Дюжина штаммов бактерий вбирают редкоземельные элементы из сточных вод

Биосорбция — это метаболически пассивный физико-химический процесс концентрации и связывания загрязняющих веществ в клеточной структуре. Учёные выяснили, что биомасса из 12 ранее не изученных штаммов цианобактерий со всего земного шара эффективна для биосорбции из водных растворов редкоземельных элементов: лантана, церия, неодима и тербия. Свойства такой биомассы позволяют собирать редкие элементы, спрос на которые неуклонно растёт, из сточных вод горнодобывающей промышленности, металлургии и при переработке электронных отходов, а затем использовать повторно.


Редкоземельные элементы (РЗЭ) представляют собой группу из 17 химически сходных металлов. Они получили своё название потому, что обычно встречаются в земной коре в низких концентрациях — от 0,5 до 67 частей на миллион. РЗЭ незаменимы в современных технологиях: светодиодах, мобильных телефонах, электромоторах, ветряных турбинах, жёстких дисках, камерах, магнитах и лампочках с низким энергопотреблением. Так что спрос на них неуклонно растёт в течение последних нескольких десятилетий.

Из-за своей редкости и спроса РЗЭ дороги. Например, килограмм оксида неодима сейчас стоит примерно 200 евро, в то время как такое же количество оксида тербия стоит примерно 3800 €. Сегодня Китай обладает почти что монополией на добычу РЗЭ. Однако об открытии новых многообещающих запасов — более миллиона метрических тонн — в Кируне, Швеция, торжественно объявили в январе 2023 года.

Преимущества перехода от расточительной «линейной» экономики к «циклической», где все ресурсы перерабатываются и используются повторно, очевидны. В издании Frontiers in Bioengineering and Biotechnology («Рубежи биоинженерии и биотехнологии») немецкие учёные сообщили, что биомасса некоторых экзотических фотосинтезирующих цианобактерий может эффективно поглощать РЗЭ из сточных вод, например, полученных при добыче полезных ископаемых, металлургии или переработке электронных отходов. Поглощённые микробами РЗЭ впоследствии можно собрать от биомассы для повторного использования.


— доктор Томас Брюк, профессор Мюнхенского технического университета и соавтор исследования.

Томас Брюк и его коллеги измерили потенциал биосорбции лантана, церия, неодима и тербия 12 штаммами цианобактерий в лабораторной культуре. Большинство из этих штаммов никогда ранее не оценивались на предмет их биотехнологического потенциала. Они были взяты из высокоспециализированных мест обитания: засушливых почв в пустынях Намибии, поверхности лишайников по всему миру, озера Натрон в Чаде, расщелин в скалах в Южной Африке и загрязнённых ручьев в Швейцарии.

Авторы обнаружили, что нехарактерный новый вид Nostoc обладает наибольшей способностью к биосорбции ионов четырёх РЗЭ из водных растворов с эффективностью от 84,2 до 91,5 мг на грамм биомассы. А бактерия Scytonema hyalinum обладает наименьшей эффективностью — от 15,5 до 21,2 мг на г. Также эффективными были Synechococcus elongatus, Desmonostoc muscorum, Calothrix brevissima и новый нехарактерный вид Komarekiella. Выяснилось, что биосорбция сильно зависит от кислотности: она была самой высокой при рН от пяти до шести и неуклонно снижалась в более кислых растворах. Процесс оказался наиболее эффективным, когда не было «конкуренции» биомассы цианобактерий за поверхность биосорбции со стороны положительных ионов других металлов, не содержащих РЗЭ, таких, как цинк, свинец, никель или алюминий.

Авторы использовали метод инфракрасной спектроскопии, чтобы определить, какие функциональные химические группы в биомассе в основном ответственны за биосорбцию РЗЭ.

Первый автор научной работы Майкл Пейпер, учёный из Технического университета Мюнхена, пояснил, что биомасса из цианобактерий обладает превосходными адсорбционными характеристиками благодаря высокой концентрации отрицательно заряженных сахарных фрагментов, которые несут карбонильные и карбоксильные группы. Эти отрицательно заряженные компоненты притягивают положительно заряженные ионы РЗЭ и поддерживают их прикрепление к биомассе.

Авторы пришли к выводу, что биосорбция РЗЭ цианобактериями возможна даже при низких концентрациях металлов. Процесс к тому же быстрый: например, большая часть церия в растворе была биосорбирована в течение пяти минут после начала реакции.

Описанные цианобактерии могут адсорбировать количества РЗЭ, соответствующие до 10% их сухого вещества. Таким образом, биосорбция представляет собой экономически и экологически оптимизированный процесс кругового извлечения и повторного использования редкоземельных металлов из разбавленных промышленных сточных вод горнодобывающей промышленности, электронной промышленности и производства химических катализаторов.