Çalışmada, biyoremediasyon ve metal geri kazanımı için sürdürülebilir bir alternatif olarak, nadir toprak elementlerini biyosorbe etme yetenekleri açısından 12 siyanobakteriyel suş incelendi.
Yeni türler siyanobakteriler, nadir toprak elementlerinin hızlı ve verimli bir şekilde “biyosorpsiyonunu” sergileyerek geri dönüşümü mümkün kılar.
Nadir toprak elementleri (REE’ler), benzer kimyasal özelliklere sahip 17 metalik elementten oluşan bir settir. Adlarını, tipik olarak milyonda 0,5 ila 67 parça arasında değişen konsantrasyonlarda bulunan Dünya’nın kabuğunda nadiren bulunmalarından dolayı aldılar. LED’ler, akıllı telefonlar, elektrik motorları, rüzgar türbinleri, sabit diskler, kameralar, mıknatıslar ve enerji tasarruflu ampuller gibi ürünler de dahil olmak üzere bu unsurlar modern teknolojide çok önemli bir rol oynamaktadır. Sonuç olarak, NTE’lere olan talep son birkaç on yılda istikrarlı bir artış gördü ve 2030’a kadar artmaya devam etmesi bekleniyor.
NTE’ler, kıt olmaları ve yüksek talep nedeniyle oldukça maliyetli olabilir. Örneğin, bir kilogram neodimiyum oksidin şu anda yaklaşık 200€ (~214$) fiyatı varken, aynı miktar için terbiyum oksit yaklaşık 3.800€ (~4.073$) ile daha da pahalı. Şu anda Çin, endüstri üzerinde neredeyse tekelci bir kontrolle, NTE’lerin madenciliğinde baskın bir konuma sahip. Ancak, yakın zamanda İsveç’in Kiruna kentinde bir milyon metrik tonun üzerinde olduğu tahmin edilen umut vaat eden yeni REE yataklarının keşfi yapıldı ve Ocak 2023’te manşetlere taşındı.
Döngüsel ekonomi
Taşınmanın avantajları savurgan bir ‘doğrusal’ ekonomiden, tüm kaynakların geri dönüştürüldüğü ve yeniden kullanıldığı ‘döngüsel’ bir ekonomiye geçiş açıktır. Öyleyse, REE’leri de daha verimli bir şekilde geri dönüştürebilir miyiz?
Biyomühendislik ve Biyoteknolojide Sınırlar’da, Alman bilim adamları cevabın evet olduğunu gösterdiler: Bazı egzotik fotosentetik siyanobakterilerin biyokütlesi, örneğin atık sudan elde edilen REE’leri verimli bir şekilde emebilir. madencilikten, metalurjiden veya e-atığın geri dönüşümünden. Emilen REE’ler daha sonra biyokütleden yıkanabilir ve yeniden kullanım için toplanabilir.
“Burada, siyanobakteri biyokütlesi tarafından REE alım koşullarını optimize ettik ve bunları bağlamak için en önemli kimyasal mekanizmaları karakterize ettik. Münih Teknik Üniversitesi’nde profesör ve çalışmanın son yazarı olan Dr. Thomas Brück, “Bu siyanobakteriler, eşzamanlı REE geri kazanımı ve endüstriyel atık suyun arıtımı için gelecekteki çevre dostu süreçlerde kullanılabilir” dedi.
Yüksek düzeyde uzman siyanobakteri türleri
Biyosorpsiyon, iyonların sulu çözeltilerden biyokütleye hızlı, geri dönüşümlü bağlanması için metabolik olarak pasif bir süreçtir. Brück ve meslektaşları, laboratuvar kültüründe 12 siyanobakteri suşu tarafından REE’ler lantan, seryum, neodimyum ve terbiyumun biyosorpsiyon potansiyelini ölçtüler. Bu suşların çoğu, daha önce biyoteknolojik potansiyelleri açısından hiç değerlendirilmemişti. Namibya çöllerindeki kurak topraklar, dünyanın dört bir yanındaki likenlerin yüzeyi, Çad’daki natron gölleri, Güney Afrika’daki kaya yarıkları veya İsviçre’deki kirli dereler gibi oldukça özelleşmiş habitatlardan örnekler alındı.
Yazarlar şunları buldu: Nostoc’un karakterize edilmemiş yeni bir türü, bu dört REE’nin iyonlarının sulu çözeltilerden biyosorpsiyonu için en yüksek kapasiteye sahipken, g biyokütle başına 84,2 ila 91,5 mg verimlilikle, Scytonema hyalinum g başına 15,5 ila 21,2 mg ile en düşük verime sahipti. Ayrıca Synechococcus elongates, Desmonostoc muscorum, Calothrix brevissima ve karakterize edilmemiş yeni bir Komarekiella türü de etkiliydi. Biyosorpsiyonun güçlü bir şekilde asitliğe bağlı olduğu bulundu: pH beş ile altı arasında en yüksek seviyedeydi ve daha fazla asit solüsyonunda istikrarlı bir şekilde azaldı. Çinko, kurşun, nikel veya alüminyum gibi diğer REE olmayan metallerin pozitif iyonlarından siyanobakteri biyokütlesi üzerindeki biyosorpsiyon yüzeyi için “rekabet” olmadığında süreç en verimli oldu.
Yazarlar, biyokütledeki hangi fonksiyonel kimyasal grupların REE’lerin biyosorpsiyonundan çoğunlukla sorumlu olduğunu belirlemek için kızılötesi spektroskopi adı verilen bir teknik.
“Siyanobakterilerden türetilen biyokütlenin, yüksek konsantrasyonda negatif yüklü şeker nedeniyle mükemmel adsorpsiyon özelliklerine sahip olduğunu bulduk. karbonil ve karboksil gruplarını taşıyan kısımlar. Bu negatif yüklü bileşenler, REE’ler gibi pozitif yüklü metal iyonlarını çeker ve bunların biyokütleye bağlanmasını destekler,” diyor birinci yazar, Münih Teknik Üniversitesi’nden bir bilim adamı olan Michael Paper.
Hızlı ve verimli, büyük potansiyele sahip gelecekteki uygulamalar için
Yazarlar, düşük metal konsantrasyonlarında bile REE’lerin siyanobakteriler tarafından biyosorpsiyonunun mümkün olduğu sonucuna varıyorlar. İşlem aynı zamanda hızlıdır: örneğin, çözeltideki seryumun çoğu, reaksiyonun başlamasından sonraki beş dakika içinde biyolojik olarak emildi.
“Burada açıklanan siyanobakteriler, kuru maddelerinin %10’una tekabül eden miktarlarda REE’leri adsorbe edebilir. Bu nedenle biyosorpsiyon, madencilik, elektronik ve kimyasal katalizör üreten sektörlerden kaynaklanan seyreltilmiş endüstriyel atık sudan nadir toprak metallerinin döngüsel geri kazanımı ve yeniden kullanımı için ekonomik ve ekolojik olarak optimize edilmiş bir süreç sunuyor” dedi Brück.
“Bu sistem REE’lere yönelik talep ve piyasa fiyatlarının önümüzdeki yıllarda önemli ölçüde artması muhtemel olduğundan, yakın gelecekte ekonomik olarak uygulanabilir hale gelmesi bekleniyor” diye tahminde bulundu.
Referans: “Nadir topraklar, nadir siyanobakterilere yapışır: Gelecek potansiyel için biyoremediasyon ve nadir toprak elementlerinin geri kazanılması” yazan Michael Paper, Max Koch, Patrick Jung, Michael Lakatos, Tom Nilges ve Thomas B. Brück, 28 Şubat 2023, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.
DOI: 10.3389 /fbioe.2023.1130939
Araştırma, Bavyera Çevre ve Tüketiciyi Koruma Eyalet Bakanlığı, Rheinland-Palatinate Bilim ve Sağlık Bakanlığı, Federal Eğitim ve Araştırma Bakanlığı, Alman Araştırmaları tarafından finanse edilmiştir. rch Council ve EU Horizon.