在东方伊萨辰酵母中实现生物基草酸生产以促进可持续稀土回收

将微生物变成清洁能源的助力者

从智能手机到风力涡轮机，许多现代设备依赖难以提取且易污染环境的稀土元素。该研究展示了工程师如何将一种耐受力强的酵母改造为微型化学工厂，使其能够从植物糖中生成草酸——一种简单的有机酸。生物生成的草酸能高效地从水相溶液中沉淀稀土金属，提供了一种更清洁、潜在更廉价的途径来获得能源转型所需的关键材料。

稀有金属与简单酸的意义

稀土元素是电动汽车、风力发电机和高端电子设备中强力磁体的核心。然而，从矿石和回收流中提取它们通常需要耗时的化学流程和化石原料试剂。如今，大多数草酸——一种用于从溶液中抓取稀土并将其转化为固体晶体的重要工具——是用石油衍生的原料在苛刻条件下生产的。这导致高能耗、有害化学品使用和额外废弃物。随着稀土需求上升，对更清洁、更可靠的金属供应以及用于处理的化学品的需求变得迫切。

招募一种耐受性强的酵母作为小型工厂

研究人员选择了一种不常见的酵母物种——东方伊萨辰酵母（Issatchenkia orientalis）作为生产主力。与许多在酸性环境中困难重重的微生物不同，这种酵母能在非常低的pH范围内茁壮生长，这与稀土加工中已有的酸性条件相匹配。团队通过引入来自真菌和植物的基因重构其代谢，使酵母能先将糖转化为称为草酰乙酸的中间体，然后进一步生成草酸。他们增加了关键酶的拷贝数以推动更多碳流向该通路，删除了一个基因以阻止形成浪费性的甘油副产物，并调整了细胞的能量平衡。逐步优化后，他们构建出的最终菌株在pH 4的补料批式发酵中达到了近每升40克的草酸产量，同时保持了简单、易处理的细胞形态。

直接使用发酵罐中的培养液

团队没有对草酸进行通常会增加成本、能耗和废物的纯化步骤，而是测试了是否可以直接使用未处理的发酵液。他们将该培养液与含有单一稀土盐（如钕、镝和镧）的溶液混合。生物来源的草酸使这些金属有超过98–99%的比例形成固体晶体并从液相中沉降，其性能与高纯度、商品化草酸相近。当他们面对更具挑战性的样品——由低品位富含杂质的稀土矿石酸浸得到的酸性浸出液时，粗制培养液仍然能回收超过99%的总稀土含量，同时大部分非目标金属留在溶液中。通过X射线衍射和红外光谱进行的结构测试显示，用生物草酸形成的晶体与传统产品制造的晶体几乎没有可区分的差别。

计算成本与碳足迹

为了评估这种生物路线在工业规模上的竞争力，作者们对一个将甘蔗转化为草酸并向稀土加工商供货的完整工厂进行了建模。他们的技术经济分析给出了约每千克1.79美元的最低售价估计——处于当前草酸市场价格区间之内。生命周期评估进一步表明，当使用焚烧甘蔗残渣产生的过剩电力来抵消化石电力时，该工艺甚至可能实现碳负排放。与标准的化石来源草酸相比，模型化系统将温室气体排放削减了一半以上，在计入电力置换时甚至可能超过100%的减排。分析还强调，提高发酵得率和生产速率将进一步降低成本，而超高峰值浓度的重要性较低，因为产品可在无需纯化的情况下直接使用。

这对未来绿色金属意味着什么

通过将代谢工程与矿物加工结合，这项工作勾画出一种将生物学纳入关键材料供应链的新方式。经特别设计的酵母能够在酸性、产业相关的条件下生产草酸，所得培养液可直接用于稀土回收步骤，以高效且高纯度地结晶回收金属。这一方法有望为关键加工化学品提供更可持续、更灵活的供应，降低碳排放并减少危险试剂的使用。随着菌株稳健性、发酵性能的进一步提升以及与实际采矿和回收作业的整合，生物基草酸有望成为更清洁稀土生产的基石，进而支撑依赖这些金属的清洁能源技术的发展。

引用: 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

关键词: 稀土元素, 生物基草酸, 代谢工程, 可持续采矿, 酵母发酵