Некоторые растения способны извлекать редкоземельные металлы из почвы 

Фото из открытых источников

Редкоземельные элементы содержатся практически в каждом телефоне, электромобиле и ветряной турбине на планете. Для их извлечения из земли требуются кислотные ванны, химические пруды и многолетние работы по очистке окружающей среды.

Зачастую процесс их извлечения производит гораздо больше отходов, чем металла. На обнажившихся склонах холмов и отвалах в южном Китае можно найти свидетельства наличия большей части этих отходов. Они также покрыты особым видом папоротника. Оказывается, этот папоротник имеет неожиданную связь с загрязненной почвой под ним.

Жун-Лян Цю, ученый-эколог из Южно-Китайского сельскохозяйственного университета (SCAU), возглавил группу, которая в течение нескольких лет отслеживала этот вид. Они заметили, что папоротники незаметно извлекают редкоземельные элементы из почвы и накапливают их в своих листьях. Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Earth & Environment.

Наиболее примечательным является тропический папоротник Dicranopteris linearis. На некоторых его листьях концентрация этих металлов достигает 0,7% от их сухого веса. Это кажется незначительным, но это не так. В большинстве горных пород, добываемых для получения тех же металлов, их содержание составляет менее одной десятой процента.

Папоротник проходит начальные этапы самосовершенствования, используя солнечный свет, воду и терпение. Спрос и потребность в редкоземельных элементах во всем мире стремительно растут. Для изготовления магнитов внутри электродвигателей и ветротурбин необходимы неодим, празеодим, диспрозий и тербий. Согласно одному из прогнозов, к 2050 году спрос увеличится более чем вдвое.

Однако ситуация с поставками выглядит более запутанной. Китай занимает лидирующие позиции, обеспечивая около 70 процентов мирового производства и 90 процентов переработки нефти. Собственные запасы страны сократились примерно на 45 процентов с 1980-х годов. В связи с этим поиски нетрадиционных источников стали серьезной задачей.

В большинстве почв содержатся следы редкоземельных элементов. Среднемировое содержание составляет от 100 до 200 миллиграммов на килограмм, что сопоставимо с содержанием меди или цинка. В почвах над гранитным основанием концентрация загрязняющих веществ выше, иногда достигая 500 миллиграммов на килограмм.

Традиционная добыча полезных ископаемых нерентабельна на этих почвах. Металлы слишком сильно разбавлены и перемешаны с химически схожими примесями, чтобы затраты времени оправдали себя.

Dicranopteris linearis решает эту проблему. Растение накапливает металлы в концентрациях, более чем в 30 раз превышающих концентрацию в почве под его корнями. Ещё более эффективным его делает то, что он не требует удобрений, полива или посадки.

На юге Китая, в Малайзии, Индонезии и на Филиппинах этот папоротник произрастает в естественных условиях без участия человека. После обрезки на том же участке 90 процентов листьев отрастают всего за один-два года.

Важно отметить, что папоротники растут не везде. Для умеренного климата команда исследователей рассматривала другие виды растений. Одним из них была фитолакка американская (Phytolacca americana), листовой сорняк, широко распространенный по всей территории Соединенных Штатов, а теперь и в Азии и некоторых частях Европы.

Фитолакка предпочитает более тяжелые и ценные редкоземельные элементы, такие как иттрий и диспрозий, используемые в специальных магнитах и люминофорах для ярких экранов. Для того чтобы растение зарекомендовало себя как гипераккумулятор, ему необходима более плодородная почва, чем у папоротника. Это в основном ограничивает его распространение старыми местами добычи полезных ископаемых.

Однако это ограничение имеет и обратную сторону: завод способен превращать заброшенные отходы горнодобывающей промышленности в источник дохода. Самая сложная часть фитодобычи всегда наступает после сбора урожая. Сжигание растений и химическое отделение металлов требуют использования этанола, сильных кислот и большого количества электроэнергии.

До выхода этой статьи дорогостоящий маршрут рассматривался как предполагаемая конечная точка. Команда Цю же утверждает, что извлекать металлы вообще не стоит.

Сама зола богата редкоземельными элементами, а также кальцием, алюминием, кремнием и марганцем. Все эти вещества используются для производства специализированных удобрений, соединений для светодиодного освещения, а также в катализаторах, которые разлагают отходы пластика на топливо. Более того, кислотные ванны не требуются.

Цифры резко меняются, если исключить химический процесс из расчета извлечения. Химическое извлечение металлов из гектара собранного папоротника приносит примерно 464 доллара прибыли.

Если переработать тот же растительный материал непосредственно в зольное удобрение или катализатор, то стоимость урожая с гектара превысит 10 000 долларов. Это более чем в 20 раз выше, чем раньше. Аналогичная картина наблюдается и в сфере выбросов.

Это дает фитодобыче шанс приблизиться к углеродной нейтральности. Прямой способ переработки позволяет еще больше сократить выбросы углерода. Однако ни одно из этих исследований не может заменить промышленную добычу полезных ископаемых в целом.

Папоротник в лучшие свои времена дает всего несколько сотен фунтов урожая с акра, в то время как мир потребляет сотни тысяч тонн. Также возникает вопрос безопасности. Те же самые заводы, которые концентрируют редкоземельные элементы, также перерабатывают алюминий и следы тяжелых металлов.

Это вызывает серьезные опасения по поводу любых удобрений или кормов, изготовленных из них. Кроме того, полевые испытания в промышленных масштабах еще не проводились. Большинство данных о затратах и урожайности получены на основе экспериментальных участков, поэтому между написанием этой статьи и созданием работающего предприятия предстоит еще много лет пилотной работы.

Теперь стало ясно, что выращивание этих растений и прямая переработка золы в продукцию могут быть конкурентоспособными в финансовом отношении. Этап экстракции с использованием кислот, который долгое время считался неизбежным, теперь доказал свою эффективность. Это меняет представление об отходах горнодобывающей промышленности и деградированных землях в тропиках.

Участки, которые ранее считались затратами на очистку, теперь могут стать потенциальным источником дохода. Небольшие страны с подходящими почвами могут войти в цепочку поставок, в которой доминирует одна страна. Папоротниковая заросль сама по себе не станет движущей силой технологического развития. Но данные свидетельствуют о том, что она может стать частью решения будущих проблем.