康奈爾科學(xué)家改造微生物實(shí)現(xiàn)清潔提取稀土并捕獲二氧化碳 —— 無(wú)需化學(xué)品或高溫。

在爭(zhēng)奪清潔能源和氣候生存的戰(zhàn)爭(zhēng)中，科學(xué)家們找到了一個(gè)不太可能的盟友：一種吃金屬的微生物。

這種微小但頑強(qiáng)的微生物 —— 氧化葡糖桿菌（Gluconobacter oxydans），正在被重新編程，以取代在稀土元素提取過(guò)程中使用的重型機(jī)械和有毒化學(xué)品。

但這種微生物不僅僅是從巖石中提取金屬。它還加速了地球自然捕獲二氧化碳的能力，為應(yīng)對(duì)氣候變化提供了一舉兩得的解決方案。

酸、基因與煉金術(shù)

通過(guò)基因改造增強(qiáng)其產(chǎn)酸能力并解鎖其隱藏的生化潛能，氧化葡糖桿菌被證明比以往任何時(shí)候都更高效。

在最新的研究中，康奈爾大學(xué)的科學(xué)家們將其稀土提取能力提高了高達(dá)73% —— 且避免了傳統(tǒng)采礦對(duì)環(huán)境造成的破壞。

同一種微生物還能將自然碳捕獲速度提高58倍，將普通巖石轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)期的二氧化碳封存系統(tǒng)。

農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)學(xué)院生物與環(huán)境工程副教授巴茲·巴斯托（Buz Barstow）在一份新聞稿中說(shuō)：“本世紀(jì)需要開采的金屬量將超過(guò)人類歷史上的總和，但傳統(tǒng)的采礦技術(shù)對(duì)環(huán)境造成了巨大破壞?！?/p>

“目前，美國(guó)幾乎所有這些元素都依賴從包括中國(guó)在內(nèi)的外國(guó)來(lái)源獲取，這帶來(lái)了供應(yīng)鏈中斷的風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>

鎂、鐵和鈣等金屬會(huì)自然地與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，形成礦物質(zhì)，從而永久封存氣體?？的螤柎髮W(xué)改造的微生物通過(guò)更快地分解巖石、使更多金屬暴露于二氧化碳，從而加速了這一過(guò)程，將地球本身變成了一個(gè)碳捕集器。

“我們正試圖利用自然界中已有的過(guò)程，但強(qiáng)化其效率并提高可持續(xù)性，”康奈爾大學(xué)工程學(xué)Charles N. Mellowes教授席位的埃斯特班·加澤爾（Esteban Gazel）說(shuō)道。

利用微生物破解碳捕獲難題

為了進(jìn)一步挖掘這種微生物的潛力，康奈爾大學(xué)的科學(xué)家深入研究了它的基因藍(lán)圖。在一項(xiàng)研究中，他們發(fā)現(xiàn)只需對(duì)氧化葡糖桿菌的基因組進(jìn)行兩處編輯，就能使其溶解巖石的效率大幅提高 —— 一處編輯增強(qiáng)了產(chǎn)酸能力，另一處則移除了內(nèi)部限制，顯著提高了稀土回收率。

但酸并不是它唯一的工具。第二項(xiàng)研究揭示，這種微生物還使用了其他以前未知的途徑來(lái)提取金屬。通過(guò)對(duì)一個(gè)高性能菌株的基因逐一進(jìn)行敲除，研究人員確定了89個(gè)與生物浸出相關(guān)的基因 —— 其中68個(gè)此前從未被發(fā)現(xiàn)與該過(guò)程有關(guān)。這一突破幫助將提取效率提高了100%以上。

與此同時(shí)，第三篇論文表明，氧化葡糖桿菌可以在不依賴高溫、高壓或刺激性化學(xué)品的情況下加速自然碳捕獲。當(dāng)它分解富含鎂和鐵的巖石時(shí)，這些元素會(huì)與二氧化碳結(jié)合，形成石灰?guī)r等固體礦物，從而永久封存碳。

“這個(gè)過(guò)程可以在環(huán)境溫度、低壓條件下發(fā)生，且不涉及使用刺激性化學(xué)品，”該論文的第一作者、博士生約瑟夫·李（Joseph Lee）說(shuō)?！八茏匀坏匚斩趸疾⑵溆谰脙?chǔ)存為礦物。我們還能作為副產(chǎn)品回收鎳等其他對(duì)能源至關(guān)重要的金屬。這是一個(gè)雙贏的解決方案?！?/p>

在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、能源部、康奈爾阿特金森中心以及校友捐助者的資助下，這項(xiàng)工作正從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)世界。

這項(xiàng)發(fā)表在《通訊-生物學(xué)》和《科學(xué)報(bào)告》上的研究由亞歷克莎·施密茨（Alexa Schmitz）領(lǐng)導(dǎo)，她目前是總部位于伊薩卡的初創(chuàng)公司REEgen的首席執(zhí)行官，該公司致力于將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化。

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