Медь остается одним из самых распространенных металлов в повседневной жизни. Как проводник тепла и электричества, она используется в проводах, кровле и водопроводе, а также в качестве катализатора на нефтехимических заводах, солнечных и электрических проводников и для широкого спектра приложений, связанных с энергией. Следовательно, любой метод сбора большего количества ценного металла оказывается полезным.
Теперь ученые провели исследование для понимания того, как бактерии, обнаруженные в медных рудниках, превращают токсичные ионы меди в стабильную одноатомную медь.
В статье «Бактерии, добывающие медь: преобразование токсичных ионов меди в стабильную одноатомную медь», их исследование демонстрирует, как устойчивые к меди бактерии из медного рудника в Бразилии превращают ионы сульфата меди в металлическую медь с нулевой валентностью.
«Идея наличия бактерий в шахтах не нова, но остался без ответа вопрос: что они делают в шахтах?» — говорит Франсиско Эрнандес, профессор Технологического колледжа UH. «Поместив бактерии в электронный микроскоп, мы смогли выяснить физику и проанализировать ее. Мы выяснили, что бактерии выделяют одноатомную медь. С точки зрения химии, это чрезвычайно сложно определить. Обычно это агрессивные химические вещества. используется для производства отдельных атомов любого элемента. Эта бактерия создает его естественным образом, что очень впечатляет».
Как бы ни была полезна медь, процесс добычи металла часто приводит к токсическим воздействиям и проблемам при извлечении значительного объема для коммерческого использования. По данным Copper Development Association Inc., мировые запасы меди оцениваются примерно в один миллиард тонн, из которых ежегодно добывается около 12,5 миллионов метрических тонн.
Это в совокупности составляет примерно 65 лет оставшихся запасов. Часть проблемы с поставками возникает из-за ограниченного количества доступной меди в высокой концентрации в земной коре, но другой проблемой является воздействие диоксида серы и диоксида азота в процессе плавки и производства меди для концентрирования металла в полезных количествах.
«Новизна этого открытия заключается в том, что микробы в окружающей среде могут легко преобразовать сульфат меди в одноатомную медь с нулевой валентностью. Это прорыв, потому что текущий процесс синтеза одноатомной нулевой меди обычно не является чистым, трудоемким и дорогим», — говорят ученые.
«Микробы используют уникальный биологический путь с множеством белков, которые могут извлекать медь и превращать ее в одноатомную медь с нулевой валентностью. Цель микробов — создать для себя менее токсичную среду, преобразовав медь в одиночную и в то же время они производят что-то полезное и для нас».
Сосредоточившись на электронной микроскопии, исследователи изучили образцы из бразильских медных рудниках и определили одноатомную природу меди. Далее они идентифицировали бактериальный процесс превращения сульфата меди в простую медь — редкая находка.
Результаты исследований показывают, что этот новый процесс преобразования в качестве альтернативы производству одиночных атомов металлической меди является более безопасным и более эффективным по сравнению с существующими методами (например, химическим осаждением из паровой фазы, напылением и фемтосекундной лазерной абляцией).
«Мы работали только с одной бактерией, но она, возможно, не единственная, которая выполняет аналогичную функцию», — заключили исследователи. «Следующим шагом является извлечение меди из этих клеток и использование ее в практических целях».
Louise Hase Gracioso et al, Copper mining bacteria: Converting toxic copper ions into a stable single-atom copper, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abd9210