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稀土材料在生物醫(yī)學(xué)和高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。同時，稀土元素（REEs）的開采和提取方法由于涉及危險化學(xué)品，往往導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題和資源浪費(fèi)。生物采礦是有效的替代方案，實現(xiàn)可持續(xù)地分離和回收REEs仍然存在著巨大的挑戰(zhàn)，難點(diǎn)在于開發(fā)有效的稀土富集微生物底盤和特異性REEs結(jié)合大分子材料。

近日，清華大學(xué)化學(xué)系張洪杰院士團(tuán)隊在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）期刊上以長文的形式發(fā)表了題為“稀土富集微生物合成系統(tǒng)的構(gòu)建及其材料應(yīng)用”（The Construction of Microbial Synthesis System for Rare Earth Enrichment and Material Applications）的研究論文，提出了一種新型生物合成系統(tǒng)，改造的稀土微生物底盤細(xì)胞實現(xiàn)了高純度稀土產(chǎn)品的生物制造，建立稀土礦生物分離工程技術(shù)及高值利用新范式，在稀土礦綠色可持續(xù)分離和高附加值稀土產(chǎn)品領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破性進(jìn)展。

微生物合成系統(tǒng)原位制備稀土磷酸鹽、高選擇性稀土親和蛋白和稀土蛋白酶的示意圖

研究人員成功地從白云鄂博稀土礦區(qū)及尾礦中篩選并收集了126株新型稀土吸附菌株，并建立了一種微生物合成體系，實現(xiàn)了高純稀土產(chǎn)品的主動生物合成。此外，通過新設(shè)計的DLanM稀土結(jié)合蛋白與功能性瓊脂糖微球偶聯(lián)的生物吸附柱，獲得了良好的Eu/Lu和La/Dy的分離，純度分別達(dá)到99.9%（Eu）、97.1%（La）和92.7%（Dy）。此外，DLanM吸附柱在回收REEs方面有優(yōu)異性能和高魯棒穩(wěn)定性，無需引入傳統(tǒng)有機(jī)萃取劑且可重復(fù)使用數(shù)十個周期。最重要的是，工程化的稀土依賴性甲醇脫氫酶（MDH）不僅可以特異性吸附尾礦中的La、Ce、Pr和Nd，還可以作為功能性鑭系催化劑來進(jìn)行一碳化合物生物法精細(xì)加工。

值得注意的是，該研究構(gòu)建的生物合成系統(tǒng)與傳統(tǒng)化學(xué)提純法相比，不僅實現(xiàn)了關(guān)鍵稀土元素的綠色生物制造，減少了對環(huán)境的污染，而且還實現(xiàn)了高純稀土的高附加值利用，具有較高的成本效益。該生物合成系統(tǒng)有望作為新一代生物鑄造工廠，在高純稀土材料制備中顯示出巨大應(yīng)用前景，特別是與先進(jìn)編輯技術(shù)（如CRISPR）集成時，可用于污染礦場的生物修復(fù)及高價值稀土產(chǎn)品的生物法變革性制備及回收。

清華大學(xué)化學(xué)系劉凱教授和馬超副研究員為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)化學(xué)系博士后崔惠敬和清華大學(xué)化學(xué)系2021級博士研究生張欣為本文的共同第一作者。清華大學(xué)化學(xué)系張洪杰院士給予了全程指導(dǎo)，研究得到了清華大學(xué)2030重大項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202303457