能溶解石块的细菌“汤”：稀土开采有望交给微生物矿工 | 《自然》长文

原文作者：Amber Dance

发酵饮料康普茶似乎与开采重金属沾不上边。但在伊萨卡的生物采矿公司REEgen首席执行官Alexa Schmitz看来，她公司基于细菌的产品与这种香浓饮料间颇有相似之处。

REEgen公司的细菌“汤”能溶解磨碎的石块、废弃电子元件和其它含有稀土元素的固体物——稀土金属具有重要的导电、磁性和荧光特性；从手机到风力涡轮机，稀土金属应用广泛。比如，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，与那些从矿石中分离金属的常用化学物质相比，其公司的产品对人类和环境的危害都要小得多。“我们表明我们生产的溶液在溶解固体方面与浓硝酸一样好用。”Schmitz说，“但它有点像康普茶。你可以把手伸进桶里再拿出来，毫发无损。”

稀土元素包括镧系元素（原子序数从58到71，通常单独列于主元素周期表下方）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，并最终进入各种废弃物的行列，包括采矿尾矿和煤电厂煤灰。

稀土元素（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）。矿工们可能要开采一吨岩石才能得到一克稀土元素，康奈尔大学的合成生物学家、Schmitz的前顾问Buz Barstow说。

它们也很难提纯。在天然矿藏中稀土元素往往共生，且其化学性质相似。传统的提纯工艺需要使用酸类溶液和煤油等有机溶剂，经过几十甚至上百次循环，反复对金属元素进行分离。这种方法效率低、成本高，而且对健康和环境有害。

现在，Schmitz和一个体量虽小但不断壮大的研究团队正在研究一种可能的替代方法：生物采矿。许多微生物天然能够富集金属，其中一些已被用于铜和金的开采。大约十年前，研究人员发现了某些微生物能够利用镧系元素进行新陈代谢[1,2]，这让研究人员们能够探索利用微生物或其成分分离稀土元素的可行性。美国国防部高级研究计划局（DARPA）已投资了约4300万美元用于研究与产业合作，开发稀土元素的生物采矿技术。

劳伦斯-利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的环境微生物学家、DARPA资助小组的成员Dan Park表示，生物采矿流程的每一步都有供微生物参与的空间。首先，许多微生物分泌的酸可以溶解岩石、废弃电器和其它电子垃圾中的金属。有些微生物还能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它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。

但是，要切实可行、经济实惠地将基于微生物的采矿和修复技术从实验台提升到工业化生产，还面临着巨大的挑战。

比如，DARPA的每个稀土项目都有一个目标——尽管在工业标准下显得微不足道：到2026年，各团队必须能够在一周内提纯700克材料。“这的确只是小小的一步。”DARPA生物技术项目的项目经理Linda Chrisey说，“重要的是，我们做得到吗？”

无论起始材料是什么，生物采矿的第一步都是将其磨碎，并将金属从其它部分中分离出来。要溶解金属，通常会使用酸，而微生物产生的酸就是一种环境友好、经济实惠的选择。比如，爱达荷国家实验室（Idaho National Laboratory）的研究人员们正在研究氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans），这种在花园土壤、水果和花卉中发现的产酸细菌就有可能成为微生物矿工。同样正在研究这一杆菌的Barstow说，这种生物本身对稀土元素并无兴趣——只不过，它产生的酸能够溶解磷酸盐用于其DNA；这一过程会顺便分离出稀土元素，而这则可以为人类所用。

在爱达荷国家实验室的实验中，氧化葡萄糖酸杆菌分泌的葡萄糖酸混合物从工业废料中沥滤稀土金属的效果优于同等浓度的商用纯葡萄糖酸[3]。实验室的化学工程师Vicki Thompson说：“我们认为，除了葡萄糖酸，其中还产生了其它物质。”

氧化葡萄糖酸杆菌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杆菌对稀土金属的沥滤。研究人员首先进行了基因敲除筛选，敲除了该微生物的2733个非必要基因，找出了一百多个影响葡萄糖酸产量的基因[4]。

敲除了杆菌中参与吸收磷酸盐的基因后，其产生的溶液酸性更强、沥滤稀土元素的效果更好[5]。“我们让它们相信自己渴求磷酸盐。”Schmitz解释说。他还表示，REEgen将基因工程编辑过的氧化葡萄糖酸杆菌与公司工艺优化相结合，使其沥滤效果较其野生型提高了五倍。

沥滤后，下一步是将稀土金属与溶于酸中的其它金属（如钙和铁）分离。在这里，一些意外的生物学知识帮了大忙。人们曾一度认为稀土元素与生物体没有直接关系。但在2012年和2013年，研究人员报告说，某些微生物会利用稀土元素来代谢甲醇[1]；甚至对生活于意大利火山沸泥塘中的某些微生物而言，稀土元素攸关其生死[2]。

事实证明，镧系元素是一类被称为醇脱氢酶（其中某些会在新陈代谢过程中将甲醇转化为甲醛）的微生物酶的必要辅因子。加州大学伯克利分校的微生物生理学家Cecilia Martinez-Gomez说，实际上微生物普遍使用镧系元素作为酶的辅因子，即使那些不吃甲醇的微生物也是如此。研究人员目前正在改造这些微生物，或只是改造它们的稀土元素结合分子，以浓缩所需的元素。

再如，Martinez-Gomez的研究小组正在研究另一种使用镧系元素的生物——扭脱甲基杆菌（Methylobacterium extorquens），于植物或海洋等多种环境中均有发现。她和她的团队在该杆菌中发现了一组十个基因[6]，这些基因能产生一种小型金属结合分子，团队将其命名为甲基化镧结合分子（methylolanthanin）。微生物会将该分子分泌到周围环境中，分子会附着于附近的镧系物质（其它情况下这些物质不溶于水）。然后，微生物的转运载体会结合该复合物并运入细胞，成为醇脱氢酶的辅因子。

扭脱甲基杆菌还有一个储镧系统以供备用，它会将金属以颗粒形态保存，或保存在被研究人员称为镧系元素体（lanthasomes）的结构中[7]。Martinez-Gomez说，这可能是为了让细菌能够应对镧短缺——它可以储存足够多的镧系元素，供以后数代之用。

为了提高镧系元素的吸收率以进行生物采矿，她和她的团队设计了一种扭脱甲基杆菌菌株，使他们能够控制并提升甲基化镧结合分子的产量。Martinez-Gomez说，这使微生物从粉状磁体中收集钕和其它稀土元素的能力提高了两倍多。然后，打碎细胞并淀析镧系元素就相对简单很多了。Martinez-Gomez说，这一过程产生的稀土的纯度超过98.8%。他在伯克利与他人共同创办了一家公司 RareTerra，旨在商业化利用扭脱甲基杆菌对镧系元素进行富集和分离。

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“镧调蛋白（lanmodulin）”是一种镧系元素结合分子[8]，位于细菌的两层外膜之间，与使用镧系元素作为辅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帕克分校的一名生物化学家，他仍然不清楚镧调蛋白在这一位置的作用。“这有趣的特性和技术应用有点转移了我们的关注重点”，他说。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，来制造发光和荧光生物传感器。它们可以突出显示稀土元素存在或积聚的位置[9, 10]，甚至可用于修复水源的稀土元素污染[11]。

镧调蛋白为研究人员提供了一种分离有色金属的途径——至少是在实验台上可行。Park是Cotruvo的一位合作者，他将镧调蛋白固定在琼脂糖微珠上，制成可以捕获镧系元素的纯化柱。美国西北部的煤矿灰中镧系元素的总体含量不足1%，但研究小组却从中获得了镧系元素纯度达88.2%的溶液[12]。Park表示：“镧调蛋白的选择性很强，我们可以用它从稀少而贫乏的稀土中选择性地筛选出所需的元素。”

镧调蛋白和扭脱甲基杆菌是一小组新兴的稀土纯化工具的一部分。研究人员还设计了镧系元素结合肽标签，可在相关基因中编码。这些肽标签一开始是为了助力X射线晶体学和蛋白质分析[13]，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恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）[14]和一种甲烷氧化菌（Methylacidiphilum fumariolicum）（于意大利火山沸泥塘中发现的物种）[15]的稀土金属收集能力。德国的科学家还发现，一类被称为蓝藻的光合单细胞生物也能吸收稀土元素[16]——尽管与氧化葡萄糖酸杆菌一样，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，蓝藻即使在死后也可以将重金属吸收到其细胞壁中，这意味着在金属提纯过程中可能并不需要保持蓝藻存活。

无论其来源如何，一旦获得稀土金属，难处在于将它们相互分离。稀土金属共有17种，在商业应用中不一定可以互替。然而，大的和小的镧系元素原子相差不到半埃（ångström）。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流程如此费力。Cotruvo表示，分离单个的稀土元素是“工业界迫切想解决的问题”。

在这方面，镧调蛋白再次提供了可能性。Cotruvo及其同事们扫描了基因组序列，寻找他们能找到的独特镧调蛋白，结果找到了一种来自甲基孢囊菌（Hansschlegelia quercus）的细菌的蛋白质。这种细菌生活在橡树芽上，可以利用植物释放的甲醇为生。来自于这种细菌的镧调蛋白偏好于轻镧系元素——即原子序数为62或以下的镧系元素——而非原子序数为63或以上的重镧系元素。

Cotruvo的研究小组发现，H. quercus的镧调蛋白通过一个选择性过程来区分金属。当分子遇到钕或镧等轻稀土元素时，两个镧调蛋白单体会拼接在一起形成二聚体，其紧密程度是其在镝等重稀土元素存在时所成结构的100多倍。Cotruvo说，在Park的纯化柱上，镧调蛋白可能不会形成二聚体，但尽管如此，这种偏好意味着这种镧调蛋白的纯化柱可以将钕和镝的混合物分离成各自纯度超过98%的馏分[17]。

“这确实是一项重大突破。”马萨诸塞州剑桥市的哈佛大学无机化学家Daniel Nocera表示，“它正向着选择性的目标前进。”

Martinez-Gomez指出，可能还会有其它工具出现，因为微生物似乎有着多种多样的机制去收集、运送和使用镧系元素。“其间存在着非常有趣的差异，因此这确实是一个广阔的新兴研究领域。”她说。

为了将这些工具应用于采矿和回收利用，研究人员设想了一系列步骤。首先，他们将从矿石或废料中移出金属，然后将镧系元素从其它金属中分离出来。此时，他们可能会利用H. quercus的镧调蛋白或其它工具将镧系元素按组相互分离，如分离轻稀土和重稀土，直到得到纯净的元素。

但并不一定要用生物学解决所有的分离问题，化学过程还是可以用的，Park说。如果微生物学家能从低品质沥滤液中分离出比如说80-90%的稀土元素，就可以让化学家接手来完成工作。即使是部分利用生物采矿，整个过程的能耗和产生的有毒废物也可能比纯化学提纯方法的要少。

强调“可能”，是因为这种生物提纯方法的商业可行性仍有待观察。“这个系统必须非常强大，否则在经济上就不可行。”负责加利福尼亚州的圣迭戈州立大学DARPA REE项目的微生物学家Marina Kalyuzhnaya说。

爱达荷的研究团队计算了使用氧化葡萄糖酸杆菌从石油生产中产生的危险废物中回收稀土元素的成本，估计这个过程可以是经济的[18]。就资金和环境危害而言，成本大头来自于工厂运行所需的电力和喂养微生物的葡萄糖，仅糖一项就占了投资的44%。但微生物矿工不见得非要纯葡萄糖，另有替代品可用，比如玉米（谷物）秸秆——收获后剩下的茎秆、叶子和玉米棒——或洗马铃薯的淀粉水。根据研究小组的计算，改用其中任何一种作为营养物，都能将成本降低17%或更多[19]。

另一个关键问题是，纯化柱使用多久后需要更换。迄今为止，科学家们在实验室中使用的纯化柱至多只运行过几十次，但矿业公司可能会需要运行数万次。“每次我们与工业界的人交流，他们第一个会问的就是这个问题。”Park说，“这个问题仍尚未解决。”

Park建议有兴趣研究这种工艺的科学家与矿业行业的专业人士进行交流，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”。该中心是由爱荷华州艾姆斯国家实验室（Ames National Laboratory）领导的学术界实验室、工业界和美国能源部之间的一个合作项目，其目标是加快对稀土和其它清洁能源关键材料的研究工作。Park说，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能取得成功，这可能只是一个开始。Barstow说，还有一些其它的元素，业界会希望将它们从相对较低品位的矿石中浓缩出来。“稀土只是所有其它矿物的试验台。”他说，“我们希望能为所有其它金属定制出相应的微生物。”