Микробы- шахтеры занимаются добычей редкоземельных металлов
В то время как мир, жаждущий технологий, поглощает редкоземельные элементы, исследователи адаптируют бактерии, способные выделять и очищать металлы в отсутствие агрессивных химических веществ.
Казалось бы, ферментированный напиток комбуча максимально далек от добычи тяжелых металлов. Однако Алекса Шмитц, исполнительный директор компании REEgen, занимающейся биоминерализацией, видит параллели между продуктом ее фирмы на основе бактерий и терпким напитком.
Бактериальный "суп" компании REEgen растворяет измельченные горные породы, отработанные электронные компоненты и другие твердые вещества, содержащие редкоземельные элементы - металлы, обладающие ценными проводящими, магнитными и флуоресцентными свойствами и используемые во всем - от мобильных телефонов до ветряных турбин. Эти металлы, например, придают прочность и твердость сплавам, используются в сверхпроводниках и катализаторах. При этом Шмитц отмечает, что продукт компании гораздо менее опасен как для людей, так и для окружающей среды, чем химикаты, обычно используемые для выделения металлов из руды. "Мы производим раствор, который по эффективности растворения твердых частиц не уступает концентрированной азотной кислоте", - утверждает Шмитц. "Но это немного похоже на комбучу. Можно сунуть руку в чан с ним и остаться невредимым".
К редкоземельным элементам относятся элементы из ряда лантаноидов - с атомными номерами от 58 до 71, которые обычно изображаются в виде панели под основной периодической таблицей, - а также переходные металлы третьей группы - скандий и иттрий. Они используются в таких изделиях, как магниты, лампочки и электромобили, а также попадают в различные отходы, включая отходы горнодобывающей промышленности и золу угольных станций. Несмотря на свое название, редкоземельные элементы (РЗЭ) не так уж редки, но их не принято искать в концентрированных месторождениях (в отличие, например, от золотой жилы). По словам Буза Барстоу, биолога-синтетика в Корнельском университете, для получения одного грамма РЗЭ шахтерам приходится выкапывать тонну породы.
Кроме того, их трудно очищать. РЗЭ, как правило, встречаются в природных месторождениях и химически схожи. Традиционный процесс очистки предполагает многократное разделение металлов в десятках и даже сотнях циклов с использованием водных растворов кислот и органических растворителей, например керосина. Это неэффективно, дорого и вредно для здоровья и окружающей среды. В настоящее время большая часть мирового производства по разделению РЗЭ осуществляется в Китае.
Сегодня Шмитц и небольшая, но растущая группа исследователей изучают возможную альтернативу: биоминерализацию. Многие микроорганизмы естественным образом концентрируют металлы, а некоторые из них уже используются для добычи меди и золота. Открытие около десяти лет назад микробов, использующих в своем метаболизме лантаниды , позволило исследователям изучить возможность адаптации этих микроорганизмов или их компонентов для выделения РЗЭ. Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов США (DARPA) инвестировало около 43 млн. долл. в партнерство между научными и промышленными организациями для развития биоминерализации РЗЭ.
По словам Дэна Парка, микробиолога-эколога и члена группы по гранту DARPA из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, микробам найдется место на каждом этапе процесса биоминерализации. Например, многие микробы выделяют кислоты, способные растворять металлы в камнях, выброшенной бытовой технике и других электронных отходах. Некоторые микробы вырабатывают белки, специфически взаимодействующие с РЗЭ, что дает ученым возможность изолировать эти элементы от других металлов, а возможно, и друг от друга. Однако расширение масштабов добычи и восстановления полезных ископаемых с помощью микроорганизмов до промышленного процесса, который был бы практичным и экономичным, сопряжено с серьезными трудностями. Например, каждый проект DARPA по РЗЭ имеет цель, ничтожную по промышленным меркам: к 2026 году команды должны уметь очищать 700 г материала за неделю. "Это действительно маленький шаг", - говорит Линда Криси, руководитель программы по биологическим технологиям в DARPA. "Самое главное - сможем ли мы это сделать?"
Микробы -рудокопы
Каким бы ни был исходный материал, первым шагом в биоминерализации является измельчение и выделение металлов из породы. Для солюбилизации металлов часто используется кислота, а кислоты, вырабатываемые микробами, являются экологически чистыми и экономичными вариантами. Например, исследователи из Национальной лаборатории штата Айдахо остановили свой выбор на Gluconobacter oxydans, кислотообразующей бактерии, обитающей в садовой почве, фруктах и цветах, как на потенциальном микробе-шахтере. По словам Барстоу, который также работает с G. oxydans, этот организм не ставит своей целью добычу самих РЗЭ. Скорее, вырабатываемая им кислота растворяет фосфаты, которые затем используются в ДНК; высвобождение РЗЭ является побочным эффектом, который может быть использован человеком.
В экспериментах, проведенных в Национальной лаборатории штата Айдахо, G. oxydans выделял смесь глюконовой кислоты, которая лучше выщелачивала редкие металлы из промышленных отходов, чем сопоставимая по концентрации коммерческая чистая глюконовая кислота. "Мы думаем, что помимо глюконовой кислоты вырабатываются и другие вещества", - считает Вики Томпсон, инженер-химик из лаборатории.
Gluconobacter oxydans уже давно используется в биотехнологии, а его геном секвенирован и доступен для генетических инструментов. Шмитц, Барстоу и их коллеги использовали эти методы для оптимизации выщелачивания РЗЭ с помощью G. oxydans. Вначале исследователи провели скрининг генных нокаутов, отключив 2733 неосновных гена микроорганизма и выявив более 100 генов, влияющих на выработку глюконовой кислоты.
Нарушение работы генов G. oxydans, участвующих в поглощении фосфатов, привело к тому, что микроб стал производить более кислый раствор и эффективнее выщелачивать РЗЭ. "Мы убеждаем их в том, что они испытывают фосфатный голод", - поясняет Шмитц. По словам Шмитца, работа компании REEgen по сочетанию генной инженерии G. oxydans с оптимизацией технологических процессов фирмы позволила повысить эффективность выщелачивания до пяти раз по сравнению с микробами дикого типа.
Проблемы разделения
Следующим шагом после выщелачивания является отделение РЗЭ от других металлов, которые выделяются в кислоту, таких как кальций и железо. Здесь на помощь приходит удивительная биология. Раньше считалось, что РЗЭ не имеют прямого отношения к живым организмам. Затем, в 2012 и 2013 годах, исследователи сообщили, что РЗЭ используются некоторыми микробами для метаболизма метанола и даже являются жизненно важными для выживания микроорганизмов, живущих в вулканических грязевых котлах в Италии.
Оказалось, что лантаноиды являются необходимыми кофакторами для микробных ферментов, называемых алкогольдегидрогеназами, некоторые из которых в процессе метаболизма превращают метанол в формальдегид. По словам Сесилии Мартинес-Гомес, физиолога-микробиолога из Калифорнийского университета в Беркли, использование лантанидов в качестве кофакторов ферментов широко распространено среди микробов, даже тех, которые не потребляют метанол. В настоящее время исследователи адаптируют эти микроорганизмы или просто их молекулы, связывающие РЗЭ, для концентрации нужных элементов.
Рабочий проходит мимо штабеля использованных компьютеров на складе по переработке отходов в Аккре, Гана. Фото: Christian Thompson/Anadolu Agency/Getty
Группа Мартинес-Гомес, например, работает с другим лантаноидным организмом - Methylobacterium extorquens, который встречается в самых разных местах, например, в растениях и океанах. Она и ее коллеги идентифицировали набор из десяти генов M. extorquens, которые производят небольшую молекулу, связывающую металлы, названную ими метилолантанином. Микробы выделяют метилолантанин в окружающую среду, где он прилипает к находящимся поблизости лантанидам, которые в противном случае нерастворимы. Затем этот комплекс захватывается микробным транспортером и поступает в клетку, где служит кофактором для алкогольдегидрогеназы.
M. extorquens также обладает системой хранения лантаноидов для последующего использования, сохраняя металлы либо в гранулах, либо в структурах, которые исследователи назвали лантасомами. Предположительно, это позволяет бактерии подготовиться к лантаноидному голоданию: она может накопить достаточно металла, чтобы его хватило на несколько микробных поколений, считает Мартинес-Гомес.
Чтобы улучшить поглощение лантанидов для целей биодобычи, она и ее коллеги создали штамм M. extorquens, позволяющий контролировать и увеличивать производство метилолантанина. По словам Мартинес-Гомес, это более чем в три раза увеличило способность микробов собирать неодим и другие РЗЭ из пылевидных магнитных материалов. Затем остается только вскрыть клетку и осадить лантаниды. Мартинес-Гомес является сооснователем компании RareTerra, которая занимается коммерциализацией процесса накопления и разделения лантаноидов с помощью M. extorquens.
Бактерия также позволила получить инструмент, который стал ключевым в развивающейся области биоминерализации редкоземельных металлов. Открытый в 2018 году ланмодулин представляет собой молекулу, связывающую лантаниды , которая располагается между двумя внешними мембранами бактерии, рядом со спиртовыми дегидрогеназами, использующими лантаниды в качестве кофактора. Соавтор открытия Джозеф Котруво-младший, биохимик из Университета штата Пенсильвания, до сих пор не понимает основную функцию ланмодулина. "Мы как бы отвлеклись на интересные свойства и технологические применения", - говорит он. Например, его группа, Мартинес-Гомес и другие специалисты адаптируют части белка для создания люминесцентных и флуоресцентных биосенсоров. Они могут выявлять места присутствия или накопления РЗЭ и даже использоваться для устранения загрязнения источников воды РЗЭ.
Ланмодулин предоставил исследователям механизм выделения РЗЭ, по крайней мере, в настольном масштабе. Парк, сотрудник Котруво, иммобилизовал ланмодулин на агарозных микробусинах для создания колонки, способной улавливать лантаниды. Начав работу с золы угольных шахт северо-запада США, которая содержала менее 1% лантанидов в целом, команда получила раствор, содержащий 88,2% чистого лантанида. "Он оказался настолько эффективным, что мы смогли взять действительно разбавленные, бедные источники редких земель и селективно улавливать их с помощью ланмодулина", - говорит Парк.
Добиваясь специфичности
Ланмодулин и M. extorquens входят в небольшую группу новых методик для очистки РЗЭ. Исследователи также разработали лантанид-связывающие пептидные метки, которые могут быть закодированы в интересующем гене. Первоначально они предназначались для усовершенствования рентгеновской кристаллографии и анализа белков, но теперь находят применение и в биоминералогии.
Исследователи изучают способности к сбору РЗЭ модельных микробов Pseudomonas putida и Methylacidiphilum fumariolicum - видов, обнаруженных в вулканических грязевых котлах Италии. А ученые из Германии обнаружили, что фотосинтезирующие одноклеточные организмы, называемые цианобактериями, могут всасывать РЗЭ , хотя, как и в случае с G. oxydans, это, по-видимому, не является необходимым для их выживания. По словам биотехнолога Томаса Брюка из Мюнхенского технического университета, цианобактерии даже в мертвом состоянии могут впитывать тяжелые металлы в свои клеточные стенки, что означает, что для использования их в очистке металлов, возможно, нет необходимости сохранять их живыми.
Независимо от источника, после получения РЗЭ наиболее сложным этапом является их отделение друг от друга. Существует 17 редкоземельных металлов, которые не всегда взаимозаменяемы для коммерческих применений. При этом самые маленькие и самые большие атомы лантанидов различаются по размеру менее чем на половину ангстрема. Их сходство в размерах и химическом составе объясняет, почему современный процесс химического разделения столь трудоемок. Изолирование отдельных РЗЭ - это "проблема, которую промышленность хочет решить больше всего", - говорит Котруво.
И здесь ланмодулин открывает новые возможности. Котруво и его коллеги просканировали геномные последовательности в поисках самых необычных ланмодулинов и остановились на белке из бактерии Hansschlegelia quercus. Она обитает на почках дуба, где может жить за счет метанола, выделяемого растением. Ланмодулин из H. quercus проявил предпочтение к легким лантанидам - с атомным номером 62 и менее, - а не к тяжелым - с атомным номером 63 и выше.
Группа Котруво обнаружила, что ланмодулин H. quercus отличает металлы друг от друга с помощью селективного процесса. Когда молекула сталкивается с легким лантанидом, таким как неодим или лантан, два мономера ланмодулина слипаются вместе, образуя димер, и делают это более чем в 100 раз плотнее, чем в присутствии более тяжелого лантанида, такого как диспрозий. По словам Котруво, белок ланмодулин, вероятно, не димеризуется на колонках, но, тем не менее, это предпочтение означает, что колонка с ланмодулином H. quercus могла разделять смесь неодима и диспрозия на фракции, которые были более чем на 98% чистыми в отношении каждого элемента. "Это действительно значительный прорыв", - считает Дэниел Носера, химик-неорганик из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс. "Это путь к высокой избирательности".
Мартинес-Гомес отмечает, что, скорее всего, появятся и другие методы, поскольку микробы, по-видимому, обладают широким спектром механизмов для сбора, транспортировки и использования лантаноидов. "Существуют действительно интересные различия, так что это действительно широкая и развивающаяся область исследований", - говорит она.
Чтобы применить эти инструменты в горнодобывающей промышленности и переработке отходов, исследователи предполагают выполнить ряд шагов. Сначала из руды или отходов извлекаются металлы, затем из других металлов выделяются лантаниды. На этом этапе можно использовать ланмодулин H. quercus или другие методы для отделения групп лантанидов друг от друга, например легких от тяжелых, до получения чистых элементов. Но биология не обязана решать все проблемы разделения, говорит Парк, поскольку химический процесс остается в силе. Если микробиологи смогут перейти от низкосортного фильтрата к раствору, содержащему, скажем, 80-90% РЗЭ, то они смогут передать его химикам для завершения работы. Даже при частичной биоочистке весь процесс может потреблять меньше энергии и производить меньше токсичных отходов, чем при полностью химической очистке. Подчеркнем "возможно": коммерческая жизнеспособность такого подхода к биоочистке еще не определена. "Система должна быть невероятно надежной, иначе она не будет экономически целесообразной", - отмечает Марина Калюжная, микробиолог из проекта DARPA REE в Государственном университете Сан-Диего.
Команда из Айдахо подсчитала, сколько будет стоить использование G. oxydans для извлечения РЗЭ из опасных отходов нефтедобычи, и оценила, что процесс может быть экономически выгодным. Самыми большими затратами, как в денежном выражении, так и с точки зрения экологической опасности, были затраты на электроэнергию для питания установки и глюкозу для питания микробов, причем только на сахар пришлось 44% инвестиций. Однако микробам-шахтерам не обязательно нужна чистая глюкоза. Альтернативой может служить кукурузный жмых - стебли, листья и початки, остающиеся после уборки урожая, - или крахмальная вода, стекающая с картофеля после его мытья. Переход на любой из этих видов сырья, по расчетам специалистов, позволяет снизить затраты на 17% и более.
Другой ключевой вопрос - как долго прослужат очистительные колонки, прежде чем их придется заменить. Пока в лабораторных условиях ученые запускают свои колонки не более десятков раз, в то время как для горнодобывающих компаний могут потребоваться десятки тысяч запусков. "Каждый раз, когда мы разговариваем с кем-то из промышленников, это первый вопрос, который они задают", - говорит Парк. "Это все еще довольно открытый вопрос".
Парк советует ученым, заинтересованным в изучении такого рода процессов, пообщаться с представителями горнодобывающей промышленности, чтобы понять их потребности. Он также получил "богатый опыт" в виде советов от коллег из Центра инноваций в области критических материалов (Critical Materials Innovation Hub) - совместной работы научных и промышленных лабораторий и Министерства энергетики США, возглавляемой Национальной лабораторией Эймса. Его цель - ускорить работу над редкоземельными и другими материалами, имеющими ключевое значение для получения чистой энергии. По словам Парка, конференции и журналы Американского химического общества также являются отличным источником информации для тех, кто интересуется очисткой РЗЭ.
И если биоочистка лантанидов окажется успешной, это может быть только начало. Есть и другие элементы, встречающиеся в относительно низкосортных рудах, которые производители с удовольствием будут концентрировать, говорит Барстоу. "Редкоземельные элементы - это просто испытательный полигон для всех остальных минералов", - подчеркивает он. "Мы хотим создать микроорганизмы, приспособленные для работы с другими металлами".
