Elektroonikaromudest võib saada Eesti Nokia
Halva kuulsusega mustjashall savi – graptoliitargilliit, rahvakeeli mudakivi või konnatahvel – pakub võimalusi, mille vastu võib maavarade näljas maailm huvi tunda.
Kuigi maailmas saavad praegu enim tähelepanu meditsiinilised teadmised, ei tähenda see, nagu ei teeks teiste valdkondade teadlased samal ajal olulisi avastusi. TÜ molekulaar- ja rakubioloogia geneetika teadur Anne Menert on juba aastaid uurinud, kuidas mikroorganismide abil võimalikult edukalt graptoliitargilliiti lagundada.
Järjest täienenud teadmised
Kõnealune kivim pole alati seda nimetust kandnud. Seda on kutsutud ka diktüoneemakildaks, diktüoneemaargilliidiks, mudakivimiks, konnatahvliks ... Anne Menerti sõnutsi on üks nimemuutuse põhjusi täienenud teadmised. „Uurimismeetodid on läinud täpsemaks ja on saadud teada, milliste eelajalooliste organismide setetest on kivim kujunenud. Seepärast on muutunud ka kivimi nimetus,“ selgitab ta. Praegu tuntakse konnatahvlit graptoliitargilliidina ürgse keeliklooma Rhabdinopora flabelliforme järgi, kelle jälgi kivimis leidub.
Aja jooksul on täienenud ka teadmised sellest, milliseid võimalusi see Põhja-Eestis leiduv kivim endas kätkeb. 1980. aastate lõpus puhkenud fosforiidisõja ajal räägiti graptoliitargilliidist, ehk lühidalt argilliidist teravamal toonil, sest Menerti sõnul nähti selles fosforiidi peal lasuvat ohtlikku aherainet. Pärast seda mudakivi kasutamist tükk aega enam ei arutatud. Kuid viimased viis aastat on kivimi võimalusi vaadeldud RITA programmi raames, mis on loodud Eesti riigi vajadustest lähtuvate sotsiaal-majanduslike uuringute korraldamiseks.
Graptoliitargilliiti uurinud teadlastel tuli uuringute käigus silmitsi seista tõsiasjaga, et Eestis pole üle 30 aasta puuritud ühtegi uurimisotstarbelist argilliidi puurauku. Kuna uute proovide saamine võttis aega, tuli neil esialgu katseid teha proovidega, mis olid eri põhjustel ja aegadel kellelegi nn lauasahtlisse jäänud. Eesti geoloogiateenistuse direktori Sirli Sipp Kulli sõnul näitasid RITA projekti raames teostatud puurimistöödel ette tulnud väljakutsed, et aastatega on keeruka puurimistöö oskus rooste läinud. „Käesoleval aastal alustab Eesti Geoloogiateenistus kunagiste graptoliit-argilliidi puursüdamike verifitseerimist, selle raames tellitakse riigihankega uusi puurimistöid ka argilliidile,“ kommenteeris Kulli.
Mõni aasta tagasi kajastati meedias laiemalt, et teadlased uurivad, kuidas toota kivimist biogaasi. Selleks sooviti viia maa alla argilliidikihini mikroorganismide kooslusi ja toitaineid. Kivimikihis peituvat orgaanilist materjali tarbivad mikroorganismid vabastavad nimelt erinevaid saadusi, sealhulgas metaani. „Eestis sellele mõelda ei tasu,“ on Menert pärast laboris tehtud katseid veendunud. „Argillidi kohal olevad kihid ei ole vettpidavad, vaid võrdlemisi poorsed. Enne kui me sealt gaasi kätte saame, võib päris suur osa sellest nendes kivimikihtides lihtsalt absorbeeruda.“ Eestis poleks gaasi tootmine sellise tehnoloogiaga mõeldav, lisaks pole see meetod ka kuigivõrd keskkonnahoidlik.
See aga ei tähenda, nagu ei võiks argilliidist toota midagi muud. „RITA programmiga alustades oli meil varasema kirjanduse ja eelkatsete põhjal hüpotees, et kivimis on vanaadium, molübdeen, uraan ja nikkel seotud ühenditesse orgaanilise ainega. Need on sama tüüpi ühendid nagu hemoglobiin ja klorofüll. Hemoglobiini keskel on raud ja klorofüllil magneesium,“ toob Menert paralleeli. „Kuna argilliit kujutab endast muu hulgas mitusada miljonit aastat tagasi ladestunud ürgsete vetikate biomassi, milles leidub süsinikku, siis sisaldasid need vetikad ilmselt ka klorofülli või muid sarnaseid ühendeid,“ jätkab ta. „Nende ühendite keskel olidki metallid.“ Kui mikroobid tarbivad argilliidis peituvaid orgaanilisi osi, vabanevadki nii metallid kui ka gaasid.
Metallide eraldamisel on mitu etappi
Selleks, et saada graptoliitargilliidist kätte huvipakkuvaid aineid, lõid teadlased laboris mikroorganismidele erisuguseid tingimusi. Geneetika õppetooli juhataja professor Maia Kivisaare selgitusel oli eesmärk rakendada mikroorganisme selleks, et eraldada kivimist metalle ja teha seda võimalikult keskkonnaohutult.
„Selleks proovisime erinevaid keskkonnatingimusi – kultiveerisime baktereid nii aeroobses kui ka anaeroobses keskkonnas. Samuti uurisime, millised mikroorganismid võiksid protsessile kaasa aidata. Varieerisime ka keskkonna pH-tingimusi,“ kirjeldab ta, lisades, et eri metallid käituvad samas keskkonnas erinevalt.
Tavapärases metallide eraldamise protsessis on mitu etappi. Esimeses bioleostamisetapis tekitatakse Anne Menerti sõnul bakteritele anaeroobne ehk hapnikuvaba keskkond. Selleks kasutasid teadlased argooni, mis inertgaasina ei reageeri ühegi kasvukeskkonna keemilise komponendiga.
„Esimeses etapis orgaaniline aine laguneb, tekivad metaan ja süsihappegaas ning järele jääb metalliderikas sade,“ ütleb Menert. „Uurime, missuguste ühenditena võiksid need metallid seal sademes olla. Kirjanduse ja analüüside põhjal on suur osa neist väävliühendites, näiteks sulfiidides. Sulfiididest on võimalik need metallid kätte saada happelises keskkonnas,“ jätkab ta.
„Protsessi teine etapp ongi happeline bioleostamine. Seda tehakse happeliste mikroorganismidega, mis on enamasti Acidithiobacillus’e perekonnast. Keskkonna pH on ülimadal – protsessi alguses tavaliselt umbes 2, protsessi lõpupoole isegi 1. Kui Coca-Cola pH on vahemikus 2,3–3, siis selle keskkonna pH on tükk maad allpool – see on ikka väga hapu,“ toob Menert võrdluse.
Kuigi happeline keskkond üksi ei pruugi metalliühendite lahustumist soosida, võib protsessile kaasa aidata näiteks hapnikurikas keskkond. „Enamik happelisi mikroorganisme on oma hingamistüübilt aeroobid – selle tõttu saame lahusest kätte selliseid metalle nagu tsink, nikkel, koobalt, aga ka uraan, toorium jne,“ lausub teadur.
Elektroonikaromudest Eesti Nokia
„Oli terve hulk metalle, mida meil õnnestus argilliidist kätte saada,“ kõlab Menerti hääles uhkusenoot. „Sealjuures saime ühte akumetallidest – molübdeeni – päris suures koguses isegi üheastmelise protsessi käigus,“ ütleb ta.
„Bioleostus on ühelt poolt ajalooline ja teisalt jällegi väga nüüdisaegne tehnoloogia. Seda kasutatakse sellepärast, et rikkaliku metallikontsentratsiooniga metallimaagid on ammendunud ja selle tõttu on vaja pöörduda n-ö lahjemate metallimaakide poole,“ nendib Menert. Tema sõnutsi on argilliidis metalle tunduvalt rohkem kui maakoores keskmiselt. Teadlased teavad, et üks neist on vanaadium. „Aga vanaadiumi pole me veel piisava tõhususega kätte saanud ei ühel ega teisel viisil,“ tõdeb ta. Ühes Maia Kivisaarega kinnitavad mõlemad, et vanaadiumi eraldamise katsetega tahavad nad sellegipoolest jätkata.
Kui uurida, mispärast pakub teadlastele sedavõrd suurt huvi just vanaadium, selgub, et see on olulisel kohal uutes tehnoloogiaseadmetes. „Kuna elame nutiajastul ja oleme sunnitud suhtlema internetis või võrgu kaudu, siis seda võimaldavate seadmete jaoks on vaja akumetalle,“ täpsustab Kivisaar.
Ent nutiseadmete eluiga võib olla kohati lühike. Menerti sõnul oleks mõistlik seadmetes olevaid metalle taaskasutada. „Selleks sobib seesama bioleostamise tehnoloogia, mida me oleme siin arendanud suhteliselt edukalt või peaaegu sama hästi kui metallimaakide leostamisel kivimist,“ kinnitab teadlane. Tema väitel seisneb ainuke erinevus selles, et kui metallimaagis on huvipakkuvate metallide kontsentratsioon kuni 0,1%, siis elektroonikaromudes ehk nutiseadmete jääkides võib see olla kümme kuni sada korda suurem. Muidugi kätkeb see endas ka probleeme – näiteks on mikroorganismidel metallide kontsentratsiooni suhtes taluvuspiir.
Elektroonikaromudes ei paikne metallid nagu argilliidis – peidetuna klorofüllist jäänud porfüriinituumade sisse või vahele, mis on bakteritele kaunis meelepärane. „Seadmetes on metallid pigem seotud mitmesuguste epoksüühenditega. Ka need on orgaanilised ühendid, aga toodetud eesmärgiga olla keskkonnale võimalikult vastupidavad.“ Ent Menert usub, et probleem on ületatav – teadlastel tuleb leida lihtsalt õige mikroobide ja neile sobivate tingimuste kooslus. Koostöös ettevõttega BiotaTec alustasid teadlased 2017. aastal nn. e-romu väärindamise projekti Euroopa Liidu programmi LIFE raames.
Menert näeb, et Eestis olekski vaja keskenduda nutiseadmete jääkide töötlemisele. „Oleme viis aastat püüdnud muu hulgas tööstusele selgeks teha, et see on mõistlik,“ ütleb ta. Paraku on seni kasutatud lihtsamaid lahendusi, mis aga saastavad keskkonda – näiteks on kokku kogutud elektroonikajäätmed ümber sulatatud.
Majandusliku tasuvusega seotud aruanded on teadlastel veel koostamisel. Tasub märkida, et graptoliitargilliit on põlevkivi ja fosforiidi kõrval üks kolmest Eesti strateegilisest maa- ja loodusvarast. Ent Anne Menerti sõnul võib juba praegu öelda, et ainuüksi argilliidi kaevandamine ei oleks Eestis kasumlik, vaid pigem tuleks mõelda Eesti maavarade komplekssele kasutamisele. Kui näiteks küsimuse alla tuleb fosforiidi tootmine, kaevandataks ühes sellega ka argilliiti ning mõistlik oleks seegi kivim ära kasutada – kasvõi selleks, et hoida keskkonda. Nimelt võib argilliit kuumenedes süttida ja sellest võivad eralduda metallid, mille loodusesse sattumist me ei soovi. „Kõige ohtlikum neist on uraan, mille sisaldus on argilliidis päris märkimisväärne,“ ütleb Menert. „Kuid kui argilliiti kuhugi kuhjadesse ei ladestata, vaid seda hakatakse kinnises reaktoris töötlema, siis on võimalik keskkonnaoht välistatud,“ lisab Maia Kivisaar.
Kivisaare sõnul oli RITA programm uuringutele heaks stardiplatvormiks ning võimaldas Tartu Ülikooli teadlastel teha koostööd nii ülikoolis sees (osalesid töörühmad molekulaar- ja rakubioloogia instituudist, ökoloogia ja maateaduste instituudist ning keemiainstituudist) kui ka töörühmadega Tallinna Tehnikaülikoolist, Eesti Geoloogiateenistusest ning ettevõttega BiotaTec. „Tänu programmile oleme saanud hulga targemaks. Aga nagu teaduses ikka kipub olema, tekitab iga küsimuse vastus järgmisi küsimusi,“ lisas Kivisaar. Ta avaldas lootust, et argilliidi uurimisega jätkamiseks õnnestub ehk edaspidigi rahastust saada.
Kirjeldatud teadustöö on aga vaid väike osa sellest, millega molekulaar- ja rakubioloogia instituudis tegeldakse. Maia Kivisaare juhitavas geneetika õppetoolis tehakse alusuuringuid, mis hõlmavad bakterite kohastumist keskkonnastressiga ja bakterite evolutsioneerumist stressitingimustes, aga ka rakendusliku suunitlusega uuringuid. „Üks meie töö suurim ühisnimetaja on mikrobioloogilised uuringud,“ ütleb ta. „Mikroorganismide rakendusala on väga suur – kui rääkida keskkonnast, siis on paljud bakterid võimelised lagundama keskkonda saastavaid ühendeid, erinevaid naftasaaduste produkte. Selliste teemadega on siin tegeldud aastakümneid,“ kinnitab Kivisaar.
TÜ molekulaar- ja rakubioloogia instituut (TÜMRI) saab 30-aastaseks
1. juunil 1990 asutatud TÜMRI tegeleb aktiivselt maailmatasemelise teadus- ja õppetööga. Instituut koondab väga mitmekesiseid teadussuundi alates geneetikast kuni bioinformaatika ja -tehnoloogiani. Mitu instituudi teadlast on maailma 1% enim tsiteeritute seas. TÜMRI on andnud ühiskonnale hulga spetsialiste: 195 doktorit, 599 magistrit ja 37 professorit, ning asutusest on välja kasvanud arvukalt Eesti biotehnoloogia ettevõtjaid ja ettevõtteid.
Maarit Stepanov-McBride
UT peatoimetaja
maarit.stepanov [at] ut.ee
Lisa kommentaar