Никель, возможно, не растет на деревьях, но в будущем его можно будет добывать с помощью растений. Многие виды растений способны естественным образом поглощать металлы и концентрировать их в своих тканях. Новое финансирование пойдет на поддержку исследований, посвященных использованию этой черты для так называемой фитодобычи — горнодобывающей деятельности с использованием растений.
Семь проектов по фитодобыче получили гранты от Агентства перспективных исследовательских проектов в области энергетики Министерства энергетики США (ARPA-E) на общую сумму 9,9 миллиона долларов. Цель состоит в том, чтобы лучше понять, какие растения могут помочь в добыче, и определить, как исследователи могут модифицировать их для получения критически важных металлов, которые нам понадобятся в будущем.
Спрос на такие металлы, как никель, незаменимый для литий-ионных аккумуляторов, используемых в электромобилях, огромен. Однако строительство новых рудников для удовлетворения этого спроса часто затруднено из-за исторически сложившееся общественного неприятия, вызванного опасениями по поводу воздействия на окружающую среду. Новые технологии добычи могут помочь диверсифицировать поставки критически важных металлов и потенциально предложить альтернативу традиционным рудникам.
«Все хотят говорить об открытии нового гигазавода, но никто не хочет говорить об открытии нового рудника», — говорит Филсок Ким, программный директор ARPA-E, курирующий проект по фитодобыче. Агентство увидело необходимость в устойчивых и ответственных новых горнодобывающих технологиях, даже если они сильно отличаются от того, что используется в отрасли в настоящее время. Фитодобыча — яркий тому пример. «Это безумная идея», — признает Ким.
По словам Кима, известно около 750 видов растений, являющихся гипернакопителями, то есть они поглощают большие объемы металлов и удерживают их в своих тканях. Эти растения, которые, как правило, поглощают металлы вместе с другими питательными веществами из почвы, адаптировались для того, чтобы просто выдерживать их присутствие.
Из видов, способных усваивать и концентрировать металлы, более двух третей делают это с никелем. Хотя никель, как правило, токсичен для растений в высоких концентрациях, эти виды эволюционировали, чтобы процветать на богатых никелем почвах, которые распространены в некоторых частях мира, где геологические процессы вынесли этот металл на поверхность.
Даже у гипернакопителей общее содержание никеля в тканях растения остается относительно небольшим — примерно один миллиграмм металла на грамм сухого растительного материала. Однако сжигание высушенного растения (что в значительной степени удаляет органический материал) может привести к получению пепла, который на 25% или даже более состоит из никеля.
Большое количество никелеустойчивых растений, а также важность этого металла для энергетических технологий сделали его естественным объектом для ранних исследований, отмечает Ким.
Но хотя растения уже имеют преимущество в добыче никеля, коммерческие операции с их использованием сегодня нецелесообразны. Самые эффективные известные гипернакопители могут производить от 50 до 100 килограммов никеля на гектар земли в год, говорит Ким. Этого хватило бы всего на две-четыре аккумуляторные батареи для электромобилей в среднем, и потребовалась бы земля, превышающая площадь стандартного футбольного поля. Исследовательская программа будет нацелена на повышение этой урожайности как минимум до 250 килограммов на гектар, чтобы улучшить перспективы экономически выгодной добычи.
Семь финансируемых проектов будут направлены на увеличение производства несколькими путями. Некоторые исследователи ищут виды, которые накапливают никель еще более эффективно, чем уже известные. Одним из кандидатов является ветивер, многолетняя трава с глубокими корнями. Она известна способностью накапливать такие металлы, как свинец, и часто используется в проектах по очистке, поэтому может стать хорошим объектом для поглощения других металлов, например никеля, — рассказывает Рупали Датта, биолог из Мичиганского технологического университета и руководитель одного из проектов.
Другой получатель гранта изучит более 100 000 образцов из гербариев — законсервированных и каталогизированных растительных экземпляров. Используя метод рентгенофлуоресцентного сканирования, исследователи будут искать никель в тканях этих растений в надежде идентифицировать новые виды-гипернакопители.
Другие исследователи стремятся повысить добывающие способности уже известных никелевых гипернакопителей. Одна из проблем многих устоявшихся вариантов заключается в том, что у них не очень высокая биомасса, иными словами, они маленькие. Таким образом, даже если растение имеет относительно высокую концентрацию никеля в тканях, оно все равно соберет лишь небольшое количество металла. Исследователи хотят модифицировать известные гипернакопители, чтобы «увеличить их в размерах» — например, дать им более крупные корневые системы, которые позволят им проникать глубже в почву за металлом.
Еще один потенциальный способ улучшения поглощения никеля — изменение цикла роста растений. Большинство многолетних растений практически прекращают расти после цветения, объясняет Ричард Амасино, биохимик из Висконсинского университета в Мадисоне. Поэтому одна из его целей в рамках проекта состоит в том, чтобы выяснить, как отсрочить цветение у Odontarrhena — семейства растений с ярко-желтыми цветками, чтобы у них было больше времени для поглощения никеля, прежде чем они прекратят расти в течение сезона.
Исследователи также работают с этими целевыми видами, чтобы убедиться, что они не станут инвазивными в местах их посадки. Например, Odontarrhena — выходцы из Европы, и ученые хотят быть уверены, что они не выйдут из-под контроля и не нарушат естественные экосистемы, если их завезут в США или другие регионы с подходящим для них климатом.
Гипернакапливающие растения уже используются при геологоразведке месторождений, но вряд ли они смогут производить тот объем никеля, который мы добываем сегодня, — отмечает в электронном письме Саймон Джовитт, директор Центра исследований экономической геологии Университета Невады в Рино. Однако растения могут стать осуществимым решением для переработки шахтных отходов, считает он.
Существует также вопрос о том, что произойдет, когда растения поглотят металлы из определенного слоя почвы. По словам Джовитта, этот слой, возможно, потребуется удалить, чтобы добраться до большего количества металла в нижних слоях после посева и сбора урожая.
Помимо выявления и изменения целевых видов, исследователям по всем этим проектам необходимо лучше понять, где растения могут быть выращены, и могут ли природные процессы, такие как движение грунтовых вод, пополнять запасы целевых металлов в почве, — добавляет Ким. Кроме того, ученым потребуется проанализировать экологическую устойчивость самой фитодобычи. Например, сжигание растений для получения пепла, богатого никелем, приведет к выбросам парниковых газов.
Тем не менее, борьба с изменением климата заключается в производстве и установке оборудования, — заключает Ким, — а для этого нам нужно много материалов. Фитодобыча может помочь в будущем. «Мы верим, что это возможно, но это чрезвычайно сложно», — утверждает он.
