Двенадцать экзотических бактерий пассивно собирают редкоземельные элементы из сточных вод
Редкоземельные элементы (РЗЭ) — группа из 17 химически схожих металлов, получивших своё название из-за низкой концентрации в земной коре (от 0,5 до 67 частей на миллион). Они незаменимы в современных технологиях: светодиодах, мобильных телефонах, электромоторах, ветрогенераторах, жёстких дисках, камерах, магнитах и энергосберегающих лампах. Спрос на них неуклонно растёт и, по прогнозам, увеличится к 2030 году.
Из-за редкости и высокого спроса РЗЭ дороги: килограмм оксида неодима стоит около €200, а оксида тербия — примерно €3800. Сегодня Китай имеет почти монополию на добычу РЗЭ, хотя в январе 2023 года с большим размахом было объявлено об открытии новых крупных месторождений (более миллиона метрических тонн) в Кируне, Швеция.
Циркулярная экономика
Преимущества перехода от расточительной линейной экономики к циркулярной, где все ресурсы перерабатываются и повторно используются, очевидны. Можно ли и РЗЭ перерабатывать эффективнее?
В журнале Frontiers in Bioengineering and Biotechnology немецкие учёные показали, что да: биомасса некоторых экзотических фотосинтезирующих цианобактерий может эффективно поглощать РЗЭ из сточных вод, например, от горнодобывающей, металлургической промышленности или переработки электронных отходов. Поглощённые РЗЭ затем можно отмыть от биомассы и собрать для повторного использования.
«Здесь мы оптимизировали условия поглощения РЗЭ цианобактериальной биомассой и охарактеризовали важнейшие химические механизмы их связывания. Эти цианобактерии могут быть использованы в будущих экологически чистых процессах для одновременного извлечения РЗЭ и очистки промышленных сточных вод», — сказал последний автор исследования, профессор Технического университета Мюнхена д-р Томас Брюк.
Высокоспециализированные штаммы цианобактерий
Биосорбция — это метаболически пассивный процесс быстрого, обратимого связывания ионов из водных растворов с биомассой. Брюк и коллеги измерили потенциал биосорбции РЗЭ (лантана, церия, неодима и тербия) для 12 штаммов цианобактерий в лабораторной культуре. Большинство этих штаммов ранее никогда не оценивались на биотехнологический потенциал. Их отбирали из высокоспециализированных мест обитания: засушливых почв пустынь Намибии, поверхности лишайников по всему миру, содовых озёр в Чаде, трещин в скалах в Южной Африке или загрязнённых ручьёв в Швейцарии.
Авторы обнаружили, что неохарактеризованный новый вид Nostoc обладает наибольшей способностью к биосорбции ионов этих четырёх РЗЭ из водных растворов — от 84,2 до 91,5 мг на грамм биомассы. Наименьшая эффективность у Scytonema hyalinum — от 15,5 до 21,2 мг на грамм. Также эффективны были Synechococcus elongates, Desmonostoc muscorum, Calothrix brevissima и неохарактеризованный новый вид Komarekiella.
Биосорбция сильно зависела от кислотности: она была максимальной при pH от 5 до 6 и steadily снижалась в более кислых растворах. Процесс был наиболее эффективен, когда не было «конкуренции» за поверхность биосорбции на биомассе цианобактерий со стороны положительных ионов других, не-РЗЭ металлов, таких как цинк, свинец, никель или алюминий.
С помощью инфракрасной спектроскопии авторы определили, какие функциональные химические группы в биомассе в основном ответственны за биосорбцию РЗЭ.
«Мы обнаружили, что биомасса цианобактерий обладает отличными адсорбционными характеристиками благодаря высокой концентрации отрицательно заряженных сахарных остатков, несущих карбонильные и карбоксильные группы. Эти отрицательно заряженные компоненты притягивают положительно заряженные ионы металлов, такие как РЗЭ, и способствуют их прикреплению к биомассе», — сказал первый автор работы, учёный из Технического университета Мюнхена Майкл Папер.
Быстро и эффективно, с большим потенциалом для будущего применения
Авторы приходят к выводу, что биосорбция РЗЭ цианобактериями возможна даже при низких концентрациях металлов. Процесс также быстр: например, большая часть церия в растворе была поглощена в течение пяти минут после начала реакции.
«Описанные здесь цианобактерии могут адсорбировать количество РЗЭ, составляющее до 10% их сухой массы. Таким образом, биосорбция представляет собой экономически и экологически оптимизированный процесс для циркулярного восстановления и повторного использования редкоземельных металлов из разбавленных промышленных сточных вод горнодобывающего, электронного и химико-каталитического секторов», — сказал Брюк.
«Ожидается, что эта система станет экономически целесообразной в ближайшем будущем, поскольку спрос и рыночные цены на РЗЭ, вероятно, значительно вырастут в ближайшие годы», — добавил он.