将废弃的马尾藻海藻作为回收稀土元素的可持续资源

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Waste Sargassum Seaweed as a Sustainable Resource for Rare Earth Element Recovery

高效吸附与可持续回收：海苔（Sargassum filipendula）作为生物吸附剂对稀土元素的动态吸附特性及环境适应性研究。

　　稀土元素（REEs）是现代先进科技不可或缺的组成部分，广泛应用于可再生能源系统、电动汽车、风力涡轮机、消费电子产品和国防应用中。然而，这些元素的供应存在限制，并且在地理上高度集中，这凸显了寻找替代资源的必要性。自2011年以来，大量漂浮的海藻（Sargassum）在加勒比海、墨西哥湾和西非沿岸形成大规模的藻类漂浮体，每年产生数百万吨的生物量，这不仅带来了环境挑战，也展现了未被开发的资源潜力。本文提出了一种生态友好的“藻类采矿”方法，利用Sargassum作为可再生的生物吸附剂，实现稀土元素的回收，这为“废物变资源”的循环经济路径提供了支持。

研究首次直接比较了新鲜与干燥的Sargassum filipendula在不同浓度范围内的稀土元素吸收能力，从0.1到600微摩尔（μM）。结果显示，在低浓度（0.1–11 μM）的环境中，新鲜生物量表现出更强的稀土元素吸收能力，而干燥生物量则在较高浓度（100–600 μM）下表现相近。S. filipendula能够吸收高达77,299 μM的镱（Yb），这表明其具有极高的吸附能力和结合亲和力，尤其是对重稀土元素。与活性炭相比，S. filipendula在高盐度和pH波动条件下仍能保持优越的性能，而传统吸附剂在这些条件下效率往往降低。这些发现支持S. filipendula作为一种适应海洋环境、可扩展的生物吸附剂，能够同时缓解沿海藻类漂浮体带来的环境问题，并为可再生能源和先进技术提供可持续的材料来源。

Sargassum作为海洋生物资源，具有天然的金属富集能力。其细胞壁富含多糖，如藻酸和岩藻多糖，这些多糖中含有羧基、羟基和硫酸基团，能够作为天然的催化位点，通过被动吸附和代谢驱动的主动运输机制，实现对金属的富集。尽管近年来对藻类生物吸附的研究日益增多，但关于新鲜与干燥藻类生物量在稀土元素吸收中的差异仍缺乏系统性的研究。因此，本研究通过直接比较这两种状态下的生物量，为可持续稀土元素回收策略提供了重要的理论依据和实践指导。

在实验部分，研究者对S. filipendula的生长条件进行了严格控制，确保其在自然海水中保持活性，并通过连续供氧和12小时光照/12小时黑暗的循环，模拟了其在海洋环境中的自然生长状态。为了评估稀土元素的吸收效率，研究者采用了生物浓缩因子（BCF）和Langmuir等温线模型。BCF是衡量生物量在不同浓度下对金属的富集能力的重要指标，而Langmuir模型则能够定量分析吸附能力（Qmax）和结合亲和力（KL）。通过实验，研究者发现新鲜生物量在低浓度条件下表现出更高的BCF值，而在高浓度条件下，干燥生物量的吸附能力逐渐接近新鲜生物量的水平。

此外，研究还评估了S. filipendula在不同浓度下的金属吸收效率。结果显示，在低浓度（0.1 μM）条件下，新鲜生物量的吸收能力显著高于干燥生物量，且在第一至第三天内迅速达到平衡状态。然而，在较高浓度（575–600 μM）下，新鲜生物量的吸收能力逐渐下降，而干燥生物量则表现出持续的金属富集趋势。这可能是因为在高浓度条件下，新鲜生物量的代谢活性受到抑制，而干燥生物量的吸附机制主要依赖于被动的表面吸附。值得注意的是，尽管新鲜生物量在高浓度条件下吸收能力下降，但其在低浓度条件下的高效吸收能力仍显示出其在环境修复和资源回收中的巨大潜力。

为了进一步验证S. filipendula的吸附性能，研究者将其与常用的商业吸附剂——活性炭进行了对比。在低浓度（0.1 μM）条件下，两者表现出相似的吸附能力，但在中等浓度（11 μM）时，活性炭的吸附能力显著提高。然而，在高浓度（100–110 μM和575–600 μM）条件下，S. filipendula的吸附能力反而超过了活性炭，尤其是在对重稀土元素的吸收方面。这一现象可能与海水中复杂的离子环境有关，其中高盐度和多种溶解离子的存在可能促进了S. filipendula对重稀土元素的优先吸收，而活性炭则更适用于对轻稀土元素的吸附。这表明，S. filipendula在高盐度和变化pH值的海洋环境中具有更强的适应性和稳定性，为其在实际应用中的可行性提供了重要支持。

研究还评估了新鲜S. filipendula在不同稀土元素浓度下的细胞活性。通过荧光定量分析，研究者发现，在高浓度条件下，新鲜生物量的细胞活性显著下降，甚至完全丧失。这可能是因为高浓度的稀土元素对生物体产生了毒性作用，导致其代谢活动受阻。然而，在低浓度条件下，新鲜生物量仍然保持较高的活性，能够通过代谢驱动的主动运输机制高效吸收稀土元素。这些结果不仅揭示了S. filipendula在不同环境条件下的适应性，也为未来开发基于生物量的稀土元素回收技术提供了重要的参考依据。

在结果与讨论部分，研究者进一步分析了S. filipendula在不同稀土元素浓度下的吸附性能。结果显示，新鲜生物量在低浓度条件下对稀土元素的吸附能力显著高于干燥生物量，而干燥生物量则在高浓度条件下表现出接近新鲜生物量的吸附效率。这表明，生物量的状态是影响其吸附性能的关键因素。同时，研究还发现，S. filipendula对重稀土元素的吸附能力尤为突出，其吸附容量和结合亲和力均高于轻稀土元素。这一发现为未来开发选择性回收重稀土元素的技术提供了理论基础。

此外，研究者通过Langmuir等温线模型分析了S. filipendula的吸附行为，发现其吸附容量（Qmax）和结合亲和力（KL）均表现出随时间增长的趋势。这一趋势表明，S. filipendula的吸附位点在长时间暴露下仍然保持活性，这为其在实际应用中的可重复使用性提供了保障。同时，研究还发现，在高盐度和变化pH值的海洋环境中，S. filipendula的吸附性能优于活性炭，这进一步证明了其作为海洋适应性吸附剂的潜力。

综上所述，本研究不仅揭示了S. filipendula在不同稀土元素浓度下的吸附性能，还通过与活性炭的对比，突显了其在高盐度和变化pH值环境中的优势。这些发现为开发基于海洋生物资源的可持续稀土元素回收技术提供了重要的科学依据和实践指导。未来的研究可以进一步探索如何通过温和的非矿物酸和选择性螯合剂，实现对稀土元素的选择性回收，从而在环境修复和资源回收之间实现双赢。此外，扩大样本量和研究范围，将有助于验证这些发现的普遍性和稳定性，为推动海洋生物资源的可持续利用提供更坚实的基础。