فلزات با ارزش دنیای مدرن را می چرخانند، اما نحوه استخراج و دفع آن ها اصلا پایدار نیست. اهلی کردن میکروب های استخراج کننده فلزات می تواند جایگزینی مناسب و پر درآمد باشد. از طلا و نقره در لوازم الکترونیکی مصرفی گرفته تا عناصر خاکی کمیاب مورد نیاز برای تامین انرژی فناوری های تجدیدپذیر، فلزات زمینه ساز تحول به اقتصادی با تکنولوژی بالا و کم کربن هستند.
طبق برآمدها، تنها ارزش فلزات گرانبهای زباله های الکترونیکی سالانه به میلیاردها می رسد و عمده آن بازیافت نمی شود. نگرانی های روز افزونی در مورد تاثیرات زیست محیطی و انسانی روش های استخراج متعارف وجود دارد. علاوه بر این، کشورهای بسیاری به دنبال کاهش وابستگی خود به واردات مواد معدنی برای فاصله گرفتن از تنش های میان غرب و چین (تامین کننده اصلی فلزات گرانبها و عناصر خاکی کمیاب) هستند.
خوشبختانه یک جایگزین در حال ظهور وجود دارد. بسیاری از گونه های میکروبی، اغلب از محیط های شدید، توانایی استخراج فلزات از محیط اطراف را در خود توسعه داده اند. برخی از آن ها در فرآیندی که تصفیه زیستی نامیده می شود، اسیدها و پروتئین های فلز زدایی را برای حل کردن فلزات از سنگ های جامد تولید می کنند. برخی دیگر از دیواره های سلولی خود برای استخراج و انباشتن یون های فلزی از مایعات استفاده می کنند. با استفاده از چنین معدنچیان کوچکی، حوزه نوظهور بیومتالورژی می تواند بسیاری از مسائل مربوط به زنجیره های تامین متعارف فلزات را حل کند.
تبدیل زباله به گنجینه
در آلمان، شرکتی به نام BRAIN (شبکه اطلاعات و تحقیقات بیوتکنولوژی) از مجموعه عظیمی از بیش از ۵۰ هزار میکروب برای شناسایی و به کار گیری مستعدترین میکروب های استخراج فلز استفاده می کند.
استر گابور، مدیر برنامه معدن سبز و شهری BRAIN توضیح می دهد: “مشارکت BRAIN در بیو متالورژی همانطور که اغلب در علم اتفاق می افتد، تصادفی بود: در سال ۲۰۰۸ هنگام کار کردن روی مولکول های زیستی فعال در سطح، مشاهده کردیم که یک سویه باکتریایی پدید آمده از مجموعه میکروارگانیسم هایمان به طور انتخابی به سطوح طلای آب گریز متصل شده است. در این لحظه بود که ایده انبرک طلای بیولوژیکی شکل گرفت.”
بازیابی طلا از زباله های الکترونیکی یکی از اهداف اصلی BRAIN است، اما این شرکت همچنین به دنبال جریان های زباله دیگری است که حاوی فلزات ارزشمندی هستند که در غیر این صورت از بین می روند، یا فلزات سنگینی که خطرات بهداشتی یا زیست محیطی را در پی دارند. به عنوان مثال خاکستر حاصل از زباله سوزها، گرد و غبار حاصل از تولید فولاد و حتی لجن فاضلاب حاوی مقادیر قابل بازیابی از فلزات گرانبها و سنگین هستند.
پیشرفته ترین محصول بیو ماینینگ BRAIN به شکل یک واحد ماژولار و به اندازه کانتینر حمل و نقل است که BioXtractor نامیده می شود. این واحد شامل تمام اجزای لازم برای تصفیه زیستی فلزات گرانبهاست و به عنوان گزینه ای انعطاف پذیر برای شرکت های صنعتی که به دنبال استخراج فلز از جریان های زباله مختلف هستند طراحی شده است.
طی فرآیندی که تا ۴۸ ساعت به طول می انجامد، زباله های ریز خرد شده همراه با میکروب های بیو ماینینگ انکوبه می شوند. پس از تصفیه فلزات، این مواد با استفاده از رزین جاذب از مخلوط بازیابی می شوند.
گابور می گوید: “مزیت اصلی، پایداری فرآیندهاست. این امر ماده شیمیایی تهاجمی یا سمی را با زیست توده میکروبی جایگزین می کند و تقاضای انرژی و در نتیجه اثر CO₂ فرآیندهای بازیابی فلز را در مقایسه با استخراج بومی و بازیافت شیمیایی طلا تا سه برابر کاهش می دهد. در مقایسه با بازیافت پیرومتالورژی (ذوب)، اثر CO₂ باز هم تا دو برابر کاهش می یابد.”
تا کنون، این شرکت می تواند این فرآیند را در مخازن ۵۰۰ لیتری انجام دهد. قدم بعدی احداث یک کارخانه آزمایشی خواهد بود. BRAIN مجموعه ای از میکروارگانیستم ها را ایجاد کرده که به آن ها اجازه می دهد فرآیندهای جدیدی را برای فلزات مختلف و عناصر خاکی کمیاب ایجاد و شخصی سازی کنند. در حال حاضر این شرکت برای اجتناب از قوانین GMO که در اروپا سختگیرانه هستند، فقط از میکروب های طبیعی استفاده می کند.
گابور می گوید: “هدف ما کاهش موانع نظارتی با استفاده از مواد غیر GMO در بیوماین است. با این حال، احتمال بهبود فرآیند با استفاده از میکروب های تقویت شده ژنتیکی زیاد است. به نظر من صنعت و سیاست هر دو وظیفه دارند جامعه را در مورد مزایایی که فناوری های جدیدی مانند ویرایش ژن به ارمغان می آورند، متقاعد کنند.”
شهرها به عنوان معادن شهری
یکی از رقبای نوظهور دیگر در بیو ماینینگ استارتاپ نیوزلندی به نام Mint Innovation است که هدف آن ایجاد “معادن شهری” با تاسیس پالایشگاه های زیستی فلزات گرانبها در هر شهر بزرگ جهان است.
ویل بارکر بنیان گذار Mint Innovation قبلا برای LanzaTech کار می کرد، شرکتی که از میکروارگانیسم ها برای جذب گازهای زباله های صنعتی و تبدیل آن ها به سوخت و مواد شیمیایی استفاده می کند. توماس هانسن، سرپرست تجاری Mint Innovation می گوید: “او که می دانست فرآیند جذب زیستی برای مقادیر کم زباله های باارزش مناسب است، به دنبال اثبات این نکته بود که بازیابی طلا از بُردهای مدار چاپی امکان پذیر است.”
زباله های الکترونیکی مواد اولیه بسیار جذابی هستند زیرا غلظت طلای آن ها صدها برابر بیشتر از سنگ معدن طلاست و در حال حاضر راه حل بومی برای بازیافت آن وجود ندارد.
این شرکت زباله های الکترونیکی را به صورت پودر درآورده و اسیدها و اکسیدان ها را برای حل فلزات به محلول مایع، که در آن میکروب ها قادر به یافتن طلا و تجمع آن در سطح خود هستند، اضافه می کند. سپس می توان میکروب های دارای روکش طلا را فیلتر و تصفیه کرد تا فلز گرانبها آزاد شود.
هانسن توضیح داد: “ما هیچ گونه گاز گلخانه ای یا زباله سمی نداریم، بنابراین دوست داریم از نظر مقیاس و تاثیر بر منطقه محلی، خود با یک کارخانه کوچک آبجوسازی مقایسه کنیم- گرچه ما اتاق شیر نداریم.”
این شرکت در حال تکمیل دور تامین مالی سری B است که به آن اجازه می دهد استفاده از این فناوری را آغاز کند، و انگلستان به عنوان مقصد اولیه در نظر گرفته شده است. هانسن امیدوار است که این فناوری کم اثر، کم زباله و کم کربن، آن را به راهکاری جذاب برای شهرهای سراسر جهان که به جای روش معمول حمل زباله های الکترونیکی به خارج از کشور به دنبال توسعه اقتصاد دورانی فلزات گرانبهای خود هستند، تبدیل کند.
هانسن می گوید: “مردم اغلب نسبت به فناوری های جدید نامطمئن هستند، به خصوص وقتی پای فرآیندهای نامشهودی مانند “جذب زیستی” در میان باشد. بحث های ما عمدتا بر آموزش بازیافت کنندگان زباله های الکترونیکی در مورد فرآیندمان و مزایایی که برای آن ها دارد متمرکز شده اند. آن ها خیلی برای داشتن جایگزین بهتری نسبت به وضعیت فعلی هیجان زده هستند و عمده مشتریان اولیه ما را تشکیل خواهند داد. کارخانه های ذوب به طور موثر ارزش بازیافت کنندگان را برای ضایعاتی که برای بازیابی می فرستند برنمی گردانند و عده بسیاری فکر می کنند بازار فعلی مشکل دارد.”
بیوماینینگ فضایی: آخرین منطقه ناشناخته
دوم دسامبر ۲۰۲۰ یکی از موشک های SpaceX الون ماسک از مرکز فضایی کندی در فلوریدا برای ماموریت تامین مجدد به ایستگاه فضایی بین المللی پرتاب می شود. خدمه موشک؟ یک باکتری خاک و یک قارچ.
این میکروب ها بخشی از پروژه BioAsteroid هستند- آزمایشی از مرکز اخترزیست شناسی انگلستان (UKCA) در دانشگاه ادینبرگ که برای اثبات امکان پذیر بودن بیو ماینینگ فلزات از سیارک ها در فضا طراحی شده است.
رز سانتامارتینو، کارشناس تحقیقات پسادکتری میکروبیولوژی فضایی در UKCA می گوید: “از آنجا که حضور بشریت در فضا در حال گسترش است باید نحوه تولید منابع محلی را بفهمیم و از تامین مجدد مداوم از زمین مستقل شویم. هر چه مسافت سفرمان از زمین دورتر باشد، این امر اهمیت بیشتری پیدا می کند. از این نظر، استخراج مواد مفید در فضا یک راهکار امیدوار کننده است. به علاوه، برخی سیارک ها سرشار از فلزات کمیاب و گرانبها هستند.”
آزمایش قبلی در ISS نشان داد که بیو ماینینگ فضایی در شرایط مختلف گرانشی امکان پذیر است. باکتری ها قادر به استخراج عناصر خاکی کمیاب از سنگ بازالت از زمین بودند، که قیاس خوبی برای سنگ های مریخ و ماه محسوب می شود. BioAsteroid این بار یک گام فراتر می گذارد و مواد واقعی سیارکی را برای استخراج در اختیار میکروب ها قرار می دهد.
سانتامارتینو می گوید: “این باکتری کارآرایی خود را در بیو ماینینگ سنگ بازالت نشان داد و دوباره راه خود را به ISS باز کرد. این قارچ برای توانایی اثبات شده خود در بیوماین مواد مفید از زمین انتخاب شده، اما اولین بار است که از آن در فضا استفاده می شود. به علاوه، چون قارچ تک سلولی است و باکتری نیست، اطلاعاتی را در مورد بیو ماینینگ فضایی که توسط طیف وسیع تری از میکروب ها انجام شده، ارائه می دهد. همچنین از ترکیبی از دو میکروب استفاده خواهیم کرد، زیرا میکروارگانیسم ها معمولا در طبیعت باهم همکاری می کنند.”
سانتامارتینو می گوید: “سیارک ها سرشار از فلزات گرانبهایی مانند پلاتینوم و طلا هستند. ما حتما پلاتینوم و طلا و فلزات متداول تری مانند مس و آهن را بررسی می کنیم، اما استخراج عناصر خاکی کمیاب ضروری برای صنایع الکترونیکی مانند: وانادیوم و تمام مواد معدنی که برای زندگی مهم هستند و می توانند سنگ های فرازمینی را به خاک حاصلخیز تبدیل کنند را نیز مورد بررسی قرار خواهیم داد.”
وقتی آزمایش به ISS رسید، فضانوردان سخت افزار را در KUBIK، آزمایشگاه کوچک سازی شده برای آزمایشات علوم زیستی که از سال ۲۰۰۸ در ISS بوده، نصب می کنند. پس از این، آزمایش کاملا خودکار می شود و نیازی به ورودی دیگری از خدمه ایستگاه فضایی ندارد. آزمایش با تزریق محلول مایع مغذی برای رشد میکروبی آغاز می شود و با تزریق محلولی که رشد میکروبی را متوقف کرده و نمونه ها را تا زمان بازیابی حفظ می کند، به پایان می رسد.
سانتامارتینو می گوید: “ما تازه در حال درک نحوه بهره برداری از این فرآیند در فضا هستیم، برای مثال از طریق کاوشگرهایی که سیارک ها را گرفته و محلول بیو ماینینگ را تزریق می کنند. بیو ماینینگ در فضا همچنان به ماموریت های روباتیک نیاز دارد، اما مزیت میکروب ها در سخت افزارهای سبک تر، اجتناب یا کاهش حفاری سطح سنگ و خودکارسازی فرآیند است.”
وی افزود: “درک نحوه تعامل میکروب ها با سنگ های زمینی و فرازمینی در فضا، بینشی در مورد کاربردهای فضایی غیر از بیو ماینینگ را نیز فراهم می کند.” به عنوان مثال، می توان از میکروب ها برای تبدیل سنگ به خاک حاصلخیز، تولید سوخت زیستی یا بازیافت مواد مختلف استفاده کرد. این تنها گوشه ای از کاربردهای بیوتکنولوژی در فضاست که شاید بتواند در دهه های آینده ما را به سوی دستیابی به اقتصاد زیستی کامل هدایت کند.
