Thu hoạch hiệu quả các nguyên tố đất hiếm từ nước thải bằng cách sử dụng vi khuẩn lạ
Vi khuẩn phát sáng xanh
Trong nghiên cứu này, 12 chủng vi khuẩn lam đã được kiểm tra khả năng hấp thụ sinh học các nguyên tố đất hiếm, như một giải pháp thay thế bền vững cho xử lý sinh học và thu hồi kim loại.
Các chủng vi khuẩn lam mới thể hiện khả năng “hấp thụ sinh học” nhanh và hiệu quả các nguyên tố đất hiếm, giúp cho việc tái chế trở nên khả thi.
Các nguyên tố đất hiếm (REEs) là một tập hợp gồm 17 nguyên tố kim loại có tính chất hóa học tương tự nhau. Chúng có được tên của mình do sự xuất hiện khan hiếm của chúng trong lớp vỏ Trái đất, thường có ở nồng độ từ 0,5 đến 67 phần triệu. Những yếu tố này đóng một vai trò quan trọng trong công nghệ hiện đại, bao gồm các sản phẩm như đèn LED, điện thoại thông minh, động cơ điện, tua-bin gió, ổ cứng, máy ảnh, nam châm và bóng đèn tiết kiệm năng lượng. Do đó, nhu cầu về REE đã tăng đều đặn trong vài thập kỷ qua và dự kiến sẽ tiếp tục tăng cho đến năm 2030.
Do sự khan hiếm và nhu cầu cao, REE có thể khá tốn kém. Ví dụ, một kg neodymium oxide hiện có giá khoảng €200 (~$214), trong khi terbium oxide thậm chí còn đắt hơn khoảng €3.800 (~$4.073) cho cùng một lượng. Hiện tại, Trung Quốc đang nắm giữ vị trí thống lĩnh trong việc khai thác REE, với quyền kiểm soát gần như độc quyền đối với ngành. Tuy nhiên, một phát hiện gần đây về các khoản tiền gửi REE mới đầy hứa hẹn, ước tính hơn một triệu tấn, đã được thực hiện tại Kiruna, Thụy Điển và đã trở thành tiêu đề 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 'vòng tròn', trong đó 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 Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 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, 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. Tiến sĩ Thomas Brück, giáo sư tại Đại học Kỹ thuật Munich và là tác giả cuối cùng của nghiên cứu cho biết, 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.
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 phát hiện ra 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 phát hiện ra 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. Tác giả đầu tiên Michael Paper, một nhà khoa học tại Đại học Kỹ thuật Munich, cho biết 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.
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 tới 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 các ngành khai thác mỏ, điện tử và sản xuất chất xúc tác hóa học,” Brück cho biết.
“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 dự đoán.
Tham khảo: “Đất hiếm dính vào vi khuẩn lam hiếm: Tiềm năng xử lý sinh học và phục hồi các nguyên tố đất hiếm trong tương lai” của Michael Paper, Max Koch, Patrick Jung, Michael Lakatos, Tom Nilges và Thomas B. Brück, ngày 28 tháng 2 năm 2023, Frontiers in Bioengineering and Công nghệ sinh học.
DOI: 10.3389/fbioe.2023.1130939
Nghiên cứu được tài trợ bởi Bộ Môi trường và Bảo vệ Người tiêu dùng Bang Bavaria, Bộ Khoa học và Y tế Rhineland-Palatinate, Bộ Giáo dục và Nghiên cứu Liên bang, Hội đồng Nghiên cứu Đức và EU Horizon.
