Phát hiện hàng chục loại vi khuẩn kỳ lạ thu thập thụ động các nguyên tố đất hiếm từ nước thải
Một hình ảnh của Cyanobacteria, Tolypothrix. Ảnh: Wikipedia / CC BY-SA 3.0
Các nguyên tố đất hiếm (REE) là một nhóm gồm 17 kim loại tương tự nhau về mặt hóa học, được đặt tên như vậy vì chúng thường xuất hiện ở nồng độ thấp (từ 0,5 đến 67 phần triệu) trong lớp vỏ Trái đất. Vì chúng không thể thiếu trong công nghệ hiện đại như đi-ốt phát quang, điện thoại di động, động cơ điện, tua-bin gió, đĩa cứng, máy ảnh, nam châm và bóng đèn năng lượng thấp nên nhu cầu về chúng đã tăng đều đặn trong vài thập kỷ qua và được dự đoán là tăng cao hơn nữa vào năm 2030.
Do sự hiếm có và nhu cầu của chúng, chúng rất đắt: ví dụ, một kg oxit neodymium hiện có giá khoảng 200 €, trong khi cùng một lượng terbi oxit có giá khoảng 3.800 €. Ngày nay, Trung Quốc gần như độc quyền trong việc khai thác REE, mặc dù việc phát hiện ra những phát hiện mới đầy hứa hẹn (hơn một triệu tấn) ở Kiruna, Thụy Điển đã được công bố rầm rộ vào tháng 1 năm 2023.
kinh tế tuần hoàn
Những lợi ích của việc chuyển từ nền kinh tế "tuyến tính" lãng phí sang nền kinh tế "tuần hoàn", nơi tất cả các nguồn tài nguyên được tái chế và tái sử dụng, là rõ ràng. Vậy liệu chúng ta có thể tái chế REE hiệu quả hơn không?
Trong Riêng trong Kỹ thuật sinh học và Công nghệ sinh học, các nhà khoa học Đức đã chỉ ra rằng câu trả lời là có: Sinh khối của một số vi khuẩn lam quang hợp kỳ lạ có thể hấp thụ hiệu quả REE từ nước thải; ví dụ như những thứ có nguồn gốc từ khai thác mỏ, luyện kim hoặc tái chế chất thải điện tử. Các REE được hấp thụ sau đó có thể được rửa sạch khỏi sinh khối và được thu gom để tái sử dụng.
"Ở đây, chúng tôi đã tối ưu hóa các điều kiện hấp thụ REE bởi sinh khối vi khuẩn lam và mô tả các cơ chế hóa học quan trọng nhất để liên kết chúng. Những vi khuẩn lam này có thể được sử dụng trong các quy trình thân thiện với môi trường trong tương lai để thu hồi REE đồng thời và xử lý nước thải công nghiệp", Tiến sĩ cho biết. Thomas Brück, giáo sư tại Đại học Kỹ thuật Munich và là tác giả cuối cùng của nghiên cứu.
Các chủng vi khuẩn lam chuyên biệt cao
Hấp thụ sinh học là một quá trình trao đổi chất thụ động để liên kết nhanh, thuận nghịch của các ion từ dung dịch nước đến sinh khối. Brück và các đồng nghiệp đã đo khả năng hấp thụ sinh học của REEs lanthanum, xeri, neodymium và terbium bằng 12 chủng vi khuẩn lam trong môi trường nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Hầu hết các chủng này chưa bao giờ được đánh giá về tiềm năng công nghệ sinh học của chúng trước đây. Chúng được lấy mẫu từ các môi trường sống chuyên biệt hóa cao như đất khô cằn ở sa mạc Namibian, bề mặt địa y trên khắp thế giới, hồ natron ở Chad, kẽ hở trong đá ở Nam Phi hoặc suối bị ô nhiễm ở Thụy Sĩ.
Các tác giả nhận thấy rằng một loài Nostoc mới không bị biến đổi gen có khả năng hấp thụ sinh học các ion cao nhất trong bốn loại REE này từ dung dịch nước, với hiệu suất từ 84,2 đến 91,5 mg mỗi g sinh khối, trong khi Scytonema hyalinum có hiệu suất thấp nhất ở mức 15,5 đến 21,2 mg mỗi g g. Cũng hiệu quả là Synechococcus elongates, Desmonostoc muscorum, Calothrix brevissima, và một loài Komarekiella mới chưa bị biến đổi. Sự hấp thụ sinh học được phát hiện là phụ thuộc mạnh mẽ vào tính axit: nó cao nhất ở độ pH từ năm đến sáu và giảm dần trong các dung dịch axit hơn. Quá trình này hiệu quả nhất khi không có sự "cạnh tranh" về bề mặt hấp thụ sinh học trên sinh khối vi khuẩn lam từ các ion dương của các kim loại khác, không phải là REE như kẽm, chì, niken hoặc nhôm.
Các tác giả đã sử dụng một kỹ thuật gọi là quang phổ hồng ngoại để xác định nhóm hóa chất chức năng nào trong sinh khối chịu trách nhiệm chính cho quá trình hấp thụ sinh học của REE.
"Chúng tôi thấy rằng sinh khối có nguồn gốc từ vi khuẩn lam có đặc tính hấp phụ tuyệt vời do nồng độ cao của các gốc đường tích điện âm, mang các nhóm carbonyl và carboxyl. Các thành phần tích điện âm này thu hút các ion kim loại tích điện dương như REE và hỗ trợ sự gắn kết của chúng vào sinh khối ", tác giả đầu tiên Michael Paper, một nhà khoa học tại Đại học Kỹ thuật Munich cho biết.
Nhanh chóng và hiệu quả, với tiềm năng lớn cho các ứng dụng trong tương lai
Các tác giả kết luận rằng vi khuẩn lam có thể hấp thụ sinh học REEs ngay cả ở nồng độ kim loại thấp. Quá trình này cũng diễn ra nhanh chóng: ví dụ, hầu hết xeri trong dung dịch được hấp thụ sinh học trong vòng năm phút kể từ khi bắt đầu phản ứng.
"Vi khuẩn lam được mô tả ở đây có thể hấp thụ một lượng REE tương ứng với tối đa 10% chất khô của chúng. Do đó, quá trình hấp thụ sinh học thể hiện một quy trình được tối ưu hóa về mặt kinh tế và sinh thái để thu hồi và tái sử dụng kim loại đất hiếm từ nước thải công nghiệp pha loãng từ khai thác mỏ, điện tử, và các ngành sản xuất chất xúc tác hóa học," Brück nói.
“Hệ thống này dự kiến sẽ trở nên khả thi về mặt kinh tế trong tương lai gần, vì nhu cầu và giá thị trường đối với REE có thể sẽ tăng đáng kể trong những năm tới,” ông nói.
