清华大学化学系张洪杰团队建立稀土矿生物分离工程技术及高值利用新范式
2024/04/10
1296稀土材料在生物医学和高技术领域发挥着不可替代的作用。同时，稀土元素（REEs）的开采和提取方法由于涉及危险化学品，往往导致严重的环境问题和资源浪费。生物采矿是有效的替代方案，实现可持续地分离和回收REEs仍然存在着巨大的挑战，难点在于开发有效的稀土富集微生物底盘和特异性REEs结合大分子材料。
近日，清华大学化学系张洪杰院士团队在《先进材料》（Advanced Materials）期刊上以长文的形式发表了题为“稀土富集微生物合成系统的构建及其材料应用”（The Construction of Microbial Synthesis System for Rare Earth Enrichment and Material Applications）的研究论文，提出了一种新型生物合成系统，改造的稀土微生物底盘细胞实现了高纯度稀土产品的生物制造，建立稀土矿生物分离工程技术及高值利用新范式，在稀土矿绿色可持续分离和高附加值稀土产品领域实现突破性进展。
微生物合成系统原位制备稀土磷酸盐、高选择性稀土亲和蛋白和稀土蛋白酶的示意图
研究人员成功地从白云鄂博稀土矿区及尾矿中筛选并收集了126株新型稀土吸附菌株，并建立了一种微生物合成体系，实现了高纯稀土产品的主动生物合成。此外，通过新设计的DLanM稀土结合蛋白与功能性琼脂糖微球偶联的生物吸附柱，获得了良好的Eu/Lu和La/Dy的分离，纯度分别达到99.9%（Eu）、97.1%（La）和92.7%（Dy）。此外，DLanM吸附柱在回收REEs方面有优异性能和高鲁棒稳定性，无需引入传统有机萃取剂且可重复使用数十个周期。最重要的是，工程化的稀土依赖性甲醇脱氢酶（MDH）不仅可以特异性吸附尾矿中的La、Ce、Pr和Nd，还可以作为功能性镧系催化剂来进行一碳化合物生物法精细加工。
值得注意的是，该研究构建的生物合成系统与传统化学提纯法相比，不仅实现了关键稀土元素的绿色生物制造，减少了对环境的污染，而且还实现了高纯稀土的高附加值利用，具有较高的成本效益。该生物合成系统有望作为新一代生物铸造工厂，在高纯稀土材料制备中显示出巨大应用前景，特别是与先进编辑技术（如CRISPR）集成时，可用于污染矿场的生物修复及高价值稀土产品的生物法变革性制备及回收。
清华大学化学系刘凯教授和马超副研究员为本文的共同通讯作者。清华大学化学系博士后崔惠敬和清华大学化学系2021级博士研究生张欣为本文的共同第一作者。清华大学化学系张洪杰院士给予了全程指导，研究得到了清华大学2030重大项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金的支持。
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