إنتاج حمض الأوكساليك الحيوي في Issatchenkia orientalis يمكّن من استخلاص عناصر الأرض النادرة بشكل مستدام

تحويل الميكروبات إلى مساعدين للطاقة النظيفة

من الهواتف الذكية إلى توربينات الرياح، تعتمد العديد من الأجهزة الحديثة على عناصر أرض نادرة يصعب استخلاصها دون تلويث البيئة. تُظهر هذه الدراسة كيف حول المهندسون خميرة قاسية إلى مصنع كيميائي مصغر يصنع حمض الأوكساليك، وهو حمض عضوي بسيط، من سكريات نباتية. يمكن لهذا الحمض الأوكساليكي الحيوي بعد ذلك أن يستخلص معادن الأرض النادرة من المحاليل المائية بكفاءة، مما يوفر طريقة أنظف وربما أرخص لتأمين المواد اللازمة لانتقال الطاقة.

لماذا تهم المعادن النادرة والأحماض البسيطة

تقع عناصر الأرض النادرة في قلب المغناطيسات القوية المستخدمة في السيارات الكهربائية وتوربينات الرياح والإلكترونيات المتقدمة. لكن استخلاصها من الصخور وتيارات إعادة التدوير عادة ما ينطوي على عمليات كيميائية طويلة ومواد أولية تعتمد على الوقود الأحفوري. اليوم، يُنتَج معظم حمض الأوكساليك —وهو أداة مهمة لسحب عناصر الأرض النادرة من المحاليل وتحويلها إلى بلورات صلبة— من مكونات مشتقة من البترول وتحت ظروف قاسية. وهذا يعني استخدام طاقة عاليًا ومواد كيميائية خطرة ونفايات إضافية. ومع تزايد الطلب على عناصر الأرض النادرة، يصبح الحاجة إلى مصادر أنظف وأكثر موثوقية لكل من المعادن والمواد المعالجة ملحة.

تجنيد خميرة متينة كمصنع مصغر

اختار الباحثون نوعًا غير شائع من الخميرة، Issatchenkia orientalis، كخادمين للإنتاج. على عكس كثير من الميكروبات التي تكافح في البيئات الحمضية، تزدهر هذه الخميرة عبر نطاق pH منخفض جدًا، وهو ما يتناسب جيدًا مع الظروف الحمضية المستخدمة بالفعل في معالجة عناصر الأرض النادرة. أعاد الفريق توصيل مساراتها الأيضية بإدخال جينات من فطريات ونباتات بحيث تستطيع الخميرة تحويل السكر أولًا إلى وسيط يُسمى أوكسالوأستيت ثم إلى حمض الأوكساليك. أضافوا نسخًا إضافية من الإنزيمات الأساسية لدفع مزيد من الكربون عبر هذا المسار، أزالوا جينًا واحدًا لإيقاف تكوّن الجليسرول كناتج هدر، وعدّلوا توازن استخدام الطاقة في الخلية. خطوة بخطوة بنوا سلالة نهائية أنتجت ما يقرب من 40 غرامًا من حمض الأوكساليك لكل لتر في تخمير التغذية المتقطعة عند pH 4، مع الحفاظ على شكل خلوي بسيط وسهل التعامل.

استخدام مرق التخمير مباشرًة من الخزان

بدلًا من تنقية حمض الأوكساليك—وهي خطوة عادة ما تضيف تكلفة واستهلاك طاقة ونفايات—اختبر الفريق ما إذا كان يمكن استخدام سائل التخمير الخام كما هو. خلطوا هذا المرق مع محاليل تحتوي أملاح عناصر أرض نادرة منفردة مثل النيوديميوم والديسبروزيم واللانتانوم. تسبب الحمض الأوكساليكي الحيوي في ترسيب أكثر من 98–99% من هذه المعادن على شكل بلورات صلبة وسقوطها من السائل، مما يعادل أداء حمض الأوكساليك المصنوع تجاريًا وعالي النقاء. وعندما انتقلوا إلى تحدٍ أشد—مستحلب حمضي ناتج عن إذابة خام أرض نادرة منخفض الجودة غني بالشوائب—ظل المرق الخام يستخلص أكثر من 99% من إجمالي محتوى عناصر الأرض النادرة مع ترك معظم المعادن غير المرغوب فيها في المحلول. أظهرت اختبارات بنيوية باستخدام حيود الأشعة السينية وتحليل الطيف بالأشعة تحت الحمراء أن البلورات المتشكلة بالحمض الحيوي كانت شبه غير متميزة عن تلك المصنوعة بالمنتج التقليدي.

حساب التكاليف وبصمات الكربون

لفهم ما إذا كان هذا المسار الحيوي يمكن أن ينافس على نطاق صناعي، نمذج المؤلفون منشأة كاملة تحول قصب السكر إلى حمض الأوكساليك ثم تشحنه إلى معالجي عناصر الأرض النادرة. تشير تحليلاتهم التقنية-الاقتصادية إلى سعر بيع أدنى يقارب 1.79 دولارًا لكل كيلوجرام—وهو ضمن نطاق السوق الحالي لحمض الأوكساليك. ذهب تقييم دورة الحياة أبعد من ذلك، مشيرًا إلى أن العملية قد تصبح سالبة الكربون عندما يُستخدم فائض الكهرباء الناتج عن حرق مخلفات قصب السكر لتعويض الطاقة الأحفورية. مقارنةً بحمض الأوكساليك المشتق من الوقود الأحفوري، يقطع النظام المصور انبعاثات غازات الدفيئة بأكثر من النصف، وربما بأكثر من 100% عند احتساب تعويض الكهرباء. كما يبرز التحليل أن تحسين عائد التخمير ومعدل الإنتاج سيخفضان التكاليف أكثر، بينما تصبح التركيزات العليا جدًا أقل أهمية لأن المنتج يمكن استخدامه دون تنقية.

ماذا يعني هذا لمستقبل المعادن الخضراء

بجمع الهندسة الأيضية مع معالجة المعادن، يحدد هذا العمل طريقة جديدة لربط الأحياء بسلاسل توريد المواد الحرجة. يمكن لخميرة مصممة خصيصًا أن تنتج حمض الأوكساليك في ظروف حمضية وذات صلة صناعيًا، ويمكن سكب السائل الناتج مباشرة في خطوات استخلاص عناصر الأرض النادرة لتبلور المعادن بكفاءة ونقاء عالٍ. يوعد النهج بتأمين مادة معالجة رئيسية أكثر استدامة ومرونة، مع انبعاثات كربون أقل ومواد كيميائية خطرة أقل. مع مزيد من التحسين في متانة السلالة، أداء التخمير، ودمجها في عمليات التعدين وإعادة التدوير الواقعية، قد يصبح حمض الأوكساليك الحيوي حجر زاوية في إنتاج عناصر الأرض النادرة الأنظف ومن ثم في تقنيات الطاقة النظيفة التي تعتمد على هذه المعادن.

الاستشهاد: Lu, J., Guo, W., Dong, Z. et al. Bio-based oxalic acid production in Issatchenkia orientalis enables sustainable rare earth recovery. Nat Commun 17, 2193 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68957-5

الكلمات المفتاحية: عناصر الأرض النادرة, حمض الأوكساليك الحيوي, الهندسة الأيضية, التعدين المستدام, تخمير الخميرة