有一种在美国本土开发的全新环保工艺，正被用于开采广泛应用于消费电子、清洁能源、防务以及生物医学成像中的稀土元素。该方法利用工程酵母以糖为原料生产草酸，从低品位矿石中几乎可以回收全部稀土元素。

缓解供应链与产能瓶颈

当前，中国在稀土元素和草酸供应方面都占据主导地位，传统工艺生产的草酸从下单到交付往往需要长达六个月。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的团队在响应美国国防高级研究计划局（DARPA）“环境微生物作为生物工程资源”项目征集时，识别出这一关键瓶颈，并与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员展开合作。后者长期利用工程酵母生产类似化合物，为探索美国本土生物制造替代方案提供了基础。

传统草酸生产过程中通常需要使用强酸，伴随产生对环境不友好的副产物。伊利诺伊大学博士后研究员、论文共同作者陆静霞指出：“我们的生物工程工艺使用的是酵母直接从葡萄糖生成的氧化剂，不再依赖传统强酸体系。”

酵母驱动的新型工艺

这项由伊利诺伊大学、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和肯塔基大学联合开展的概念验证研究，选用耐低 pH 的东方伊萨酵母（Issatchenkia orientalis）来生产草酸，并利用其浸出矿石中的稀土元素。相关成果已发表在《自然通讯》上。

伊利诺伊大学化学与生物分子工程教授赵惠敏表示：“通过对耐低 pH 的东方伊萨酵母进行工程改造，用于草酸的生物制造，我们大幅简化了工艺流程，使整个稀土回收过程在经济上具备潜在可行性。”

她补充说：“依托我们在该耐低 pH 酵母有机酸生产代谢工程方面的经验，我们快速构建出一种可生产超过 40 克/升草酸的酵母菌株，并能直接使用发酵液进行稀土沉淀，回收效率超过 99%。”

稀土分离与潜在影响

草酸能够与稀土元素形成沉淀，将其从溶液中选择性转化为固体，从而实现与锌等仍溶解在溶液中的“杂质”金属分离。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的焦永勤指出：“这一方法的突出优势在于，它把长期存在的供应链脆弱性转化为发展国内生物制造的机会。通过将耐低 pH 酵母的生物生产与选择性稀土沉淀结合起来，这项工作为构建可扩展、可持续的稀土纯化路线提供了方向。”

研究团队使用肯塔基大学提供的真实矿石样本，并在肯塔基大学和伊利诺伊大学开展实验室分析，对该工艺进行了验证。

肯塔基大学的里克·霍纳克表示：“这一步验证表明，生物来源草酸在真实矿石加工条件下同样有效，为其融入工业化稀土提取与纯化流程奠定了坚实基础。”

走向商业化的挑战与规划

尽管研究人员已经证明生物草酸在选择性分离矿石中的稀土元素方面表现优异，但他们也坦言，目前单位糖消耗所产生的草酸量仍偏低，要实现商业化应用，产率必须进一步提升。团队正在围绕这一关键指标持续优化。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的丹·帕克评价道：“这项研究很好地展示了合成生物学与化学工艺工程深度融合所能达成的成果。伊利诺伊大学在代谢工程方面的专长，与劳伦斯利弗莫尔国家实验室在稀土分离和工艺验证上的能力相结合，形成了一个真正多学科的团队，构建出从生物生产到材料回收的端到端解决方案。”