可持续生物技术策略在矿物分离中的应用：基于噬菌体展示的高选择性银颗粒回收

这篇研究开创性地将噬菌体展示（phage display）技术应用于矿物分离领域，设计出特异性结合银颗粒的肽段（PepMin），并开发了温度响应性弹性蛋白样多肽（ELPs）实现可回收分离。该技术对光伏板浸出液中的银回收率高达94.6%，分离因子达23,000，为低品位矿石处理提供了高效环保的解决方案。

　　

1 引言

随着清洁能源技术对关键金属需求的激增，全球矿石品位持续下降至0.1%金属含量。传统分离技术对微米级颗粒效率低下，酸浸法又面临经济与环境成本的双重压力。受生物技术启发，研究者将传统用于药物开发的噬菌体展示技术革新性地应用于矿物分离领域。通过筛选包含10亿种7肽的噬菌体文库，成功鉴定出对银颗粒具有高亲和力的肽段（PepMin），为可持续矿物加工开辟新途径。

2 结果与讨论

2.1 噬菌体展示鉴定高亲和力银结合肽

经过五轮生物淘选，从噬菌体文库中鉴定出四种银结合肽，其中Ag1（序列KAIHPMR）出现频率高达69%。该肽段含有甲硫氨酸（M）的硫原子和组氨酸（H）的咪唑环，通过等温滴定量热法（ITC）证实其与Ag⁺的解离常数（K_d）为24 μM，结合过程以焓驱动为主。

2.2 环境因素对结合热力学的影响

研究揭示了温度、pH和盐浓度对Ag1结合性能的调控规律：在4-45°C范围内，结合亲和力随温度升高而降低；pH 6时达到最佳结合状态；5 wt.% NaNO₃可使K_d降低7倍至3.5 μM。这种环境敏感性为后续分离工艺设计提供了关键参数。

2.3 银纳米颗粒的选择性聚集

Ag1能特异性诱导79 nm银纳米颗粒（Ag NPs）聚集，使悬浮液颜色由橙变灰，动态光散射（DLS）显示粒径显著增大，而352 nm二氧化硅颗粒（SiO₂ NPs）保持分散状态。透射电镜（TEM）直接观察到Ag NPs的聚集簇，紫外可见光谱出现红移，证实了选择性聚集效应。

2.4 肽变体优化与分离性能

通过引入GGGS柔性连接子和疏水片段（AAIV/VVLGAAIV），构建的Ag1-Pho8变体将K_d优化至8.3 μM。二聚体Ag1-GGGS-Ag1在24小时内实现98.3%银纯度，分离因子达1562。这些工程化策略为不同应用场景提供了定制化解决方案。

2.5 双功能肽快速乳液分离

设计的AM1-Ag1双功能肽兼具银结合和乳化功能，其稳定的乳液（292 nm）在加入PBS后数秒内即可实现96%银颗粒上浮，分离速度较传统沉淀法提升三个数量级。该创新将生物分子工程与界面科学完美结合。

2.6 温度响应型ELPs回收系统

弹性蛋白样多肽ELP-Ag1D在32.1°C发生相变，40°C时对Ag NPs的分离因子高达23,000。通过pH 3洗脱和温度循环，蛋白回收率保持97%以上，且经三次循环后性能无衰减，展现了优异的可重复使用性。

2.7 实际样品验证

处理光伏板硝酸浸出液时，ELP-Ag1D选择性富集银至72.1 wt.%纯度，对铝、铁等杂质金属的共沉淀率低于5%，证实了技术在复杂体系中的适用性。

3 结论

该研究建立了从噬菌体筛选到工程化应用的完整技术链条，通过多尺度生物分子设计实现了矿物分离领域的突破。温度响应型ELPs和双功能肽等创新策略，为开发低成本、高选择性的绿色分离技术提供了范式。未来可拓展至金、锂、稀土等战略金属的回收，推动循环经济发展。