细菌可能是可持续提取稀土元素技术的关键

诸平

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据美国康奈尔大学（Cornell University）2021年11月17日提供的消息，一项新研究显示细菌可能是可持续提取稀土元素技术的关键（Bacteria may be key to sustainably extracting rare earth elements for tech）。从矿石中提取稀土元素对现代生活至关重要，但在采矿后提炼稀土成本高昂，对环境有害，而且大多发生在国外。

一项新的研究描述了一个原则证明工程细菌——氧化葡萄糖杆菌（Gluconobacter oxydans）,向着满足飞涨的稀土元素的需求已经迈出了一大步。在某种程度上，成本和效率与传统的热化学提取和精制方法相匹配，而且清洁足以满足美国环保标准。相关研究结果于2021年11月18日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Alexa M. Schmitz, Brooke Pian, Sean Medin, Matthew C. Reid, Mingming Wu, Esteban Gazel, Buz Barstow. Generation of a Gluconobacter oxydans knockout collection for improved extraction of rare earth elements. Nature Communications, 2021, Volume 12, Article number: 6693.  DOI: 10.1038/s41467-021-27047-4. Published: 18 November 2021. http://dx.doi.org/10.1038/s41467-021-27047-4.

这篇论文的通讯作者、康奈尔大学生物与环境工程助理教授布兹·巴斯托(Buz Barstow)说:“我们正试图想出一种环保、低温、低压的方法，从矿石中提取稀土元素。”

稀土元素是元素周期表中的15种元素的总称，它们广泛应用于从电脑、手机、屏幕、麦克风、风力涡轮机、电动汽车、导体到雷达、声纳、LED灯和可充电电池，这些元素都是必不可少的。虽然美国也曾经搞过稀土元素的提取，但这种生产在50多年前就停止了。现在，这些元素的提炼几乎完全在其他国家进行，尤其是中国。

康奈尔大学地球和大气科学副教授埃斯特万·加泽尔(Esteban Gazel)说：“大多数稀土元素的生产和提取都掌握在外国手中。所以为了我们国家的安全和生活方式，我们需要回到控制烯土资源的轨道上来。”

为了满足美国每年对稀土元素的需求，大约需要7880万吨原矿来提取10000 kg稀土元素。

目前的方法依赖于用热硫酸溶解岩石，然后使用有机溶剂将非常相似的单种元素从溶液中分离出来。

布兹·巴斯托说:“我们想找到一种解决方法，制作一种漏洞使其在这方面做得更好。”

氧化葡萄糖杆菌以产生一种叫做生物浸出剂（biolixiviant）的酸而闻名，这种酸能溶解岩石;这种细菌利用这种酸从稀土元素中提取磷酸盐。研究人员已经开始操纵氧化葡萄糖杆菌的基因，使其更有效地提取稀土元素。

为了做到这一点，研究人员使用了布兹·巴斯托帮助开发的一种名为“敲除数独”(Knockout Sudoku)的技术，该技术允许他们逐个禁用氧化葡萄糖杆菌基因组中的2733个基因。该团队策划了突变体，每一个突变体都有一个特定的基因被敲除，这样他们就可以确定哪些基因在从岩石中提取烯土元素中起作用。

埃斯特万·加泽尔说：“我非常乐观，我们这里有一个比以往任何做法都更有效的流程。”

这项研究的第一作者亚莉克莎·施米茨（Alexa Schmitz）是布兹·巴斯托实验室的博士后研究员.上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Bioleaching of rare earth elements (REEs), using microorganisms such as Gluconobacter oxydans, offers a sustainable alternative to environmentally harmful thermochemical extraction, but is currently not very efficient. Here, we generate a whole-genome knockout collection of single-gene transposon disruption mutants for G. oxydans B58, to identify genes affecting the efficacy of REE bioleaching. We find 304 genes whose disruption alters the production of acidic biolixiviant. Disruption of genes underlying synthesis of the cofactor pyrroloquinoline quinone (PQQ) and the PQQ-dependent membrane-bound glucose dehydrogenase nearly eliminates bioleaching. Disruption of phosphate-specific transport system genes enhances bioleaching by up to 18%. Our results provide a comprehensive roadmap for engineering the genome of G. oxydans to further increase its bioleaching efficiency.