Важные минералы? Для этого есть подходящее растение

Это растение принадлежит к избранной группе — всего 0,21 процента известных в мире видов сосудистых растений — которые в процессе эволюции приобрели способность извлекать из почвы впечатляющее количество ценных металлов. Известные учёным как гипераккумуляторы, эти растения лежат в основе развивающейся отрасли, стремящейся обеспечить нас необходимыми нам металлами, не нанося при этом вреда планете. 

Альпийская ярутка — очаровательное маленькое растение. Её низкорослая розетка зелёных листьев увенчана тонкими стеблями, на которых собраны грозди розовато-белых цветов. По мере развития эти цветы превращаются в красивые плоские семенные коробочки, которые, по словам ботаника Лиз Райлотт из Йоркского университета в Великобритании, «напоминают британскую старую пенни». Но альпийская ярутка ( Noccaea caerulescens ) примечательна гораздо большим, чем просто своей маскировкой под пенни. Это растение принадлежит к избранной группе — всего 0,21 процента известных в мире видов сосудистых растений — которые в процессе эволюции приобрели способность извлекать из почвы впечатляющее количество ценных металлов. Известные учёным как гипераккумуляторы, эти растения лежат в основе развивающейся отрасли, стремящейся обеспечить нас необходимыми нам металлами, не нанося при этом вреда планете. 

Гипераккумуляторы бывают самых разных форм и размеров. Небольшая альпийская ярутка накапливает цинк и кадмий, в то время как кустарниковый, опыляемый молью филантус руфушанейи — растение настолько малоизвестное и узко распространенное, что не имеет общепринятого названия — накапливает никель . Пикнандра остроконечная , дерево, произрастающее в Новой Каледонии, имеет сок, настолько богатый никелем, что он «выделяет» ярко-сине-зеленый цвет и известен по-французски как sève bleue , или синий сок. Между тем, обыкновенная горчица ( Biscutella laevigata ) собирает таллий, а кобальтовая вайзмания ( Haumaniastrum robertii ), растение из семейства мятных, произрастающее в Демократической Республике Конго, поглощает медь и кобальт.

В общей сложности исследователи выявили растения, которые накапливают в больших количествах мышьяк, кадмий, церий, медь, кобальт, лантан, марганец, неодим, никель, селен, таллий и цинк. Многие из них относятся к так называемым критически важным минералам, необходимым для производства батарей и других компонентов для электромобилей, ветряных турбин, солнечных панелей и других аспектов перехода к экологически чистой энергетике. К ним также относятся металлы, дефицит которых, по мнению ученых, может сорвать глобальные усилия по декарбонизации .

Извлекая эти элементы из богатых металлами почв, растения-гипераккумуляторы могут накапливать до 5 процентов металла по весу — достижение, которое уничтожило бы большинство видов. А в развивающейся области фитодобычи ученые и промышленники учатся извлекать эти ценные металлы способом, гораздо более щадящим для ландшафта, чем традиционная добыча.

В настоящее время гонка за критически важными минералами провоцирует разрушение окружающей среды и нарушения прав человека. Добыча кобальта, в основном в Демократической Республике Конго, сравнивается с современным рабством . А опасения по поводу доступа к критически важным минералам разжигают геополитическую напряженность, в том числе способствуя вторжению России в Украину . По мере роста спроса на эти элементы высококачественные и легкодоступные месторождения истощаются, заставляя геологоразведчиков искать все более экстремальные места для добычи — например, самое дно океана .

В наличии имеется множество низкосортной руды, пригодной для добычи, а также необработанные отходы горнодобывающей промышленности и загрязненные металлами почвы, но традиционные методы извлечения металлов из этих источников связаны с использованием токсичных химикатов и разрушением окружающей среды на обширных территориях. Однако, по словам Райлотта, именно в извлечении металлов из источников с низкой концентрацией фитодобычи проявляется ее истинная эффективность. «Растения очень хорошо справляются с большими, разбавленными загрязнениями», — говорит Райлотт, который недавно опубликовал научную статью, посвященную обзору развития фитодобычи — первоначально ответвления исследований в области биоремедиации — за последние несколько десятилетий .

Извлечение металла из растений-гипераккумуляторов в принципе просто: растения сжигаются, а металл отделяется от золы. Удивительно, но качество получаемого металла часто оказывается более концентрированным и чистым, чем при традиционной добыче. При этом металл не требует такой тщательной очистки — он может даже быть в форме, которую производители могут использовать напрямую, минимизируя затраты энергии и усилий на переработку. Оставшийся органический материал можно даже использовать повторно в качестве удобрения.

Однако внедрение этого, казалось бы, простого процесса в промышленных масштабах оказалось сложной задачей. Разработка инфраструктуры для извлечения металлов из больших объемов растительной биомассы является «самой большой проблемой для фитодобычи», — считает Энтони ван дер Энт , биолог-растениевод из Вагенингенского университета в Нидерландах и соавтор (вместе с Райлоттом) обзора по фитодобыче.

Существуют и другие проблемы. Многие растения-гипераккумуляторы — это небольшие, медленнорастущие растения, говорит Ом Паркаш Дханкхер, биотехнолог растений из Массачусетского университета в Амхерсте. «Многие из них привязаны к определенным геоклиматическим условиям» и капризны в выращивании, говорит он. Или, что еще хуже, они растут слишком хорошо, что и произошло, когда желтолистник ( Odontarrhena chalcidica, ранее известный как Alyssum murale ), растение-гипераккумулятор никеля, произрастающее в Средиземноморье, вырвалось из пилотного проекта в Орегоне и превратилось в инвазивный сорняк.

Даже сторонники фитодобычи говорят, что эта технология, скорее всего, останется относительно нишевой. Помимо технологических трудностей, в пределах досягаемости корней растений просто недостаточно металла, чтобы удовлетворить все мировые потребности. «Фитодобыча не может заменить традиционную добычу полезных ископаемых», — говорит Дханкхер.

Несмотря на эти ограничения, несколько стартапов в области фитодобычи уже начали коммерческую деятельность. Например, компания Botanickel объединяет два разных проекта по фитодобыче никеля — один с использованием O. chalcidica в Греции, а другой с использованием P. rufuschaneyi в Малайзии — с целью производства нержавеющей стали, частично полученной из растений. (Антони ван дер Энт является консультантом компании.) Французская фирма GenoMines использует генетически модифицированное растение из семейства маргариток и почвенные пробиотики для выращивания никеля в Южной Африке. 

На сегодняшний день большая часть работ по фитодобыче сосредоточена на никеле — ценном металле, необходимом в больших количествах для производства батарей, нержавеющей стали и других материалов. 

Из 721 известного вида растений-гипераккумуляторов более 500 поглощают никель. Для них, как и для всех сложных эволюционно развитых признаков, это вопрос выживания. По всему миру геологические различия в составе Земли приводят к тому, что некоторые почвы — например, состоящие из серпентина или ультрамафических пород — от природы богаты никелем. Для большинства растений большая доза никеля смертельна. Но гипераккумуляторы развили способность поглощать металл в свои ткани, превращая иначе токсичную почву в возможность для процветания. Некоторые ученые считают, что высокая концентрация никеля в организме гипераккумуляторов даже помогает защитить их от патогенов и прожорливых насекомых .

В 2024 году Агентство перспективных исследовательских проектов в области энергетики Министерства энергетики США (ARPA-E) объявило о выделении семи грантов на общую сумму 9,9 млн долларов США на несколько лет для разработки технологии фитодобычи никеля, которая могла бы обеспечить внутренние запасы этого металла на территории более чем 40 000 квадратных километров (15 000 квадратных миль) серпентинитовых почв, покрывающих ландшафт Калифорнии и Орегона, а также вдоль границы Пенсильвании и Мэриленда.

Один из грантов ARPA-E был предоставлен команде, в которую входит Рупали Датта, биолог-растениевод из Мичиганского технологического университета. Она и ее коллеги изучают роль химии почвы и микроорганизмов в максимизации потенциала фитодобычи нескольких известных гипераккумуляторов, а также ветивера ( Chrysopogon zizanioides ), быстрорастущего вида, который она ранее использовала для очистки от свинцового загрязнения. Тем временем компания Metalplant из Делавэра сотрудничает с биотехнологической фирмой Verinomics из Коннектикута в рамках гранта на генетическую модификацию O. chalcidica. Metalplant уже успешно использует этот вид для добычи никеля в Албании, где он произрастает в естественных условиях, но компания надеется модифицировать его, чтобы повысить поглощение никеля и предотвратить его инвазивность при посадке в Северной Америке. 

Проект Дханкера по фитодобыче получил финансовую поддержку в размере 1,3 миллиона долларов от программы ARPA-E. Он стремится разработать генетически модифицированную версию Camelina sativa , быстрорастущего представителя семейства горчичных, уже широко выращиваемого в США для производства биотоплива, чтобы улучшить ее способность накапливать никель. «Цель состоит в создании растений, способных накапливать от 1 до 3 процентов никеля», — говорит Дханкер. Преимуществом C. sativa является то, что в некоторых районах фитодобытчики могли бы получать три урожая в год. Если растения накапливают не менее 1 процента своей массы в виде никеля, Дханкер говорит, что они могли бы производить до 25 000 килограммов полезного металла на квадратный километр почвы в год (около 145 000 фунтов на квадратную милю). Типичная батарея электромобиля содержит от 30 до 50 килограммов никеля.

Помимо никеля, фитодобыча также перспективна для сбора других минералов, особенно кобальта, таллия и селена, как написали Райлотт и ван дер Энт в своем недавнем обзоре. Эта технология может быть даже использована для добычи редкоземельных элементов — группы важных металлов, распространенных в земной коре, но в основном встречающихся в очень низких концентрациях. В настоящее время добыча редкоземельных элементов — отрасль, почти полностью контролируемая Китаем, имеющая каскадные последствия для глобальных торговых отношений и цепочек поставок, — является дорогостоящей, энергоемкой и экологически разрушительной. Но если фитодобыча откроет новый способ получения редкоземельных элементов, говорит Лидия Бриджес, геохимик и старший консультант по устойчивому развитию компании Minviro , которая помогает горнодобывающим предприятиям измерять и снижать их воздействие на окружающую среду, «это было бы просто невероятно». 

Хотя ни один из таких методов еще не был разработан в коммерческих целях, ученые выявили несколько природных гипераккумуляторов редкоземельных элементов. Использование растений для добычи редкоземельных элементов стало бы «огромным шагом к обеспечению безопасности критически важных минеральных ресурсов и, будем надеяться, к устойчивому развитию», — говорит Бриджес. Но она добавляет предостережение: «Нам нужно быть немного осторожными с переносом экологической нагрузки». Хотя фитодобыча — редкоземельных элементов или чего-либо еще — является желанным нововведением, она не является панацеей для окружающей среды.

Как отмечает ван дер Энт, выращивание растений-гипераккумуляторов в больших масштабах влечет за собой те же экологические проблемы, что и любая другая промышленная культура: сток пестицидов и удобрений, чрезмерное потребление воды и потеря местного биоразнообразия из-за монокультурного выращивания. И хотя на некоторых участках почв, богатых металлами, практически отсутствует жизнь, другие поддерживают хрупкие экосистемы, где, например, устойчивые к металлам насекомые эволюционировали , чтобы жить на растениях-гипераккумуляторах.

Однако фитодобыча может позволить добывать металлы, одновременно восстанавливая деградированные земли, поглощая углерод и служа топливом для производства энергии или сырьем для биоугля, синтез-газа и других химических продуктов. Это может стать одним из многих небольших, но коммерчески жизнеспособных предприятий, способствующих созданию более устойчивого мира. И попутно это расширяет наше понимание бесконечных и удивительных возможностей, на которые способны растения — даже крошечная альпийская ярутка.

Sarah DeWeerdt  “Critical Minerals? There’s a Plant for That”

Перевод статьи «Перевод статьи «ntr » автора Sarah DeWeerdt, оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык » автора Usturoi, оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык