ที่มา:ศูนย์ข่าว

ธาตุหายาก(REE) ชอบแลนทานัมและนีโอไดเมียมเป็นส่วนประกอบสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ตั้งแต่โทรศัพท์มือถือ แผงโซลาร์เซลล์ ไปจนถึงดาวเทียมและยานพาหนะไฟฟ้า โลหะหนักเหล่านี้เกิดขึ้นรอบตัวเรา แม้ว่าจะมีปริมาณเพียงเล็กน้อยก็ตาม แต่ความต้องการยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และเนื่องจากความต้องการเหล่านี้เกิดขึ้นในความเข้มข้นที่ต่ำ วิธีการสกัด REE แบบดั้งเดิมจึงไม่มีประสิทธิภาพ ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม และเป็นอันตรายต่อสุขภาพของคนงาน

ขณะนี้ ด้วยการระดมทุนจากหน่วยงานโครงการวิจัยขั้นสูงด้านกลาโหม (DARPA) จุลินทรีย์สิ่งแวดล้อมในฐานะโครงการทรัพยากรวิศวกรรมชีวภาพ (EMBER) นักวิจัยของมหาวิทยาลัยรัฐซานดิเอโกกำลังพัฒนาวิธีการสกัดขั้นสูงโดยมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มอุปทาน REE ในประเทศ

“เรากำลังพยายามพัฒนากระบวนการใหม่ในการฟื้นฟูซึ่งเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและยั่งยืนมากขึ้น” มารีนา กัลยูซนายา นักชีววิทยาและผู้วิจัยหลักกล่าว

ในการทำเช่นนี้ นักวิจัยจะใช้ประโยชน์จากแนวโน้มตามธรรมชาติของแบคทีเรียที่ใช้มีเทนซึ่งอาศัยอยู่ในสภาวะที่รุนแรงเพื่อจับ REE จากสิ่งแวดล้อม

“พวกมันต้องการธาตุหายากเพื่อสร้างปฏิกิริยาของเอนไซม์ที่สำคัญอย่างหนึ่งในวิถีเมแทบอลิซึมของพวกมัน” Kalyuzhnaya กล่าว

REEs ประกอบด้วยธาตุแลนทาไนด์หลายชนิดในตารางธาตุ ด้วยความร่วมมือกับมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ และห้องปฏิบัติการแห่งชาติแปซิฟิกตะวันตกเฉียงเหนือ (PNNL) นักวิจัยของ SDSU วางแผนที่จะทำวิศวกรรมย้อนกลับกระบวนการทางชีววิทยาที่ช่วยให้แบคทีเรียสามารถเก็บเกี่ยวโลหะจากสิ่งแวดล้อมได้ การทำความเข้าใจกระบวนการนี้จะแจ้งให้ทราบถึงการสร้างโปรตีนสังเคราะห์ที่ออกแบบโดยจับกับแลนทาไนด์ประเภทต่างๆ ที่มีความจำเพาะสูง ตามที่นักชีวเคมี John Love กล่าว ทีมงานของ PNNL จะระบุปัจจัยทางพันธุกรรมของแบคทีเรียที่สะสมอยู่ในกลุ่ม extremophilic และ REE จากนั้นจึงระบุลักษณะการดูดซึม REE ของพวกมัน

จากนั้นทีมงานจะปรับเปลี่ยนแบคทีเรียเพื่อผลิตโปรตีนที่จับกับโลหะบนพื้นผิวเซลล์ของพวกเขา Love กล่าว

REE มีค่อนข้างมากในแร่จากเหมือง ซึ่งเป็นของเสียจากแร่โลหะบางชนิด เช่น อะลูมิเนียม

“หางแร่ของฉันเป็นของเสียจริง ๆ ซึ่งยังคงมีวัสดุที่มีประโยชน์มากมายอยู่ในนั้น” Kalyuzhnaya กล่าว

เพื่อชำระล้างและรวบรวม REE ภายใน สารละลายน้ำและหินบดเหล่านี้จะถูกส่งผ่านตัวกรองชีวภาพที่มีแบคทีเรียดัดแปลง ซึ่งช่วยให้นักออกแบบโปรตีนบนพื้นผิวของแบคทีเรียสามารถเลือกจับกับ REE ได้ เช่นเดียวกับแบคทีเรียที่รักมีเทนซึ่งทำหน้าที่เป็นแม่แบบ แบคทีเรียที่ได้รับการปรับปรุงจะทนต่อค่า pH อุณหภูมิ และความเค็มสุดขีด ซึ่งเป็นสภาวะที่พบในหางแร่

นักวิจัยจะร่วมมือกับพันธมิตรในอุตสาหกรรม Palo Alto Research Center (PARC) ซึ่งเป็นบริษัท Xerox เพื่อพิมพ์ bioprint วัสดุตัวดูดซับที่มีรูพรุนเพื่อใช้ในตัวกรองชีวภาพ เทคโนโลยีการพิมพ์ทางชีวภาพนี้มีต้นทุนต่ำและสามารถปรับขนาดได้ และคาดว่าจะช่วยประหยัดได้อย่างมากเมื่อนำไปใช้ในวงกว้างกับการนำแร่กลับมาใช้ใหม่

นอกเหนือจากการทดสอบและเพิ่มประสิทธิภาพตัวกรองชีวภาพแล้ว ทีมงานยังจะต้องพัฒนาวิธีการรวบรวมแลนทาไนด์ที่บริสุทธิ์จากตัวกรองชีวภาพเอง ตามที่วิศวกรสิ่งแวดล้อม Christy Dykstra กล่าว นักวิจัยได้ร่วมมือกับบริษัทสตาร์ทอัพ Phoenix Tailings เพื่อทดสอบและปรับปรุงกระบวนการกู้คืน

เนื่องจากเป้าหมายคือการพัฒนากระบวนการสกัด REE ที่สามารถนำไปใช้ได้ในเชิงพาณิชย์แต่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม Dykstra และพันธมิตรโครงการหลายรายจะวิเคราะห์ต้นทุนของระบบโดยเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีอื่นๆ ในการนำ lanthanide กลับมาใช้ใหม่ แต่ยังรวมถึงผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมด้วย

“เราคาดหวังว่ามันจะมีประโยชน์มากมายต่อสิ่งแวดล้อมและต้นทุนพลังงานที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน” Dykstra กล่าว “ระบบเช่นนี้น่าจะเป็นระบบการกรองทางชีวภาพแบบพาสซีฟมากกว่าโดยใช้พลังงานน้อยกว่า ในทางทฤษฎีแล้ว การใช้ตัวทำละลายที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและอะไรทำนองนั้นให้น้อยลง กระบวนการจำนวนมากในปัจจุบันจะใช้ตัวทำละลายที่รุนแรงและไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม”

Dykstra ยังตั้งข้อสังเกตอีกว่าเนื่องจากแบคทีเรียแบ่งตัวตัวเอง เทคโนโลยีที่ใช้จุลินทรีย์จึงสร้างตัวเองขึ้นมาใหม่ได้ “ในขณะที่ถ้าเราใช้วิธีการทางเคมี เราก็จะต้องผลิตสารเคมีมากขึ้นเรื่อยๆ อย่างต่อเนื่อง”

“แม้ว่าจะต้องเสียค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้นอีกเล็กน้อย แต่ก็ไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม นั่นก็สมเหตุสมผล” Kalyuzhnaya กล่าว

เป้าหมายของโครงการที่ได้รับทุนสนับสนุนจาก DARPA คือการจัดเตรียมการพิสูจน์แนวคิดของเทคโนโลยีการกู้คืน REE ที่ขับเคลื่อนด้วยชีวภาพภายในสี่ปี ซึ่ง Kalyuzhnaya กล่าวว่าจะต้องใช้วิสัยทัศน์เชิงกลยุทธ์และมุมมองแบบข้ามสาขาวิชา

เธอเสริมว่าโครงการนี้จะเปิดโอกาสให้นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ SDSU ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยแบบสหสาขาวิชาชีพ “และดูว่าแนวความคิดสามารถเติบโตจากแนวคิดเพียงอย่างเดียวไปจนถึงการสาธิตนำร่องได้อย่างไร”

---

เวลาโพสต์: 17 เมษายน-2023