调动微生物:开采稀土元素如何变得更具可持续性?

博士后研究员Alexa Schmitz在康奈尔大学获得植物病理学和植物微生物生物学博士学位时加入了Barstow的研究，当时她参加了Barstow举办的生物燃料研讨会。但在随后的讨论中，他也谈到了生物浸出及其在稀土开采和回收方面的潜力。

“它觉得风险，尖端的工作，”施密兹说，“但同时我认为'是的。这绝对可以工作。'“

Schmitz完成了她的博士学位，正在寻找一个博士后职位，而Barstow在获得学术风险基金的种子拨款后，正在为他的生物采矿项目寻求帮助Cornell Atkinson可持续发展中心。

Schmitz必须立即使用一种叫做葡萄糖杆菌的细菌。通过在美国能源部的爱达荷州国家实验室的初始工作，它已经显示出具有生物浸入微生物的潜力。Schmitz使用了由Barstow开发的方法，称为Knoppout Sudoku，一次选择性地灭活一种基因，然后建立一系列数千型氧氧诺的葡萄酒。这些变体中的每一个将作为稀土化的生物浸渍剂测试，然后进一步开发最佳的那些。

当她收集数据时，施密茨 - 斯科米茨 - 谁继续从康奈森·阿特金森小额补助计划中继续工作 - 说她将编制一个基因的名单，这可能是发展有效和可持续的系统来提取稀土的关键。

Monazite是已知含有足够数量的稀土的矿石之一才能值得开采。Schmitz不能只是把一大块单一的单一和一些细菌扔进烧杯，等待看到会发生什么。而是，对于可以与稀土浸出的基因的初始筛选将发生在可以读取光谱的微孔板中。

Schmitz解释说，“一旦我们知道哪种基因对生物浸出最重要，我们将靶向那些控制这些基因的基因和遗传元素 - 用于诱变。这可以组合地完成，靶向几种基因一次，并筛选所得改性菌株以进行生物浸出的变化。“

突变是生物体的遗传信息通过突变而发生变化的过程。这种突变可以是自发的，也可以在实验室中进行控制。Schmitz和Barstow将迫使参与生物浸出的基因发生突变，然后测量突变的生物体在收集可用稀土方面的效率。他们希望通过一种高通量的方法来进化G. oxydans，他们将能够改造一种生物体，使其比现有的工业方法更有效、更可持续地提取稀土。

这就是明明吴进来。吴，生物与环境工程教授（CAL），是微流体设备专家。传统的鉴定，隔离和突变微生物方法是劳动力和时间密集，需要大量的仔细和重复的掠过。

“巴斯和我开始谈论他的工作，”吴说，“我们意识到，在微流体中已经存在一种确定和选择表现出所需特征的‘超级细菌’的方法。”

此现有过程称为导向演变。与肖恩Medin一起，第二年博士学位。Barstow的实验室中的学生，该团队正在设计通过通道强迫单个细菌的微流体装置，沿途有几个“站”。

“我们可以将传感器放入设备中，使细菌与稀土元素结合时，它会改变颜色，我们可以看到它，”吴说。“那些绑定的那些将在设备中发送一个路由，并且不会绑定的那些路由将被发送到另一个路线。”

工作的细菌将被引导到将设备偏离的站，在那里它们将被诱变，然后再次通过设备发送。通过这种方式，Barstow的团队可以创造一种改进的细菌变体，即Medin将使用它来吸附稀土。

除了帮助制造该小组将在他们的过程中使用的微流控装置外，Medin还在研究生物开采稀土的一个重要步骤——分离。

一旦稀土被浸出了单桥或其他矿石，仍然需要彼此分离，并从浸出过程中脱离杂质。目前的分离方法，如液 - 液溶剂萃取和离子交换过程，是能量密集的，导致大量的危险废物。

麦丁将使用一种叫做奥内登氏希瓦内菌MR-1的细菌，他将对其进行类似施密茨对氧丹氏G.进行的定向进化过程。Medin公司将选择具有高于平均水平的稀土吸附能力的变体。这些变种将经过几轮的诱变，目的是创造一种能够大量吸附特定稀土的细菌。

Medin加入了Barstow实验室，并在这个项目上工作的快速意图，他希望有一天开始一家公司将一些过程商业化在实验室中熟悉的一些过程。然而，他的重点将是回收来自电子，矿山尾矿和飞灰的现有稀土，这是煤炭燃烧的废物之一。

“理想情况下，”Medin说：“我希望能够采取粉煤灰或永久性磁铁或其他回收的稀土元素来源，生物浸出它们，然后提取稀土化以再利用。而且我想在美国那样做所有这些并确保它是环保的。“

目前，美国使用的大部分稀土都是进口的，只回收了很小一部分的稀土产品。

Sabrina Marecos，第一年博士。Barstow实验室的学生正在努力验证使用的遗传模型。以前在康奈尔和其他地方的研究支持Barstow的淘汰赛Sudoku工艺应该与葡萄糖杆菌合作的理论。

“此刻，”马鲁斯说：“我正在验证膜结合葡萄糖脱氢酶基因的敲除。这将证实可以忽略葡糖杆菌的基因。之后，我将继续尝试验证另一个基因的过表达以确认可以做到，哪种方法最合适。“

一旦Marecos验证了Parstow，Schmitz和Medin计划的方法，所得到的工具将补充相对较少的工具。“这将使我们能够利用数据来设计细菌，所述数据表明一些基因比其他基因在生产中的重要酸中的涉及，”Marecos说。“通过修饰细菌并观察其行为，我们将更好地了解生物浸入过程以及如何增强它。”

Barstow强调了康奈尔大学合作文化在促进生物采矿研究中的重要性。除了他的实验室成员的个人项目，还有一个关键的工作是他们都不能做的:合成含有精确数量的各种稀土的独居石。

为了确切地知道细菌在浸出和分离稀土元素的效果和高效，团队需要确切地知道初始矿石中的每个元素的数量。毕竟，如果您不知道在那里开始有多少克，则没有有助于通过生物浸出收集多少克镧。

Barstow的幸运，最近有两个能够在他所需的方式综合和表征Monazite的两位教师雇员。这是一个机会在康奈尔阿特金森棕袋午餐时遇到，最终会把三位阿特金森教师团聚在一起。

助理教授Megan Holycross（ENG）专业是了解差异化地球固体内部化学的过程。“Snee Hall中的实验室中的仪器能够实现温度和压力，以重建地球深入120公里的条件，”Holycross说。“我正在学习在地壳和地球上部地幔中发生的事情。”

幸运的是，Holycross的一些实验室设备也可以用来制作均匀的矿石样品。“巴斯和他的团队正在进行实验，用微生物产生的酸从岩石中提取稀土元素，”霍利克罗斯说。“为了量化微生物的效率，他们需要精确地量化输入和输出。”

Holycross正在与助理教授Esteban Gazel（ENG）和Postdoc Brian Balta的合成单藏样品增长。Gazel将使用他的地球化学专业知识来描述样品，他还将进行大规模平衡计算，以帮助Barstow确定哪种突变版本的G. Octdans最有效 - 因此最商业化。

“这是一个想法，我相信只能在康奈尔发生，”Gazel说。“这里有这种跨学科合作的文化，这很难在其他地方找到。”

Gazel补充道:“在合作之前，Buz和明明对独居石的了解就像Megan和我对合成生物学的了解一样少。”

霍利斯同意了。“这就是我来到康奈尔的原因 - 做这样的跨学科的东西，并致力于同事的令人兴奋的问题。”

Gazel说:“我们工作的强大视角不仅在于我们对跨越学科边界持开放态度，还在于我们都对学习新领域和相互交流持开放态度。正是在这些跨学科的空间中，我们可以找到新老问题的解决方案。”

本文最初出现在康奈尔工程网站上。