Dùng vi khuẩn 'khai thác' đất hiếm từ nước thải

Bước ngoặt trong cuộc đua khử cac-bon

Một loại protein do một số loại vi khuẩn tạo ra không chỉ có thể chiết xuất các nguyên tố neodymium và dysprosi từ quặng mà còn có thể tách các kim loại này ra khỏi nhau. Với nhu cầu về các kim loại này tăng theo cấp số nhân, nhờ vai trò của chúng trong các tua-bin gió và xe điện, cùng nhu cầu hiện tại từ điện thoại thông minh, khám phá này có thể là một bước ngoặt trong cuộc đua khử cac-bon.

Mặc dù có tên như vậy, nhưng các nguyên tố đất hiếm thực sự không quá hiếm. Ví như, neodymium là nguyên tố phổ biến thứ 27 trong lớp vỏ Trái đất, vượt xa thủy ngân (thứ 67) và vàng (thứ 75). Lượng neodymium cần thêm vào sắt để tạo ra nam châm cực mạnh, vì vậy không có nguy cơ thế giới cạn kiệt. Tuy nhiên, thật không may, việc chiết xuất và tinh chế các nguyên tố hữu ích này là một công việc phức tạp và tốn kém.

Vi khuẩn sàng lọc phân tách tìm đất hiếm-Ảnh phys.org.

Một công nghệ được phác thảo trong Tạp chí Nature có thể thay đổi điều đó. Các nhà khoa học tại Đại học Penn State, Mỹ đã chứng minh rằng một dạng cụ thể của protein lanmodulin có thể phân biệt các nguyên tố cực kỳ giống nhau.

"Sinh học có thể phân biệt được đất hiếm với tất cả các kim loại khác ngoài môi trường - và giờ đây, chúng ta có thể thấy cách sinh vật thậm chí phân biệt được giữa đất hiếm mà vi khuẩn thấy hữu ích và đất hiếm mà nó không thấy hữu ích", Tiến sĩ Joseph Cotruvo tại Đại học Penn State, Mỹ cho biết trong một tuyên bố.

"Chúng tôi đang chỉ ra cách chúng tôi có thể điều chỉnh các phương pháp tiếp cận này để thu hồi và tách đất hiếm". Thách thức trong khai thác lanthanide, bao gồm hầu hết các nguyên tố đất hiếm, là chúng không bao giờ xuất hiện ở dạng tinh khiết. Bên cạnh việc được trộn lẫn với các nguyên tố thông thường, lanthanide tồn tại cùng nhau trong tự nhiên và tính chất hóa học tương tự lắng đọng chúng ở cùng một nơi cũng cản trở quá trình phân tách.

"Có một phần của vấn đề là lấy chúng ra khỏi đá, nhưng có nhiều giải pháp cho vấn đề này", Cotruvo cho biết. "Nhưng bạn sẽ gặp phải vấn đề thứ hai khi chúng đã phân tách ra ngoài, vì bạn cần tách nhiều loại đất hiếm ra khỏi nhau. Đây là thách thức lớn nhất và thú vị nhất, phân biệt giữa các loại đất hiếm riêng lẻ, vì chúng rất giống nhau". Các quy trình hiện tại liên quan đến các bước lặp đi lặp lại, đôi khi là hàng trăm bước, mỗi bước đều cần đến hóa chất độc hại.

6 năm trước, Cotruvo và các đồng nghiệp đã phân lập được một loại protein mà họ gọi là lanmodulin từ vi khuẩn methylotroph, họ phát hiện ra rằng loại protein này liên kết với lanthanide mạnh hơn 100 triệu lần so với các kim loại phổ biến hơn. Mặc dù có khả năng hữu ích, nhưng điều này không giải quyết được vấn đề mà Cotruvo lưu ý là phần khó nhất của vấn đề, đó là phá vỡ hỗn hợp gồm 15 nguyên tố. Tuy nhiên, lanmodulin hóa ra lại là một họ gồm hàng trăm loại protein có vẻ ngoài giống nhau do các loại vi khuẩn khác nhau tạo ra. Vi khuẩn Hansschlegelia quercus được tìm thấy trong chồi cây sồi ở Anh có thể phân biệt giữa đất hiếm lanthanide, cũng như tách tất cả chúng ra khỏi các kim loại khác.

Đất hiếm được chiết xuất bằng một loại protein vi khuẩn. Ảnh Wikimedia Commons.

Phân biệt ở quy mô không thể tưởng tượng

Khi liên kết với một lanthanide nhẹ, protein lanmodulin của Hansschlegelia tạo thành bộ gồm hai phân tử giống hệt nhau (đimer), nhưng với các thành viên nặng hơn của nhóm, nó hoạt động đơn lẻ. "Điều này thật đáng ngạc nhiên vì những kim loại này có kích thước rất giống nhau", Cotruvo cho biết. "Loại protein này có khả năng phân biệt ở quy mô mà hầu hết chúng ta không thể tưởng tượng được - vài phần nghìn tỷ mét, một sự khác biệt nhỏ hơn một phần mười đường kính của một nguyên tử". Lợi ích mà vi khuẩn được hưởng vẫn chưa rõ ràng. Bằng cách gắn protein vào các hạt mà không cần vi khuẩn, nhóm nghiên cứu đã chứng minh được khả năng của protein trong việc tách neodymium và dysprosi, hai loại lanthanide được sử dụng trong pin vĩnh cửu, mà không cần dung môi hữu cơ hoặc nhiệt độ cao.

Việc phân biệt giữa một nửa các loại lanthanide và một nửa còn lại có thể cắt giảm một vài giai đoạn trong quá trình phân tách, nhưng vẫn còn rất nhiều việc phải làm. Neodymium và dysprosi cách nhau sáu điểm trên bảng tuần hoàn. Điều thực sự cần thiết là một phiên bản phân biệt từng loại với các loại lân cận gần nhất của chúng, chỉ khác nhau vài phần nghìn tỷ mét về kích thước. Sử dụng tinh thể học tia X, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy một loại axit amin duy nhất đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý khác biệt các nguyên tố của protein lanmodulin.

"Với việc tối ưu hóa hơn nữa hiện tượng này… việc tách hiệu quả các loại đất hiếm nằm ngay cạnh nhau trên bảng tuần hoàn có thể nằm trong tầm tay", Cotruvo cho biết. Cùng với các lợi ích về môi trường và kinh tế, công trình này có thể có ý nghĩa địa chính trị đáng kể. Trung Quốc thống trị sản xuất đất hiếm, không phải vì các quốc gia khác thiếu trầm tích, mà vì các quốc gia khác không chấp nhận tình trạng ô nhiễm hiện đang diễn ra trong quá trình xử lý của họ. Sự thống trị này hiện đang khiến Hoa Kỳ và các đồng minh lo ngại, khiến các kỹ thuật sạch hơn trở nên rất được mong muốn.

Lanmodulin từ vi khuẩn sống trên cây có thể giúp sản xuất năng lượng sạch hơn. Ảnh Penn State.

Các loại vi khuẩn thu thập đất hiếm từ nước thải

Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng sinh khối của 12 chủng vi khuẩn lam chưa từng được nghiên cứu trước đây trên toàn cầu có hiệu quả trong việc hấp thụ sinh học các nguyên tố đất hiếm là lanthanum, xeri, neodymium và terbi từ dung dịch nước. Điều này cho phép các nguyên tố hiếm này, vốn có nhu cầu ngày càng tăng, được thu thập từ nước thải từ khai thác mỏ, luyện kim và tái chế rác thải điện tử, và tái sử dụng.

Các nguyên tố đất hiếm (REE) là một nhóm gồm 17 kim loại có tính chất hóa học tương tự nhau, có tên như vậy vì chúng thường xuất hiện ở nồng độ thấp (từ 0,5 đến 67 phần triệu) trong lớp vỏ Trái đất. Vì chúng không thể thiếu trong công nghệ hiện đại như điốt phát sáng, điện thoại di động, động cơ điện, tua bin gió, ổ cứng, máy ảnh, nam châm và bóng đèn tiết kiệm năng lượng, nên nhu cầu về kim loại này đã tăng đều đặn trong vài thập kỷ qua và dự kiến sẽ tăng cao hơn nữa vào năm 2030. Do chúng hiếm và có nhu cầu cao nên chúng rất đắt: ví như, một kg oxit neodymium hiện có giá khoảng 200 euro, trong khi cùng một lượng oxit terbium có giá khoảng 3.800 euro. Ngày nay, Trung Quốc gần như độc quyền khai thác REE, mặc dù việc phát hiện mới đầy hứa hẹn (hơn một triệu tấn) ở Kiruna, Thụy Điển đã được công bố rầm rộ vào tháng 1/2023.

Nền kinh tế tuần hoàn

Những lợi thế của việc chuyển đổi từ nền kinh tế “tuyến tính” lãng phí sang nền kinh tế “tuần hoàn”, nơi mọi nguồn tài nguyên đều được tái chế và tái sử dụng, là điều hiển nhiên. Vậy chúng ta cũng có thể tái chế REE hiệu quả hơn không? Trong Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, các nhà khoa học Đức đã chỉ ra rằng câu trả lời là có: sinh khối của một số vi khuẩn lam quang hợp ngoại lai có thể hấp thụ hiệu quả REE từ nước thải, ví như từ khai thác mỏ, luyện kim hoặc tái chế rác thải điện tử. Các REE hấp thụ sau đó có thể được rửa khỏi sinh khối và thu thập để tái sử dụng.

"Ở đây, chúng tôi đã tối ưu hóa các điều kiện hấp thụ REE của sinh khối vi khuẩn lam và mô tả các cơ chế hóa học quan trọng nhất để liên kết chúng. Những vi khuẩn lam này có thể được sử dụng trong các quy trình thân thiện với môi trường trong tương lai để thu hồi REE đồng thời xử lý nước thải công nghiệp", Tiến sĩ Thomas Bruck, Giáo sư tại Đại học Kỹ thuật Munich, Đức và là tác giả cuối cùng của nghiên cứu cho biết.

Joseph Cotruvo, Giáo sư hóa học tại Đại học Penn State, và đồng nghiệp, đã tách các nguyên tố đất hiếm bằng protein vi khuẩn. Ảnh Penn State.

Các chủng vi khuẩn lam cực kỳ chuyên biệt

Hấp thụ sinh học là một quá trình thụ động về mặt trao đổi chất để liên kết nhanh chóng, có thể đảo ngược các ion từ dung dịch nước với sinh khối. Bruck và các đồng nghiệp đã đo khả năng hấp thụ sinh học của REE lanthanum, xeri, neodymium và terbium bởi 12 chủng vi khuẩn lam trong nuôi cấy tại phòng thí nghiệm. Hầu hết các chủng này chưa từng được đánh giá về tiềm năng công nghệ sinh học của chúng trước đây. Chúng được lấy mẫu từ các môi trường sống có tính chuyên biệt cao như đất khô cằn ở sa mạc Namibia, bề mặt địa y trên khắp thế giới, hồ natron ở Chad, khe nứt trong đá ở Nam Phi hoặc các dòng suối ô nhiễm ở Thụy Sĩ.

Các tác giả phát hiện ra rằng một loài Nostoc mới chưa được xác định có khả năng hấp thụ sinh học cao nhất các ion của bốn REE này từ dung dịch nước, với hiệu suất từ 84,2 đến 91,5 mg trên g sinh khối, trong khi Scytonema hyalinum có hiệu suất thấp nhất ở mức 15,5 đến 21,2 mg trên g. Các chủng Synechococcus elongatus, Desmonostoc muscorum, Calothrix brevissima và một loài Komarekiella mới chưa được xác định cũng rất hiệu quả. Khả năng hấp thụ sinh học được phát hiện phụ thuộc mạnh vào độ axit: khả năng này cao nhất ở độ pH từ 5 đến 6 và giảm dần trong các dung dịch có tính axit hơn. Quá trình này hiệu quả nhất khi không có sự “cạnh tranh” về bề mặt hấp thụ sinh học trên sinh khối vi khuẩn lam từ các ion dương của các kim loại không phải REE khác như kẽm, chì, niken hoặc nhôm.

Các tác giả đã sử dụng một kỹ thuật gọi là quang phổ hồng ngoại để xác định nhóm hóa chất chức năng nào trong sinh khối chịu trách nhiệm chủ yếu cho quá trình hấp thụ sinh học của REE. "Chúng tôi phát hiện ra rằng sinh khối có nguồn gốc từ vi khuẩn lam có đặc tính hấp thụ tuyệt vời do nồng độ cao các nhóm đường tích điện âm, mang nhóm cacbonyl và cacboxyl. Các thành phần tích điện âm này thu hút các ion kim loại tích điện dương như REE và hỗ trợ sự bám dính của chúng vào sinh khối", tác giả đầu tiên Michael Paper, một nhà khoa học tại Đại học Kỹ thuật Munich, Đức cho biết.

Nhanh chóng và hiệu quả

Các tác giả kết luận rằng quá trình hấp thụ sinh học REE của vi khuẩn lam có thể thực hiện được ngay cả ở nồng độ kim loại thấp. Quá trình này cũng diễn ra nhanh chóng: hầu hết trong dung dịch được hấp thụ sinh học trong vòng 5 phút sau khi bắt đầu phản ứng. “Vi khuẩn lam được mô tả ở đây có thể hấp thụ lượng REE tương ứng với 10% vật chất khô của chúng. Do đó, hấp thụ sinh học là một quy trình được tối ưu hóa về mặt kinh tế và sinh thái để thu hồi và tái sử dụng tuần hoàn các kim loại đất hiếm từ nước thải công nghiệp pha loãng từ các ngành khai thác, điện tử và sản xuất chất xúc tác hóa học”, Bruck cho biết. “Hệ thống này dự kiến sẽ khả thi về mặt kinh tế trong tương lai gần, vì nhu cầu và giá thị trường đối với REE có khả năng tăng đáng kể trong những năm tới”, ông dự đoán.