Редкоземельные элементы (РЗЭ) представляют собой группу из 17 химически сходных металлов, получивших свое название, потому что они обычно встречаются в низких концентрациях (от 0,5 до 67 частей на миллион) в земной коре. Поскольку они незаменимы в современных технологиях, таких как светодиоды, мобильные телефоны, электродвигатели, ветряные турбины, жесткие диски, камеры, магниты и энергосберегающие лампочки, спрос на них неуклонно растет в течение последних нескольких десятилетий и, по прогнозам, к 2030 году еще больше возрастет.

Из-за их редкости и спроса они дороги: например, килограмм оксида неодима в настоящее время стоит примерно 200 евро, а такое же количество оксида тербия — примерно 3800 евро. Сегодня Китай обладает почти монополией на добычу РЗЭ, хотя об открытии многообещающих новых месторождений (более одного миллиона метрических тонн) в Кируне, Швеция, было объявлено с большой помпой в январе 2023 года.

Циркулярная экономика

Преимущества перехода от расточительной «линейной» экономики к «круговой» экономике, где все ресурсы перерабатываются и используются повторно, очевидны. Можем ли мы также более эффективно перерабатывать РЗЭ?

В работе «Границы биоинженерии и биотехнологии» немецкие ученые показали, что ответ положительный: биомасса некоторых экзотических фотосинтетических цианобактерий может эффективно поглощать РЗЭ из сточных вод ; например, полученные в результате добычи полезных ископаемых, металлургии или переработки электронных отходов. Поглощенные РЗЭ впоследствии могут быть вымыты из биомассы и собраны для повторного использования.

«Здесь мы оптимизировали условия поглощения РЗЭ биомассой цианобактерий и охарактеризовали наиболее важные химические механизмы их связывания. Эти цианобактерии могут быть использованы в будущих экологически безопасных процессах для одновременного извлечения РЗЭ и очистки промышленных сточных вод», — сказал д-р. Томас Брюк, профессор Мюнхенского технического университета и последний автор исследования.

Высокоспециализированные штаммы цианобактерий

Биосорбция представляет собой метаболически пассивный процесс быстрого обратимого связывания ионов из водных растворов с биомассой. Брюк и его коллеги измерили потенциал биосорбции РЗЭ лантана, церия, неодима и тербия 12 штаммами цианобактерий в лабораторной культуре. Биотехнологический потенциал большинства этих штаммов ранее никогда не оценивался. Они были отобраны из узкоспециализированных местообитаний, таких как засушливые почвы в пустынях Намибии, поверхность лишайников по всему миру, натронные озера в Чаде, расщелины скал в Южной Африке или загрязненные ручьи в Швейцарии.

Авторы обнаружили, что не охарактеризованный новый вид Nostoc обладает наибольшей способностью к биосорбции ионов этих четырех РЗЭ из водных растворов с эффективностью от 84,2 до 91,5 мг на г биомассы, в то время как Scytonema hyalinum имеет самую низкую эффективность от 15,5 до 21,2 мг на г биомассы. г. Также эффективными оказались Synechococcus elongates, Desmonostoc muscorum, Calothrix brevissima и неизвестный новый вид Komarekiella. Было обнаружено, что биосорбция сильно зависит от кислотности: она была самой высокой при pH от пяти до шести и неуклонно снижалась в более кислых растворах. Процесс был наиболее эффективен, когда не было «конкуренции» за биосорбционную поверхность на биомассе цианобактерий со стороны положительных ионов других, не РЗЭ металлов, таких как цинк, свинец, никель или алюминий.

Авторы использовали метод, называемый инфракрасной спектроскопией, чтобы определить, какие функциональные химические группы в биомассе в наибольшей степени ответственны за биосорбцию РЗЭ.

«Мы обнаружили, что биомасса, полученная из цианобактерий, обладает превосходными адсорбционными характеристиками из-за высокой концентрации отрицательно заряженных фрагментов сахара, которые несут карбонильные и карбоксильные группы. Эти отрицательно заряженные компоненты притягивают положительно заряженные ионы металлов, такие как РЗЭ, и поддерживают их присоединение к биомассе», — сказал первый автор Майкл Пейпер, ученый из Технического университета Мюнхена.

Быстрый и эффективный, с большим потенциалом для будущих применений

Авторы заключают, что биосорбция РЗЭ цианобактериями возможна даже при низких концентрациях металлов. Процесс также быстрый: например, большая часть церия в растворе была биосорбирована в течение пяти минут после начала реакции.

« Описанные здесь цианобактерии могут поглощать количество РЗЭ, соответствующее до 10% их сухого вещества. Таким образом, биосорбция представляет собой экономически и экологически оптимизированный процесс циклического извлечения и повторного использования редкоземельных металлов из разбавленных промышленных сточных вод горнодобывающей, электронной, и сектора производства химических катализаторов», — сказал Брюк.

«Ожидается, что эта система станет экономически осуществимой в ближайшем будущем, поскольку спрос и рыночные цены на РЗЭ, вероятно, значительно вырастут в ближайшие годы», — сказал он.