Критически важные минералы? Может ли фитодобыча — использование растений для извлечения металлов из почвы — способствовать «зеленому переходу»?

Жерушник альпийский — очаровательное маленькое растение. Его низкорослая розетка из зелёных листьев увенчана длинными стеблями с гроздьями розовато-белых цветков. По мере развития эти цветки превращаются в красивые сплюснутые семенные коробочки, которые, по словам ботаника Лиз Райлотт из Йоркского университета в Великобритании, «напоминают старую британскую монету в один пенни». Но жерушник альпийский (Noccaea caerulescens) примечателен не только своей «монетной» маскировкой. Это растение входит в избранную группу, которая составляет всего 0,21 % от всех известных в мире видов сосудистых растений и обладает способностью извлекать из почвы внушительное количество ценных металлов. Эти растения, известные учёным как гипераккумуляторы, лежат в основе развивающейся отрасли, которая призвана помочь нам получать жизненно важные металлы, не нанося при этом вреда планете.

Гипераккумуляторы бывают самых разных форм и размеров. Миниатюрный альпийский жерушник накапливает цинк и кадмий, а кустарниковый Phyllanthus rufuschaneyi — растение настолько малоизвестное и распространённое, что у него нет общепринятого названия, — накапливает никель. У Pycnandra acuminata, дерева, произрастающего в Новой Каледонии, настолько богатый никелем сок, что он «истекает» ярко-сине-зелёной жидкостью и известен как sève bleue, или «синий сок», на французском языке. Между тем, обыкновенная бузульник-горчица (Biscutella laevigata) накапливает таллий, а кобальтовая вайземания (Haumaniastrum robertii), растение семейства яснотковых, произрастающее в Демократической Республике Конго, накапливает медь и кобальт.

В целом 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, которые необходимы для производства аккумуляторов и других компонентов для электромобилей, ветряных турбин, солнечных батарей и других элементов перехода к «зелёной» энергетике. К ним также относятся металлы, дефицит которых, по мнению учёных, может сорвать глобальные усилия по декарбонизации.

Вытягивая эти элементы из богатых металлами почв, гипераккумулирующие растения могут накапливать до 5 % металла от своего веса, что привело бы к гибели большинства видов. А в развивающейся области фитодобычи учёные и промышленники учатся извлекать эти ценные металлы гораздо более щадящим для окружающей среды способом, чем традиционная добыча.

Прямо сейчас гонка за критически важными полезными ископаемыми приводит к разрушению окружающей среды и нарушениям прав человека. Добыча кобальта, в основном в Демократической Республике Конго, сравнивается с современным рабством. А опасения по поводу доступа к критически важным полезным ископаемым усиливают геополитическую напряжённость, в том числе способствуют вторжению России в Украину. По мере роста спроса на эти элементы разрабатываются богатые и легкодоступные месторождения, а старатели ищут всё более труднодоступные места для добычи — например, на самом дне океана.

Существует множество низкосортных руд, которые можно добывать, а также необработанные отходы горнодобывающей промышленности и загрязнённые металлами почвы, но традиционные методы извлечения металлов из этих источников предполагают использование токсичных химикатов и наносят ущерб окружающей среде на обширных территориях. Однако, по словам Райлотта, именно в извлечении металлов из источников с низкой концентрацией и заключается преимущество фитодобычи. «Растения действительно хорошо справляются с масштабными, масштабными проблемами», — говорит Райлотт, который недавно опубликовал научную статью с обзором того, как фитодобыча — изначально являвшаяся ответвлением исследований в области биоремедиации — продвинулась за последние несколько десятилетий.

Извлечь металл из растений, обладающих свойством гипераккумуляции, в принципе несложно: нужно сжечь растения и отделить металл от золы. Удивительно, но полученный металл зачастую более концентрированный и чистый, чем тот, что добывают традиционным способом. Кроме того, металл не нуждается в тщательной очистке — он может быть в такой форме, которую производители могут использовать напрямую, что сводит к минимуму затраты энергии и усилий на переработку. Оставшийся органический материал можно даже использовать в качестве удобрения. Но реализовать этот, казалось бы, простой процесс в промышленных масштабах оказалось непросто. По словам Энтони ван дер Энта, биолога из Вагенингенского университета в Нидерландах и соавтора обзора по фитодобыче, написанного совместно с Райлоттом, создание инфраструктуры для извлечения металлов из больших объёмов растительной биомассы является «самой сложной задачей в области фитодобычи». Есть и другие проблемы. Многие гипераккумуляторы — это небольшие медленнорастущие растения, говорит Ом Паркаш Данкхер, биотехнолог из Массачусетского университета в Амхерсте. «Многие из них растут только в определённых геоклиматических условиях» и требуют особого подхода к выращиванию, говорит он. Или, что ещё хуже, они растут слишком быстро, как это произошло с желтушником (Odontarrhena chalcidica, ранее известным как Alyssum murale), гипераккумулятором никеля, произрастающим в Средиземноморье. Он вырвался из экспериментального проекта в Орегоне и превратился в инвазивный сорняк.

Даже сторонники фитодобычи говорят, что эта технология, скорее всего, так и останется нишевой. Помимо технологических препятствий, в зоне досягаемости корней растений просто недостаточно металла, чтобы удовлетворить мировые потребности. «Фитодобыча не может заменить традиционную добычу полезных ископаемых», — говорит Данкер. 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 с частичным использованием растительного сырья. (Энтони ван дер Энт выступает в качестве консультанта компании.) GenoMines, французская фирма, использует генетически модифицированное растение из семейства астровых и почвенные пробиотики для добычи никеля в Южной Африке.

На сегодняшний день большая часть работ в области фитодобычи сосредоточена на никеле — дорогостоящем металле, который в больших количествах необходим для производства аккумуляторов, нержавеющей стали и других материалов.

Из 721 известного вида растений, способных к гипераккумуляции, более 500 поглощают никель. Для них, как и для всех сложных эволюционных признаков, это вопрос выживания. Геологические различия в составе земной коры по всему миру означают, что некоторые почвы, например из змеевика или ультраосновных пород, естественным образом богаты никелем. Для большинства растений большая доза никеля смертельна. Но у гипераккумуляторов развилась способность поглощать металл и накапливать его в тканях, превращая токсичную почву в благоприятную среду для роста. Некоторые учёные считают, что высокая концентрация никеля в организме гипераккумуляторов даже помогает им защищаться от патогенов и голодных насекомых.

В 2024 году Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США в области энергетики (ARPA-E) объявило о выделении семи грантов на общую сумму 9,9 млн долларов США на разработку технологии фитодобычи никеля, которая могла бы обеспечить внутренние поставки металла из более чем 40 000 квадратных километров (15 000 квадратных миль) серпентиновых почв, которые встречаются в Калифорнии и Орегоне, а также вдоль границы Пенсильвании и Мэриленда.

Один из грантов ARPA-E получила команда, в которую входит Рупали Датта, биолог-растениевод из Мичиганского технологического университета. Она и её коллеги изучают роль химических свойств почвы и микробов в максимальном раскрытии потенциала фиторемедиации с помощью нескольких известных гипераккумуляторов, а также ветивера (Chrysopogon zizanioides), быстрорастущего вида, который она ранее использовала для очистки от свинца. Тем временем Metalplant, компания из штата Делавэр, сотрудничает с биотехнологической фирмой Verinomics из Коннектикута в рамках гранта на генную модификацию O. chalcidica. Metalplant уже успешно использует этот вид для добычи никеля в Албании, где он произрастает в естественных условиях, но компания надеется усовершенствовать его, чтобы повысить усвояемость никеля и предотвратить его инвазивное распространение при выращивании в Северной Америке.

Собственные разработки Данкхера в области фитодобычи получили финансирование в размере 1,3 миллиона долларов от программы ARPA-E. Он стремится создать генетически модифицированную версию рыжика посевного, быстрорастущего растения семейства крестоцветных, которое уже широко выращивается в США для производства биотоплива, чтобы оно могло лучше накапливать никель. «Цель состоит в том, чтобы создать растения, способные накапливать от 1 до 3 процентов никеля», — говорит Данкер. Преимущество C. sativa заключается в том, что в некоторых регионах фитомайнеры могут выращивать три урожая в год. Если растения накапливают хотя бы 1 % никеля от своей массы, то, по словам Данкера, они могут производить до 25 000 килограммов полезного металла на квадратный километр почвы в год (около 145 000 фунтов на квадратную милю). В типичном аккумуляторе электромобиля содержится от 30 до 50 килограммов (от 66 до 110 фунтов) никеля.

Помимо никеля, фитодобыча также перспективна для сбора других минералов, особенно кобальта, таллия и селена, как пишут Райлотт и ван дер Энт в своём недавнем обзоре. Этот метод можно использовать даже для добычи редкоземельных элементов — группы важных металлов, которые широко распространены в земной коре, но встречаются в основном в очень низких концентрациях. На данный момент добыча редкоземельных элементов — отрасль, почти полностью контролируемая Китаем, что оказывает каскадное воздействие на глобальные торговые отношения и цепочки поставок — является дорогостоящей, энергозатратной и разрушительной для окружающей среды. Но если фитодобыча откроет новый способ получения редкоземельных элементов, говорит Лидия Бриджес, геохимик и старший консультант по устойчивому развитию в Minviro, компании, которая помогает горнодобывающим предприятиям оценивать и снижать воздействие на окружающую среду, «это будет просто невероятно».

Несмотря на то, что ни один из них ещё не получил коммерческого развития, учёные выявили несколько природных гипераккумуляторов редкоземельных элементов.  Использование растений для добычи редкоземельных элементов стало бы «огромным шагом на пути к обеспечению критически важных минеральных ресурсов и, будем надеяться, к устойчивому развитию», — говорит Бриджес. Но она добавляет, что нужно быть осторожными: «Нам следует быть немного осторожнее с перекладыванием экологической нагрузки». Хотя фитодобыча — редкоземельных элементов или чего-либо ещё — является долгожданным нововведением, она не является панацеей для окружающей среды.

Масштабированное выращивание гипераккумуляторов приводит к тем же экологическим проблемам, что и выращивание любой другой технической культуры, отмечает ван дер Энт: стоки пестицидов и удобрений, чрезмерный забор воды и утрата местного биоразнообразия из-за выращивания одного вида. И хотя на некоторых участках богатых металлами почв почти нет жизни, другие являются основой хрупких экосистем, например, устойчивые к металлам насекомые эволюционировали, чтобы жить на растениях-гипераккумуляторах.

Но фитодобыча может не только производить металл, но и восстанавливать деградировавшие земли, связывать углерод и служить топливом для производства энергии или сырьём для биоугольных удобрений, сингаза и других химических продуктов. Это может быть одно из многих небольших, но коммерчески жизнеспособных предприятий, которые делают мир более устойчивым. Кроме того, это расширяет наше понимание безграничных и удивительных возможностей растений — даже такого миниатюрного, как кресс-салат.