科技行者 罕见植物竟然成了活体镍矿新源地,有望变革采矿业

罕见植物竟然成了活体镍矿新源地,有望变革采矿业

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2020年9月6日 21:49:55 科技行者
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一种稀有的植物藏身于印度尼西亚森林中,它们天然富含大量镍矿物,但它们生存正面临威胁。

来源:科技行者 2020年9月6日 21:49:55

关键字:科学 采矿业 新能源 环保

16年前,Aiyen Tjoa正在探索印度尼西亚苏拉威西岛中心的Sorowako小镇。这里曾经是植物王国,很多珍稀物种是独有。但自那以后,小镇竟然成了全球规模最大的镍矿产区之一,其中仅一家公司就占据世界镍供应总量的5%。

2004年,苏拉威西省中部Tadulako大学土壤生物学家兼讲师Tjoa抵达Sorowako小镇时,当地大部分茂密的植被都已遭清理,为了清理出开采面,那里只留下大片贫瘠的土壤与尘土飞扬的道路。

仅有部分灌木和树苗幸存下来。那时的Tjoa希望,能够找到可以适应这种全新富镍环境的稀有植物。在她看来,这将是一种“超级植物”,不仅能够从土壤中吸收高量镍元素,同时也能够将其存储在体内。除了清洁土壤,人们甚至可以直接“开采”这些富镍植物,以获取另外一种金属来源,在不破坏生态环境的前提下保障矿物产出。

Tjoa寻找的植物,被称为「镍超富集体」,人们从每1克干叶中至少能够提取出1000微克镍。

大多数植物都会吸引少量的重金属,以激活体内某些重要的酶,其中,镍正是对植物开花过程至关重要的金属元素。但一旦超量,即使是略微超量,镍也会产生毒性并杀死大多数植物。Tjoa表示,镍超富集体能够将金属结合在细胞壁内或存储在液泡当中,借此实现对过量镍富集的抵抗能力。根据观察,这类植物主要将镍储存在芽、叶、根或汁液当中。

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▲ 图:某些镍超富集体能够将大量金属元素储存在汁液当中,因此呈现出鲜艳的绿色或蓝色。图片来源/Antony van der Ent。

一部分亲镍物种,例如原产于意大利的Alyssum murale(十字花科植物),每1克干叶可以吸收高达30000微克的镍。而包括Phyllantus balgoyii在内的部分植物则生长在马来西亚,并凭借着极高的镍含量,令汁液呈现出显著的亮蓝绿色。迄今为止,全球已经记录了约450种亲镍植物。这些植物大多生长在植物多样性较低,且镍储量低于印度尼西亚的国家,例如古巴(130种)、南欧(45种)、新喀里多尼亚(65种)以及马来西亚(24种)

令人讶异的是,在印度尼西亚这片生物多样性最丰富的土地上,这类植物反而非常稀少特别是对这个全球镍储量最大的国家而言为什么镍超富集体极其罕见?在Tjoa看来,应该是很少有人愿意花时间寻找这类植物的踪迹。

漫长的探索

从Sorowako当地的采矿公司获得许可之后,Tjoa迅速展开探索。四年以来,她只能自费研究,一次又一次前往Sorowako,一次又一次无功而返。

探索进度之所以缓慢,是因为这种植物用肉眼看来其实非常普通,一旦发现可能的富集体,需要通过简单的现场测试,以确定是否是需要的植株。昆士兰大学植物生态学家Antony van der Ent表示,可以用白色的圆形检测纸测试植物中的镍含量(如下图)。“只要将叶子按在纸上,如果镍含量达到一定程度,试纸就会变红。这种测试方法万无一失,易于操作而且速度很快。”

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▲ 图片来源/Antony van der Ent

但体内有镍,并不能证明植物就属于镍的超富集体。为了分析镍浓度,研究者还需要将样品带回实验室,进行干燥处理,并使用X射线检查。具体通过X射线的特定能量水平激活镍原子的特征反应。

经过四年的探索,Tjoa终于在2008年发现了两种生长在印度尼西亚本地的镍超富集体:Sarcotheca celebica与Knema matanensis。在实验室中,她发现这两种本地植物都能够在每克干叶中储存1000-5000微克的镍元素。

这仅仅只是开始,Tjoa还希望找到更多。与其他地方发现的亲镍植物相比,这两种植物的镍含量还是太低了。她解释道,“我们希望找到至少能够积累下10000微克镍的植物。”只有高于这一阈值,种植用于矿物提取/植物采矿的植物,才具有经济可行性。

Tjoa的这项植物研究,引起了万隆技术学院地磁学教授Satria Bijakasana的注意。Bijaksana沉迷于苏拉威西岛当地地质学与生态学之间的关系,他很想知道,自己的地磁学专业知识能否帮助他们加快探索速度。

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▲ 图:印度尼西亚的森林正好是镍超富集体植物的乐园——这里生物多样性极佳,土壤中又分散着大量的镍元素。图片来源/Antony van der Ent。

由于超富集体植物中的金属含量很高,因此即使是燃烧后余下的灰烬,也仍包含大量金属元素——而其中一些金属具有磁性。已经有大量研究表明,超富集体植物中的镍吸收与铁(一种广为人知的高磁金属)吸收会同时发生。因此,Bijaksana与Tjoa共同设计一项实验,以观察植物积累更多镍时,其磁化率是否也会同步增加。通过比较两种著名的超富集体(Alyssum murale 与 Alyssum corsicum)的灰烬,以及苏拉威西与哈马黑拉岛当地10种本地植物的灰烬,他们发现了令人振奋的结果——其中一种本地植物拥有极高的镍与铁含量。

Bijakasana表示,“我们认为通过磁性表现可以加快研究过程,借此检测出高浓度的镍。”凭借着更低的误报率,他们于2020年5月发表研究结果,从苏拉威西发现了另外两种亲镍植物:Casearia halmaherensis以及一种胡椒品种。二者都能够在1克干叶中累积到2600-2900微克的镍。尽管这项研究仍处于起步阶段,但Bijaksana希望通过这项结果说服人们认真对待印度尼西亚的植物采集业务。

新的采矿方式

镍超富集体的优势在于,它们能够从土壤中收集到存在毒性的残留污染物,同时以富集的形式将其转化为有价值材料——镍就是一种应用广泛的矿物,可用于制造厨房水龙头、电动汽车、电池等多种产品。

而且,从植物中收集镍,相比之下更加简单易行。

昆士兰大学的van der Ent计算出,像Phyllantus balgoyii这样的超富集体每年每公顷可出产120公斤的镍,相当于每公顷产出1754美元的价值。镍的提取过程也相对简单,只需要修剪枝条(即植物中金属浓度最高的部分)并燃烧,而后将镍与灰分进行分离即可。Van der Ent表示,燃烧的过程虽然会释放二氧化碳,但镍超富集体的生长过程中却会消耗二氧化碳并产生氧气,因此总体可维持排放平衡。他表示,“燃烧后释放出的所有碳,都将在几个月内被后续种植的作物再次「捕捉」。”

 

与传统采矿方式相比,植物采矿具有显著的环境保护优势。在Sorowako,镍通过露天矿场开采获取,借此提取埋藏在红土岩层中的镍。为了获得镍,人们需要打碎岩石,过程中会释放出放射性元素、天然存在的石棉样物质以及金属粉尘。露天采矿还会产生有毒的半液体废料,即尾矿。如果管理不当,砷与含汞尾矿会持续泄露到周边环境当中。从更广泛的角度来看,传统采矿业总体上会产生巨大的碳排放量,其碳排放占2017年全球温室气体排放总量的至少10%。

除了提升镍矿开采的环保水平,这种新方式还有助于恢复已被开采的土地。Tjoa表示,印度尼西亚的大多数矿业公司并不会在废弃的矿场中种植物。更重要的是,即使少数企业进行植物种植,选择的也大都是普通植物、而非亲镍物种。

Van der Ent指出,这种一厢情愿式的植物恢复过程存在问题。他提到,“这类恢复用植物大多属于常见杂草,非常不适合土壤恢复。”在除镍残留并恢复土壤主要养分及健康状态方面,镍超富集体植物的表现更好。他强调,“在完成植物采摘之后,这类土壤还可以种植普通的农作物。”这种方式也将给采矿企业带来经济收益,因为已经难以直接开采的矿物将通过植物再次集中,并按季节进行收割获取。目前,传统镍采矿方法只适用于含镍量至少达到1%的土壤。“而对镍富集体植物而言,即使是镍占比仅为0.1%的土壤,也足以使其茁壮生长。”

自2014年以来,van der Ent一直在马来西亚沙巴进行植物采矿实验。他表示,“我们发现植物采矿确实有效”,适用于那些尚未开采但天然具备高含镍量的土壤。但他同时强调称,这项技术并不能取代露天采矿。印度尼西亚是目前全球最大的镍生产国,去年出口约7300万吨镍,单靠植物采矿很难维持同样的产量。相反,植物采矿可以与传统开采方法并行推进。更重要的是,植物采矿往往不会像传统采矿方法那样带来与当地居民的尖锐矛盾。Van der Ent指出,“我们认为,植物采矿能够为生活在富镍地区的农村社区提供新的耕作选项,甚至成为新的补充性农业形式。”

尽管潜力无限,但Tjoa对于印度尼西亚植物采矿事业的缓慢动态感到沮丧。她表示,“似乎没人关心其中的潜力。”她曾于2009年试图与印尼国有矿业公司PT Aneka Tamang(Antam)沟通,但对方的回应迟缓且左右摇摆。PT公司曾经对Sorowako的Alyssum murale植物适应性进行过田间试验,结果也支持了Tjoa提出的植物敏化研究结论。但之后随着公司重组,合作计划也不了了之。她回忆道,“很遗憾,这事之后再无下文。”

在van der Ent看来,这样的状况充满讽刺。“没有哪个国家,能像印度尼西亚这样拥有巨大的植物采矿潜力。”凭借着非同寻常的植物多样性与地质历史,他深信该国在发现镍超富集体方面拥有巨大潜力。事实上,苏拉威西岛与哈马黑拉岛拥有着世界上最大的超镁铁基岩,其中富含镍元素,总面积达23400公顷(约合234平方公里)。除了镍含量高外,源自该基岩的土壤还支撑着高海拔植物种群。Van der Ent表示,“继续采用传统采矿方法,只会迫使当地居民在镍资源与生物多样性之间二选一。”

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▲ 图:如果能够利用稀有植物中的镍元素,电动汽车电池将获得可持续的镍矿来源。图片来源/Antony van der Ent。

研究人员认为,如果不加快速度,很多潜在的超富集体植物可能在被发现前就彻底灭绝。在1990年-2018年之间,苏拉威西岛的森林覆盖率已经下降近19%。Tjoa表示,“我们可能已经永远失去了发现这些植物的机会。”

希望之光

但Tjoa并没有放弃她的探索之路。在苏拉威西岛中部,莫罗瓦利自然保护区的富镍土壤上,仍然坐落着一片原始雨林。这片灰色土壤形成于蛇纹石基岩之上,也是亲镍植物的理想生物环境。Van der Ent指出,“我们在哈马黑拉岛的调查显示,这类土壤上的镍超富集体植物相当常见,但人们还没有在苏拉威西找到类似的植物种群。只有大家团结一致,才能尽早发现它们的踪迹。

与此同时,一家海外矿业公司表示有兴趣在当地进行植物采矿实验。2017年,美国投资者与她联系,打算在苏拉威西岛面积5000公顷(约合50平方公里)的土地上提供试验资金。Tjoa打算在此次试验中采用来自意大利的镍超富集体植物Alyssum murale。虽然向苏拉威西生态系统中引入外来物种可能存在一定风险,但她希望通过初步试种“说服印度尼西亚政府真正重视植物采矿的可行性。”

Tjoa希望,将植物采矿技术引入每一处矿区,最好能通过法规要求各矿业公司在特许经营区域内保留一部分雨林。植物采矿方法相较于传统方法将产生更少的废料、保护当地生态系统并降低有毒排放量。“这,为采矿业开辟出了前所未有的新道路。”