Dodici nuovi batteri per il bio-riassorbimento

Dodici sono i batteri esotici in grado di raccogliere passivamente elementi di terre rare dalle acque reflue. Secondo la definizione della IUPAC gli elementi delle terre rare (in inglese “rare-earth elements” o “rare-earth metals“, REE) sono un gruppo di 17 metalli chimicamente simili, il cui nome deriva dal fatto che sono tipicamente presenti in basse concentrazioni (tra 0,5 e 67 parti per milione) all’interno della crosta terrestre. Poiché sono indispensabili nella tecnologia moderna, nei telefoni cellulari, gli elettromotori, le turbine eoliche, i dischi rigidi, le macchine fotografiche, i magneti e le lampadine a basso consumo, la loro domanda è aumentata costantemente negli ultimi decenni e si prevede che aumenterà ulteriormente entro il 2030. A causa della loro rarità e della domanda, sono costosi: ad esempio, un chilo di ossido di neodimio costa circa 200 euro, mentre la stessa quantità di ossido di terbio costa circa 3.800 euro. Oggi la Cina detiene il quasi monopolio dell’estrazione, anche se nel gennaio 2023 è stata annunciata con grande clamore la scoperta di nuovi promettenti giacimenti (oltre un milione di tonnellate) a Kiruna, in Svezia.

Economia circolare

I vantaggi di passare da un’economia “lineare” che spreca a un’economia “circolare”, in cui tutte le risorse vengono riciclate e riutilizzate, sono evidenti. Potremmo quindi riciclare in modo più efficiente anche le REE)? Su Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, alcuni scienziati tedeschi hanno dimostrato che la risposta è sì: la biomassa di alcuni cianobatteri fotosintetici può assorbire in modo efficiente i REE dalle acque reflue, ad esempio quelle derivanti dall’estrazione mineraria, dalla metallurgia o dal riciclaggio dei rifiuti elettronici. Gli REE assorbiti possono poi essere lavati dalla biomassa e raccolti per essere riutilizzati. “Abbiamo ottimizzato le condizioni di assorbimento degli elementi rare-earth elements da parte della biomassa cianobatterica e caratterizzato i meccanismi chimici più importanti per legarli. Questi cianobatteri potrebbero essere utilizzati in futuro in processi ecologici per il recupero simultaneo delle REE e il trattamento delle acque reflue industriali”, ha dichiarato il dottor Thomas Brück, professore dell’Università Tecnica di Monaco e ultimo autore dello studio.

Ceppi di cianobatteri altamente specializzati

Il “biosorbimento” è un processo metabolicamente passivo per il legame rapido e reversibile di ioni da soluzioni acquose alla biomassa. Brück e colleghi hanno misurato il potenziale di biosorbimento degli ETR lantanio, cerio, neodimio e terbio da parte di 12 ceppi di cianobatteri in coltura di laboratorio. La maggior parte di questi ceppi non era mai stata valutata prima per il loro potenziale biotecnologico. Sono stati prelevati da habitat altamente specializzati come i terreni aridi dei deserti della Namibia, la superficie dei licheni di tutto il mondo, i laghi di natron (carbonato decaidrato di sodio) in Ciad, le fessure delle rocce in Sudafrica o i ruscelli inquinati in Svizzera. Gli autori hanno scoperto che una nuova specie non caratterizzata di Nostoc (un genere di cianobatteri azotofissatori di acqua dolce che formano colonie di filamenti, costituiti da cellule rotondeggianti avvolte in una massa gelatinosa, come in foto) aveva la più alta capacità di biosorbimento di ioni di questi quattro REE da soluzioni acquose, con efficienze comprese tra 84,2 e 91,5 mg per g di biomassa, mentre Scytonema hyalinum aveva l’efficienza più bassa, compresa tra 15,5 e 21,2 mg per g. Efficienti erano anche Synechococcus elongates, Desmonostoc muscorum, Calothrix brevissima e una nuova specie non caratterizzata di Komarekiella. Il biosorbimento è risultato fortemente dipendente dall’acidità: era massimo a un pH compreso tra cinque e sei e diminuiva costantemente in soluzioni più acide. Il processo era più efficiente quando non c’era “competizione” per la superficie di biosorbimento sulla biomassa dei cianobatteri da parte di ioni positivi di altri metalli non ferrosi come zinco, piombo, nichel o alluminio. Gli autori hanno utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia a infrarossi per determinare quali gruppi chimici funzionali nella biomassa fossero maggiormente responsabili del biosorbimento degli ETR.

Veloci ed efficienti, con un grande potenziale per le applicazioni future

“Abbiamo scoperto che la biomassa derivata dai cianobatteri ha eccellenti caratteristiche di assorbimento grazie all’alta concentrazione di legami di zucchero caricate negativamente, che portano gruppi carbonilici e carbossilici. Questi componenti carichi negativamente attraggono ioni metallici carichi positivamente, come le REE, e ne favoriscono l’attaccamento alla biomassa”, ha dichiarato il primo autore Michael Paper, scienziato dell’Università Tecnica di Monaco. Gli autori concludono che il biosorbimento degli ETR da parte dei cianobatteri è possibile anche a basse concentrazioni di metalli. Il processo è anche rapido: ad esempio, la maggior parte del cerio in soluzione è stata biosorbita entro cinque minuti dall’avvio della reazione. “I cianobatteri qui descritti possono adsorbire quantità di REE corrispondenti fino al 10% della loro sostanza secca. Il biosorbimento rappresenta quindi un processo ottimizzato dal punto di vista economico ed ecologico per il recupero circolare e il riutilizzo dei metalli delle terre rare dalle acque reflue industriali diluite dei settori minerario, elettronico e della produzione di catalizzatori chimici”, ha dichiarato Brück. “Questo sistema dovrebbe diventare economicamente fattibile nel prossimo futuro, dato che la domanda e i premi di mercato per le terre rare sono destinati ad aumentare in modo significativo nei prossimi anni”.

• Rare earths stick to rare cyanobacteria: Future potential for bioremediation and recovery of rare earth elements (frontiersin.org)