Джерело: newscenter

Рідкоземельні елементи(REE) подобаєтьсялантанінеодимовийє основними компонентами сучасної електроніки, від мобільних телефонів і сонячних батарей до супутників і електромобілів. Ці важкі метали зустрічаються навколо нас, хоча й у невеликих кількостях. Але попит продовжує зростати, і оскільки вони містяться в таких низьких концентраціях, традиційні методи вилучення РЗЕ можуть бути неефективними, забруднювати навколишнє середовище та шкодити здоров’ю працівників.

Тепер, завдяки фінансуванню від Агентства передових оборонних дослідницьких проектів (DARPA) «Екологічні мікроби як біоінженерний ресурс» (EMBER), дослідники Університету штату Сан-Дієго розробляють передові методи екстракції з метою збільшення внутрішнього постачання РЗЕ.

«Ми намагаємося розробити нову процедуру відновлення, яка є екологічно чистою та більш довговічною», — сказала біолог та головний дослідник Марина Калюжна.

Для цього дослідники дослідять природну схильність бактерій, що споживають метан, які живуть в екстремальних умовах, захоплювати РЗЕ з навколишнього середовища.

«Їм потрібні рідкоземельні елементи для здійснення однієї з ключових ферментативних реакцій у їх метаболічних шляхах», — сказала Калюжна.

РЗЕ включають багато елементів лантаноїдів періодичної таблиці. У співпраці з Каліфорнійським університетом у Берклі та Тихоокеанською північно-західною національною лабораторією (PNNL) дослідники SDSU планують провести реверсивну інженерію біологічних процесів, які дозволяють бактеріям збирати метали з навколишнього середовища. За словами біохіміка Джона Лава, розуміння цього процесу допоможе створити синтетичні дизайнерські білки, які з високою специфічністю зв’язуються з різними типами лантаноїдів. Команда PNNL ідентифікує генетичні детермінанти екстремофільних бактерій та бактерій, що накопичують РЗЕ, а потім охарактеризує їх поглинання РЗЕ.

Потім команда модифікує бактерії, щоб виробляти білки, що зв’язують метали, на поверхні їхніх клітин, сказав Лав.

РЗЕ відносно багато в шахтних хвостах, відходах виробництва деяких металевих руд, таких як алюміній.

«Хвости шахт — це фактично відходи, в яких ще багато корисних речовин», — сказала Калюжна.

Щоб очистити та зібрати РЗЕ, ці суспензії з води та подрібненого каміння пропускатимуть через біофільтр, що містить модифіковані бактерії, що дозволить створеним білкам на поверхні бактерій вибірково зв’язуватися з РЗЕ. Подібно до метанолюбних бактерій, які слугували їхніми матрицями, покращені бактерії будуть терпіти екстремальні значення рН, температури та солоності, умови, які зустрічаються в шахтних хвостах.

Дослідники співпрацюватимуть із галузевим партнером, дослідницьким центром Пало-Альто (PARC), компанією Xerox, щоб біодрукувати пористий сорбуючий матеріал для використання в біофільтрі. Ця технологія біодруку є недорогою та масштабованою та, за прогнозами, призведе до значної економії при широкому застосуванні для відновлення корисних копалин.

Окрім тестування та оптимізації біофільтра, команді також доведеться розробити методи збору очищених лантаноїдів із самого біофільтра, за словами інженера-еколога Крісті Дікстра. Дослідники об’єдналися з новою компанією Phoenix Tailings, щоб перевірити та вдосконалити процес відновлення.

Оскільки метою є розробка комерційно життєздатного, але екологічно безпечного процесу видобутку РЗЕ, Dykstra та кілька партнерів проекту проаналізують вартість системи порівняно з іншими технологіями для відновлення лантаноїдів, а також вплив на навколишнє середовище.

«Ми очікуємо, що це принесе багато переваг для навколишнього середовища та знизить витрати на енергію порівняно з тим, що використовується зараз», — сказав Дікстра. «Така система була б скоріше системою пасивної біофільтрації з меншими витратами енергії. А потім, теоретично, менше використання справді шкідливих для навколишнього середовища розчинників тощо. У багатьох поточних процесах будуть використовуватися дійсно жорсткі та нешкідливі розчинники».

Дікстра також зазначає, що оскільки бактерії саморозмножуються, технології на основі мікробів самовідновлюються, «тоді як, якщо б ми використовували хімічний метод, нам довелося б постійно виробляти все більше і більше хімікатів».

«Навіть якщо це буде коштувати трохи дорожче, але це не завдасть шкоди навколишньому середовищу, це буде сенс», — сказала Калюжна.

Мета проекту, що фінансується DARPA, полягає в тому, щоб протягом чотирьох років забезпечити підтвердження концепції технології відновлення РЗЕ на біологічному основі, що, за словами Калюжної, вимагатиме стратегічного бачення та міждисциплінарного погляду.

Вона додала, що проект надасть аспірантам SDSU можливість взяти участь у міждисциплінарних дослідженнях «і побачити, як концепції можуть розвиватися від простих ідей до пілотної демонстрації».

---

Час публікації: 17 квітня 2023 р