Идея извлечения ценных металлов с помощью растений перешла из области научной фантастики в область реальных исследований. Сегодня мы знаем, что существуют виды, способные накапливать большие количества критические элементы в их биомассе и что они могут даже способствовать их развитию минерализация в условиях окружающей средыИнтерес представляет не только технология, но и новый подход: производство сырья с меньшим воздействием на окружающую среду и одновременное восстановление поврежденных почв.
В последние годы были сделаны открытия, которые изменили правила игры: от папоротников, которые кристаллизуют стратегически важные минералы, до пилотные проекты по фитодобыче и фитоменеджменту В Европе, Азии и Океании биоуголь используется для ускорения добычи металлов и улучшения почв. Если вас интересуют энергетический переход, электроника или циклическая экономика, вот чёткий, подробный и всесторонний обзор того, что уже возможно.
Что такое фитомайнинг и почему он важен?
Фитодобыча — это целенаправленное использование растений для извлечения металлов из почвы и концентрации их в надземной биомассе. Эти виды, известные как гипераккумуляторы, способны накапливать огромные количества металлов, не проявляя видимой токсичности, что позволяет собирать биомассу и впоследствии извлекать металлы. физико-химические процессы или подходящий металлургический.
Актуальность этой стратегии имеет два очевидных аспекта. С одной стороны, она предлагает альтернативные или дополнительные поставки ключевых металлов для современных технологий: ветряных турбин, электромобилей, высокопроизводительных магнитов, электроники, лазеров и фотофоров. С другой стороны, она открывает путь к экологическая реабилитация с экономической выгодой, используя деградированные почвы или отвалы горнодобывающей промышленности там, где традиционная добыча нецелесообразна или слишком затратна.
Кроме того, геополитический контекст имеет решающее значение. В случае редкоземельных элементов, более чем 60% мирового производства сосредоточено в КитаеЭто создаёт риски, связанные с поставками. Фитодобыча, наряду с фиторемедиацией и фитоменеджментом, указывает на более распределённую и устойчивую модель с региональными цепочками создания стоимости и меньшим экологическим следом.
Открытие: монацит внутри живого растения
Группа исследователей из Института геохимии Гуанчжоу (Китай) и Политехнического университета Вирджинии (США) впервые задокументировала естественное образование редкоземельного минерала в живом растении. Исследование, опубликованное в журнале Экологические науки и технологииидентифицировали монацит в наномасштабе в многолетнем папоротнике Blechnum orientale, собранном на месторождениях редкоземельных металлов в городе Гуанчжоу на юге Китая.
Монацит — это фосфат, богатый редкоземельными элементами, такими как церий, лантан и неодим. Этот минерал обычно образуется в условиях высокие давления и температуры в сотни градусовОднако в данном случае он кристаллизовался в условиях окружающей среды, во внеклеточных тканях папоротника. Анализ показал, что концентрация этих элементов наиболее высока в перышке (часть листа), за которой следуют корневая система и черешок. Таким образом, растение, в качестве защитного механизма и механизма детоксикации, иммобилизует непитательные элементы в стабильных минеральных фазах вне клеток.
Авторы сравнивают этот процесс с «химическим садом»: при попадании семени металлической соли в раствор с анионами (например, силикат или фосфат) происходит самоорганизация сложных неравновесных структур, напоминающих растительные структуры. У папоротника высокая локальная концентрация солей металлов и фосфатов в водной среде способствует зарождение и рост моноцитов в наномасштабе, явление столь же элегантное, сколь и мощное благодаря своим технологическим последствиям.
Свойства монацита особенно интересны: он обладает высокой температурой плавления, высокой оптической излучательной способностью и устойчивостью к коррозии, вызываемой расплавленным стеклом, и радиационному воздействию. Эти характеристики делают его идеальным материалом для таких применений, как покрытия и диффузионные барьеры, люминофоры, лазеры, излучатели света, ионные проводники и даже матрицы для иммобилизации и обращения с радиоактивными отходами.
Это открытие подтверждает нечто важное: жизнеспособность фитодобычи редкоземельных элементов. Редкоземельные элементы можно не только извлекать из биомассы, но и некоторые растения могут способствовать их прямой минерализации в полезные формы, открывая путь к восстановление функциональных материалов с меньшим последующим преобразованием уже масштабируют более эффективные схемы биоэкстракции.
Гипераккумулирующие растения: как они работают и где их применять
Гипераккумуляторы – это виды, способные концентрировать металлы или металлоиды в своих тканях в концентрациях, в сотни или тысячи раз превышающих их концентрацию в почве. Их физиология позволяет им поглощать ионные формы металлов, переносить их по сосудистой системе и сохранять без повреждения. Эта особенность делает их перспективными для выращивания на богатых металлами почвах, что позволяет впоследствии извлекать из них целевые элементы. биомасса, собранная с использованием технологий с низким воздействием на окружающую среду.
На практике фитодобычу можно применять на загрязненных почвах, заброшенных шахтах или в районах, где традиционная добыча полезных ископаемых сталкивается с экологическими, социальными или геополитическими ограничениями. Уже существуют пилотные проекты в Австралии, Малайзии и на Филиппинах для никель и кобальтА случай с папоротником и монацитом открывает новые возможности для редкоземельных элементов — группы элементов, имеющих решающее значение для энергетического перехода.
Стратегия не направлена на полную замену промышленной добычи полезных ископаемых, а скорее на её дополнение к восстановительным технологиям. Сокращение необходимости в выемке грунта и использовании агрессивных химикатов означает сокращение выбросов, снижение потребления воды и уменьшение деградации почвы. Кроме того, используемая растительность Помогает стабилизировать и восстановить экосистемыобъединение добычи с экологическими услугами.
Золото, никель и многое другое: от эвкалипта до горчицы и грибов
Помимо редкоземельных элементов, существуют виды, позволяющие извлекать ценные металлы, такие как золото, платина, палладий и никель. Эксперименты в Австралии показали, что эвкалипты, растущие на месторождениях золота, могут накапливать до 80 000 частей на миллиард (ppb) золота В его листьях его уровень значительно выше, чем в районах без минерализации. На бедных почвах были испытаны агенты, мобилизующие золото, чтобы облегчить его усвоение растениями, такими как индийская горчица (Brassica juncea), которую затем собирают и сжигают для концентрирования металла.
Тем временем биотехнологии предлагают неожиданных героев. Гриб Fusarium oxysporum, как было показано, способен преобразовывать минералы в наночастицы золота на своей поверхности. Результаты исследования, опубликованного в журнале Nature Communications CSIRO, позволяют предположить пути развития биофабрикация металлов в наномасштабе, с применением в фитодобыче и извлечении драгоценных металлов, даже в контролируемых и мелкомасштабных условиях с обработанными почвами.
У фитодобычи есть и другие применения: экологически эффективная разведка. Анализ листьев деревьев может служить естественным датчиком для обнаружения скрытых месторождений, сокращая объёмы инвазивного бурения. И это касается не только золота. Специалист по агродобыче Энтони ван дер Энт задокументировал тропические виды, сок которых содержит до 25% никеля«Металлические фермы» были испытаны в Малайзии и дали урожайность от 200 до 300 килограммов никеля с гектара в год.
Управление растениями в Мурсии: восстановление с использованием местных видов и биоугля
В регионе Мурсия проект Политехнического университета Картахены (UPCT) изучает фитоуправление отходами бывшей горнодобывающей промышленности в горах Сьерра-де-Картахена — Ла-Уньон. Идея проста: использовать растения — отдельно или в сочетании с почвенными добавками — для стабилизации или извлечения металлических загрязнителей. предотвращение его рассеивания и восстановление функциональности почвы.
Засушливость полузасушливого климата и низкое плодородие этих почв затрудняют укоренение растений. Для улучшения субстрата команда использует добавки, полученные из отходов жизнедеятельности человека – твёрдых бытовых отходов (ТБО) и остатков обрезков деревьев, – а также биоуголь, полученный из органических отходов. Биоуголь более стабилен, чем традиционный компост, и удерживает много влаги, что способствует укоренению растений. в условиях дефицита воды.
В рамках нового подхода были протестированы местные виды деревьев, такие как алеппская сосна и картахенский кипарис (вид, представляющий большой ботанический интерес, который в континентальной Европе встречается в природе только в регионе Мурсия). Исследование проводилось в теплице в течение почти двух лет, контролируя условия роста, состав смеси ТБО/биоуголь, а также параметры почвы и растений. В конце эксперимента биомасса была проанализирована, чтобы определить, какие комбинации Они лучше способствуют укреплению, стабильности и безопасности.
Для завершения цикла обеспечения экологической безопасности команда оценивает экотоксичность, используя почвенных беспозвоночных в качестве биоиндикаторов. Цель — определить смеси, минимизирующие попадание металлов в пищевую цепь, чтобы при разработке рекомендуемых практик сочетать продуктивность растений с снижение риска и экологическое восстановление.
Агромайн: Европейская демонстрация никеля в Галисии
Европейский проект Agromine, реализуемый при участии CSIC в Галисии (Группа микробиологии IIAG), направлен на демонстрацию возможности выращивания растений-гипераккумуляторов на богатых никелем ультраосновных почвах для получения биомассы, из которой можно получать высокочистые соединения никеля. Полевые работы будут проводиться в Аголада (Понтеведра), с пилотными испытаниями по измерению производительности, накопления металлов и воздействия на физико-химические свойства и микробную активность почвы.
План состоит из четырех этапов: 1) оптимизация систем возделывания и выбор видов в соответствии с климатом; 2) металлургические усовершенствования для производства таких соединений, как никель и сульфат аммония, из золы биомассы, а также рекуперация энергии при сжигании; 3) оценка улучшения плодородия почвы и биологического качества; и 4) социально-экономический анализ для оценки жизнеспособность и устойчивость целого.
Этот консорциум, финансируемый программой LIFE, координируется Университетом Лотарингии и объединяет партнёров из Франции (включая стартап Microhumus SARL), Австрии (Университет Венской боденкультуры и alchemia-nova GmbH), Бельгии (Университет Хасселта), Греции (Технологический институт Восточной Македонии и Фракии и Технологический институт Фессалии), Албании (Центр агроэкологии и экономического менеджмента) и Испании (CSIC). Он обеспечивает междисциплинарный подход: ботаника ультраосновных почв, физиология гипераккумуляторов, фитотехнологии, зеленая металлургия и экономика.
Для справки: в мире известно всего около 500 видов гипераккумуляторов, большинство из которых ориентированы на никель и адаптированы к ультраосновным почвам, богатым никелем, хромом и кобальтом. Эти растения позволяют извлекать из почвы ценные металлы, а после контролируемого сжигания биомассы последующая металлургия извлекает до [количество отсутствует]. 99% хранимого металла в пепле с использованием соответствующих методов.
Циклическая экономика и новые материалы: путь UCLM
Группа EARTH (Комплексные технологии восстановления окружающей среды) в Калифорнийском университете в Лабрадоре (UCLM) изучает интересную концепцию: очистку почвы и воды с помощью растений, а затем повторное использование этой биомассы для производства технического углерода без нефти и разработку материалов для натрий-ионные батареи и катализаторы, или даже предложить альтернативы добыче редкоземельных металлов без разрушения недр земли.
Работая с растительностью, произрастающей в таких шахтах, как Сан-Кинтин, они обнаружили, что некоторые виды способны накапливать в себе множество металлов. Главная проблема любой фиторемедиации заключается в том, что делать с биомассой, содержащей загрязняющие вещества: подход циклической экономики предполагает её преобразование в ценные промышленные продуктырешение первоначальной экологической проблемы и одновременное создание цепочки утилизации.
В сотрудничестве с университетами и компаниями углерод, полученный из этих растений, тестируется в электродах для натрий-ионных аккумуляторов (более доступных, чем литий-ионные аккумуляторы), в производстве перекиси водорода с меньшим воздействием на окружающую среду, в испытаниях по производству водорода и в улавливании CO2 с функциональными углеродсодержащими материаламиДля разработки необходимо подтвердить, что процесс конкурентоспособен по сравнению с ископаемым углеродом и эффективно справляется с присутствующими металлами.
Для обеспечения контроля часть работ проводится в теплицах кампуса Сьюдад-Реаль с использованием таких видов растений, как песчанка красная, осока, тростник обыкновенный и рогоз, что позволяет измерять количество удаляемых ими загрязняющих веществ и накопление тяжёлых металлов. Также отслеживается риск попадания этой биомассы в пищевую цепь, что позволяет усилить меры по безопасному обращению и обработке перед её выбросом. оценка как материальная.
Биоуголь: производство, применение и реальные примеры
Биоуголь производится путем пиролиза биомассы 300 и 600 °C в отсутствие кислородаЭто очень стабильный материал с высокой пористостью и высокой способностью удерживать воду и питательные вещества. Его применение в почвах предлагается в качестве инструмента смягчения последствий изменения климата (он способствует секвестрации углерода), а также в качестве добавки для улучшения структуры, плодородия и микробной активности.
В Испании животноводство приносит около 121 миллион тонн навоза в годБольшая его часть используется в качестве удобрения для почвы после компостирования, но часть вывозится на свалки или сжигается. Согласно последним оценкам, потенциал производства биоугля из отходов выше. 15 млн тонн в год, возможность использовать отходы животноводства и сельского хозяйства с помощью многочисленных экологических и фитотехнологических приложений.
Показательным примером является Риотинто в Иберийском колчеданном поясе. Там в прудах скапливается шлам горнодобывающей промышленности с высоким содержанием тяжёлых металлов. В лабораторных условиях было замечено, что сочетание биоугля (например, из кроличьего помета) с рапсом в качестве извлекаемой культуры может увеличить извлечение мышьяка более чем на [процент отсутствует]. 1.000%и для хрома и никеля выше 200%, а также для цинка выше 150%. Такой подход увеличивает доступность или приток металлов в биомассу и улучшает производительность фиторемедиация и фитодобыча.
Биоуголь, улучшая свойства почвы, может увеличить производство растительной биомассы более чем на 10%, что делает производство более рентабельным. Технология масштабируема и может применяться на больших площадях, особенно на сильно загрязненных почвах, где затраты на физико-химические методы Традиционные затраты высоки, а экологическая отдача от фитотехнологий больше.
Экологические и геополитические последствия
Поставки редкоземельных элементов и других критически важных металлов сопровождаются значительным воздействием на окружающую среду и концентрированным производством. Фитодобыча, фитоменеджмент и фиторемедиация, подкрепленные биоуглем и чистой металлургией, указывают на более устойчивую систему. диверсифицированный, децентрализованный и совместимый с регенерациейСбор металлов из растений сокращает выбросы, потребление воды и деградацию почвы, одновременно озеленяя и стабилизируя деградированные территории.
Открытие наноразмерного монацита в живом папоротнике, стимулирование европейских проектов, таких как Agromine, пилотные проекты по никелю в Азии и инициативы по круговой экономике таких групп, как EARTH (UCLM), — все это вписывается в одну и ту же концепцию: использование биологии для извлечения ценности там, где раньше были только экологические обязательства, с менее агрессивные и более цикличные процессы.
Весь этот процесс демонстрирует, что уже существует научно-техническая основа для гибридной модели: выращивание растений-гипераккумуляторов на проблемных почвах, извлечение металлов (включая редкоземельные элементы) из их биомассы, использование биоугля для повышения урожайности и переработки отходов в промышленные материалы, при этом восстанавливая земли. Если природа способна кристаллизовать стратегически важный минерал, такой как монацит, в листьях папоротника, мы можем стремиться к горнодобывающей промышленности, которая будет уделять первостепенное внимание окружающей среде. здоровье почвы, климат и сообществане отказываясь от металлов, которые делают возможными современные технологии.
