Pierwiastki ziem rzadkich (REE) to grupa 17 chemicznie podobnych srebrzystych metali, poza itrem oraz skandem należących do grupy lantanowców (lantan, cer, prazeodym, neodym, promet, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb i lutet). Mimo chemicznego podobieństwa różnią się właściwościami fizycznymi. Określenie „ziemie rzadkie” pochodzi od rzadkości występowania tych metali w skorupie ziemskiej (od 0,5 do 67 części na milion).

Pierwiastki ziem rzadkich są niezbędne w nowoczesnej technologii – na przykład samar, prazeodym i neodym służą do produkcji silnych magnesów; lantan, jako dodatek stopowy do stali, a jego tlenek do wytwarzania szkła optycznego. Skand jest składnikiem stopów aluminium używanych w lotnictwie i pojazdach kosmicznych. Bez pierwiastków ziem rzadkich nie da się wytwarzać na przykład diod elektroluminescencyjnych, telefonów komórkowych, silników elektrycznych, turbin wiatrowych czy dysków twardych. Dlatego zapotrzebowanie na te metale w ostatnich dziesięcioleciach stale rosło - i zapewne będzie rosnąć dalej, co najmniej do roku 2030.

Tak duże potrzeby wymagają poszukiwania nowych źródeł zaopatrzenia. Korzystne byłoby na przykład wykorzystanie zawierających te metale ścieków i odpadów.

Jak wykazali niemieccy naukowcy, biomasa niektórych egzotycznych fotosyntetyzujących cyjanobakterii może skutecznie absorbować REE ze ścieków, na przykład pochodzących z kopalń, hut lub recyklingu e-odpadów. Zaabsorbowane pierwiastki ziem rzadkich mogą być następnie wypłukane z biomasy i zebrane do ponownego wykorzystania.

„Zoptymalizowaliśmy warunki pobierania REE przez biomasę sinic i scharakteryzowaliśmy najważniejsze mechanizmy chemiczne ich wiązania. Te cyjanobakterie mogłyby zostać wykorzystane w przyszłych ekologicznych procesach do jednoczesnego odzyskiwania pierwiastków ziem rzadkich i oczyszczania ścieków przemysłowych” – powiedział dr Thomas Brueck, profesor Uniwersytetu Technicznego w Monachium i autor badania.

Biosorpcja jest metabolicznie pasywnym procesem szybkiego, odwracalnego wiązania jonów z roztworów wodnych z biomasą. Prof. Brueck i jego współpracownicy zmierzyli potencjał biosorpcji REE lantanu, ceru, neodymu i terbu przez 12 szczepów cyjanobakterii w hodowli laboratoryjnej. Większość z tych szczepów nigdy wcześniej nie była oceniana pod kątem ich potencjału biotechnologicznego. Pobrano próbki z wysoce wyspecjalizowanych siedlisk, takich jak suche gleby na pustyniach Namibii, powierzchnia porostów na całym świecie, jeziora natronowe w Czadzie, szczeliny skalne w Afryce Południowej czy zanieczyszczone strumienie w Szwajcarii.

Jak się okazało, niescharakteryzowany nowy gatunek Nostoc miał najwyższą zdolność biosorpcji jonów tych czterech pierwiastków ziem rzadkich z roztworów wodnych, z wydajnością między 84,2 a 91,5 mg na gram biomasy, podczas gdy gatunek Scytonema hyalinum miał wydajność najniższą (15,5 do 21,2 mg na gram). Skutecznie gromadziły metale również Synechococcus elongates, Desmonostoc muscorum, Calothrix brevissima i niescharakteryzowany nowy gatunek Komarekiella.

Biosorpcja w dużym stopniu zależała od kwasowości: była najwyższa przy pH między 5 a 6 i stale spadała w bardziej kwaśnych roztworach. Proces był najbardziej wydajny, gdy nie było „konkurencji” o powierzchnię biosorpcyjną na biomasie cyjanobakterii z dodatnimi jonami metali innych niż REE, takich jak cynk, ołów, nikiel czy aluminium.

Aby określić, które funkcjonalne grupy chemiczne w biomasie były w większości odpowiedzialne za biosorpcję pierwiastków ziem rzadkich, autorzy wykorzystali technikę zwaną spektroskopią w podczerwieni.

„Odkryliśmy, że biomasa pochodząca z cyjanobakterii ma doskonałe właściwości adsorpcyjne ze względu na wysokie stężenie ujemnie naładowanych ugrupowań cukrowych, które zawierają grupy karbonylowe i karboksylowe. Te ujemnie naładowane składniki przyciągają dodatnio naładowane jony metali, takie jak pierwiastki ziem rzadkich, i wspierają ich przyczepianie się do biomasy” – powiedział pierwszy autor Michael Paper, naukowiec z Uniwersytetu Technicznego w Monachium.

Zdaniem autorów biosorpcja pierwiastków ziem rzadkich przez cyjanobakterie jest możliwa nawet przy niskich stężeniach metali. Proces ten zachodzi szybko: większość ceru w roztworze została biosorbowana w ciągu pięciu minut od rozpoczęcia reakcji.

„Opisane tutaj cyjanobakterie mogą adsorbować ilości pierwiastków ziem rzadkich odpowiadające nawet 10 proc. ich suchej masy. Biosorpcja przedstawia zatem ekonomicznie i ekologicznie zoptymalizowany proces odzyskiwania i ponownego wykorzystania metali ziem rzadkich z rozcieńczonych ścieków przemysłowych z sektorów wydobywczego, elektronicznego i produkującego katalizatory chemiczne” – wskazał prof. Brueck.

„Oczekuje się, że ten system stanie się ekonomicznie wykonalny w najbliższej przyszłości, ponieważ popyt i ceny rynkowe pierwiastków ziem rzadkich prawdopodobnie znacznie wzrosną w nadchodzących latach” – prognozował autor.

Więcej informacji w materiale źródłowym: DOI 10.3389/fbioe.2023.1130939 (PAP)

Paweł Wernicki

pmw/ bar/