2018年4月17日
未来元素的生物开采
贡献:谈话
生物采矿是科幻小说中描述的那种技术:一个装满微生物的巨大容器，从矿石、旧手机和硬盘中浸出金属。
这听起来很未来，但它目前用于生产世界上约5%的黄金和占世界铜储量的20%．它还在较小程度上用于提取镍、锌、钴和稀土元素。但也许最令人兴奋的潜力是提取稀土元素，从手机到可再生能源技术，稀土元素对一切都至关重要。
位于昆士兰州西北部的Mary Kathleen铀矿，其稀土元素价值约为40亿澳元。生物采矿提供了一种成本效益高、环境友好的选择。
生物采矿技术用途广泛，可以应用在其他行星上。Bioleaching研究来自地球上极端环境的微生物暴露在太空的冷、热、辐射和真空中时，可以从岩石中浸出大量重要的矿物质和金属。
一些科学家甚至认为如果没有生物采矿技术的帮助，我们无法殖民其他星球。
它是如何工作的?
生物采矿是在大型、封闭的搅拌槽反应器(生物反应器)中进行的。这些设备通常包含水、微生物(细菌、古生菌或真菌)、矿石材料和微生物的能量来源。
所需能量的来源取决于这项工作所需要的特定微生物。例如，金和铜是利用微生物从硫化矿石中生物“浸出”的，这些微生物可以通过硫和铁的氧化从无机资源中获得能量。
然而，稀土元素是利用微生物从非硫化物矿石中进行生物浸出的，这些微生物需要有机碳源，因为这些矿石不包含可用的能源。在这种情况下，添加糖是为了让微生物生长。
所有生物都需要金属来进行基本的酶反应。人类从食物中的微量金属中获取金属。然而，微生物通过从环境中的矿物质中溶解金属来获得金属。它们通过产生有机酸和金属结合化合物来实现这一点。科学家利用这些特性，将溶液中的微生物与矿石混合，并在金属浮到顶部时将其收集起来。
温度、糖、搅拌速度、酸度、二氧化碳和氧气水平都需要监控和微调，以提供最佳的工作条件。
在乌干达卡塞塞(Kasese)的一座前铜矿遗留了几十年的富含钴的尾矿，最近通过生物浸出进行了处理，以提取钴，消除矿床造成的环境威胁。使用了图中所示的反应堆。图片:从尾矿中提取和回收金属的新方法
生物采矿的好处
传统的采矿方法需要苛刻的化学品，大量的能源，并产生许多污染物。相比之下，生物采矿只消耗很少的能量，产生很少的微生物副产品，如有机酸和气体。
由于生物采矿既便宜又简单，它可以有效地开采低品位的金属资源(如矿山尾矿)，否则使用传统方法是不经济的。
芬兰、智利和乌干达等国家越来越多地转向生物采矿。智利已经耗尽了大部分富含铜的矿石，现在利用生物采矿，而乌干达已经从铜矿尾矿中提取钴十多年了。
为什么我们需要稀土元素?
稀土元素包括位于元素周期表底部的15个镧系元素，另外还有钪和钇。它们被广泛应用于几乎所有的电子产品中，并且越来越受到电动汽车和可再生能源行业的追捧。
这些元素独特的原子性质使它们可用作磁铁和荧光粉。它们在电动汽车、风力涡轮机、硬盘驱动器、医疗设备中被用作坚固的轻质磁铁，在节能照明和手机、电视和笔记本电脑的led中用作荧光粉。
尽管它们的名字叫稀土，但稀土元素并不稀有，事实上有些元素在地壳中比铜、镍和铅还要丰富。然而，与这些形成矿石的原生金属(一种自然存在的矿物或岩石，可以很容易地从中提取有用的物质)不同，稀土元素分布广泛。因此，为了在经济上可行，它们通常与铁和铜等初级金属一起作为二级产品开采。
世界上超过90%的稀土元素来自中国，中国的生产垄断、贸易限制和非法开采导致价格上涨大幅波动多年来。
大多数可再生能源技术依赖于稀土金属，比如印度泰米尔纳德邦一户人家上方的太阳能电池板。摄影:Rob Goodier / Engine开云全站app登录官网入口下载e开云体育体育赛事ring for Change(感谢Essmart India)
来自美国能源部，欧盟，以及美国情报委员会已将几种稀土元素列为关键材料，基于其对清洁能源的重要性、高供应风险和缺乏替代品。
这些报告鼓励研究和开发替代采矿方法，如生物采矿，作为一种潜在的缓解战略。
注意到这些号召，实验室开始了科廷,加州大学伯克利分校大学已经使用微生物来溶解常见的稀土元素矿物。这些中试规模的研究已显示出有希望的结果，提取率越来越接近传统采矿方法的提取率。
由于大多数电子产品的寿命都很短，可回收性也很差，实验室正在试验“城市”生物采矿。例如，生物浸出研究已经在从荧光粉中提取稀土元素衬里荧光球，以及利用微生物从电子垃圾中回收稀土元素等硬盘磁体．
稀土元素对我们技术的未来至关重要。生物采矿提供了一种以环境可持续和经济可行的方式获取这些宝贵资源的方法。
作者要感谢共同导师Jillian Banfield博士(加州大学伯克利分校班菲尔德实验室)和主要导师和合著者John Moreau博士(墨尔本大学地球科学学院地球微生物实验室负责人)。
马科斯Voutsinos是地球微生物学博士研究生墨尔本大学．
