Naukowcy w Stanach Zjednoczonych wykorzystują zmodyfikowane bakteriofagi do pozyskiwania kluczowych pierwiastków w sposób czysty i umożliwiający ponowne wykorzystanie.
Nowa ekologiczna metoda wydobywania pierwiastków ziem rzadkich
Pierwiastki ziem rzadkich (REE) w cichy sposób podtrzymują znaczną część współczesnego życia: jasne ekrany, silniki elektryczne, turbiny wiatrowe, ultra mocne magnesy. Jednak ich pozyskiwanie nadal opiera się na agresywnych technikach chemicznych, które pozostawiają po sobie kwaśne wody, toksyczne szlamy i ogromny ślad ekologiczny. Trudno to uzasadnić w kontekście przejścia na czystszą gospodarkę.
W tym kontekście zespół kierowany przez Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley bada zaskakującą ścieżkę: wykorzystanie wirusów jako narzędzia zrównoważonego wydobycia. Choć może to brzmieć dziwnie, z naukowego i środowiskowego punktu widzenia ma to sens.
Wirus przeprogramowany do wychwytywania kluczowych minerałów
Grupa kierowana przez profesora Seung-Wuk Lee, autorytet w dziedzinie bioinżynierii, zmodyfikowała genetycznie bakteriofaga — wirusa atakującego wyłącznie bakterie — przekształcając go w „inteligentną gąbkę” zdolną do wychwytywania pierwiastków ziem rzadkich obecnych w roztworach wodnych.
Logika jest elegancka:
- Peptyd wiążący się z lantanowcami działa jak niezwykle precyzyjna molekularna szponia.
- Motyw elastynowy reaguje na niewielkie zmiany temperatury i powoduje wytrącanie się wirusa.
- Razem tworzą one system kontrolowanego wychwytywania i uwalniania, bez użycia żrących chemikaliów i energochłonnych procesów.
Przy niewielkim wzroście temperatury wirusy aglutynują się i przenoszą metale na dno zbiornika. Następnie, poprzez dostosowanie pH, uwalniają je w postaci niemal czystej. Wszystko to w środowisku o niskim zużyciu energii i bez generowania toksycznych odpadów.
Wstępne testy z kwaśnymi ściekami kopalnianymi, jednym z najbardziej zanieczyszczających strumieni odpadów, były szczególnie odkrywcze: wirusy ignorowały niepożądane metale i skupiały się wyłącznie na REE, nawet w niskich stężeniach. Co najważniejsze, można je było ponownie wykorzystać bez utraty skuteczności.
Biogórnictwo: mała koncepcja o ogromnych implikacjach
Podejście to jest częścią szerszego ruchu znanego jako biogórnictwo, którego celem jest zastąpienie tradycyjnych metod wydobywczych wybranymi, zaprogramowanymi lub zmodyfikowanymi procesami biologicznymi. Dla sektora górniczego nie jest to pomysł bez znaczenia.
Od lat przemysł ten podlega presji środowiskowej i regulacyjnej ze względu na skutki konwencjonalnego wydobycia, zwłaszcza w krajach, w których koncentrują się zasoby REE. Możliwość dysponowania tanim, automatyzowalnym, skalowalnym i praktycznie bezodpadowym systemem otwiera nowe możliwości nie tylko w zakresie odzyskiwania materiałów u źródła, ale także przetwarzania historycznych odpadów, od zbiorników szlamu po stare składowiska.
W Stanach Zjednoczonych zainteresowanie jest podwójne: kwestia środowiskowa, ale także strategiczna. Zapewnienie wewnętrznych dostaw REE ma kluczowe znaczenie dla technologii odnawialnych, komunikacji i obronności. Czysty i powtarzalny proces może zmniejszyć zależność od importu bez przenoszenia zanieczyszczeń do innych krajów.
Więcej niż metale ziem rzadkich: wirus dla każdego pierwiastka
Platforma opracowana przez zespół Lee ma coś bardzo cennego: wszechstronność. Zmieniając fragmenty DNA, naukowcy mogą dostosować powinowactwo wirusa do innych metali:
• Lit i kobalt, niezbędne do produkcji baterii.
• Platyna, kluczowa w katalizatorach.
• Miedź, niezbędna w sieciach i odnawialnych źródłach energii.
• Toksyczne metale ciężkie, takie jak rtęć lub ołów, o wyraźnym zastosowaniu w oczyszczaniu wody.
Ta elastyczność sprawia, że system ten jest rodzajem modułowego zestawu, który można zastosować w górnictwie, przetwarzaniu odpadów, recyklingu urządzeń elektronicznych lub odzyskiwaniu materiałów strategicznych w zakładach gospodarki o obiegu zamkniętym.
Pomysł ten dobrze wpisuje się w aktualne trendy, takie jak odzyskiwanie metali w miastach, boom na ponowne przetwarzanie odpadów elektronicznych oraz poszukiwanie rozwiązań zmniejszających presję na konwencjonalne kopalnie.
Prosty proces wdrożenia
W porównaniu z ciężkimi maszynami i typowymi reaktorami chemicznymi, propozycja zespołu z Berkeley zaskakuje swoją prostotą: zbiornik, mieszadło i źródło ciepła. Nic więcej. Resztę robi biologia.
Ułatwia to zastosowanie w odległych miejscach, małych kopalniach lub zakładach uzdatniania wody przemysłowej, gdzie poszukuje się solidnych i niedrogich rozwiązań. Ponadto zdolność wirusów do replikacji w bakteriach pozwala na generowanie dużych ilości bez konieczności stosowania skomplikowanej infrastruktury.
Ten aspekt — skalowalność bez konieczności ponoszenia ogromnych nakładów inwestycyjnych — wzbudził największe zainteresowanie naukowców, administracji i przedsiębiorstw. Nawet duże firmy wydobywcze finansują już część badań, zainteresowane zbadaniem możliwości zastosowania tego podejścia w obszarach, gdzie rekultywacja środowiska jest obowiązkiem prawnym.
Potencjał
W perspektywie średnioterminowej technologia ta może stać się kluczowym narzędziem dekarbonizacji łańcucha dostaw metali krytycznych. Transformacja energetyczna wymaga ogromnych ilości pierwiastków ziem rzadkich, miedzi, litu lub kobaltu, ale dalsze wydobywanie ich w dotychczasowy sposób nie jest zgodne z ideą zdrowej planety.
Biogórnictwo oparte na zmodyfikowanych wirusach dostarcza kilka brakujących elementów tej układanki:
- Strategiczne materiały odzyskiwalne bez zanieczyszczania.
- Procesy odwracalne i wielokrotnego użytku, nieliniowe.
- Lokalna produkcja metali w celu zmniejszenia śladu transportowego.
- Zdolność do oczyszczania pasywów środowiskowych, które od dziesięcioleci degradują ekosystemy.
- Narzędzia biologiczne, które można dostosować do nowych potrzeb w miarę rozwoju technologii.
Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, podejście to może złagodzić jeden z najbardziej niewygodnych dylematów związanych z transformacją ekologiczną: jak pozyskać potrzebne materiały, nie powtarzając błędów górnictwa XX wieku.
Badania są nadal w toku, ale podstawowy przekaz jest jasny: biologia oferuje nieoczekiwane sposoby na ponowne wyobrażenie sobie całych gałęzi przemysłu. A w świecie, który potrzebuje szybkich, czystych i skalowalnych rozwiązań, to dobra wiadomość.