Редкоземельные элементы определяют технологический облик современного мира, но их добыча остается одним из самых разрушительных промышленных процессов на планете. Команда биоинженера Сын-Ука Ли из Калифорнийского университета в Беркли предложила решение, которое может изменить всю индустрию – генетически модифицированные вирусы, способные извлекать ценные элементы из шахтных вод без токсичных химикатов и масштабного загрязнения окружающей среды.
Исследование, опубликованное в журнале Nano Letters, описывает принципиально новый подход к добыче. Ученые превратили безвредный бактериофаг – вирус, атакующий только бактерии и безопасный для человека и экосистем – в микроскопического "шахтера", извлекающего редкоземельные элементы из дренажных вод рудников. После изменения температуры и pH среды вирусы высвобождают собранный материал, готовый к переработке.
Ли отметил:
Это значительный шаг к более устойчивой добыче и восстановлению ресурсов. Наше биологическое решение предлагает более экологичный, недорогой и многоразовый способ получения критически важных материалов, необходимых для будущего чистой энергетики, помогая при этом защищать окружающую среду.
Технология работает благодаря двум специализированным белкам, добавленным в структуру бактериофага. Первый – лантанид-связывающий пептид на поверхности вируса, действующий как захват для сбора редкоземельных элементов. Второй – эластиновый мотивный пептид, который при активации температурой выходит из раствора и доставляет собранные элементы для извлечения.
Преимущества метода выходят за рамки экологической безопасности. Биодобывающие вирусы сохраняют эффективность даже после завершения рабочего цикла, их можно использовать многократно. Масштабное промышленное производство таких вирусов не требует сложной инфраструктуры – достаточно добавить их к бактериям, и при репликации бактерий вирусы реплицируются вместе с ними.
По словам Ли, новый метод биодобычи "не только экологичен, но и невероятно прост, требуя немногим больше, чем емкость для смешивания и нагреватель". С его помощью исследователи могут использовать программируемый биологический инструмент для выполнения сложной промышленной задачи, которая сейчас требует токсичных химикатов и больших затрат энергии.
Редкоземельные элементы включают два переходных металла – скандий и иттрий – а также 15 лантаноидов, среди которых прометий, европий и гадолиний. Несмотря на название, эти элементы не настолько редки в земной коре, сколько сложны в извлечении и очистке. Именно процессы добычи и переработки делают их дорогими и экологически разрушительными.
Спрос на редкоземельные элементы продолжает расти благодаря их уникальным свойствам. Способность усиливать миниатюризацию, эффективность, долговечность и производительность делает их незаменимыми в современной электронике – от смартфонов и компьютеров до телевизоров, LED-светильников и объективов камер. В промышленности редкоземельные элементы применяются в производстве лазеров, МРТ-сканеров, каталитических нейтрализаторов, топливных элементов, аккумуляторов и полировальных порошков для производства полупроводников.
Наиболее масштабное применение редкоземельных элементов в последние годы приходилось на производство постоянных магнитов. Именно эти магниты делают возможными ветровые турбины, электромобили и вибромоторы в смартфонах.
Геополитическое значение новой технологии трудно переоценить. Любая страна с запасами редкоземельных элементов, внедрившая подобный метод внутри своих границ, сможет снизить зависимость от международных поставщиков, укрепив экономическую и промышленную независимость. Сегодня лидером по добыче остается Китай, добывший в 2023 году около 240 000 тонн редкоземельных элементов и переработавший 189 179 тонн. Это 70% мировой добычи и 87% мировой переработки.
Технология биодобычи может радикально изменить эту картину, предоставив странам с меньшими производственными мощностями доступ к экологически чистым и экономически выгодным методам извлечения критически важных материалов. Учитывая растущую роль редкоземельных элементов в переходе к возобновляемой энергетике и электрификации транспорта, такое решение может стать доступным в идеальный момент.