كيف يمكن للميكروبات تأمين المعادن الحيوية التي يحتاجها العالم

يمكن استخلاص مركبات النحاس (اللون الأزرق) من المحلول باستخدام الكائنات الحية الدقيقة – وهي عملية تُعرف باسم الترشيح الحيوي. الائتمان: ديرك ويرسما / مكتبة الصور العلمية إن التحول إلى الطاقة النظيفة يخلق مفارقة. ومن أجل توسيع نطاق تكنولوجيات الطاقة المتجددة، وكهربة وسائل النقل وبناء البنية التحتية للذكاء الاصطناعي، يتعين على المجتمع أن يستخرج كميات غير مسبوقة من المعادن. ومن المتوقع أن يزداد الطلب على العديد من هذه “المعادن الحيوية” عدة مرات خلال العقود القادمة. ومع ذلك، تظل التقنيات المستخدمة للحصول عليها متجذرة في نموذج قديم، يتم من خلاله استخراج المعادن المنفردة من الخام البكر. وقد أصبحت العواقب واضحة بشكل متزايد (انظر: “إمدادات المعادن الحرجة تحت الضغط”). مع انخفاض رواسب الخامات عالية الجودة، يجب استخراج كميات أكبر من الصخور ومعالجتها لإنتاج نفس الكمية من المعدن. وهذا يتطلب المزيد من الطاقة والمياه. يمثل التعدين حوالي 1.7% من استهلاك الطاقة العالمي، ومن المتوقع أن يرتفع هذا الرقم بما يصل إلى ثمانية أضعاف بحلول عام 20604. تعمل العديد من مشاريع المعادن المهمة في المناطق التي تواجه إجهادًا مائيًا مرتفعًا، مثل الأجزاء القاحلة من أفريقيا وأمريكا اللاتينية. المصادر: من أعلى إلى أسفل: المرجع. 3؛ المرجع. 3؛ المرجع. 6 و go.nature.com/4nzbbnx إن نفايات التعدين تتزايد أيضًا. وبالفعل، يتم تخزين مئات المليارات من الأطنان من مخلفات المناجم على مستوى العالم. وتشير التوقعات إلى أنه بحلول عام 2050، سيتراكم ما يصل إلى تريليوني طن من النفايات الصخرية والمخلفات الإضافية 3،5. وفي الوقت نفسه، ينتج المجتمع كميات هائلة من النفايات الغنية بالمعادن، والتي تظل في الغالب مصدرًا ثانويًا غير مستغل للمعادن. في عام 2022، تم إنتاج 62 مليون طن من النفايات الإلكترونية (النفايات الإلكترونية) على مستوى العالم – ما يقرب من 8 كيلوغرامات لكل شخص على هذا الكوكب – وتم جمع وإعادة تدوير حوالي 22٪ فقط منها رسميًا. كيفية توسيع الوصول إلى المعادن المهمة التي يحتاجها العالم تحتوي العديد من الأجهزة الإلكترونية المهملة على معادن ثمينة، بما في ذلك الذهب والبلاديوم والعناصر الأرضية النادرة – بتركيزات يمكن أن تتجاوز تلك الموجودة في الخامات الأولية. ومع ذلك، لا يزال استرداد هذه المعادن أمرًا صعبًا من الناحية الفنية وغالبًا ما يكون غير جذاب اقتصاديًا باستخدام الأساليب التقليدية. وينبغي النظر إلى استرجاع المعادن وزيادة دائرية المعادن على أنها قدرة استراتيجية لتعويض نمو استخراج المعادن من الخامات البكر. إن الدول القادرة على استعادة المعادن المهمة بكفاءة من مجاري النفايات، وبقايا المناجم، والموارد ذات الجودة المنخفضة، ستكون أقل تعرضًا للاضطرابات الجيوسياسية، وصدمات سلسلة التوريد. ويقدم علم الأحياء طريقًا قويًا للمضي قدمًا. على الرغم من أن التعدين الحيوي – الذي يستخدم الكائنات الحية الدقيقة لاستخراج المعادن – كان يعتبر في السابق نهجًا متخصصًا، إلا أنه تطور. مدفوعة بالتقدم في علم البيئة الميكروبية، والبيولوجيا التركيبية، والبيولوجيا الهيكلية، وهندسة البروتين، والتعلم الآلي، تظهر الأسس العلمية لجيل جديد من التقنيات الحيوية المعدنية بسرعة 8،9. توفر هذه الأساليب مستويات محتملة من الانتقائية لاستخراج واستعادة بعض المعادن التي غالبًا ما يكون من الصعب تحقيقها من خلال عمليات التعدين المائي التقليدية. لكن التقدم العلمي وحده لن يغير سلاسل توريد المعادن. ولم تعد العقبة الرئيسية هي نقص الأفكار. إنه الافتقار إلى مسارات من الاكتشاف العلمي إلى النشر الصناعي. وهنا نعرض الخطوط العريضة لكيفية تطوير هذه المسارات، استنادا إلى المناقشات التي دارت في ورشة العمل الدولية حول التعدين الحيوي للمعادن والعناصر الحرجة، والتي رعتها مؤسسة نوفو نورديسك والتي عقدت في سيتجيس، أسبانيا، في سبتمبر من العام الماضي. وقد أظهرت التكنولوجيات الحيوية إمكاناتها الصناعية لعقود من الزمن. تم بالفعل إنشاء عمليات التصفية الحيوية والأكسدة الحيوية لاستعادة النحاس والنيكل والذهب والكوبالت من الخامات. وهي تنطوي على ري أكوام من الخام المسحوق أو معالجة مساحيق المعادن الأرضية بميكروبات متخصصة تولد مواد كيميائية، مثل الأحماض أو معدلات تفاعلات الاختزال والأكسدة، التي تذيب بشكل انتقائي إما المعادن المستهدفة أو المعادن الأخرى الموجودة معها. وقد أدى التقدم في البيولوجيا التركيبية إلى توسيع نطاق التطبيقات المحتملة. على سبيل المثال، يمكن تصميم الأنظمة الميكروبية المهندسة لإذابة المعادن بشكل أكثر فعالية. تستطيع الجزيئات الحيوية (مثل بروتين اللانمودولين) فصل العناصر الأرضية النادرة بنسبة إنتاجية تصل إلى 99.9% في خطوة واحدة، في ظل ظروف أبسط من التقنيات التقليدية، باستخدام المحاليل المائية بدلًا من المذيبات العضوية 8،11. يعمل تصميم البروتين بمساعدة الذكاء الاصطناعي على تسريع اكتشاف الجزيئات الكبيرة المصممة للتعرف بشكل انتقائي على المعادن المستهدفة والارتباط بها وفصلها عن المحاليل المعقدة لعدة عناصر. كيف يؤدي الاندفاع نحو المعادن المهمة إلى إهمال الاحتياجات البشرية؟ تشير هذه التطورات بشكل جماعي إلى أن التكنولوجيا الحيوية يمكن أن تصبح عنصرًا مهمًا في سلاسل توريد المعادن المهمة في المستقبل. ومع ذلك، فإن العديد من الأساليب الواعدة لا تتقدم أبدًا إلى ما هو أبعد من التحقق من صحتها في المختبر. وهي غالبًا ما تتعثر بين دراسات إثبات المفهوم والعرض التجاري، وهو تحدٍ مألوف في جميع أنحاء التكنولوجيا الحيوية الصناعية. وحتى التكنولوجيات الواعدة غالبا ما تكافح من أجل جذب رأس المال والبنية التحتية والشراكات الصناعية اللازمة لتوسيع نطاقها. ولا بد من التغلب على العوائق. على الرغم من وجود عدد قليل من المشاريع التجريبية للمعالجة الحيوية، إلا أن قدرتها غير كافية لتقييم التقنيات عبر الأنواع المتنوعة من الخام والمواد الأولية وظروف العملية التي تتم مواجهتها في الممارسة العملية. ويتردد المستثمرون في تمويل المشاريع الأولى من نوعها عندما يكون من غير المؤكد مدى جودة أدائها في العالم الحقيقي. كما أن الأطر التنظيمية لتكنولوجيات التعدين الحيوي الناشئة غير كافية. وهي تختلف غالبًا عبر قطاعات التكنولوجيا الحيوية والبيئة والتعدين وبين الولايات القضائية. قد يحتاج المطورون إلى التنقل بين العديد من السلطات التنظيمية ومسارات الموافقة، مما يخلق حالة من عدم اليقين والتأخير مع تقدم التكنولوجيا. يمكن أن تحتوي النفايات الإلكترونية على تركيزات أعلى من المعادن الأساسية مقارنة بالخامات الطبيعية. (Credit: Martin Bernetti/AFP via Getty) في الاتحاد الأوروبي، على سبيل المثال، يخضع استخدام الكائنات الحية الدقيقة المعدلة وراثيا وتطبيقاتها البيئية لأطر تنظيمية متميزة. يُسمح باستخدام الكائنات الحية الدقيقة المعدلة وراثيًا في الأنظمة المحتواة، في حين أن تلك المستخدمة في التطبيقات الميدانية تعتمد عمومًا على سلالات ميكروبية تحدث بشكل طبيعي أو مكيفة. وتستخدم الولايات المتحدة نهجا منسقا متعدد الوكالات، يشمل وكالة حماية البيئة، وإدارة الغذاء والدواء، ووزارة الزراعة الأمريكية. وتظل المعرفة التقنية القيمة (في مجال هندسة البروتين، وتوصيف المعادن، وعلم المعادن المائية، والنمذجة الاقتصادية، على سبيل المثال) متناثرة عبر التخصصات والمؤسسات والسلطات القضائية. وهذا يجعل من الصعب إنشاء قاعدة الأدلة اللازمة ــ بما في ذلك بيانات التشغيل المستمرة الطويلة الأجل، ومقاييس تتبع الدورات الكيميائية، والتقييمات الاقتصادية المصادق عليها ــ لدعم اعتماد مثل هذه التكنولوجيات على نطاق واسع. والنتيجة هي عدم التطابق المتزايد. إن التقدم العلمي في مجال التكنولوجيا الحيوية المعدنية يتسارع، إلا أن الآليات اللازمة لنشرها لا تواكب الوتيرة. على الرغم من استثمار مليارات الدولارات لتأمين سلاسل التوريد المستقبلية للمعادن الحيوية، فقد تم تكريس القليل من الاهتمام نسبيا لبناء أنظمة الابتكار اللازمة لتسويق الحلول البيولوجية. وإذا كان للتكنولوجيا الحيوية أن تساهم بشكل مفيد في أمن المعادن الحرجة، والاستدامة البيئية، ودورية استخدام الموارد، فيجب على الحكومات والصناعة وبنوك التنمية والممولين الخيريين أن يتحركوا إلى ما هو أبعد من دعم البحوث وحدها. ويتعين عليها أن تستثمر في المؤسسات التي تمكن من ترجمة هذه التكنولوجيات الجديدة أيضا. وهناك ثلاث أولويات تستحق الاهتمام. إنشاء مرافق الاختبار ينبغي للبلدان أن تنشئ مرافق تجريبية وإيضاحية مشتركة مخصصة للتكنولوجيا الحيوية المعدنية. وكثيراً ما تعجز الشركات الفردية عن تبرير المخاطر المرتبطة بتطوير البنية الأساسية المتخصصة للتكنولوجيات التي تظل غير مثبتة تجارياً. يمكن للمرافق المشتركة أن تساعد في التغلب على هذا العائق من خلال السماح للعديد من المنظمات بتقييم العمليات البيولوجية باستخدام مواد أولية واقعية في ظل الظروف الصناعية ذات الصلة. يمكن لهذه المرافق أن تدعم الدراسات ما قبل التجارية والتنافسية. وقد تم تنفيذ أساليب مماثلة بنجاح في البيولوجيا التركيبية والتكرير الحيوي، والتصنيع المتقدم وفي قطاعات الطاقة النظيفة وأشباه الموصلات. الجانب المظلم من التكنولوجيا الخضراء: ما هي التكلفة الحقيقية للسيارات الكهربائية؟ بالنسبة لقطاع المعادن، ينبغي أن تكون هذه المرافق موجودة بالقرب من الموارد ذات الصلة ومجاري النفايات، بما في ذلك مناطق التعدين ومراكز إعادة تدوير النفايات الإلكترونية والمواقع المتأثرة بتصريف المناجم الحمضية أو مياه الصرف الصحي الحضرية المحملة بالمعادن. وينبغي أن يكون لديهم اتصالات بالجامعات ومختبرات الأبحاث والقوى العاملة الماهرة. ومن شأن الوصول إلى الخبرة البحثية والهندسية أن يمكّن من التكرار السريع واستكشاف الأخطاء وإصلاحها ودمج التكنولوجيات الحيوية المعدنية مع العمليات القائمة. وستمتد مثل هذه المواقع إلى ما هو أبعد من اختبار التكنولوجيا لتوليد البيانات التشغيلية والبيئية والاقتصادية اللازمة لإبلاغ قرارات الاستثمار والموافقات التنظيمية والنشر التجاري. وتوضح المبادرات في القطاعات الأخرى قيمة هذه البنية التحتية. في السويد، على سبيل المثال، تم إنشاء مرافق تجريبية وإيضاحية ممولة من القطاع العام لاختبار عمليات تحويل الكتلة الحيوية كيميائيًا في ظل ظروف واقعية.