nguồn: newscenter

Nguyên tố đất hiếm(REE) nhưlanthanumVàneodymiumlà những thành phần thiết yếu của thiết bị điện tử hiện đại, từ điện thoại di động và tấm pin mặt trời đến vệ tinh và xe điện. Những kim loại nặng này xuất hiện xung quanh chúng ta, mặc dù với số lượng rất nhỏ. Nhưng nhu cầu vẫn tiếp tục tăng và do chúng xuất hiện ở nồng độ thấp như vậy nên các phương pháp khai thác REE truyền thống có thể không hiệu quả, gây ô nhiễm môi trường và gây bất lợi cho sức khỏe của người lao động.

Giờ đây, với sự tài trợ từ chương trình Vi khuẩn môi trường của Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA) dưới dạng Tài nguyên Kỹ thuật Sinh học (EMBER), các nhà nghiên cứu của Đại học Bang San Diego đang phát triển các phương pháp chiết xuất tiên tiến với mục đích thúc đẩy nguồn cung REE trong nước.

Nhà sinh vật học và nhà nghiên cứu chính Marina Kalyuzhnaya cho biết: “Chúng tôi đang cố gắng phát triển một quy trình phục hồi mới thân thiện với môi trường và bền vững hơn”.

Để làm được điều này, các nhà nghiên cứu sẽ khai thác xu hướng tự nhiên của vi khuẩn tiêu thụ khí mê-tan sống trong điều kiện khắc nghiệt để thu giữ REE từ môi trường.

Kalyuzhnaya cho biết: “Chúng cần các nguyên tố đất hiếm để thực hiện một trong những phản ứng enzyme quan trọng trong quá trình trao đổi chất của chúng”.

REE bao gồm nhiều nguyên tố lanthanide trong bảng tuần hoàn. Phối hợp với Đại học California, Berkeley và Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL), các nhà nghiên cứu của SDSU có kế hoạch đảo ngược các quá trình sinh học cho phép vi khuẩn thu hoạch kim loại từ môi trường. Theo nhà hóa sinh John Love, hiểu được quá trình này sẽ giúp tạo ra các protein thiết kế tổng hợp có khả năng liên kết với độ đặc hiệu cao với các loại lanthanide khác nhau. Nhóm của PNNL sẽ xác định các yếu tố di truyền quyết định của vi khuẩn ưa cực trị và vi khuẩn tích lũy REE, sau đó mô tả đặc điểm sự hấp thu REE của chúng.

Sau đó, nhóm nghiên cứu sẽ biến đổi vi khuẩn để tạo ra các protein liên kết kim loại trên bề mặt tế bào của chúng, Love cho biết.

REE tương đối dồi dào trong chất thải mỏ, phế phẩm của một số quặng kim loại, chẳng hạn như nhôm.

Kalyuzhnaya cho biết: “Chất thải từ mỏ thực sự là chất thải vẫn chứa rất nhiều vật liệu hữu ích trong đó.

Để làm sạch và thu thập REE bên trong, hỗn hợp nước và đá nghiền này sẽ được chạy qua bộ lọc sinh học có chứa vi khuẩn biến đổi, cho phép các protein thiết kế trên bề mặt vi khuẩn liên kết có chọn lọc với REE. Giống như vi khuẩn ưa khí metan đóng vai trò làm khuôn mẫu, vi khuẩn cải tiến sẽ chịu được độ pH, nhiệt độ và độ mặn cực cao, những điều kiện thường thấy ở chất thải mỏ.

Các nhà nghiên cứu sẽ hợp tác với một đối tác trong ngành, Trung tâm Nghiên cứu Palo Alto (PARC), một công ty Xerox, để in sinh học một vật liệu xốp, hấp thụ để sử dụng trong bộ lọc sinh học. Công nghệ in sinh học này có chi phí thấp và có khả năng mở rộng và dự kiến ​​sẽ tiết kiệm đáng kể khi áp dụng rộng rãi vào việc thu hồi khoáng sản.

Theo kỹ sư môi trường Christy Dykstra, ngoài việc thử nghiệm và tối ưu hóa bộ lọc sinh học, nhóm nghiên cứu cũng sẽ phải phát triển các phương pháp thu thập nguyên tố nhóm Lantan tinh khiết từ chính bộ lọc sinh học. Các nhà nghiên cứu đã hợp tác với một công ty khởi nghiệp, Phoenix Tailings, để thử nghiệm và cải tiến quá trình phục hồi.

Vì mục tiêu là phát triển một quy trình khai thác REE có hiệu quả về mặt thương mại nhưng thân thiện với môi trường nên Dykstra và một số đối tác của dự án sẽ phân tích chi phí của hệ thống so với các công nghệ khác để thu hồi lanthanide cũng như tác động đến môi trường.

Dykstra cho biết: “Chúng tôi dự đoán rằng nó sẽ mang lại nhiều lợi ích về mặt môi trường và giảm chi phí năng lượng so với những gì hiện đang sử dụng”. “Một hệ thống như thế này sẽ giống một hệ thống lọc sinh học thụ động hơn, với ít năng lượng đầu vào hơn. Và sau đó, về mặt lý thuyết, hãy ít sử dụng các dung môi thực sự có hại cho môi trường và những thứ tương tự. Rất nhiều quy trình hiện nay sẽ sử dụng các dung môi thực sự khắc nghiệt và không thân thiện với môi trường.”

Dykstra cũng lưu ý rằng vì vi khuẩn tự tái tạo nên các công nghệ dựa trên vi khuẩn sẽ tự đổi mới, “trong khi nếu chúng ta sử dụng phương pháp hóa học, chúng ta sẽ phải liên tục sản xuất ngày càng nhiều hóa chất hơn”.

Kalyuzhnaya nói: “Ngay cả khi chi phí cao hơn một chút nhưng nó không gây hại cho môi trường, điều đó sẽ có ý nghĩa”.

Mục tiêu của dự án do DARPA tài trợ là cung cấp bằng chứng về khái niệm công nghệ phục hồi REE dựa trên sinh học trong bốn năm, mà Kalyuzhnaya cho biết sẽ đòi hỏi tầm nhìn chiến lược và tầm nhìn liên ngành.

Cô nói thêm rằng dự án sẽ mang lại cho sinh viên tốt nghiệp SDSU cơ hội tham gia vào nghiên cứu đa ngành “và xem các khái niệm có thể phát triển như thế nào từ ý tưởng đơn thuần cho đến trình diễn thí điểm”.

---

Thời gian đăng: 17-04-2023