摘要：稀土元素在新能源技术领域有着至关重要的作用，从风力发电机到固态照明，从高强度轻合金到电池阳极，再到未来的高温超导体，都离不开它们的身影。然而，传统的稀土开采和提取过程对环境影响巨大，不仅会产生大量有害废气、废水，还可能带来放射性废物。

稀土元素在新能源技术领域有着至关重要的作用，从风力发电机到固态照明，从高强度轻合金到电池阳极，再到未来的高温超导体，都离不开它们的身影。然而，传统的稀土开采和提取过程对环境影响巨大，不仅会产生大量有害废气、废水，还可能带来放射性废物。

作为替代方案之一，生物浸出（bioleaching）技术近年来正越来越受到关注。该方案是利用某些微生物在代谢过程中产生的有机酸，将矿石中的金属离子溶解出来。这一方法已经广泛用于铜、金等金属的回收，具有操作温和、能耗低、污染小等优点。但是，在于自然状态下，这些微生物“产酸”能力有限，导致提取效率不高，难以满足工业化需求。

为了突破这一瓶颈，近日，美国康奈尔大学Buz Barstow 团队在 Communications Biology 期刊上发表了一篇题为“High efficiency rare earth element bioleaching with systems biology guided engineering of Gluconobacter oxydans”的研究。

研究团队通过基因工程手段对氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans B58）进行改造，成功开发出一株高效的稀土生物浸出工程菌株，使其能够在常温常压条件下高效提取稀土元素，稀土浸出效率相比野生型提高了高达 73.1%，展示了极大的产业化潜力。

此前，研究人员通过生成和筛选 G. oxydans B58 全基因组敲除集合，确定了一组与有机酸生成和稀土元素生物浸出效率相关的综合基因。

在这项研究中，研究人员针对这些基因进行了一系列研究。

首先，破坏磷酸盐信号和转运操纵子的单个基因，包括编码磷酸盐信号蛋白的 pstS ，以及编码 ABC 型磷酸盐转运蛋白的 pstC、pstA 和 pstB。

在自然状态下，G. oxydans B58 中的 Pst 系统（磷酸盐特异性转运系统）能够通过感知外界无机磷浓度来调控细胞代谢，其跨膜亚基 PstA 和 PstC 与周质磷酸结合蛋白 PstS 和细胞质信号传导蛋白 PstB 结合。研究人员发现，当外界磷充足时，该系统会抑制有机酸合成，限制生物浸出效率，而如果删除这个系统中的 pstS 基因，细菌就会持续误以为处于磷饥饿状态，主动大量分泌酸性物质。

因此，研究人员通过基因敲除技术，构建了 ΔpstS、ΔpstB 和 ΔpstC 三个菌株，并对比评估其生长状态、酸化能力及稀土浸出性能。

结果显示，完全删除 pstS 基因的菌株在生长后期依然保持良好活性，并在培养时展现出更强的酸化能力，产生的生物浸出液 pH 更低，显著增强了稀土的溶出能力。实验表明，与野生型相比，ΔpstS 菌株的稀土浸出效率提高了 30.1%。ΔpstB 则使生物浸出率比野生型提高了 29.3%。

图 | 与野生型相比，ΔpstS 突变株酸化能力明显增强

其次，增强葡萄糖氧化通路，进一步提升有机酸产量：稀土浸出过程中，微生物通常依赖葡萄糖氧化生成葡糖酸等有机酸。研究人员注意到，膜结合型葡萄糖脱氢酶（mGDH）是该过程的关键酶，其过表达可增强酸产量。

因此，团队设计了三种高表达启动子（PtufB、P114 和 P112），并分别插入 mgdh 启动子区以提升其表达水平。实验发现，在 ΔpstS 背景中，仅 P112 启动子驱动的 mgdh 过表达 能显著降低生物浸出液的 pH（下降 0.39 个单位），同时带来高达 53.1% 的稀土浸出效率提升。

图 | 同时上调 mgdh 和敲除 pstS 可将低矿浆浓度下的稀土元素提取效率提高高达 73.1%

此外，研究人员还进一步评估了矿石固液比（即纸浆密度）对生物浸出效果的影响。结果显示，当固液比从 10% 下降至 1% 时，野生型菌株浸出效率变化不大，而在较低矿浆密度（1%）下，菌株 G.oxydans ΔpstS , P112 : mgdh 的稀土回收率则从提升 53% 跃升至提升 73.1%，显著高于野生型。这是因为低密度状态下，氧气更容易传递到菌体中，促进其完成代谢过程，转化出更多酸性物质。

总而言之，这一成果为稀土元素的绿色开采提供了一种新的思路和方法。通过基因工程改造的氧化葡萄糖杆菌能够在常温常压下进行稀土浸矿，不仅避免了传统开采方法中大量有害无机酸的使用，减少了对环境的污染，也为其他金属的环保提取开辟了思路。

参考链接：

1. Schmitz, A.M., Pian, B., Marecos, S. et al. High efficiency rare earth element bioleaching with systems biology guided engineering of Gluconobacter oxydans. Commun Biol 8, 815 (2025). https://doi.org/10.1038/s42003-025-08109-5

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来源：生辉SciPhi