【自研报告】美国利用微生物提取稀土元素情况调研

一、引言与项目背景

（一）美国稀土供应链挑战与战略需求

稀土元素（REEs）是现代高科技产业和国防工业不可或缺的关键材料，广泛应用于永磁体、催化剂、光纤和磷光显示器等领域，对风力涡轮机、电动汽车、智能手机以及先进军事系统至关重要。然而，美国在稀土供应链上存在严重的战略脆弱性。稀土是所有先进军事系统的基石，例如一架F-35“闪电II”战斗机需要超过900磅的稀土元素，一艘“弗吉尼亚”级潜艇则需要9200磅。对潜在对手的战略性材料的依赖，直接削弱了美国国防部（DOD）的行动准备和应对全球威胁的能力。

除了国防领域，稀土对美国经济和技术创新也至关重要。即使是美国国内开采的稀土，也常因缺乏国内加工能力而不得不出口到海外进行精炼，这在供应链中形成了一个关键瓶颈。这种对外国加工的依赖，特别是对韩国等地的依赖，增加了供应链的复杂性和成本。

面对这一严峻挑战，美国政府已达成广泛的两党共识，将确保国内稀土供应链安全提升为国家优先事项。自2020年以来，美国国防部已投入超过4.39亿美元用于建设国内稀土供应链，并设定了到2027年实现可持续的“从矿山到磁体”供应链的宏伟目标。这项全面战略不仅包括开发国内稀土分离、精炼能力，还涵盖将其转化为最终金属和磁体的下游工艺。通过援引《国防生产法》（DPA）和《两党基础设施法》（BIL）等关键立法工具，政府正积极为这些关键项目提供资金支持。

这种大规模的政府投入，表明美国正在从过去单纯追求成本效益的策略，转向优先考虑国家安全和供应链韧性。这意味着未来稀土项目的评估将更注重其对减少对外依赖和增强国家战略自主性的贡献，将地缘政治风险纳入广义的“成本效益”考量。

（二）微生物提取稀土的优势概览

传统的稀土提取方法因其对环境的破坏性、高能耗以及产生大量危险废弃物而广受诟病，这主要是由于其依赖有毒试剂和腐蚀性有机溶剂。相比之下，生物采矿（即微生物提取）提供了一种显著更环保的替代方案。该技术能耗极低，产生的微生物副产物（如有机酸和气体）也较少，本质上对环境更为友好。至关重要的是，这些过程可以在常温常压下进行，完全避免了使用强腐蚀性化学品。

这种“绿色”特性有助于克服传统稀土开采面临的环境监管和许可难题。微生物提取还具备显著的经济可行性和资源利用优势。它能够高效利用低品位金属资源，包括大量的矿山尾矿和电子废弃物（E-waste），这些资源通过传统方法处理通常不具经济效益。这种能力将原本被视为废弃物的材料转化为有价值的资源，从而积极推动循环经济的发展。

初步的经济分析表明，生物浸出技术在处理低浓度稀土的原料时具有经济可行性，并且存在进一步优化经济效益的明确途径。微生物提取技术的一个核心优势在于其固有的选择性和效率。通过基因工程改造的细菌能够从复杂的废物流中高度选择性地吸附特定稀土元素。研究已证明，稀土生物浸出效率显著提高；例如，通过靶向基因工程，氧化葡萄糖杆菌（Gluconobacteroxydans）的稀土生物浸出效率提高了高达73%，而海洋弧菌（Vibrionatriegens）对镝的吸附效率提高了210%。这种内在的选择性对于分离化学性质高度相似、通常共生于同一矿床中的稀土元素至关重要。

此外，某些参与稀土提取的微生物，如氧化葡萄糖杆菌，还具有捕获二氧化碳的突破性能力。这些微生物能加速天然岩石风化过程，促进石灰石的形成，从而永久性地封存大气中的二氧化碳。这提供了一种强大的“双重解决方案”，即在回收关键金属的同时，也有效缓解了气候变暖的碳排放。这种多重效益使得微生物提取技术不仅是传统方法的替代品，更是一种能够建立真正可持续和环保的国内采矿业的变革性技术，与更广泛的国家环境政策目标相契合。

（三）本调研目的

本调研旨在深入剖析美国当前利用微生物提取稀土的具体项目，以期全面了解其最新进展、主要参与方以及已实现的实际效果。

二、美国政府对稀土生物提取的主要资助计划与倡议

美国政府通过多个部门和机构，积极资助和推动稀土生物提取领域的研究与开发，以期增强国内稀土供应链的韧性。

（一）能源部(DOE)相关计划

能源部（DOE）在关键材料领域扮演着核心角色，其下属机构通过多种计划支持稀土的提取和分离，其中包括生物提取技术。

1.ARPA-E（高级能源研究计划署）资助的稀土项目

ARPA-E是DOE下属的一个机构，专注于资助高风险、高回报的颠覆性清洁能源技术研究。该机构已资助了明确提及生物提取/生物回收的稀土项目。

2.DOE关键材料与制造办公室(OCMM)或其他相关办公室的项目

DOE的能源技术实验室（NETL）通过其关键矿产和材料（CMM）计划，致力于重建美国在关键矿产（包括稀土元素）提取和加工技术方面的领导地位。该计划的重点是利用非常规和二次资源，如煤炭、煤矸石、粉煤灰、酸性矿山排水、矿山废弃物以及油气采出水和盐水等。虽然NETL的资助项目列表并未明确标注“微生物提取”或“生物回收”为主要技术路线，但其“关键矿产加工”领域涵盖了“常规和先进提取、分离、精炼和纯化工艺研发”，并强调开发“减少水或化学品使用量”的加工方法，以及“关注CMM操作的整体环境性能”的科学研究。这为生物提取技术提供了潜在的资助空间。

（二）国防部(DOD)相关计划

国防部（DOD）将稀土元素视为国家安全供应链的关键组成部分，并通过多项计划积极推动生物技术在稀土提取中的应用。

1.DARPA（国防高级研究计划局）的项目:DARPA的“环境微生物作为生物工程资源”（EMBER）计划是DOD在稀土生物提取领域的核心项目。该计划旨在开发一种基于生物技术的稀土元素（REEs）分离和纯化策略，利用磷酸盐矿山废弃物、酸性矿山排水和电子回收过程等未充分利用的国内资源。

2.DOD关键矿产和材料战略下的资助项目:DOD的战略目标是建立一个“从矿山到磁体”的国内稀土供应链，以降低对外国来源的依赖。自2020年以来，DOD已投入超过4.39亿美元用于此目标。

（三）国家科学基金会(NSF)的相关拨款

国家科学基金会（NSF）是美国支持基础研究和早期概念验证项目的主要联邦机构。其环境工程项目支持通过“封闭资源循环、智能改良、环境操控或工程化修复”来减少污染及其环境和人类影响的基础研究。

NSF的资助模式侧重于基础科学突破和早期概念验证，这与DOE和DOD更侧重于技术成熟度较高的示范和商业化项目形成互补。NSF对环境工程的广泛支持，为稀土生物提取相关的基础生物学、材料科学和分离工程研究提供了重要支撑，为未来更成熟的生物技术应用奠定了科学基础。

三、核心现有项目案例分析

本节将针对美国利用微生物提取稀土的具体现有项目进行详细分析，涵盖其背景、目标、参与方、进展、成果及未来展望。

（一）项目案例1：加州大学伯克利分校的“配体促进生物富集：从电子废弃物中生物采矿稀土及其他关键金属”项目

1.项目背景与目标

（1）项目启动时间、持续时间：该项目于2021年1月1日启动，并于2023年6月30日结束。

（2）旨在解决的具体问题：旨在开发一个高选择性、环境友好的细菌平台，从复杂的电子废弃物（E-waste）流中回收稀土元素（REEs）。这些废弃物包括磁屑、印刷电路板回收废料和废旧移动设备等复杂基质。该项目直接回应了传统稀土提取方法对环境的破坏性、高能耗以及产生大量危险废弃物的问题。通过生物方法，可以避免使用强酸或有机溶剂，从而降低环境风险和处理成本。

（3）预期达成的关键技术指标：预期通过工程化单一细菌物种，使其能够从固体原料中获取稀土，并在中性pH条件下将其转化为稀土矿物。通过结合合成生物学与生物工程技术，该项目旨在增强稀土的浸出、吸收和储存能力。此外，项目计划使用廉价易得的甲醇作为细菌生长的碳源和能源，以提高工艺的经济性。

2.主要参与人员与团队

牵头机构：加州大学伯克利分校(UniversityofCaliforniaBerkeley)。

3.项目资助与进展

（1）资助机构与金额：该项目由ARPA-E（高级能源研究计划署）资助，金额为1,100,000美元。

（2）当前处于哪个阶段：该项目已于2023年6月30日结束。

4.效果评价与未来展望

已验证的效果：项目描述强调了“高选择性”和“环境友好”的细菌平台。通过避免使用强酸或有机溶剂，该方法在环境效益方面具有显著优势。使用廉价的甲醇作为碳源也有助于降低运营成本。

（二）项目案例2：康奈尔大学与REEgen公司的微生物提取稀土技术

1.项目背景与目标

（1）项目启动时间、持续时间：康奈尔大学研究人员对氧化葡萄糖杆菌（Gluconobacteroxydans）的研究已持续七年。REEgen公司作为康奈尔大学的衍生公司，成立于2022年2月。

（2）旨在解决的具体问题：该项目旨在通过利用工程化细菌，从矿石和非常规原料中回收稀土元素，以应对传统稀土提取方法对环境的破坏性、高成本和低效率问题。特别关注从现有回收行业的副产品中回收稀土，如钢渣、电子废弃物、废催化剂和粉煤灰，以建立循环且安全的供应链，降低地缘政治风险。此外，康奈尔大学的研究还探索了微生物在提取稀土的同时捕获二氧化碳的能力，提供了一种双重解决方案。

（3）预期达成的关键技术指标：目标是实现低温、低压、低环境影响的稀土提取，并利用高通量基因工程策略快速调整细菌以适应多种稀土原料。具体而言，康奈尔大学的研究旨在显著提高稀土生物浸出效率（例如，通过基因编辑将氧化葡萄糖杆菌的稀土生物浸出效率提高高达73%，提取效率提高高达111%）。对于海洋弧菌（Vibrionatriegens），目标是提高其对稀土的生物吸附能力和选择性，例如将镝的生物吸附能力提高210%。

2.主要参与人员与团队

（1）牵头机构：康奈尔大学（CornellUniversity）及其衍生公司REEgen。

（2）项目负责人/首席研究员(PI)：康奈尔大学生物与环境工程副教授BuzBarstow博士和地球与大气科学系教授EstebanGazel是康奈尔大学研究团队的领导者。

（3）核心团队成员：

REEgen公司：首席执行官兼联合创始人AlexaSchmitz博士（康奈尔大学能源系统研究所前博士后研究员）和首席技术官兼联合创始人SeanMedin（研究生）。其他团队成员包括实验室研究副总裁BrookePian，运营与市场助理SarahWoodams，微流体工程师AkashGanesh，生物地球化学家YiSang。

康奈尔大学研究团队：AlexaSchmitz博士（已是REEgen首席执行官）、SabrinaMarecosOrtiz（Barstow实验室博士生）和JosephLee（Barstow实验室博士生）是近期发表论文的主要作者。

（4）合作单位：康奈尔大学Praxis风险开发中心。REEgen是ActivateFellows项目的一部分，该项目支持早期职业研究人员将创新研究转化为市场技术。

3.项目资助与进展

（1）资助机构与金额：REEgen公司已从多个来源获得资助，包括小企业创新研究（SBIR）拨款27.5万美元，FuzeHub拨款6.5万美元，以及ClimateTechVC拨款5万美元。康奈尔大学的G.oxydans研究还获得了国家科学基金会全球中心项目、美国陆军高级民事教育项目、康奈尔阿特金森可持续发展中心、康奈尔工程学院、林克基金会能源奖学金、康奈尔能源系统研究所博士后奖学金、总统生命科学奖学金和工程学习倡议奖学金的额外资助。

（2）当前处于哪个阶段：康奈尔大学的研究处于实验室研究阶段，并在不断取得基础科学突破和微生物工程进展。REEgen公司正致力于将这些技术商业化，并已从多个来源获得资助，表明其处于早期商业化和技术验证阶段。

（3）已发表的显著成果：

学术论文：近期（2025年5月和4月）在《通讯生物学》（CommunicationsBiology）和《科学报告》（ScientificReports）上发表了三篇重要论文。这些论文详细阐述了如何通过基因编辑提高氧化葡萄糖杆菌的稀土生物浸出效率（高达73%）和整体提取效率（高达111%）。此外，还首次描述了氧化葡萄糖杆菌与超镁铁质矿物相互作用以加速碳捕获的过程（效率提高58倍）。

（4）媒体报道或官方更新：康奈尔大学新闻中心和REEgen公司网站定期发布项目进展和媒体报道。例如，2025年5月5日，《基督教科学箴言报》报道了“追求关键矿产的新思路：利用已开采的废料”。2024年1月24日，《康奈尔每日太阳报》报道了康奈尔研究人员如何通过基因工程提高细菌提取稀土的能力。REEgen还于2024年3月27日成为稀土工业协会的成员。

（5）关键里程碑：成功通过基因编辑显著提高稀土提取效率和选择性。发现并利用微生物在稀土提取过程中同时进行碳捕获的能力。REEgen公司作为衍生公司成立并获得多轮资助，标志着技术商业化进程的开启。

4.效果评价与未来展望

（1）已验证的效果：

稀土提取率与选择性：氧化葡萄糖杆菌的生物浸出效率提高了73%，整体提取效率提高了111%。海洋弧菌对镝的生物吸附能力提高了210%，并显示出对轻重稀土元素之间更高的选择性。这些数据表明微生物技术在提高稀土回收效率和纯度方面具有巨大潜力。

环境效益：过程在常温常压下进行，不使用强酸或有机溶剂，显著减少了环境危害。某些微生物还能将碳捕获效率提高58倍，提供额外的环境价值。

（2）存在的问题与挑战：尽管实验室成果喜人，但从实验室规模到工业规模的放大仍是主要挑战。如何维持微生物在复杂、大规模工业环境中的活性和稳定性，以及如何高效地从生物提取液中纯化出多种稀土，仍需进一步研究。商业化进程中，需要持续的资金投入和技术优化，以确保与现有方法的经济竞争力。

（3）下一步计划：REEgen致力于将技术商业化，并已获得多轮资助，包括小企业创新研究（SBIR）拨款。公司正在探索其在稀土供应链中的位置，目标是建立一个更清洁、循环和多样化的供应链。未来的重点将是扩大技术规模，并可能寻求与行业伙伴的合作，以实现大规模生产。

（4）外部评价：REEgen是ActivateFellows项目的一部分，该项目旨在支持深科技创新者将研究成果推向市场，这表明其技术和商业模式得到了行业专家的认可。

（三）项目案例3：爱达荷国家实验室（INL）的生物湿法冶金与稀土回收项目

1.项目背景与目标

（1）项目启动时间、持续时间：爱达荷国家实验室（INL）在关键材料分离和提取领域拥有超过40年的经验，其生物湿法冶金研究是长期持续的努力。近期，INL与USCriticalMaterialsCorp.于2024年初启动了第二阶段合作研发协议（CRADA）。

（2）旨在解决的具体问题：INL致力于开发利用生物浸出技术从多种资源中回收关键金属（包括稀土元素、锂、钴、碲）的工艺，这些资源包括矿石、尾矿、流化催化裂化催化剂废料、磷光体废料、磷石膏、永磁体废料和锂离子电池黑块等。其核心目标是提供一种经济可行且环境友好的稀土回收方法，以替代传统的高热、高压和苛刻化学品工艺。INL与USCriticalMaterialsCorp.的合作则专注于从蒙大拿州SheepCreek矿床的高品位矿石中提取稀土和镓，以加强美国国家安全和能源独立性。

（3）预期达成的关键技术指标：INL的目标是开发利用微生物还原-氧化反应、硫化物矿物氧化产生硫酸，或生物生产酸性/螯合代谢物（如有机酸）的工艺，以溶解和释放固体基质中的金属。经济分析表明，该生物浸出过程是经济可行的，并且存在进一步提高经济效益的途径，尤其是在处理低浓度稀土时。与USCriticalMaterialsCorp.的试点工厂目标是每天处理1至2吨矿石，以验证创新的矿物加工和分离技术，并建立知识产权和可扩展的国内生产能力。

2.主要参与人员与团队

（1）牵头机构：爱达荷国家实验室（IdahoNationalLaboratory,INL）。

（2）项目负责人/首席研究员(PI)：VickiThompson是INL的杰出工程师，参与了生物浸出商业规模工厂的经济性分析。Reed也参与了相关研究。

（3）核心团队成员：INL的生物和化学处理部门的研究人员。

（4）合作单位：USCriticalMaterialsCorp.（在蒙大拿州和爱达荷州拥有大量矿产，致力于确保高品位稀土和镓的国内可持续供应）。

3.项目资助与进展

（1）资助机构与金额：无具体资助金额，

（2）当前处于哪个阶段：INL的生物浸出研究已达到实验室规模的生物反应器系统和堆浸模拟阶段，效率在20%到50%之间。与USCriticalMaterialsCorp.的合作已进入第二阶段，旨在建立一个试点规模的加工厂，并于2024年初确认了SheepCreek矿体中镓和稀土元素的高浓度。该试点工厂将验证专有的加工方法，以确保全面生产能力。

（3）已发表的显著成果：

经济分析：INL研究人员对商业规模生物浸出工厂的建设和运营成本进行了分析，结果表明该过程是经济可行的，并且有多种途径可以进一步改善经济效益。

环境影响评估：生物浸出技术相比传统方法具有更少的环境影响，因为其避免了高热、高压和苛刻化学品的使用。

学术论文：研究材料中提及了关于微生物（如黑曲霉和氧化亚铁硫杆菌）在酸性条件下生物浸出稀土的相互作用机制研究。此外，INL还进行了利用氧化葡萄糖杆菌（Gluconobacteroxydans）回收稀土的研究。

（4）媒体报道或官方更新：INL官方网站发布了关于“食金属微生物证明回收稀土元素具有成本效益”的专题报道。USCriticalMaterialsCorp.和INL也发布了关于合作建立下一代稀土/关键矿产加工厂的新闻稿。

（5）关键里程碑：成功证明了生物浸出工艺的经济可行性。与USCriticalMaterialsCorp.的合作进入试点工厂建设阶段，旨在验证大规模生产能力。

4.效果评价与未来展望

（1）已验证的效果：

稀土提取率：实验室规模生物反应器和堆浸模拟的效率在20%到50%之间。

成本估算：生物浸出被证明比大多数传统稀土回收技术更经济。

环境效益：相比传统方法，生物浸出具有更少的环境影响，减少了对高热、高压和苛刻化学品的需求。

（2）存在的问题与挑战：尽管经济性分析乐观，但仍需进一步优化生物浸出工艺以提高效率。寻找低成本的糖源来喂养细菌是提高经济效益的关键。此外，如何从多种资源（如灯用荧光粉、计算机磁体、矿山尾矿和磷石膏）中高效提取稀土并进行纯化，仍需深入研究。

（3）下一步计划：INL计划继续完善生物浸出工艺，并寻找新的低成本糖源。他们还将分析不同原料的经济性，并致力于将技术从实验室推向更大规模的应用。与USCriticalMaterialsCorp.的试点工厂将进一步验证大规模生产能力，并为未来的商业化奠定基础。

（4）外部评价：INL在关键材料分离和提取方面拥有世界级的独特能力，其生物湿法冶金专业知识得到广泛认可。与USCriticalMaterialsCorp.的合作被视为“加强美国国家安全”和“确保美国技术和军事竞争力”的重要一步。

（四）项目案例4：圣地亚哥州立大学（SDSU）DARPAEMBER项目

1.项目背景与目标

（1）项目启动时间、持续时间：圣地亚哥州立大学（SDSU）于2023年4月10日宣布获得DARPAEMBER项目的资助。该项目为期四年。

（2）旨在解决的具体问题：旨在开发环保的稀土元素（REEs）提取技术，以提高国内稀土供应。具体而言，项目将利用生活在极端条件下的甲烷消耗细菌的天然特性来捕获稀土，并计划从矿山尾矿中回收这些元素。这直接解决了传统稀土提取方法效率低下、环境污染严重以及对工人健康有害的问题。

（3）预期达成的关键技术指标：研究人员将逆向工程化细菌从环境中获取金属的生物过程，并修改细菌使其在细胞表面产生金属结合蛋白。目标是开发一种生物过滤器，其中含有经过修饰的细菌，能够选择性地结合稀土元素。这种生物过滤器将能够耐受矿山尾矿中的极端pH、温度和盐度条件。该项目的目标是在四年内提供生物驱动稀土回收技术的概念验证。

2.主要参与人员与团队

（1）牵头机构：圣地亚哥州立大学（SanDiegoStateUniversity,SDSU）。

（2）项目负责人/首席研究员(PI)：生物学家MarinaKalyuzhnaya是该项目的主要研究者。环境工程师ChristyDykstra也参与其中。

（3）核心团队成员：生物化学家JohnLove。

（4）合作单位：加州大学伯克利分校（UniversityofCalifornia,Berkeley）、太平洋西北国家实验室（PacificNorthwestNationalLaboratory,PNNL）以及行业伙伴帕洛阿尔托研究中心（PARC，施乐公司旗下）。PNNL团队将负责识别极端嗜盐和稀土积累细菌的遗传决定因素，并表征其稀土吸收能力。PARC将合作生物打印用于生物过滤器的多孔吸附材料。

3.项目资助与进展

（1）资助机构与金额：该项目由DARPA（国防高级研究计划局）资助，总价值为790万美元。

（2）当前处于哪个阶段：该项目处于研发初期阶段，旨在四年内完成概念验证。研究重点是理解细菌的生物过程、基因修改以及生物过滤器的设计和优化。

（3）已发表的显著成果：无具体的学术论文或专利，但项目进展涉及对甲烷消耗细菌生物过程的逆向工程和金属结合蛋白的设计。

（4）关键里程碑：成功设计出能够产生增强稀土结合蛋白的细菌。开发出能够耐受极端条件的生物过滤器原型。

4.效果评价与未来展望

（1）已验证的效果：项目预期在环境效益和能源成本方面具有显著优势。生物过滤系统预计将是一种更被动的系统，能耗更低。

（2）存在的问题与挑战：最大的挑战在于实现概念验证，并确保生物驱动的稀土回收技术在四年内达到预期目标。如何高效地从生物过滤器中收集纯化的稀土元素也是一个需要解决的问题。此外，该技术仍需进行成本分析和环境影响评估，以确保其商业可行性。

（3）下一步计划：团队将继续测试和优化生物过滤器，并开发纯化和收集稀土的方法。项目还将为SDSU研究生提供多学科研究机会，培养从概念到试点示范的实践能力。

（4）外部评价：该项目获得了DARPA的资助，表明其在国家安全和关键材料供应方面的战略重要性得到了认可。

（五）项目案例5：劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）DARPAEMBER项目

1.项目背景与目标

（1）项目启动时间、持续时间：劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的DARPAEMBER项目于2024年3月21日获得了第二阶段的额外资助。DARPAEMBER项目总计为期四年。

（2）旨在解决的具体问题：旨在开发一种新的分离技术，利用生物工程蛋白来提高稀土元素（REEs）的浓度，使其更容易被国防部门利用。该项目直接响应了美国对外国实体在稀土分离和纯化方面的依赖，以及传统化学提取过程对环境有害且复杂的问题。

（3）预期达成的关键技术指标：目标是识别和优化稀土结合蛋白，包括筛选天然存在的蛋白质和从头设计蛋白质，以实现稀土分离。特别是，研究人员发现了一种名为“lanmodulin”的蛋白质，能够实现从电子废弃物和燃烧前煤炭中一步定量和选择性地提取稀土，这是其他化学提取方法无法实现的。最终目标是将该技术商业化，应用于采矿、采矿技术和稀土回收领域。

2.主要参与人员与团队

（1）牵头机构：劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LawrenceLivermoreNationalLaboratory,LLNL）。

（2）项目负责人/首席研究员(PI)：LLNL科学家YongqinJiao是该项目的主要研究者。LLNL科学家DanPark也是团队成员。

（3）核心团队成员：LLNL研究人员ZiyeDong、PatrickDiep、JeremySeidel、EdLau、FangchaoSong和LinSong。

（4）合作单位：宾夕法尼亚州立大学（PennState）。LLNL已将其在联合知识产权中的权益授权给先进生物化学初创公司AltaResourceTechnologies进行商业化。

3.项目资助与进展

（1）资助机构与金额：该项目由DARPA（国防高级研究计划局）资助，LLNL团队获得了460万美元的额外研发资金用于第二阶段研究。

（2）当前处于哪个阶段：该项目已进入第二阶段，获得了DARPA的额外资助。团队正在继续表征和测试更广泛的潜在有用蛋白质，并利用机器学习分析数据，希望将该方法从稀土元素扩展到其他关键材料。

（3）已发表的显著成果：LLNL与宾夕法尼亚州立大学的合作已产生了一系列知识产权组合。研究发现并表征了细菌中能够吸引稀土元素并区分它们的特定蛋白质，这些蛋白质对于分离化学性质相似的稀土元素至关重要。

（4）媒体报道或官方更新：LLNL新闻中心发布了关于该项目进展的报道，例如“受自然启发，蛋白质挑选出任务关键金属”和“专注于稀土元素”。

（5）关键里程碑：发现了具有一步定量和选择性提取稀土能力的lanmodulin蛋白质。成功将联合知识产权授权给商业公司进行技术转化。获得了DARPA第二阶段的额外资助，表明项目进展顺利并具有前景。

4.效果评价与未来展望

（1）已验证的效果：lanmodulin蛋白质能够实现从电子废弃物和燃烧前煤炭中一步定量和选择性地提取稀土。这种蛋白质基技术有望提供比传统溶剂萃取方法更强的分离能力。该方法利用自然过程，有望实现更环保、更经济的稀土回收。

（2）存在的问题与挑战：尽管蛋白质基技术具有高选择性，但其规模化生产和在工业环境中的稳定性仍是挑战。如何将实验室规模的蛋白质分离技术放大到商业应用，并确保其在复杂原料中的高效运行，需要进一步的工程开发。

（3）下一步计划：团队将继续识别和优化稀土结合蛋白，并利用机器学习来设计和改进具有增强稀土特异性和亲和力的蛋白质。最终目标是商业化该技术，以支持采矿、采矿技术和稀土回收行业。AltaResourceTechnologies公司已为此筹集了510万美元的种子资金和近100万美元的政府拨款。

（4）外部评价：该项目由DARPA资助，并获得了关键材料创新中心（由美国能源部资助）的支持，这凸显了其在国家任务中的战略重要性。与AltaResourceTechnologies的合作被视为“将科学创新转化为实际影响”的重要里程碑。

（六）项目案例6：巴特尔纪念研究所（BattelleMemorialInstitute）DARPAEMBER项目

1.项目背景与目标

（1）项目启动时间、持续时间：巴特尔纪念研究所（Battelle）于2022年11月28日宣布被选为DARPAEMBER项目的三支团队之一。DARPAEMBER项目总计为期四年。

（2）旨在解决的具体问题：旨在开发新颖的、基于生物的技术，用于稀土元素的分离、纯化和转化为可用于制造的形态。该项目直接应对了美国在稀土元素分离和纯化方面对外国实体的依赖，以及传统化学工艺带来的环境和健康问题。

（3）预期达成的关键技术指标：巴特尔的设想是开发一个移动式在线处理系统，包含模块化的生物单元操作。该系统将专注于矿石作为起始原料，但其适应性意味着最终可以利用其他材料（例如旧电池或太阳能电池板）作为原料。项目目标包括开发适合分离稀土元素的微生物和生物分子，提高使用实际源材料的分离过程效率，并执行试点规模的生物采矿示范。

2.主要参与人员与团队

（1）牵头机构：巴特尔纪念研究所（BattelleMemorialInstitute）。

（2）项目负责人/首席研究员(PI)：巴特尔生物学家KateKucharzyk。

（3）合作单位：哥伦比亚大学（ColumbiaUniversity）（设计和工程化靶向特定元素的独特蛋白质）。芒廷山口矿（MountainPassMine）（美国唯一的活性稀土元素矿山），提供实际采矿基础设施的洞察。

3.项目资助与进展

（1）资助机构与金额：该项目由DARPA（国防高级研究计划局）资助，总价值为2090万美元。

（2）当前处于哪个阶段：该项目处于开发微生物和生物分子以分离稀土元素、提高分离效率以及准备试点规模生物采矿示范的阶段。巴特尔团队正在积极开发其设想的移动式在线处理系统。

（3）已发表的显著成果：无具体的学术论文或专利，

（4）媒体报道或官方更新：巴特尔在其博客上发布了关于“巴特尔团队为DARPA开发生物基稀土元素技术”的报道。

（5）关键里程碑：被选为DARPAEMBER计划的三个团队之一，获得了国防部的高度认可。与哥伦比亚大学和芒廷山口矿的合作，确保了从基础研究到实际应用的紧密结合。

4.效果评价与未来展望

（1）已验证的效果：巴特尔的移动和模块化系统方法有望“即插即用”地适应不同的矿山和不同的输入输出。这种灵活性对于处理多样化的稀土资源至关重要。该方法旨在提供一种环保的稀土提取途径，以解决传统方法带来的环境和健康问题。

（2）存在的问题与挑战：确保微生物和生物分子在移动式、模块化系统中的稳定性和效率，以及在实际矿山环境中的适应性，将是关键挑战。如何实现从矿石到可用于制造的稀土形态的完整转化，并确保其经济竞争力，也需要持续的研发投入。

（3）下一步计划：团队将继续优化微生物和蛋白质的选择，并开发物理系统以进行处理。与芒廷山口矿的合作将为项目提供宝贵的实际操作经验和反馈，以确保开发出的工艺具有实用性和经济性。

（4）外部评价：作为DARPAEMBER计划的参与者，巴特尔在稀土生物技术领域的努力被视为对国家安全和减少供应链脆弱性的重要贡献。

（七）项目案例7：《两党基础设施法案》（BIL）：伊利诺伊州稀土新型提取与供应（IRENES）项目

1.项目背景与目标

（1）项目启动时间、持续时间：该项目预计于2024年8月1日启动，并持续至2025年11月30日。

（2）旨在解决的具体问题：该项目旨在设计一个利用工业革命遗留矿山废弃物（煤矿废弃物）来提供国内关键矿产供应的系统。目标是建立一个完全整合的垂直供应链，将锂、钪、钕、镨等金属，以及高纯度镝及其他稀土氧化物、镍、锌、钴、锰和潜在的高纯度铝推向市场。

（3）预期达成的关键技术指标：项目将验证一种集成的工艺设计，包括自产硫酸、高效溶剂萃取目标元素（最大限度减少化学品消耗）以及稀土元素和专用关键矿产产品及副产品的电解提取。该项目旨在每年处理约30万吨煤矿废弃物，生产约50吨混合稀土草酸盐和约2万吨高纯度氧化铝。虽然未明确提及微生物技术，但其对“最大限度减少化学品消耗”和“环境友好”的强调，与生物提取的优势理念相符。

2.主要参与人员与团队

（1）牵头机构：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的伊利诺伊州地质调查局。

（2）项目负责人/首席研究员(PI)：JaredFreiburg博士和CharlesBopp博士。

（3）核心团队成员：未具体列出。

（4）合作单位：未具体列出。

3.项目资助与进展

（1）资助机构与金额：该项目由能源部（DOE）国家能源技术实验室（NETL）资助，联邦拨款400万美元，非联邦配套资金100万美元，总计500万美元。

（2）当前处于哪个阶段：该项目处于前端工程设计（FEED）阶段。

（3）已发表的显著成果：无具体的学术论文或专利。

（4）关键里程碑：完成前端工程设计研究，提供设施工程计划，包括工艺、设计、性能、成本、差距和生命周期分析，并解决环境和社会问题。

4.效果评价与未来展望

（1）已验证的效果：项目旨在最大限度地提高煤矿废弃物原料的价值，实现最高效率的提取和加工，最大限度地减少化学品投入，并尽可能地利用所有副产品流。

（2）存在的问题与挑战：确保集成工艺设计的有效性、经济可行性和环境友好性，以及实现大规模生产目标，将是主要挑战。

（3）下一步计划：项目将继续进行工程设计和验证，为建立完全整合的垂直供应链奠定基础。

（4）外部评价：该项目的成功将为美国解锁重要的关键元素来源，特别是重稀土，并促进美国贫困地区的经济复兴。

（八）项目案例8：从回收电子废弃物中回收稀土元素项目(REEcycle)

1.项目背景与目标

（1）项目启动时间、持续时间：该项目于2025财年开始获得资助。

（2）旨在解决的具体问题：该项目旨在重新启动REEcycle现有的示范设施，并推进商业设施的调试，以回收钕铁硼（NdFeB）磁体所需的四种关键稀土元素：钕、镨、镝和Tb。这些磁体广泛应用于国防领域，包括主要空基平台、导弹、潜艇和无人驾驶车辆的电机。该项目旨在通过从电子废弃物中提取稀土，减少美国对外国来源的依赖。

（3）预期达成的关键技术指标：预计年产50吨稀土氧化物。REEcycle的专有工艺能够回收超过98%的这些关键稀土元素。

2.主要参与人员与团队

（1）牵头机构：RareResourceRecyclingInc.(REEcycle)。

（2）项目负责人/首席研究员(PI)：未具体列出。

（3）核心团队成员：未具体列出。

（4）合作单位：未具体列出。

3.项目资助与进展

（1）资助机构与金额：该项目由国防部通过《国防生产法》（DPA）第三章资助，金额为510万美元。这是DOD自2025财年以来六项总计2.959亿美元拨款之一。

（2）当前处于哪个阶段：重新启动现有示范设施并推进商业设施的调试。

（3）已发表的显著成果：REEcycle的专有工艺能够回收超过98%的钕、镨、镝和Tb。

（4）关键里程碑：重新启动示范工厂，并调试商业工厂，建立稀土氧化物的商业供应商地位。

4.效果评价与未来展望

（1）已验证的效果：该项目将帮助美国减少对外国稀土来源的依赖，并通过从电子废弃物中提取稀土，充分利用原本会进入垃圾填埋场的材料。

（2）存在的问题与挑战：确保商业设施的顺利调试和稳定运行，以及在市场中建立其作为稀土供应商的地位，将是主要挑战。

（3）下一步计划：REEcycle计划在示范工厂重新启动后，调试商业工厂，并成为下游金属化和磁体制造公司的商业供应商。

（4）外部评价：国防部认为，该奖项将支持DOD扩大国防用品生产所需的稀土供应，并有助于减轻国防工业基础的风险，减少对外国供应的过度依赖。

四、其他值得关注的初期研究或小型试点项目

（一）概述

除了上述核心项目案例，美国还有一些处于早期阶段或小规模试点的新兴研究，它们虽然尚未形成大规模项目，但展现出巨大的潜力，为未来的稀土生物提取技术提供了新的方向和创新点。这些研究通常由大学和国家实验室主导，侧重于基础科学的突破和概念验证。

（二）简要列举

1.康奈尔大学的海洋弧菌（Vibrionatriegens）研究

研究机构：康奈尔大学。

主要研究者：康奈尔大学的SeanMedin和AnastaciaDressel'24是相关论文的共同主要作者。BuzBarstow教授也是该研究团队的重要成员。

核心创新点：研究人员通过基因工程改造海洋弧菌，显著提高了其对稀土元素（特别是镝）的生物吸附能力（高达210%），并增强了对轻重稀土元素的选择性。海洋弧菌是地球上生长最快的生物之一，且能在室温下生长，易于基因工程改造，这使其成为稀土提取的理想候选者。该技术的核心是生物吸附，即稀土元素被动地吸附到细菌表面，随后可通过简单的清洗和溶解过程进行纯化。这项研究为开发高纯度稀土溶液提供了潜在途径，并为REgen公司的技术奠定了基础。

2.伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的电化学分离材料研究

研究机构：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UniversityofIllinoisUrbana-Champaign)和明尼苏达大学(UniversityofMinnesota)。

主要研究者：化学与生物分子工程教授XiaoSu牵头，共同PI包括DiwakarShukla、AlexanderMironenko、PrashantJain和MichelleCalabrese。

核心创新点：该项目虽然主要关注电化学分离而非微生物直接提取，但其目标是从美国矿山的废物流中回收稀土元素和铂族金属，并强调可持续性。研究团队正在开发新型聚合物电极材料，通过电驱动分离过程实现对稀土的高度选择性捕获和可逆释放。这种电化学方法能够显著减少传统分离过程中的化学废弃物和能耗。其创新之处在于通过机器学习、分子动力学和电子结构计算来加速新型氧化还原聚合物的发现，从而实现定制化的材料设计。该技术在稀土生物浸出后的纯化环节可能具有重要应用潜力。该项目获得了国家科学基金会（NSF）200万美元的资助，其中UIUC获得160万美元，明尼苏达大学获得40万美元。

五、总结

（一）美国微生物提取稀土项目整体进展评估

美国在利用微生物提取稀土方面取得了显著进展，从基础研究到中试规模示范均有布局。康奈尔大学和REEgen公司在基因工程细菌提高稀土提取效率和碳捕获能力方面取得了突破性成果，并已进入商业化初期阶段。

爱达荷国家实验室（INL）的生物湿法冶金研究证明了该技术的经济可行性和环境优势，并与USCriticalMaterialsCorp.合作推进试点工厂建设。

DARPA通过其EMBER计划，资助了劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）、巴特尔纪念研究所和圣地亚哥州立大学等多个团队，在开发生物分子和工程化微生物以实现稀土选择性分离方面取得了重要进展。

这些项目共同展现了微生物提取稀土技术的巨大潜力，尤其是在环境友好性、低品位资源利用和高选择性方面。政府的持续资助，特别是能源部和国防部的战略性投入，为这些高风险、长周期的研发项目提供了坚实保障。

（二）未来几年项目可能的发展趋势和重点

未来几年，美国微生物提取稀土项目可能呈现以下发展趋势和重点：

1.规模化与商业化加速：随着实验室和中试成果的不断成熟，更多项目将进入试点和示范阶段，并寻求商业化落地。政府将继续通过《两党基础设施法》等机制提供资金，支持从研发到商业部署的过渡。私营部门的投资也将被吸引，形成公私合作的良性循环。

2.技术集成与优化：稀土生物提取技术将与其他先进分离技术（如电化学分离、膜分离）进一步集成，形成更高效、更全面的回收纯化流程。例如，生物浸出负责初步提取，后续通过电化学或其他物理化学方法实现高纯度分离。

3.多功能微生物开发：研发将继续专注于开发具有更高选择性、更强耐受性（适应极端pH、温度和盐度）以及多功能（如同时进行碳捕获）的工程化微生物。机器学习和人工智能将在加速微生物设计和优化方面发挥越来越重要的作用。

4.原料多样化与循环经济：对电子废弃物、工业废渣（如钢渣、粉煤灰）和矿山尾矿等二次资源的利用将成为重点。这将不仅解决稀土供应问题，还将促进循环经济，减少废弃物对环境的影响。