稀土生物制造及其高附加值材料应用★

doi:10.6023/A23070323

化学学报 ›› 2023, Vol. 81 ›› Issue (11): 1624-1632.DOI: 10.6023/A23070323 上一篇下一篇

所属专题：庆祝《化学学报》创刊90周年合辑

综述

稀土生物制造及其高附加值材料应用^★

钟越文^a^,^b, 钱希宁^a^,^b, 马超^a^,^b^,^*(), 刘凯^a^,^b^,^*(), 张洪杰^a^,^b

a 清华大学化学系北京 100084
b 清华大学稀土新材料教育部工程研究中心北京 100084

投稿日期:2023-07-08 发布日期:2023-10-13

作者简介:

钟越文, 清华大学化学系在读博士研究生, 主要从事稀土生物分离研究.

钱希宁, 清华大学化学系在读博士研究生, 主要从事稀土生物分离研究.

马超, 清华大学化学系/稀土新材料教育部工程研究中心, 副研究员. 主要从事生物合成化学、材料化学等方面的应用基础研究, 开展生物材料理性设计实现高鲁棒生物大分子材料的组装和宏量制造; 借助微生物底盘改造构建稀土细胞工厂, 实现资源绿色开采和高值利用. 国家优青基金获得者, 承担国家重点研发计划青年科学家项目负责人, 中国稀土学会稀土材料化学与生物技术交叉专业委员会秘书长, 入选北京市科技新星、中关村雏鹰人才计划.

刘凯, 清华大学化学系长聘教授, 清华大学稀土新材料教育部工程研究中心常务副主任、国家杰出青年科学基金获得者, 教育部创新团队负责人. 博士毕业于荷兰格罗宁根大学, 并在哈佛大学从事博士后研究. 研究方向为生物合成高端化学品及特种材料应用, 尤其聚焦于高性能稀土生物合成系统及高技术应用. 入选国家海外青年人才计划, 获荷兰NWO Rubicon award、首届中国化学会生命化学青年创新奖和中国稀土科学技术一等奖, 1项成果入选十三五科技创新成就展. 发表论文150余篇, 授权专利40余项. 目前担任科技部重点专项指南编制专家、中国稀土学会理事、稀土材料化学与生物技术交叉专委会副主任委员、中国工程院院刊Engineering客座编辑、ACS Applied Bio Materials等期刊编委.

张洪杰, 中国科学院院士、第三世界科学院院士, 无机化学家. 清华大学化学系教授, 中国科学院长春应用化学研究所研究员. 长期从事稀土功能材料的研究, 以材料的结构与功能关系为研究重点, 致力于解决影响学科发展的关键科学问题, 发展了系列材料制备的新方法和技术, 并将基础、高技术及应用研究有机结合, 研制出的稀土新材料已成功应用于汽车、照明、航天航空和国防军工等领域, 满足了国家的重大战略需求. 张洪杰研究员以第一作者或通讯作者及共同通讯作者发表SCI收录论文500余篇, 发表论文被他人引用40000余次; 主办国内外学术会议12次, 国内外大会和邀请报告78次; 10种国内外权威期刊的副主编、编委或顾问编委; 已授权发明专利80项, 包括美国专利2项, 欧盟十国专利1项, 日本专利1项, 国防专利1项; 以第一完成人获2010年国家自然科学二等奖、2007年吉林省科技进步一等奖、2013年吉林省技术发明一等奖、2015年吉林科学技术特殊贡献奖以及2015年中国科学院杰出科技成就集体奖各1项. 现任中国稀土行业协会理事长, 973首席科学家, 英国皇家化学会士, 是中科院长春应化所无机化学学科和稀土资源利用国家重点实验室学术带头人. 1997年获国家杰出青年基金, 1998年获香港求是基金会杰出青年学者奖, 2001年入选中科院百人计划, 2010年入选国家基金委创新群体学术带头人, 2013年获吉林省政府创新创业人才奖. 由于学术成就突出, 并且在学科发展、人才凝聚及国家重点实验室建设等方面做出了重要的贡献, 2013年当选中国科学院院士, 2015年当选为发展中国家科学院院士.

^★庆祝《化学学报》创刊90周年.

基金资助:
国家自然科学基金(22020102003); 国家自然科学基金(22277064); 国家重点研究计划(2021YFB3502300); 清华大学自主科研计划资助.

Rare Earth Biological Manufacturing and High Value-added Material Application^★

Yuewen Zhong^a^,^b, Xining Qian^a^,^b, Chao Ma^a^,^b(), Kai Liu^a^,^b(), Hongjie Zhang^a^,^b

a Department of Chemistry, Tsinghua University, Beijing 100084
b Engineering Research Center of Advanced Rare Earth Materials, Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084

Received:2023-07-08 Published:2023-10-13
Contact: *E-mail: chaoma_chem@tsinghua.edu.cn; kailiu@tsinghua.edu.cn
About author:
^★Dedicated to the 90th anniversary of Acta Chimica Sinica.
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(22020102003); National Natural Science Foundation of China(22277064); National Key Research & Development Program of China(2021YFB3502300); Tsinghua University Initiative Scientific Research Program.

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摘要/Abstract

稀土元素作为现代高精尖产业技术发展的重要原材料, 被广泛应用于各个前沿领域. 由于分布相对分散, 稀土元素的开采常伴随着对自然环境的破坏; 相似的化学性质也使稀土元素间的分离伴随着较高的能源消耗与污染排放. 通过构建工程稀土微生物, 可利用生物采矿技术克服传统工艺所面临的困难. 此外, 工程稀土微生物合成平台的建立, 可实现高附加值稀土生物材料的原位合成, 有效推进稀土生物材料的临床转化研究及应用. 本综述对稀土微生物的理性设计、高附加值稀土生物材料的合成及其应用进行了综述, 并最终对该领域的未来研究与发展提出了展望.

关键词: 稀土元素, 稀土分离, 稀土蛋白, 稀土生物材料

Rare earth elements (REEs) are widely used in various frontier fields as critical raw materials for the development of modern industries and technologies. Due to the scattered distribution, the mining of rare earth elements is often accompanied by damage to the natural environment; similar chemical properties also make the separation of rare earth elements with high energy consumption and severe pollution. Through the construction of engineered rare earth microorganisms, biomining technology can be employed to address the challenges encountered in traditional processes. Moreover, establishing an engineered rare earth microbial synthesis platform enables the in situ synthesis of high value-added rare earth biomaterials, thereby facilitating clinical translational research and application in the field of rare earth biomaterials. The rational design of rare earth microorganisms, the synthesis of high value-added rare earth biomaterials, and their applications are discussed in this review. An outlook for future research and development in this field is presented.

Key words: rare earth element (REE), REE separation, REE protein, REE biomaterial

引用此文

钟越文, 钱希宁, 马超, 刘凯, 张洪杰. 稀土生物制造及其高附加值材料应用^★[J]. 化学学报, 2023, 81(11): 1624-1632.

Yuewen Zhong, Xining Qian, Chao Ma, Kai Liu, Hongjie Zhang. Rare Earth Biological Manufacturing and High Value-added Material Application^★[J]. Acta Chimica Sinica, 2023, 81(11): 1624-1632.

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图/表 10

图1. 稀土微生物示意图

Figure 1. Schematic diagram of rare earth microorganisms Rare earth microorganisms can be used to process (1) rare earth tailings, (2) rational design of proteins and (3) chassis engineering, into (4) high purity rare earth oxides, (5) value-added REE proteins and (6) functional REE biomaterials

图2. 与镧系元素代谢相关的蛋白. (A)甲醇脱氢酶XoxF; (B)镧调蛋白LanM

Figure 2. Proteins associated with lanthanide metabolism. (A) XoxF-MDH; (B) Lanmodulin, LanM

图3. 菌株TR-21的生物吸附与矿化情况. (A) 利用电感耦合等离子体发射光谱法(inductively coupled plasma optical emission spectrometer, ICP-OES)检测四个假单胞菌属菌株对14种稀土元素的吸附能力; (B) TR-21在30 d后单独吸附La(III)、Sm(III)、Tb(III)和Lu(III)的高分辨透射电子显微镜图像

Figure 3. Strain screening for efficient adsorption and biosynthesis of REEs. (A) The adsorption capacity of four Pseudomonas species to 14 REEs was examined by inductively coupled plasma optical emission spectrometer (ICP-OES). (B) HRTEM images of TR-21 after 30 d of adsorption of La(III), Sm(III), Tb(III), and Lu (III) alone

图4. (A)利用Lpp-OmpA体系在大肠杆菌表面展示多聚dLBT; (B)利用CWP110体系在解脂耶氏酵母表面展示LanM

Figure 4. (A) Surface display of dLBTs on the surface of Escherichia coli using the Lpp-OmpA system; (B) surface display of LanM on the surface of Yarrowia lipolytica using the CWP110 system

图5. Tb3+结合的SUP粘合剂示意图

Figure 5. Schematic diagram of Tb3+-bound SUP binder

图6. (A)使用稀土结合类弹性蛋白RELP选择性回收稀土示意图; (B)利用LanM进行表面修饰的磁性纳米粒子分离稀土元素

Figure 6. (A) Schematic of selective REE recovery using RELP; (B) separation of REEs by LanM modified magnetic nanoparticles, MNP-LanM

图7. 基于固体基质DLanM固定的色谱法稀土元素分离

Figure 7. Separation of REEs by chromatography, based on DLanM immobilized matrix

图8. (A)使用RS-GA纤维在大鼠模型中构建纤维贴片进行为期6周的疝气修复实验; (B)在猪肾脏模型中演示SUP胶水的止血功能; (C)大鼠皮肤组织受伤后8 d过程中, 研究SUP胶水促进伤口闭合和组织再生的能力

Figure 8. (A) Construction of fiber patches using RS-GA fibers in a rat model for a 6-week hernia repair experiment; (B) demonstration of the hemostatic function of SUP glue in a porcine kidney model; (C) study of the ability of SUP glue to promote wound closure and tissue regeneration in rats during 8 d after skin tissue injury

图9. 对LKS和DLKS-B粘合剂进行伤口愈合能力评估. 处理方法分别为空白对照、缝合、医用粘合剂、LKS 粘合剂和DLKS-B 粘合剂, 图中展示在1、3、6和9 d后, 伤口愈合情况的照片. 每组进行三次平行实验

Figure 9. The evaluation of healing capacity of LKS and DLKS-B adhesives. The treatments were blank, suture, medical adhesive, LKS adhesive, and DLKS-B adhesive, and the figure shows photographs of wound healing after 1, 3, 6 and 9 d. Three individual experiments were performed for each group

图10. (A) UCNPs@SiO2@CuS纳米复合材料用于多通道协同治疗的示意图; (B)两类近红外(650~1700 nm)发射镧系元素Ln卟啉复合物

Figure 10. (A) The schematic diagram of UCNPs@SiO2@CuS nanocomposites for multichannel synergistic therapy; (B) two classes of near-infrared (NIR, 650~1700 nm) emitting Ln porphyrinoids

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