综述：非常规原料中关键矿物回收的生物技术解决方案

这篇前瞻性综述系统探讨了利用生物技术（bioleaching/bioseparation）从非常规原料（unconventional feedstocks）回收关键矿物（critical minerals）的最新进展。文章重点解析了微生物介导的金属离子溶出（bioleaching）和蛋白质选择性吸附（bio-based separation）两大技术路径，及其在应对能源、国防和电子技术领域矿物需求挑战中的潜力，特别强调了降低传统冶金工艺中高能耗（energy input）和有机溶剂依赖（organic solvent demand）的可持续优势。

　　

非常规原料中关键矿物回收的生物技术解决方案

关键矿物简介
现代能源技术、国防和电子工业高度依赖锂、稀土元素（REE）等关键矿物。美国能源部将供应链高风险且对能源至关重要的金属列为"关键矿物"，但其地理分布高度集中。传统矿物加工存在高能耗、温室气体排放等问题，而非常规原料（如尾矿、电子废弃物）的回收技术亟待突破。值得注意的是，能源转型材料的"摇篮到大门"碳排放量是铁的四倍以上。

金属生物学在矿物回收中的背景
自然界中近半数蛋白质需要金属辅因子，生物体通常利用10-14种金属维持稳态。Irving-Williams系列揭示了二价过渡金属的相对稳定性规律（Mn²⁺ < Fe²⁺ < Co²⁺ < Ni²⁺ < Cu²⁺ > Zn²⁺），生物系统需克服该规律实现特定金属离子调控。金属-蛋白质相互作用可分为：

• 大量过程（bulk processes）：涉及钠、镁等丰度较高的金属，蛋白质通常具有高结合容量但选择性较低
• 微量过程（trace processes）：涉及钴、镍等稀有金属，相关蛋白质具有高特异性和亲和力

近年研究发现，曾被视作生物惰性的轻稀土元素（light REE）实际上参与多种酶促反应，这为生物冶金提供了新思路。

生物浸出的进展与机遇
生物浸出（bioleaching）通过微生物介导的三种机制实现：

1. 酸解（acidolysis）：利用硫酸、有机酸等质子供体
2. 络解（complexolysis）：通过氨基酸等配体螯合金属
3. 氧化还原解（redoxolysis）：利用金属价态变化

典型应用包括：

• 自养型：嗜酸菌（如Acidithiobacillus ferrooxidans）已商业化用于铜、金回收
• 异养型：Gluconobacter oxydans利用玉米秸秆生产生物浸出剂，可回收锂电池中57-100%金属

基因编辑技术展现出巨大潜力，如CRISPR干扰使A. ferrooxidans的黄铜矿氧化效率提升3倍。代谢工程优化碳氮比可使浸出效率提高36%，而突变体库筛选实现了610μg REE/g矿石的回收率。

生物分离技术的突破
蛋白质基分离技术的核心在于：

• 选择性吸附：利用lanmodulin等蛋白质特异性结合REE，其中Hans-LanM变体对轻重稀土具有区分能力
• 创新支架：色谱树脂、磁性颗粒或相变蛋白质等载体系统
• 智能洗脱：通过pH梯度或螯合剂（如EDTA）实现靶向回收

典型案例包括：

• RTX结构域在pH<1条件下仍能吸附Nd³⁺/Dy³⁺
• 计算设计的铼结合蛋白实现ReO₄^-特异性识别
• AI辅助设计的铀结合蛋白（SUP）实现海水提铀

展望
生物冶金技术虽在降低能耗和化学试剂使用方面优势显著，但工业级应用仍需解决蛋白稳定性、过程连续性等问题。量子力学/分子动力学（QM/MM/MD）模拟与高通量筛选技术的结合，将为金属-蛋白质相互作用的精准设计开辟新途径。能源生物技术社区亟需加强跨学科合作，通过技术经济分析推动这些绿色技术从实验室走向产业化。