科學家發現能清除核廢料的土壤微生物，可望從電子廢棄物中回收稀有金屬

文：Yi-ching Kuai

科學家發現可以清理核廢料的土壤微生物

核反應堆裂變會產生放射性金屬副產物，因毒性極高，必須埋在至少700公尺深的地底長達數千年之久，處理方式花錢又費工。但研究人員在《美國化學學會雜誌》上報告說，一種由普通微生物製造的蛋白質，可以幫助減輕這種危險的負擔。

核廢料中最有問題的兩種成分，是稱為鋂（americium）和鋦（curium）的金屬，兩者存在形式都特別持久，緩慢衰變數千年。因為過程中能輻射出大量的熱，所以承裝核廢料的容器在埋放時必須相隔很遠才行。美國賓州生物化學家小約瑟夫・科特魯沃（Joseph Cotruvo, Jr.）表示，避免對人或環境造成輻射傷害，正確隔離至關重要：「只要有這些元素在，就算數量非常少也是一個大問題。」

2018年，科特魯沃和一組研究人員首次報告稱，扭脫甲基桿菌（Methylorubrum extorquens，一種常見於土壤和植物中的無害細菌）會產生一種名為「lanmodulin」的蛋白質。微生物使用這種蛋白質來獲取天然存在的金屬，通常來自一種稱為鑭系元素的金屬，以驅動其新陳代謝。

比次強的天然分子結合穩定數千倍

最近，科特魯沃和同事在實驗室中發現，「lanmodulin」與鋂和鋦緊密結合，喜歡程度更勝其他金屬。此外，這種結合比次強的天然分子結合穩定數千倍。他們不確定由無處不在的扭脫甲基桿菌產生的「lanmodulin」，在自然的狀態下是否會捕獲或分散環境中已有的鋂和鋦離子，例如核武器試驗和核廢料洩漏釋放的那些——這可能是他們未來的研究重點。

研究人員建議將蛋白質放到輻射探測器和過濾器中，以從貯存的核廢料中提取這些壽命超長的放射性金屬。或者，科特魯沃建議，捕獲的鋂和鋦可以回收再次做為核燃料。

密西根州立大學的微生物學家傑瑪・雷格拉（Gemma Reguera）說，細菌產生的分子可能有助於建構清除有害人造污染物的工具，她說：「這就像玩具，有很多可能性。」

無獨有偶，幾十年來，科學家們一直懷疑被稱為土桿菌（Geobacter）的細菌可以清除放射性鈾廢物，但尚不清楚這些微生物是如何做到的。

「20年來，這個生物機制一直難以捉摸。」雷格拉說。她的團隊在十年前解開了大部分謎團，她現在已經掌握了其餘未解的部分。

期待能應用於回收稀有金屬

雷格拉在2011年發現的是，土桿菌在細胞的一側製造蛋白質細絲，就像電線一樣「電擊」鈾。這有兩個層面：接觸瞬間產生化學反應，為細菌提供能量；化學反應以礦物形式捕獲鈾，防止放射性物質在環境中擴散。

但這些蛋白質線僅佔土桿菌清理的鈾量約75％左右，代表還有一些鈾以不知名的方式被消耗。

雷格拉說：「我們一直都知道錯過了一些東西，我們不知道細胞表面發生了什麼變化，特別是在細胞沒有線固定鈾的那一側。」

現在，美國國家科學基金會資助的團隊有了答案：稱為脂多醣（lipopolysaccharides）的分子覆蓋細胞表面，並像海綿一樣吸收鈾。基金會地球科學部計畫主任恩里克塔・巴雷拉（Enriqueta Barrera）說：「這個發現對於揭示硫還原地桿菌（Geobacter sulfurreducens）對鈾的作用方式，具有重要意義，並且可能適用於其他金屬。」

這項發表在《應用與環境微生物學》雜誌上的研究結果，可以創造修復危險污染的新方法，並從電子廢棄物中回收越來越稀有的金屬。雷格拉說，下一步是調查，是否可以使用土桿菌從廢棄物中提取其他有毒金屬。

新聞來源

• These bacteria clean up radioactive waste（National Science Foundation）
• Soil Microbe Could Clean Up Nuclear Waste（Science）
• Characterization of Americium and Curium Complexes with the Protein Lanmodulin: A Potential Macromolecular Mechanism for Actinide Mobility in the Environment（JACS）

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責任編輯：羅元祺
核稿編輯：翁世航