utveckla ett nytt förfarande för återvinning som är miljövänligt och mer hållbart", säger biologen och huvudutredaren Marina Kalyuzhnaya.

För att göra detta kommer forskarna att utnyttja den naturliga benägenheten hos metankonsumerande bakterier som lever under extrema förhållanden att fånga REE från miljön.

"De kräver sällsynta jordartsmetaller för att göra en av de viktigaste enzymatiska reaktionerna i deras metaboliska vägar," sa Kalyuzhnaya.

REE inkluderar de många lantanidelementen i det periodiska systemet. I samarbete med University of California, Berkeley och Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) planerar SDSU-forskarna att omvända de biologiska processerna som gör att bakterierna kan skörda metallerna från miljön. Att förstå denna process kommer att informera om skapandet av syntetiska designerproteiner som binder med hög specificitet till olika typer av lantanider, enligt biokemisten John Love. PNNL:s team kommer att identifiera de genetiska bestämningsfaktorerna för de extremofila och REE-ackumulerande bakterierna och sedan karakterisera deras REE-upptag.

Teamet kommer sedan att modifiera bakterierna för att producera metallbindande proteiner på ytan av deras celler, sa Love.

REE är relativt rikligt i gruvavfall, avfallsprodukter från vissa metallmalmer, såsom aluminium.

"Gruvans avfall är faktiskt avfall som fortfarande har många användbara material i sig", sa Kalyuzhnaya.

För att rena och samla in REEs inom, kommer dessa uppslamningar av vatten och krossade stenar att köras genom ett biofilter som innehåller de modifierade bakterierna, vilket tillåter designproteinerna på ytan av bakterierna att selektivt binda till REEs. Liksom de metanälskande bakterierna som fungerade som deras mallar, kommer de förbättrade bakterierna att tolerera extrema pH, temperatur och salthalt, förhållanden som finns i gruvavfallet.

Forskarna kommer att samarbeta med en industripartner, Palo Alto Research Center (PARC), ett Xerox-företag, för att bioprinta ett poröst, absorberande material för användning i biofiltret. Denna teknologi för biotryck är låg kostnad och skalbar och förväntas resultera i betydande besparingar när den tillämpas brett för mineralåtervinning.

Förutom att testa och optimera biofiltret kommer teamet även att behöva utveckla metoder för att samla upp de renade lantaniderna från själva biofiltret, enligt miljöingenjör Christy Dykstra. Forskarna har slagit sig ihop med ett startupföretag, Phoenix Tailings, för att testa och förfina återhämtningsprocessen.

Eftersom målet är att utveckla en kommersiellt gångbar men miljövänlig process för att utvinna REE kommer Dykstra och flera av projektpartnerna att analysera kostnaderna för systemet jämfört med andra tekniker för att återvinna lantanider, men även miljöpåverkan.

"Vi räknar med att det skulle ha många fördelar miljömässigt och lägre energikostnader jämfört med vad som används för närvarande", säger Dykstra. "Ett system som detta skulle vara mer av ett passivt biofiltreringssystem, med mindre energitillförsel. Och så, teoretiskt sett, mindre användning av riktigt miljöskadliga lösningsmedel och sånt. Många nuvarande processer kommer att använda riktigt hårda och icke-miljövänliga lösningsmedel."

Dykstra noterar också att eftersom bakterier replikerar sig själva är mikrobbaserade teknologier självförnyande, "medan om vi skulle använda en kemisk metod, skulle vi ständigt behöva producera mer och mer kemikalier."

"Även om det kommer att kosta lite mer, men det inte skadar miljön, skulle det vara vettigt," sa Kalyuzhnaya.

Målet med det DARPA-finansierade projektet är att ge proof-of-concept av den biodrivna REE-återvinningsteknologin på fyra år, vilket Kalyuzhnaya sa kommer att kräva en strategisk vision och en tvärvetenskaplig syn.

Hon tillade att projektet kommer att ge SDSU-studenter möjligheten att delta i tvärvetenskaplig forskning "och se hur koncept kan växa från bara idéer hela vägen till pilotdemonstration."

---

Posttid: 2023-apr-17