从磷矿中通过微生物生物浸出法提取稀土元素：基于生物技术的系统性综述，涵盖机理、生物过程影响因素以及可持续回收的潜力

《BMC Biotechnology》：Microbial bioleaching of rare earth elements from phosphate minerals: a biotechnology-driven systematic review of mechanisms, bioprocess determinants, and opportunities for sustainable recovery

　　

摘要

背景

对稀土元素（REEs）需求的增加以及从磷酸盐矿物（独居石、磷灰石）中传统提取方法对环境的严重影响，加剧了人们对绿色替代方案的探索。微生物浸出技术提供了一种低能耗、低污染且可持续的生物技术解决方案，该技术利用真菌和细菌生成有机酸、铁载体、还原剂及其他代谢产物的能力来溶解稀土元素。尽管人们对稀土元素生物浸出的兴趣有所增加，但针对磷酸盐介质特性的微生物机制、代谢限制及工艺影响因素的生物学研究仍然较为有限。

方法

本研究采用PRISMA指南进行了系统评价，搜索Scopus、Web of Science、PubMed、Google Scholar等主要数据库，以识别有关从磷酸盐矿物中通过微生物浸出稀土元素的同行评审文献。在筛选和评估后，共纳入25项符合纳入标准的研究。这些研究从微生物种类、代谢机制、培养条件、矿物基底及稀土元素溶解效果等方面进行了评估。

结果

特别是Aspergillus、Penicillium和Paecilomyces等真菌物种，通过大量产生柠檬酸、草酸和葡萄糖酸以及磷酸酶活性，展现了最高的稀土元素迁移效率。细菌株如Acidithiobacillus、Bacillus、Pantoea、Burkholderia、Pseudomonas和Klebsiella则通过质子释放、铁载体分泌及Fe(III)/Fe(II)氧化还原循环等机制发挥作用，与其形成互补效应。浸出效果受到培养基组成、碳源、氮同化、pH变化、磷酸盐矿物学性质、矿浆密度和颗粒大小的显著影响。由于实验条件缺乏标准化，各研究之间的直接比较存在困难，但以有机酸为主的途径始终能够实现最有效的稀土元素溶解。

结论

微生物浸出是一种有前景的生物技术平台，通过代谢多样的产酸、螯合、酶促及氧化还原机制实现从磷酸盐矿物中回收稀土元素。然而，技术进展仍受方法多样性、机制研究整合不足以及工程菌株或可控生物反应器系统应用有限等因素的制约。未来的发展需要标准化实验框架、对微生物特定功能的更深入理解以及优化微生物系统的合理设计。本综述为基于生物技术的下一代稀土元素从磷酸盐资源中高效回收研究提供了基础。

背景

对稀土元素（REEs）需求的增加以及从磷酸盐矿物（独居石、磷灰石）中传统提取方法对环境的严重影响，促使人们积极寻找绿色替代方案。微生物浸出技术通过利用真菌和细菌生成有机酸、铁载体、还原剂及其他代谢产物的能力，提供了一种低能耗、低污染且可持续的生物技术解决方案。尽管人们对稀土元素生物浸出的兴趣有所增加，但针对磷酸盐介质特性的微生物机制、代谢限制及工艺影响因素的生物学研究仍然较为有限。

方法

本研究采用PRISMA指南进行了系统评价，搜索Scopus、Web of Science、PubMed、Google Scholar等主要数据库，以识别有关从磷酸盐矿物中通过微生物浸出稀土元素的同行评审文献。在筛选和评估后，共纳入25项符合纳入标准的研究。这些研究从微生物种类、代谢机制、培养条件、矿物基底及稀土元素溶解效果等方面进行了评估。

结果

特别是Aspergillus、Penicillium和Paecilomyces等真菌物种，通过大量产生柠檬酸、草酸和葡萄糖酸以及磷酸酶活性，展现了最高的稀土元素迁移效率。细菌株如Acidithiobacillus、Bacillus、Pantoea、Burkholderia、Pseudomonas和Klebsiella则通过质子释放、铁载体分泌及Fe(III)/Fe(II)氧化还原循环等机制发挥作用，与其形成互补效应。浸出效果受到培养基组成、碳源、氮同化、pH变化、磷酸盐矿物学性质、矿浆密度和颗粒大小的显著影响。由于实验条件缺乏标准化，各研究之间的直接比较存在困难，但以有机酸为主的途径始终能够实现最有效的稀土元素溶解。

结论

微生物浸出是一种有前景的生物技术平台，通过代谢多样的产酸、螯合、酶促及氧化还原机制实现从磷酸盐矿物中回收稀土元素。然而，技术进展仍受方法多样性、机制研究整合不足以及工程菌株或可控生物反应器系统应用有限等因素的制约。未来的发展需要标准化实验框架、对微生物特定功能的更深入理解以及优化微生物系统的合理设计。本综述为基于生物技术的下一代稀土元素从磷酸盐资源中高效回收研究提供了基础。