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

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
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科學家尚無法確定,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。

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。

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責任編輯:羅元祺
核稿編輯:翁世航


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