一种微小的、勤奋工作的细菌——重量只有一万亿分之一克——可能很快就会对以一种环保的方式加工稀土元素产生重大影响。

在一项新的研究中，康奈尔大学的科学家们表明，对这种细菌进行基因工程改造可以提高智能手机、电脑、电动汽车和风力涡轮机中元素的净化效率，甚至可以促进全球经济供应链。产氮弧菌提供了一种可持续的方法——称为生物吸附——来提取有价值和需要的元素，而不是使用旧的、污染严重的溶剂法。

康奈尔大学的这项研究题为“营养弧菌体内多轮随机突变和选择导致稀土结合能力大幅增加”，发表在12月6日的美国化学学会期刊《合成生物学》上。

“传统的分离镧系元素的热化学方法对环境来说是可怕的，”康奈尔大学生物与环境工程助理教授、通讯作者巴斯·巴斯托(Buz Barstow)说。“这些元素很难提炼。这就是为什么我们把稀土元素送到海外——通常是中国——进行加工。”

博士生Sean Medin和Anastacia Dressel领导了这项研究，对一种营养弧菌进行基因工程改造，以提高其生物吸收或提取稀土元素的能力。

研究人员用一种叫做MP6的质粒改变了营养弧菌的基因组，这种质粒将错误引入基因组，然后筛选突变体，以增加对稀土元素的生物吸收。“考虑到发现重要的生物吸收突变体很容易，这些结果强调了有多少基因可能对生物吸收起作用，”他说，“以及随机诱变在识别感兴趣的基因和优化生物系统以完成任务方面的力量。”

稀土元素在现代社会中起着至关重要的作用。它们存在于计算机、电池和清洁能源技术中。2021年初，白宫下令进行评估，后来发现过度依赖外国来源和敌对国家处理这些元素，构成国家和经济安全。

产氮弧菌——以及越来越多的细菌工具——提供了一种安全地将稀土元素和矿物加工带回美国的方法。例如，在加州的帕斯山稀土元素矿，靠近内华达州边境的尖端，生物加工可以使该矿恢复强劲的国内生产力，Barstow说。

“这项新工作让我们有机会跳过热化学方法，”Barstow说。“我们可以设计这种细菌和其他细菌，因为我们不需要纯化蛋白质，我们可以比竞争的生物过程更便宜地操作这种系统。”

Barstow说，美国不再拥有热化学处理方法的专业知识。他说:“在净化稀土元素方面，我们现在有多种相互竞争的绿色方法。”“所以，即使我们想用旧的热化学方法，我们可能也做不到。我们不再知道该怎么做了。”

Barstow说:“我们正被迫通过创新来解决这个问题。”

这项研究得到了康奈尔大学总统生命科学研究生奖学金、康奈尔大学能源系统研究所、康奈尔大学工程学习倡议、巴勒斯欢迎基金、康奈尔大学阿特金森可持续发展中心的学术风险基金奖、康奈尔大学2030项目快速赠款以及玛丽·费尔南多·康拉德和托尼·康拉德的捐赠的支持。