Биомайнинг использует модифицированные микробы для сбора важнейших минералов
На северном краю пустыни Атакама в Чили находится груда камней, которая настолько велика, что ее можно увидеть из космоса, и она&он кишит невидимой активностью. Миллиарды микробов усердно трудятся, растворяя соединения в этой гигантской куче измельченной руды из Эскондиды, крупнейшего медного рудника на планете.
«Микробы — старейшие шахтеры в мире»У них были миллиарды лет, чтобы стать невероятно искусными в поедании горных пород», — говорит Лиз Деннетт, основатель и генеральный директор стартапа Endolith Mining, расположенного недалеко от Денвера, штат Колорадо. -Ученые из Endolith и других компаний разрабатывают микробы, чтобы еще лучше справляться с этим процессом, называемым биомайнингом, — работать быстрее, извлекать больше меди и даже извлекать другие виды минералов. Endolith тестирует различные микробы, чтобы определить, какие из них наиболее пригодны для работы, а затем подвергает их воздействию суровых условий, чтобы еще больше укрепить их. «Думайте об этом как о тренировочном лагере супергероев», — говорит Деннетт. В мае разработанные компанией микробы продемонстрировали, что по добыче меди они превосходят микробы, встречающиеся в природе; их первые полевые испытания запланированы на конец этого года.
О поддержке научной журналистики
Если вам понравилась эта статья, подумайте о том, чтобы поддержать нашу журналистскую деятельность, отмеченную наградами, подписавшись на нее. Приобретая подписку, вы помогаете обеспечить будущее впечатляющих историй об открытиях и идеях, формирующих наш современный мир.
Биом-майнинг, если его удастся расширить, может позволить снизить зависимость от глобальных цепочек поставок, которые становятся все более хрупкими. «Если мы сможем заставить биомайнинг работать, мы сможем разрушить монополию таких государств, как Китай, на важнейшие металлы», — говорит Баз Барстоу, инженер-биолог и эколог Корнеллского университета. Барстоу возглавляет проект под названием «Атлас микробов и минералов», который содержит каталог микроорганизмов, их генов и того, как они взаимодействуют с минералами. Цель проекта — создать генетически модифицированные микроорганизмы, способные эффективно добывать важнейшие металлы.
Поскольку многие страны переходят на возобновляемые источники энергии, им потребуется меньше ископаемого топлива, но больше полезных ископаемых, таких как литий, кобальт, медь, никель и цинк. Они необходимы не только для ветряных турбин, солнечных панелей и аккумуляторов; они также необходимы для ноутбуков и мобильных телефонов, которыми мы пользуемся каждый день. Спрос на медь, в частности, стремительно растет. Прогнозы показывают, что в ближайшие 30 лет нам потребуется больше меди, чем было добыто за всю историю человечества. Большая часть низко висящих плодов — то есть высококачественной руды — уже собрана, и шахтам приходится работать намного усерднее, чем раньше, чтобы получить такое же количество.
Традиционные методы добычи полезных ископаемых являются ресурсоемкими, дорогостоящими и вредными для окружающей среды. После использования взрывчатых веществ и тяжелой техники для добычи руды из недр земли горнодобывающие компании должны изолировать и очистить полезные ископаемые. Часто это означает разрушение химических связей, которые удерживают минералы, связанные с серой, в сульфидных рудах. Чаще всего это делается с использованием тепла в процессе, называемом плавкой, или кислоты в процессе, называемом выщелачиванием. Для плавки требуются чрезвычайно высокие температуры, которые достигаются за счет сжигания ископаемого топлива или использования большого количества электроэнергии. Помимо выбросов углекислого газа, при сжигании серы образуется токсичный газообразный диоксид серы. Кислотное выщелачивание, в свою очередь, сопряжено с риском кислотного осушения шахт, когда жидкости загрязняют реки или грунтовые воды и наносят вред окружающей экосистеме. Серная кислота, используемая для этого процесса, может нанести вред еще до того, как попадет в шахты. «Производство серной кислоты — очень неприятное занятие», — говорит Деннетт. «Существует множество вторичных и третичных воздействий на окружающую среду.»
Микробы могут выполнять ту же работу, что и тепло и кислота, но их стоимость и воздействие на окружающую среду ниже. «Микробы используют по меньшей мере шесть различных механизмов для биомайнинга», — говорит Барстоу. Наиболее распространенной является окислительно-восстановительная реакция, или редокс-реакция, при которой микробы разрушают химические связи в сульфидной руде, «поедая» содержащиеся в ней серу и железо. Это высвобождает минералы из руды, расщепляя их до тех пор, пока они не растворятся в воде. Богатый минералами раствор после слива из породы собирается в пруду, а затем подвергается воздействию растворителей и электричества, которые притягивают минералы как магнит, оставляя после себя воду, кислоту и примеси.
Микробам по-прежнему требуется небольшое количество серной кислоты, чтобы запустить процесс расщепления руды. Отвалы породы, подобные той, что находится на чилийском руднике Эскондида и называется кучным выщелачиванием, обрабатываются смесью кислоты и воды, которую нужно добавить только один раз, потому что микробы естественным образом вырабатывают больше кислоты, разрушая химические связи в руде. «Замена [большей части] серной кислоты — это большая экономическая выгода, поскольку часто это может быть самым большим операционным расходом для рудника», — говорит Саша Мильштейн, основатель Transition Biomining, компании, которая анализирует ДНК микробов, обнаруженных в рудах, для разработки специальных добавок для увеличения извлечения меди.
Хотя этот процесс позволяет избежать выбросов токсичных газов, расходует меньше энергии и воды, чем традиционные методы, и сводит к минимуму количество опасных химических веществ, у него есть свои ограничения. Это медленнее, чем традиционная добыча полезных ископаемых: в то время как плавка может занимать от нескольких часов до нескольких дней, а кислотное выщелачивание — от нескольких дней до недель, микробы выполняют свою работу в течение нескольких месяцев. Они чувствительны к рН, температуре и уровню влажности, и их гибель может замедлиться при изменении любого из этих параметров. И они по-прежнему образуют кислые растворы, которые необходимо сдерживать и обрабатывать. Как говорит Барстоу, «Биомайнинг не станет панацеей для окружающей среды; он просто будет немного лучше того, что мы делаем сейчас».
Реальные перспективы биомайнинг позволяет выжать из горных пород больше, чем это делают традиционные методы. «Современные технологии добычи полезных ископаемых «снимают сливки» с экономически ценных металлов с месторождения и оставляют все остальное в виде [пустой породы, называемой] хвостохранилищем», — говорит Барстоу.
Эти отходы стоят гораздо больше, чем обычно считается. Исследование, недавно опубликованное в журнале Science, показало, что извлечение минералов из отходов существующих шахт в США может удовлетворить почти все важнейшие потребности страны в минеральных ресурсах; извлечение всего 1 процента существенно снизит зависимость от импорта многих элементов. «Если бы крупные шахты просто добавили дополнительные схемы извлечения в свой технологический процесс, это могло бы относительно быстро обеспечить добычу необходимых минералов», — говорит ведущий автор исследования Элизабет Холли, горный инженер из Горной школы Колорадо.
Отходы медных рудников могут содержать частицы теллура, кобальта или цинка; угольная зола может содержать литий, марганец и редкоземельные элементы. Эти количества слишком малы для использования в обычных шахтах, но они не слишком малы для микробов. Помимо использования при кучном выщелачивании или закачивании непосредственно в грунт, микробы могут быть использованы непосредственно в потоках отходов, где они могут извлекать незначительные количества минералов, которые в сумме могут оказаться значительными.
Микробы возможно, это старейшие майнеры в мире, но биомайнинг как технология все еще является новой, отмечает Мильштейн, и пока не использует всю сложность микробных экосистем. «Кучи, которые лучше всего работают в полевых условиях, содержат процветающие экосистемы разнообразных микробов, работающих сообща», — говорит он. «Я думаю, что следующему поколению биомайнинга придется столкнуться с этой сложностью».
