随着全球对稀土元素的渴求，研究人员正在改造细菌，使其能够在不使用刺激性化学物质的情况下分离和提纯稀土元素。
打旷工的细菌们（想要原图的可以私信小编）
发酵饮料"kombucha"似乎与重金属开采相去甚远。但位于纽约州伊萨卡的生物采矿公司REEgen的首席执行官Alexa Schmitz认为，其公司基于细菌的产品与这种香浓的饮料有相似之处。
REEgen公司的细菌"汤"（bacterial ‘soup’）能溶解磨碎的岩石、废弃电子元件和其他含有稀土元素的固体--稀土元素具有宝贵的导电性、磁性和荧光性，被广泛应用于从手机到风力涡轮机的各种设备中。例如，稀土元素可以增强合金的强度和硬度，还可以用于超导体和催化转换器中。但Schmitz指出，与通常用于从矿石中分离金属的化学品相比，该公司的产品对人类和环境的危害要小得多。Schmitz说：“事实证明，我们生产的溶液在溶解固体方面与浓硝酸一样好。”但它有点像昆布茶。你可以把手伸进大桶里，然后毫发无损地出来。
稀土元素（rare-earth elements，REEs）包括镧系元素（原子序数在58到71之间，通常在主元素周期表下方显示为弹出式）以及第3族过渡金属钪和钇。它们被用于磁铁、灯泡和电动汽车等产品中，并最终进入各种废物流，包括采矿尾矿和来自煤厂的灰渣。REEs虽然名为稀土，但其实并不罕见，只是它们的矿藏并不集中（不像黄金矿脉）。伊萨卡康奈尔大学的合成生物学家、施密茨的前顾问Buz Barstow说，矿工们可能需要挖掘一吨岩石才能获得一克稀土元素。
它们也很难提纯。REEs往往共存于天然矿床中，化学性质相似。传统的提纯工艺需要使用水酸和煤油等有机溶剂，经过几十甚至上百次循环，反复分离金属。这种方法效率低、成本高，而且对健康和环境有害。目前，全球大部分的REE分离工作都在中国进行。
现在，Schmitz和一批人数不多但不断壮大的研究人员正在研究一种可能的替代方法：生物采矿。许多微生物能自然浓缩金属，其中一些已被用于开采铜和金。大约十年前，研究人员发现了利用镧系元素进行新陈代谢的微生物，从而探索了利用微生物或其成分分离REEs的可行性。位于弗吉尼亚州阿灵顿的美国国防部高级研究计划局（DARPA）已投资约4,300万美元用于研究与产业合作，开发REEs的生物采矿技术。
低品位硫化矿生物浸出流程图
（https://link.springer.com/article/10.1007/s12666-018-1516-4）
加利福尼亚州利弗莫尔劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的环境微生物学家兼DARPA资助小组成员Dan Park说，生物采矿过程的每一步都有微生物的参与。首先，许多微生物分泌的酸可以溶解岩石、废弃电器和其他电子垃圾中的金属。有些微生物会制造专门与稀土元素相互作用的蛋白质，这就为科学家们提供了从其他金属中分离出稀土元素的机会，甚至有可能将它们相互分离出来。
但是，要将基于微生物的采矿和修复从工作台提升到工业流程，并使其切实可行、经济实惠，还面临着巨大的挑战。例如，DARPA的每个稀土矿项目都有一个以工业标准衡量的微不足道的目标：到2026年，各团队必须能够在一周内提纯700克材料。DARPA生物技术项目经理Linda Chrisey说：“这确实是一个小步骤。”最重要的是，我们能做到吗？
微生物矿工（Microbe miners）
无论起始材料是什么，生物采矿的第一步都是将其磨碎，并将金属从其他东西中分离出来。通常使用酸来溶解金属，而微生物产生的酸是环保、经济的选择。例如，位于爱达荷福尔斯的爱达荷国家实验室的研究人员就发现，在花园土壤、水果和花卉中发现的产酸细菌 Gluconobacter oxydans 有可能成为微生物采矿器。同样使用G. oxydans的Barstow说，这种生物对稀土本身没有任何企图。相反，它产生的酸能溶解磷酸盐，然后用于DNA；REEs 的释放是人类可以利用的附带利益。
在爱达荷国家实验室（Idaho National Laboratory）的实验中，G. oxydans分泌的葡萄糖酸混合物从工业废料中沥滤稀有金属的效果优于同等浓度的纯葡萄糖酸。实验室的化学工程师Vicki Thompson说：“我们认为，除了葡萄糖酸之外，还产生了其他物质。”
G. oxydans在生物技术应用方面有着悠久的历史，其基因组已经测序，可用于基因工具。Schmitz、Barstow 和他们的同事利用这些工具来优化G. oxydans对REEs的沥滤。研究人员首先进行了基因敲除筛选，破坏了该微生物的2,733个非必要基因，找出了影响葡萄糖酸输出的100多个基因。
对参与吸收磷酸盐的G. oxydans基因进行破坏后，微生物产生的溶液酸性更强，沥滤REEs的效果更好。施密茨解释说：“我们让它们相信，它们正处于磷酸盐饥饿状态。”Schmitz 说，REEgen将基因工程G. oxydans与公司工艺的优化相结合，与野生型微生物相比，沥滤效果提高了五倍。
分离的担忧（Separation anxiety）
沥滤后，下一步是将稀土元素与其他在酸中脱落的金属（如钙和铁）分离开来。在这里，一些令人惊讶的生物学知识提供了帮助。人们曾一度认为REEs与生物体没有直接关系。但在2012年和2013年，研究人员报告说，某些微生物利用REEs代谢甲醇，甚至对生活在意大利火山泥盆中的微生物的生存也至关重要。
事实证明，镧系元素为微生物中被称为醇脱氢酶的酶提供了必要的辅助因子，其中一些酶在新陈代谢过程中将甲醇转化为甲醛。加州大学伯克利分校的微生物生理学家Cecilia Martinez-Gomez表示，事实上，微生物普遍使用镧系元素作为酶的辅助因子，即使那些不吃甲醇的微生物也是如此。目前，研究人员正在调整这些微生物或它们的REE结合，以浓缩所需的元素。
例如，Martinez-Gomez’s group在研究另一种使用镧系元素的生物（Methylobacterium extorquens）的过程中发现了由十个M. extorquens基因组成的、能产生一种小型金属结合分子的一组基因，团队将其命名为甲基花青素（methylolanthanin）。微生物会将甲基黄原酸分泌到周围环境中，并在那里粘附到附近的镧系元素上，否则镧系元素是不溶于水的。然后，该复合物被微生物转运体吸收并带入细胞，成为醇脱氢酶的辅助因子。
M. extorquens还有一个储存镧系元素以供日后使用的系统，它将金属保存在颗粒或研究人员称之为镧质体（lanthasomes）的结构中。Martinez-Gomez说，这大概是为了让细菌为镧系元素干旱做好准备；它可以储存足够多的金属，供微生物几代人使用。
为了提高镧系元素的吸收率以达到生物采矿的目的，她和她的团队设计了一种M. extorquens菌株，使他们能够控制和扩大甲基黄原酸的生产。Martinez-Gomez表明，这使微生物从粉碎磁铁中收集钕和其他稀土元素的能力提高了两倍多。然后，打开细胞并沉淀镧系元素就是一件相对简单的事情了。Martinez-Gomez说，这一过程产生的稀土纯度超过98.8%，他在伯克利与他人共同创办了一家公司RareTerra，旨在将借助M. extorquens积累和分离镧系元素商业化。
这种细菌还产生了一种工具，成为稀土生物采矿这一新兴领域的关键。2018年发现的lanmodulin是一种镧系元素结合分子，位于该细菌的两层外膜之间，与使用镧系元素作为辅助因子的醇脱氢酶并存。共同发现者Joseph Cotruvo Jr是宾夕法尼亚州立大学大学公园分校的一名生物化学家，他仍然不清楚lanmodulin的作用。他说：“我们有点被有趣的特性和技术应用所迷惑了。”例如，他的研究小组、Martinez-Gomez和其他人正在改造这种蛋白质的某些部分，以制造发光和荧光生物传感器。这些传感器可以突出显示稀土元素存在或积聚的位置，甚至可用于修复稀土元素造成的水源污染。
Lanmodulin为研究人员提供了一种分离REEs的机制，至少在实验室规模。Park是 Cotruvo的合作者，他将Lanmodulin固定在琼脂糖微珠上，创建了一个可以捕获镧系元素的柱子。美国西北部的煤矿灰中镧系元素的总体含量不足1%，研究小组从这些煤矿灰中获得了一种纯度为88.2%的镧系元素溶液。Park说：“这种溶液的选择性很强，我们可以利用稀薄、贫乏的稀土，并有选择地使用Lanmodulin进行捕获。”
From: https://2021.igem.org/Team:Bonn-Rheinbach/Description
获得特异性（Getting specific）
Lanmodulin和M. extorquens是一小群用于纯化镧系元素的新兴工具的一部分。研究人员还设计了可在相关基因中编码的镧系元素结合肽标记。这些标记最初是为了增强X射线晶体学和蛋白质检，现在也开始应用于生物采矿领域。
研究人员正在研究模式微生物Pseudomonas putid和Methylacidiphilum fumariolicum（在意大利火山泥盆中发现的物种）的REE收集能力。德国的科学家还发现，被称为蓝藻的光合单细胞生物也能吸收REEs，尽管与G. oxydans一样，这似乎并不是它们生存的必要条件。德国慕尼黑工业大学的生物技术专家Thomas Brück说，蓝藻甚至可以在死亡的情况下将重金属吸收到细胞壁中，这意味着在金属提纯过程中可能不需要让蓝藻存活。
无论其来源如何，一旦获得稀土金属，最具挑战性的步骤就是将它们相互分离。稀土金属共有17种，在商业应用中不一定可以互换。然而，最小和最大的镧系元素原子的大小相差不到半个盎司。它们在大小和化学性质上的相似性解释了为什么目前的化学分离过程如此费力。Cotruvo说：“分离单个的稀土元素是工业界最想解决的问题。”
在这方面，lanmodulin再次提供了可能性。Cotruvo和他的同事们扫描了基因组序列，寻找他们能找到的最不寻常的lanmodulin，最终找到了一种来自名为槲寄生汉氏菌（Hansschlegelia quercus）的蛋白质。这种细菌生活在橡树芽上，可以利用植物释放的甲醇为生。来自H. quercus的Lanmodulin对轻镧系元素--原子序数为62或以下的镧系元素--而不是原子序数为63或以上的重镧系元素表现出偏好。
Cotruvo的研究小组发现，H. quercus的lanmodulin通过一个选择性的过程来区分金属。当分子遇到钕或镧等轻镧系元素时，两个lanmodulin单体会粘在一起形成二聚体，其紧密程度是镝等重镧系元素时的100多倍。Cotruvo表明在Park的色谱柱上，lanmodulin蛋白可能不会形成二聚体，但尽管如此，这种偏好意味着H. quercus的lanmodulin色谱柱可以将钕和镝的混合物分离成纯度大于98%的馏分。
马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的无机化学家Daniel Nocera说：“这确实是一项重大突破。它正在走向选择性之路。”
Martinez-Gomez指出，可能还会有其他工具出现，因为微生物似乎有各种各样收集、运输和使用镧系元素的机制。她说：“存在着非常有趣的差异，因此这确实是一个广泛而新兴的研究领域。”
为了将这些工具应用于采矿和回收，研究人员设想了一系列步骤。首先，他们将从矿石或废料中去除金属，然后从其他金属中提取镧系元素。这时，他们可能会利用H. quercus的lanmodulin或其他工具来分离镧系元素群，例如轻元素和重元素，直到得到纯净的元素。
Park表示生物学并不需要解决所有的分离问题，因为化学过程仍然是一个选项。如果微生物学家能够从低品位的渗滤液中提取到80~90%REE的溶液，他们就可以将其传给化学家来完成这项工作。即使使用部分生物采矿，整个过程仍可能比完全化学净化使用更少的能源和产生更少的有毒废物。
强调"可能"：这种生物提纯方法的商业可行性仍有待观察。"加利福尼亚州圣迭戈州立大学DARPA REE项目的微生物学家Marina Kalyuzhnaya说：“这个系统必须非常强大，否则在经济上就不可行。”爱达荷团队计算了使用G. oxydans从石油生产过程中产生的危险废物中回收REEs的成本，并估计这一过程可能是经济的。就资金和环境危害而言，最大的成本是为工厂供电的电力和喂养微生物的葡萄糖，仅糖一项就占投资的44%。但微生物采矿者并不一定需要纯葡萄糖。替代品包括玉米秸秆（收获后剩下的茎秆、叶子和棒子）或马铃薯洗净后流出的淀粉水。根据研究小组的计算，改用其中任何一种投入，都能将成本降低17%或更多。
另一个关键问题是，在需要更换净化柱之前，净化柱的使用寿命是多少。到目前为止，在实验室里，科学家们最多只运行了几十次，而矿业公司可能需要数万次。帕克说：“任何时候我们和某个工业界人士交谈，这是他们首先要问的问题。”这仍然是一个相当开放的问题。
Park建议有兴趣研究这种过程的科学家与采矿业人进行积极交流以了解他们的需求。他还从关键材料创新中心（Critical Materials Innovation Hub）同行的建议中发现了"丰富的专业知识"，该中心是爱荷华州艾姆斯国家实验室（Ames National Laboratory）领导的学术界、工业界和美国能源部实验室之间的一个合作项目。该中心的目标是加快稀土和其他对清洁能源至关重要材料的研究工作。Park指出，对于那些对稀土提纯感兴趣的人来说，美国化学学会的会议和期刊也是很好的资源。
如果镧系元素生物采矿证明是成功的，这可能只是一个开始。Barstow说：“在品位相对较低的矿石中还发现了其他元素，制造商们都希望能将其浓缩。稀土只是所有其他矿物的试验台，我们希望制造出适合所有其他金属的微生物。”
