稀土博弈新戰場，中美都盯上了合成生物

10月9日，中國商務部公布最新對稀土相關技術實施出口管制的決定。

稀土，是一組17種化學元素的總稱，是高端制造業的關鍵原料，從iPhone到F-35戰斗機，它們的制造都離不開稀土。

稀土之所以“稀有”，是因為它們分散在地殼中，而且化學性質相似，如何分離提純成為難題。

目前，中國掌控著全球超過90%的稀土精煉供應，美國曾在上世紀80年代占據全球稀土產量的50%，而如今絕大部分依賴從中國進口。

為強化本土供應鏈，美國正大力開發高效、可持續的稀土加工技術，合成生物學成為關鍵創新方向之一。

今年，新興生物技術國家安全委員會向美國國會提交的《描繪生物技術的未來：美國安全與繁榮的行動計劃》中指出：

生物技術利用定制蛋白質，使我們能夠以前所未有的精度和效率分離出高純度稀土元素和其他關鍵礦物。

此類生物技術解決方案將降低成本，增加關鍵礦物的國內產量，并減少我們對外國的依賴。

近期，多所美國研究機構發表相關成果，通過基因工程等技術改造生物體，實現對稀土元素的加工。

對于中國而言，開發基于合成生物學的高效、綠色的前沿稀土加工技術，對于我國在國際稀土競爭格局中繼續保持領先地位具有重大意義。

生物法加工稀土，可行嗎？

生物法為傳統采礦技術提供了有前景且更環保的替代方案。

基于生物的工藝已在商業規模上用于提取多種金屬，包括銅、鎳、鈷和鋅。

例如，利用微生物溶解礦物或廢料，估計約占銅礦開采的15%。此外，約有5%的金礦開采會先利用微生物氧化法對難處理硫化金礦石進行處理。

十多年前，人們發現了利用鑭系元素進行代謝的微生物，科學家開始探索利用微生物或其成分分離稀土元素的可行性。

許多微生物會分泌酸，能夠溶解巖石、廢棄電器和其他電子垃圾中的金屬。有些微生物會制造專門與稀土元素相互作用的蛋白質，可以借助這一機制將稀土元素與其他金屬分離。

美國國防高級研究計劃局 (DARPA) 已投資超過4300萬美元，用于開發稀土元素的生物采礦技術。

盡管在稀土領域，生物技術尚未實現規模化商業化應用，但合成生物學的發展，有望讓生物法成為未來稀土元素提取和加工的重要技術。

相關成果正在產業化

5月，Nature子刊Communications Biology發表一項來自美國康奈爾大學的成果，研究人員通過對氧化葡萄糖桿菌進行基因編輯，使得稀土元素的生物浸出率提高了73%。

這種微生物能夠加速巖石的風化，釋放出鈣和鎂來永久地吸收大氣中的二氧化碳，并提取出稀土元素。

整個過程可以在常溫常壓下進行，而且不需要使用刺激性化學物質。

這是一舉兩得的方案：既阻止了氣候變暖，又能夠有效解決稀土提取問題。

這項工作獲得了美國國家科學基金會、美國能源部能源高級研究計劃局、美國陸軍高級民用教育項目以及康奈爾大學的資助。

基于相關成果，研究團隊創立了REEgen，這是一家通過應用尖端生物技術解決稀土等關鍵礦物采集的公司，由康奈爾大學運營。

類似的，加州大學伯克利分校的研究人員創立了RareTerra，該公司正在開發一步式生物工藝，利用微生物進行稀土的提取、分離和純化，無需依賴強酸或高溫高壓。

此外，來自賓夕法尼亞大學、西北大學、芝加哥大學等多所美國高校的聯合團隊，對自然界存在的蛋白質片段進行改造，設計用于捕獲稀土的工程肽。

去年的一篇論文顯示，賓大的科學家們設計出蛋白質LanD，它可以有效區分釹和鐠等稀土元素，分離效率明顯提高。

中國在行動

2023年，清華大學化學系張洪杰院士、劉凱教授、馬超研究員團隊等在Advanced Materials上發表研究論文，構建了一種新型生物合成系統，實現了高純度稀土產品的主動生物制造。

圖：微生物合成系統原位制備稀土磷酸鹽、高選擇性稀土親和蛋白和稀土蛋白酶的示意圖

團隊實現在細胞表面以“一鍋法”原位合成稀土磷酸鹽，未來可通過多種方法回收。

同時，團隊借助合成生物學手段設計了一種新型嵌合蛋白DLanM，發了具有高親和力的稀土生物分離柱，實現了絕對純度3N以上高純單一稀土分離制備。

此外，該團隊還以甲基桿菌為底盤細胞實現了對尾礦稀土的高效利用，制備了稀土甲醇脫氫酶并實現了高效應用。

這項成果建立了稀土礦生物分離工程技術及高值利用新范式，在稀土礦綠色可持續分離和高附加值稀土產品領域實現了突破性進展。

今年5月，中國稀土學會和中國稀土行業協會聯合組織專家對張洪杰院士、劉凱教授團隊牽頭的稀土磁材工業廢料綠色生物回收與資源高值循環利用技術進行了科技成果評價。

專家委員會認為，該技術顛覆了傳統化學法高溫、強酸、強堿回收工藝路線，挖掘我國特有稀土微生物資源庫，建立了從專利菌種庫到成套工藝的完整自主知識產權體系，構建了常溫常壓稀土磁材工業廢料生物回收技術體系，完成了噸級應用示范。

該技術顯著降低了三廢產生量和綜合處理成本，各項指標均優于歐美等國水平，具備大規模產業化推廣應用條件。