«Зеленые» технологии требуют грязной добычи редких металлов. Проблему решает папоротник, который научился их выращивать
Технологии, которые принято называть «зелёными», скрывают грязный секрет. Ветряные турбины, аккумуляторы электромобилей, светодиоды, солнечные панели и вся электроника в вашем кармане — от смартфона до наушников — существуют благодаря редкоземельным элементам (РЗЭ). Это набор из 17 металлов, без которых невозможен современный технологический уклад. Парадокс в том, что добыча этих элементов — один из самых экологически разрушительных процессов на планете.
Традиционная добыча РЗЭ — это гигантские карьеры, тонны переработанной породы и использование агрессивных кислот для извлечения мизерных долей ценного металла. Результат — токсичные отвалы, загрязнение грунтовых вод и навсегда изуродованные ландшафты. Мы строим чистое будущее на фундаменте из экологической катастрофы.
А что, других методов нет совсем? А если вместо того, чтобы взрывать скалы и перерывать огромные объемы породы, мы могли бы эти металлы… выращивать? «Ну совсем бредятину стали писать» — отмахнетесь, а вот недавнее открытие китайских биологов говорит о том, что перспектива все же есть.
Что такое фитомайнинг?
Идея использовать растения для извлечения металлов из почвы, на самом деле, совсем не новая. Этот метод называют фитомайнингом. В его основе лежит способность некоторых уникальных видов, так называемых гипераккумуляторов, расти на почвах с экстремально высокой концентрацией тяжелых металлов и активно накапливать их в своих тканях.
Долгое время это было скорее лабораторным опытом и методом фиторемедиации — очистки загрязнённых земель. Растения впитывали токсичные элементы, после чего их можно было собрать и утилизировать, сделав почву безопаснее. Но извлечь из этой биомассы металл в чистом виде было слишком сложно и нерентабельно. Не хватало ключевого звена: понимания, как именно растение обращается с поглощённым металлом на клеточном уровне.
Прорыв в клетках папоротника
Это звено и обнаружила команда учёных, исследовавшая папоротник вида Blechnum orientale в Южном Китае. Было известно, что он способен накапливать РЗЭ, но никто не знал, в какой форме.
С помощью электронной микроскопии и спектрального анализа исследователи увидели, что папоротник не пассивно складирует ионы металлов, а запускает сложный биохимический процесс, в результате которого внутри его тканей — в клеточных стенках и межклеточном пространстве — формируются наноразмерные кристаллы монацита.
А вот монацит — это один из главных промышленных минералов, из которого РЗЭ добывают по всему миру. Получается, растение не просто впитывает элементы — оно выполняет работу обогатительной фабрики, самостоятельно создавая готовую рудную фракцию. Впервые в истории науки было задокументировано, как живой организм целенаправленно кристаллизует редкоземельные элементы.
Почему кристалл лучше, чем ион?
Это хорошо по двум причинам.
- Концентрация и форма. Одно дело — иметь металлы, рассеянные в виде ионов по всей биомассе растения. Извлечь их оттуда — всё равно что пытаться собрать рассыпанную соль с ковра. Совсем другое — когда металл сконцентрирован в виде твёрдых нанокристаллов. Это уже не загрязнение, а готовый продукт. Теоретически, его можно переработать гораздо эффективнее, отделив кристаллы от органики.
- Биологический механизм. Растение делает это не случайно. Обнаруженная структура кристаллов, которую авторы описывают как микроскопический «химический сад», указывает на сложный, самоорганизующийся процесс. Это значит, что у папоротника есть генетическая и биохимическая программа для управления РЗЭ. Если мы сможем расшифровать этот механизм, мы потенциально сможем его воспроизвести или даже улучшить с помощью генной инженерии, создав растения, работающие как высокоэффективные биологические насосы для конкретных металлов.
От лаборатории до промышленных полей: реалистичный взгляд
Конечно, завтра мы не начнём засевать поля «металлическими» папоротниками. Путь от научного открытия до работающей технологии долог и полон препятствий. Главные вопросы — скорость и масштаб. Сколько времени нужно растению, чтобы накопить экономически значимое количество РЗЭ? Какова будет урожайность с гектара? Можно ли адаптировать этот механизм к другим, более быстрорастущим культурам?
Ответов на эти вопросы пока нет. Но, как минимум, у нас есть доказательство принципиальной возможности. Природа уже обладает технологиями, которые мы только пытаемся изобрести. Наша задача — понять и научиться применять то, что оттачивалось эволюцией миллионы лет.
Так что будем надеяться, что в будущем добыча полезных ископаемых сможет перейти из сферы геологии в сферу биотехнологий. И вместо грохота экскаваторов мы услышим шелест листьев на полях, которые тихо и методично выращивают сырьё для нашего цифрового мира.
Источник: Environmental Science & Technology
Источник: www.flickr.com











