Світ сучасних технологій, від електромобілів до смартфонів і вітряних турбін, критично залежить від так званих рідкоземельних елементів (РЗЕ). Ці 17 хімічних елементів, що включають лантаноїди, скандій та ітрій, вирізняються унікальними магнітними, оптичними та каталітичними властивостями, роблячи їх незамінними для високотехнологічної продукції. Однак їх видобуток і обробка традиційно є надзвичайно руйнівними для довкілля процесами. Але група вчених у Китаї, можливо, знайшла принципово новий, значно більш екологічний спосіб їх отримання – за допомогою звичайної папороті.
Дослідницька команда під керівництвом геохіміка Люціна Хе з Китайської академії наук уперше виявила, що папороть виду Blechnum orientale здатна природним чином кристалізувати мінерали рідкоземельних елементів, зокрема монацит, у своїх тканинах прямо над землею, за звичайних умов. Це кардинально відрізняється від традиційного способу виявлення РЗЕ, які зазвичай концентруються в невеликих кількостях у вигляді сполук в певних типах магматичних порід, що утворюються при охолодженні магми глибоко під землею.
Відкриття, що змінює правила гри
Це визначне відкриття, детально описане в дослідженні, опублікованому цього місяця в журналі Environmental Science & Technology, може значно зменшити нашу залежність від традиційного гірничодобувного виробництва для видобутку рідкоземельних елементів. Оскільки РЗЕ зазвичай змішані з іншими елементами, їх потрібно хімічно розділяти за допомогою різних процесів. Це призводить до руйнування верхнього шару ґрунту та рослинності в регіонах, багатих на РЗЕ, а також до забруднення води та повітря.
Незважаючи на назву, рідкоземельні елементи насправді не є рідкісними – вони розсіяні по всьому світу, але не зустрічаються у великих родовищах, як, наприклад, золото. Проте Китай сьогодні переважає у ланцюжку постачання РЗЕ. Країна контролює приблизно 70% світового видобутку рідкоземельних елементів і ще більшу частку переробних потужностей, а отже, має значний вплив на доступ до цих ресурсів. Китайська академія наук, що розташована в Пекіні, є провідною науково-дослідною установою країни, яка відповідає за передові дослідження в різних галузях.
Таємниця рослин-накопичувачів
Як це відбувається? Blechnum orientale належить до так званих рослин-гіперакумуляторів. Ці унікальні види здатні рости в ґрунті з надзвичайно високим вмістом важких металів – концентраціях, які зазвичай були б токсичними для інших рослин, – поглинаючи ці елементи через свою кореневу систему.
Хоча про такі рослини відомо давно, Люцін Хе в інтерв’ю Newsweek підкреслив, що важливим тут є те, що “ця папороть може сприяти мінералізації РЗЕ, тобто виробляти мінерали – геологічно дуже важливі РЗЕ-мінерали, зокрема мінерал монацит, який раніше був відомий лише в породах, що піддавалися високим температурам і тиску глибоко в надрах Землі. А тепер монацит росте в умовах земної поверхні (за тих самих температур і тиску, за яких живуть люди). Мінерал, що росте в рослині, є нанорозмірним (тобто це надзвичайно дрібні частинки монациту, який також є промислово значущим рідкоземельним мінералом)”. Монацит є важливим фосфатним мінералом, що містить рідкоземельні елементи, такі як церій, лантан, неодим, а також торій.
Фітовидобуток – рішення майбутнього?
Відкриття, що ґрунтується на потужних мікроскопічних зображеннях та методах хімічного аналізу папороті, що росте в Південному Китаї, вказує на можливість використання процесу, відомого як фітовидобуток – застосування рослин-гіперакумуляторів для вилучення металів з ґрунту – для збирання важкодоступних рідкоземельних елементів. Південний Китай відомий своїм різноманітним кліматом і багатим рослинним світом, що робить його ідеальним місцем для вивчення таких унікальних біологічних явищ.
Це може стати важливим проривом у розв’язанні постійної проблеми, з якою стикаються країни по всьому світу в забезпеченні постачань РЗЕ. Зокрема, в електромобілях неодим, диспрозій та празеодим переважно використовуються в потужних постійних магнітах всередині двигунів, які приводять в рух електромобілі. РЗЕ також зустрічаються в багатьох елементах вашого телефону: від дисплея до магнітів, що живлять динамік та вібраційний двигун, до лінз камери та електронних схем.
Звичайно, ця папороть поки не виробляє рідкоземельні елементи у великих обсягах, але дослідження показує, що ми все ще дуже мало знаємо про можливості фітовидобутку цих цінних елементів. Дослідникам потрібно буде з’ясувати, чи є B. orientale єдиним видом, здатним самостійно організовувати РЗЕ з різних елементів, чи інші рослини також володіють цією здатністю. Вони також сподіваються розробити метод вилучення монациту та його розкладання на складові РЗЕ без втрати значної частини ресурсу в процесі.
“Це відкриття демонструє альтернативний шлях мінералізації монациту за надзвичайно м’яких умов і підкреслює унікальну роль рослин у започаткуванні таких процесів”, – зазначили дослідники, відкриваючи нові горизонти для екологічно чистого технологічного розвитку.
