调动微生物:开采稀土元素如何变得更具可持续性?

博士后研究员Alexa Schmitz在康奈尔大学获得植物病理学和植物微生物生物学博士学位时加入了Barstow的研究，当时她参加了Barstow举办的生物燃料研讨会。但在随后的讨论中，他也谈到了生物浸出及其在稀土开采和回收方面的潜力。

Schmitz说:“这感觉像是一项有风险、前沿的工作，但同时我想‘是的。这绝对可行。’”

Schmitz完成了她的博士学位，正在寻找一个博士后职位，而Barstow在获得学术风险基金的种子拨款后，正在为他的生物采矿项目寻求帮助康奈尔·阿特金森可持续发展中心。

Schmitz马上着手研究一种叫做氧化葡萄糖杆菌的细菌。通过美国能源部爱达荷国家实验室的初步研究，它已经显示出作为一种生物浸出微生物的潜力。Schmitz使用了Barstow开发的一种叫做“敲除数独”的方法，每次选择性地灭活一个基因，然后建立了一个含有好几千种氧丹G.变种的集合。每一个变种都将作为稀土的生物浸出剂进行测试，然后那些表现最好的将被进一步开发。

Schmitz在康奈尔·阿特金森小额赠款项目的帮助下继续这项工作。她说，在收集数据的过程中，她将编制一份基因名册，这可能是开发一个高效、可持续的稀土提取系统的关键。

独居石是一种已知的含有足够数量的稀土的矿石，值得开采。施密茨不能把一大块独居石和一些细菌扔进烧杯里，然后等着看会发生什么。相反，对可能与稀土浸出有关的基因的初步筛选将发生在可以用光谱解读的微孔板中。

Schmitz解释说:“一旦我们知道哪些基因对生物浸出是最重要的，我们将针对那些基因和控制这些基因的基因元素进行诱变。这可以结合使用，一次针对多个基因，然后对产生的改良菌株进行筛选，以改变生物浸出。”

突变是生物体的遗传信息通过突变而发生变化的过程。这种突变可以是自发的，也可以在实验室中进行控制。Schmitz和Barstow将迫使参与生物浸出的基因发生突变，然后测量突变的生物体在收集可用稀土方面的效率。他们希望通过一种高通量的方法来进化G. oxydans，他们将能够改造一种生物体，使其比现有的工业方法更有效、更可持续地提取稀土。

这就是明明吴出现的原因。吴教授是生物与环境工程(CALS)的教授，是微流控设备方面的专家。传统的鉴定、分离和变异微生物的方法是劳动和时间密集型的，需要大量仔细和重复的移液。

“巴斯和我开始谈论他的工作，”吴说，“我们意识到，在微流体中已经存在一种确定和选择表现出所需特征的‘超级细菌’的方法。”

这个现有的过程被称为定向进化。与巴斯托实验室的二年级博士生肖恩·梅丁(Sean Medin)一起，该团队正在设计一种微流控装置，它可以迫使单个细菌通过一个通道，沿途有几个“站”。

“我们可以在设备中放入传感器，当细菌与稀土元素结合时，它会改变颜色，我们可以看到它，”吴说。“那些绑定的将在设备中发送一条路由，而那些没有绑定的将发送另一条路由。”

工作的细菌将通过设备被引导回到一个工作站，在那里它们将被诱变，然后再次通过设备发送。通过这种方式，Barstow的团队可以创造出一种改良的细菌变种，Medin将用它来吸附稀土。

除了帮助制造该小组将在他们的过程中使用的微流控装置外，Medin还在研究生物开采稀土的一个重要步骤——分离。

一旦稀土从独居石或其他矿石中被浸出，它们仍然需要彼此分离，并与在浸出过程中产生的杂质分离。目前的分离方法，如液-液溶剂萃取和离子交换过程，都是能源密集型和产生大量危险的废物。

麦丁将使用一种叫做奥内登氏希瓦内菌MR-1的细菌，他将对其进行类似施密茨对氧丹氏G.进行的定向进化过程。Medin公司将选择具有高于平均水平的稀土吸附能力的变体。这些变种将经过几轮的诱变，目的是创造一种能够大量吸附特定稀土的细菌。

梅丁加入巴斯托实验室的目的很明确，他想从事这个项目，他希望有一天能成立一家公司，将实验室中磨练出来的一些工艺商业化。然而，他的重点将是从电子产品、矿山尾矿和粉煤灰(煤炭燃烧的废料之一)中回收现有的稀土。

“理想情况下，”梅丁说，“我希望能够利用飞灰、永磁体或其他可回收的稀土元素资源，对它们进行生物处理，然后提取稀土元素进行再利用。”我想在美国做所有这些事情，并确保它是环保的。”

目前，美国使用的大部分稀土都是进口的，只回收了很小一部分的稀土产品。

巴斯托实验室的一年级博士生塞布丽娜·马科斯(Sabrina marecs)正在努力验证正在使用的基因模型。之前在康奈尔大学和其他地方的研究支持了Barstow的敲除数独过程应该适用于氧化葡萄糖杆菌的理论。

“目前，”马科斯说，“我正在验证膜结合葡萄糖脱氢酶基因的敲除。这将证实敲除葡萄糖杆菌中的基因是可能的。在那之后，我会继续尝试和验证另一个基因的过表达，以确定它可以做到，以及哪种方法最合适。”

一旦marecs验证了Barstow、Schmitz和Medin计划使用的方法，生成的工具将对已经存在的相对较少的工具进行补充。马科斯说:“这将使我们能够利用表明某些基因在重要酸的生产中比其他基因参与更多的数据来设计细菌。”“通过改变细菌并观察其行为，我们将更好地了解生物浸出过程以及如何提高它。”

Barstow强调了康奈尔大学合作文化在促进生物采矿研究中的重要性。除了他的实验室成员的个人项目，还有一个关键的工作是他们都不能做的:合成含有精确数量的各种稀土的独居石。

为了确切地了解细菌在浸出和分离稀土元素时的有效性和效率，研究小组需要确切地知道每种元素在初始矿石中的含量。毕竟，如果你不知道开始时有多少克的镧，那么知道通过生物浸出法收集了多少克的镧是没有用的。

对巴斯托来说幸运的是，最近有两名教员能够合成并精确地描述独居石，这正是他所需要的。正是在康奈尔·阿特金森(Cornell Atkinson)自带午餐会上的一次偶然相遇，最终让阿特金森的三位教员走到了一起。

助理教授Megan Holycross (ENG)的专长是理解区分地球固体内部化学的过程。“我在斯尼霍尔实验室里的仪器能够达到温度和压力，从而重现120公里深的地球环境，”霍利克罗斯说。“我正在研究地球的下地壳和上地幔发生了什么。”

幸运的是，Holycross的一些实验室设备也可以用来制作均匀的矿石样品。“巴斯和他的团队正在进行实验，用微生物产生的酸从岩石中提取稀土元素，”霍利克罗斯说。“为了量化微生物的效率，他们需要精确地量化输入和输出。”

Holycross正与副教授Esteban Gazel (ENG)和博士后Brian Balta一起开发合成单石样品。Gazel将利用他的地球化学专业知识来鉴定样品，他还将进行质量平衡计算，以帮助Barstow确定哪一种G. oxydans的突变版本是最有效的，也因此是最商业化的。

Gazel说:“我相信这个想法只会发生在康奈尔大学。”“这里有一种跨学科合作的文化，在其他地方很难找到。”

Gazel补充道:“在合作之前，Buz和明明对独居石的了解就像Megan和我对合成生物学的了解一样少。”

Holycross表示同意。“这就是我来康奈尔的原因——做类似这样的跨学科研究，和同事一起研究令人兴奋的问题。”

Gazel说:“我们工作的强大视角不仅在于我们对跨越学科边界持开放态度，还在于我们都对学习新领域和相互交流持开放态度。正是在这些跨学科的空间中，我们可以找到新老问题的解决方案。”

本文最初发表在康奈尔工程网站上。