Рыть шахту в земле – это стиль 1924 года. В 2024 году ученые пытаются придумать, как добывать полезные ископаемые при помощи растений. Эта концепция получила название "фитодобыча". Из 350 тысяч известных видов растений всего 750 являются "гипераккумуляторами", которые легко поглощают огромные количества металлов и накапливают их в своих тканях. Если засеять поля европейским растением бурачок Бертолони (лат. Alyssum bertolonii) или тропическим филлантусом (лат. Phyllanthus rufuschaneyi), а затем собрать биомассу и сжечь ее, то в итоге получится пепел, насыщенный никелем.
"Если выращивать эти растения на почве, которая содержит примерно 5% никеля – а это довольно загрязненная почва, то после сжигания зола будет содержать от 25 до 50% никеля", рассказывает Дэйв Макнир, биогеохимик из Университета Кентукки. "Для сравнения, если добывать никель из горной породы, то его содержание составит около 0,02%".
Теперь в дело вступило Агентство передовых исследований в области энергетики США (ARPA-E). Недавно оно объявило о выделении финансирования в размере до 10 миллионов долларов на изучение способов использования растений для извлечения никеля из американских почв. Исследовательский проект получил название "Использование растений-гипераккумуляторов для извлечения никеля из обогащенных им почв", или PHYTOMINES, и он предполагает партнерство между учеными, фермерами, производителями аккумуляторов и горнодобывающими предприятиями. Цель заключается в поиске наиболее подходящего для климата Северной Америки растения-гипераккумулятора, которое способно быстро расти и накапливать большое количество никеля. Это позволит нарастить объемы предложения металла, который федеральные власти относят к категории "критически важного сырья". Никель является незаменимым ингредиентом при производстве аккумуляторных батарей, которые сами по себе играют важнейшую роль в области перехода на возобновляемые источники энергии.
"Исследуя возможность применения фитодобычи для извлечения никеля в качестве первого целевого критического материала, ARPA-E стремится создать конкурентоспособный по стоимости и низкоуглеродный подход к получению полезных ископаемых, необходимых для поддержки энергетического перехода", отметила директор ARPA-E Эвелин Н. Ванг.
По словам Ванг, если растения смогут извлекать никель из почвы, то это поможет восполнить недостаток традиционной добычи этого металла и сократить его импорт. Кроме того, по мере роста растения поглощают углекислый газ из атмосферы. При сжигании растений углерод возвращается в атмосферу, но чистый объем выбросов при использовании этой методики относительно низок. В то же время, тяжелая техника на традиционных горных разработках выбрасывает парниковые газы и разрушает экосистемы.
Это не такая уж новая концепция – ученые изучают фитодобычу уже много лет. "Это область, которая исторически находится на грани возможного", считает Патрик Браун, специалист по растениям из Калифорнийского университета в Дэвисе. "Время от времени в газетах пишут о том, что это следующая великая технология, но ее реализация так и не состоялась, потому что никто не инвестировал в нее достаточно средств".
Избыток никеля в почве препятствует росту обычных растений. Растения-гипераккумуляторы не просто способны переносить металл, но и находятся под его защитой, поскольку богатые металлом листья отражают нападения травоядных. По сути, это металлическая броня. Около 75% из 750 видов растений-гипераккумуляторов накапливают никель. ARPA-E утверждает, что в США особенно пригодными для использования в этих целях могут оказаться растения из рода подсолнечника и горчицы.
"Аналогично исследованиям кукурузы, пшеницы и сои, направленным на повышение эффективности поглощения растениями питательных веществ – азота, фосфора, калия, необходимо проводить исследования, направленные на понимание механизмов гипераккумуляции металлов", говорит Макнир.
ARPA-E собирается испытать эти растения на ультрамафических почвах – особом виде грунта с высоким содержанием железа, кобальта, хрома и никеля. Такие почвы распространены в местах вулканической активности, например, в северной Калифорнии и южном Орегоне, но также встречаются по всей территории США, от Вайоминга до Пенсильвании. Концентрация никеля в ультрамафических почвах слишком мала, чтобы открыть полноценную шахту, но слишком высока для выращивания сельскохозяйственных культур и другой растительности.
Благодаря новому финансированию ученые смогут акцентировать внимание на существующих видах растений или на их селекции, корректируя способ гипераккумуляции никеля. В идеале желательно высаживать быстрорастущие растения, чтобы в итоге получить много богатой никелем биомассы, которую можно превратить в золу, содержащую металл. "Проблема здесь заключается в том, что эти растения зачастую не очень продуктивны", говорит Браун. "Для достижения значимого, экономически целесообразного результата необходимо добиться высоких концентраций никеля и большого количества биомассы".
Если ученые смогут посадить в США подходящее растение-гипераккумулятор, то теоретически они смогут получать больше никеля для изготовления большего количества аккумуляторных батарей. Батареи нужны не только растущему парку электромобилей: в них нуждаются и электросети, чтобы хранить энергию, вырабатываемую возобновляемыми источниками, такими как ветер и солнце. Когда солнце не светит, а ветер не дует, операторам электросетей нужно использовать аккумуляторы, чтобы удовлетворить спрос на электричество.
Конечно, растения-гипераккумуляторы должны хорошо взаимодействовать с экосистемами – нельзя допустить, чтобы они стали инвазивными и вытеснили местные виды. Со временем фитодобыча улучшит качество почвы, удалив из нее достаточное количество никеля для того, чтобы на ней могли расти другие сельскохозяйственные культуры. Кроме того, с помощью растений-гипераккумуляторов можно очистить почву, загрязненную в результате традиционной добычи никеля, например, вокруг металлургических предприятий. Выбросы из дымовой трубы оседают вокруг предприятия, поэтому фермерские хозяйства поблизости не могут использовать эту землю, ведь она содержит слишком много никеля. Однако с помощью таких растений можно выращивать "урожай никеля" и продавать его обратно заводу. В настоящее время ARPA-E изучает фитодобычу никеля, но, по словам специалистов, теоретически можно также исследовать способы извлечения кобальта, меди или лития.
