Biomining är den typ av teknik som utlovas av science fiction:en stor tank fylld med mikroorganismer som läcker metall från malm, gamla mobiltelefoner och hårddiskar.

Det låter futuristiskt, men det används för närvarande för att producera cirka 5 % av världens guld och 20 % av världens koppar. Det används också i mindre utsträckning för att utvinna nickel, zink, kobolt och sällsynta jordartsmetaller. Men den kanske mest spännande potentialen är att utvinna sällsynta jordartsmetaller, som är avgörande i allt från mobiltelefoner till förnybar energiteknik.

Mary Kathleen-gruvan, en utmattad urangruva i nordvästra Queensland, innehåller uppskattningsvis 4 miljarder A$ i sällsynta jordartsmetaller. Biomining erbjuder ett kostnadseffektivt och miljövänligt alternativ för att få ut det.

Biomining är så mångsidig att den kan användas på andra planetariska kroppar. Biolakningsstudier på den internationella rymdstationen har visat att mikroorganismer från extrema miljöer på jorden kan läcka en stor mängd viktiga mineraler och metaller från stenar när de utsätts för kyla, värme, strålning och rymdvakuum.

Vissa forskare tror till och med att vi inte kan kolonisera andra planeter utan hjälp av biomining-teknik.

Hur fungerar det?

Biomining sker inom stora, stängd, omrörda tankreaktorer (bioreaktorer). Dessa enheter innehåller vanligtvis vatten, mikroorganismer (bakterier, archaea, eller svampar), malmmaterial, och en energikälla för mikroberna.

Vilken energikälla som krävs beror på den specifika mikroben som behövs för jobbet. Till exempel, guld och koppar "urlakas" biologiskt från sulfidmalmer med hjälp av mikroorganismer som kan hämta energi från oorganiska källor, via oxidation av svavel och järn.

Dock, sällsynta jordartsmetaller biolakas från icke-sulfidiska malmer med hjälp av mikroorganismer som kräver en organisk kolkälla, eftersom dessa malmer inte innehåller en användbar energikälla. I detta fall, socker tillsätts för att mikroberna ska kunna växa.

Alla levande organismer behöver metaller för att utföra grundläggande enzymreaktioner. Människor får sina metaller från spårkoncentrationerna i maten. Mikrober, dock, få metaller genom att lösa upp dem från mineralerna i deras miljö. De gör detta genom att producera organiska syror och metallbindande föreningar. Forskare utnyttjar dessa egenskaper genom att blanda mikrober i lösning med malmer och samla metallen när den flyter till toppen.

Temperaturen, sockerarter, hastigheten med vilken tanken rörs om, aciditet, koldioxid- och syrenivåer måste alla övervakas och finjusteras för att ge optimala arbetsförhållanden

Fördelarna med biomining

Traditionella gruvmetoder kräver starka kemikalier, mycket energi och producerar många föroreningar. I kontrast, biomining använder lite energi och producerar få mikrobiella biprodukter som organiska syror och gaser.

Eftersom det är billigt och enkelt, biomining kan effektivt utnyttja lågvärdiga metallkällor (som gruvavfall) som annars skulle vara oekonomiska med traditionella metoder.

Länder vänder sig alltmer till biomining som Finland, Chile och Uganda. Chile har uttömt mycket av sina kopparrika malmer och använder nu biomining, medan Uganda har utvunnit kobolt från koppargruvor i över ett decennium.

Varför behöver vi sällsynta jordartsmetaller?

De sällsynta jordartsmetallerna inkluderar gruppen av 15 lantanider nära botten av det periodiska systemet, plus skandium och yttrium. De används i stor utsträckning inom nästan all elektronik och är allt mer eftertraktade av elfordons- och förnybar energiindustri.

De unika atomegenskaperna hos dessa grundämnen gör dem användbara som magneter och fosforer. De används som starka lättviktsmagneter i elfordon, vindturbiner, hårddiskar, medicinsk utrustning och som fosfor i energieffektiv belysning och i lysdioder på mobiltelefoner, tv-apparater och bärbara datorer.

Trots deras namn, sällsynta jordartsmetaller är inte sällsynta och vissa är faktiskt mer rikliga än koppar, nickel och bly i jordskorpan. Dock, till skillnad från dessa primärmetaller som bildar malmer (ett naturligt förekommande mineral eller bergart från vilken ett användbart ämne lätt kan utvinnas), sällsynta jordartsmetaller är vitt spridda. För att vara ekonomiskt genomförbara bryts de i allmänhet som sekundära produkter vid sidan av primärmetaller som järn och koppar.

Över 90 % av världens sällsynta jordartsmetaller kommer från Kina där produktionsmonopol, handelsrestriktioner och illegal gruvdrift har fått priserna att fluktuera dramatiskt under åren.

Rapporter från det amerikanska energidepartementet, Europeiska unionen, och den amerikanska underrättelsekommissionen har märkt flera sällsynta jordartsmetaller som kritiska material, baserat på deras betydelse för ren energi, hög utbudsrisk, och brist på vikarier.

Dessa rapporter uppmuntrar forskning och utveckling av alternativa gruvmetoder såsom biomining som en potentiell begränsningsstrategi.

Att lyssna på dessa uppmaningar, laboratorier i Curtin, och Berkeley-universitetet har använt mikroorganismer för att lösa vanliga mineraler som innehåller sällsynta jordartsmetaller. Dessa pilotstudier har visat lovande resultat, med utvinningshastigheter som växer närmare de konventionella gruvmetoderna.

Eftersom de flesta elektronik har en notoriskt kort livslängd och dålig återvinningsbarhet, laboratorier experimenterar med "urban" biomining. Till exempel, biolakningsstudier har sett framgång med att extrahera sällsynta jordartsmetaller från fosforpulver som täcker fluorescerande klot, och användningen av mikroorganismer för att återvinna sällsynta jordartsmetaller från elektroniskt avfall som hårddiskmagneter.

De sällsynta jordartsmetallerna är avgörande för framtiden för vår teknik. Biomining erbjuder ett sätt att erhålla dessa värdefulla resurser på ett sätt som är både miljömässigt hållbart och ekonomiskt genomförbart.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.