Árið er 2014. Plöntuvísindamaðurinn Anthony Van Derent er kominn djúpt inn í regnskóginn á Kyrrahafseyjunni nýju Kaledóníu.
Hann er á höttunum eftir einstakri trjátegund, Pycnandra acuminata sem fyrirfinnst hvergi annars staðar í heiminum – tré sem getur safnað upp svo miklu magni af málmi að aðrar lífverur myndu veikjast og deyja af sama magni.
Van der Ent hefur heppnina með sér. Hann finnur þessa trjátegund, tekur fram hníf sinn og sker í börkinn. Hann man ennþá hughrifin þegar hann horfði á safann renna úr opnu sári.
„Að sjá þennan blágræna latexvökva sem inniheldur 25% af nikkeli leka út úr trénu í Nýju-Kaledóníu með mínum eigin augum í fyrsta sinn var virkilega stórkostlegt,“ segir hann í samtali við Lifandi vísindi.
Tréð á Kyrrahafseyjunni er dæmi um ákaflega fágæta lífveru sem kann að geta myndað grunn fyrir nýja gerð námuvinnslu í framtíðinni. Tré og plöntur með þann sérstaka hæfileika að geta dregið upp málma úr jörðinni mætti rækta á milljónum hektara um heim allan.
Plönturnar geta þannig orðið ný uppspretta verðmætra málma, samtímis því að þær hreinsa mengaða jörð og veita fátækum bændum þannig nýja tekjumöguleika.
Lífefnafræðingurinn Antony van der Ent hefur borið kennsl á meira en 400 málmsjúgandi plöntur. Hér er hann með safasýni úr tegundinn Phyllanthus balgooyi sem inniheldur ríflega 16 prósent af nikkeli.
Það er að minnsta kosti hugmynd vísindamanna sem vinna með svonefnda ofursafnara (e. hyperaccumulators).
Van der Ent sem starfar við the University of Queensland í Ástralíu, er meðal forkólfa þess að plöntur þessar geti opnað dyr fyrir nýja græna námuvinnslu sem nefnist á ensku phytomining. Þetta gæti samkvæmt Van der Ent orðið umhverfisvæn viðbót við hefðbundna námuvinnslu þar sem stórar maskínur losa oft mikið magn af CO2 og uppgröfturinn eyðileggur oft bæði náttúru og umhverfi.
700 plöntur sjúga upp málma
Van der Ent vinnur við að uppgötva nýja ofursafnara og rannsakar jafnframt hvernig plönturnar geti lifað af með svo mikið málmmagn inni í sér. Núna vita vísindamenn um meira en 700 plöntur og tré sem hafa þennan sérstaka eiginleika. Sjálfur hefur Van der Ent fundið og lýst meira en 400 ofursöfnurum á síðustu árum.
Pycnandra acuminata sem hann fann í regnskóginum á Nýju-Kaledóníu var upprunalega uppgötvuð af dr. Tangay Jaffré upp úr 1970 og er til þessa sá ofursafnari sem getur safnað í sig mestu magni af málmi.
Þessi 25% af nikkeli í safa trésins er samkvæmt Van der Ent „svimandi“ há tala. Þrátt fyrir að nikkel finnist náttúrulega í m.a. fæðuvöru okkar í skömmtum sem eru mældir í míkrógrömmum – eða milljónustu hlutum úr grammi – er málmurinn banvænn fyrir manneskjur þegar fáein grömm eru tekin inn.
Sterki, græni liturinn í safa frá ofursöfnurum sýnir mikinn magn af málminum nikkel.
Rannsóknir Van Der Ents sýna að ein af brellum ofursafnara felst í að flytja málmfrumeindirnar út í þær frumur sem mynda yfirborð laufblaðanna. Hér veldur málmurinn líkast til minnstum skaða, einkum í sambandi við orkubúskap plöntunnar sem á sér stað í blaðgrænuríkum frumum sem eru innan við yfirborðið.
En það hvernig plönturnar fara að því að flytja t.d. nikkelfrumeindir alla leiðina frá rótum og út í ystu lög blaðanna er ennþá hulin ráðgáta.
Í leit sinni að ofursöfnurum hefur Van der Ent ferðast um fimm meginlönd og ótal eyjar. Hann hefur þannig heimsótt margar afar afskekktar eyjar í leit að nýjum uppgötvunum og því var valið á Nýju-Kaledóníu ekki tilfallandi. Staðsetning eyjunnar fjarri fastalandi þýðir að fjölbreytt dýra- og plöntulíf hefur þróast þar einangrað í milljónir ára.
Málminnihald kannað á staðnum
Á Nýju-Kaledóníu lifir t.d. hinn 55 cm langi fugl sem nefnist kagu og er ófleygur en hann er sá eini í heiminum með fiður sem stendur eins og veiðihár í kringum gogginn.
Pycnandra acuminata er rétt eins og kagu-fuglinn og margar aðrar tegundir á eyjunum, einlendur, þ.e.a.s. finnst hvergi annars staðar á hnettinum.
Þegar van der Ent hefur fundið mögulega ofursafnara í regnskóginum mælir hann fyrst málminnihald plöntunnar með handfrjálsu röntgentæki.
Harðgerar plöntur gleypa verðmæta málma
Málmsjúgandi plöntur geta lifað af í jarðvegi þar sem aðrar plöntur gefast upp. Þessa einstöku eiginleika má nýta á gróðurvana svæðum og eins til að gera hefðbundna námuvinnslu skilvirkari.
Kóbaltgleypir hreinsar upp í koparnámum
Kóbalt er m.a. notað í rafhlöðum rafbíla. Plantan Haumaniastrum robertii getur dregið málminn úr koparnámum, t.d. í Mið-Afríku. Tilraunir sýna að afraksturinn getur numið allt að 25 kg af kóbolti á hektara.
Nikkelgleypir veitir gróðurvana jarðvegi nýtt gildi
Sum svæði eru svo nikkelauðug að ekki er hægt að rækta þar hefðbundnar nytjajurtir. En þar má planta hinum skilvirka málmgleypi Alyssum murale sem getur gefið af sér um 400 kg af nikkeli á hektara.
Þallíngleypir gerir dýran málm ódýrari
Málmurinn þallín er m.a. notaður í rafbúnaði og sjóntækjum. Afar kostnaðarsamt er að vinna hann með hefðbundnum námugreftri en plantan Iberis linifolia getur dregið málminn úr jarðvegi frá sínk- og blýnámum.
Röntgenbylgjurnar frá tækinu fá málminn í plöntunni til að senda frá sér röntgengeislun til baka sem tækið fangar. Með því að bera saman útsenda og móttekna geisla getur mælitækið ráðið hvaða tegund málms plantan inniheldur.
Ef málminnihaldið er mikið og málmurinn áhugaverður geymir van der Ent plöntuna. Rætur og laufblöð eru fryst með fljótandi köfnunarefni niður í -196°C sem tryggir að plöntusýnið varðveitist það sem eftir lifir ferðarinnar og í flutningi heim á rannsóknarstofu.
Þar hefst síðan rannsókn á því hvernig mismunandi málmar eins og nikkel eða kopar skiptast út í vefjum og frumum plöntunnar. Það er örðugt fyrir vísindamenn að vinna með plöntusýni sem eru næstum 200 mínusgráður og því eru sýnin þurrfryst þannig að þau haldist óskert við stofuhita. Þessu næst eru þau flutt í öllu stærra apparat.
Öreindahraðall kortleggur hinar málmétandi plöntur.
Til að kortleggja ofursafnara í smáatriðum þarf svonefndan samhraðal sem er heilir 216 metrar í ummál. Þetta er risastór hringlaga öreindahraðall sem þvingar rafeindir upp að nánast ljóshraða. Ferli þetta myndar afar sterka röntgengeislun sem er notuð til að rannsaka plöntusýnin í smæstu atriðum.
Plöntusýnin fara þvert í gegnum röntgengeislann og út frá sama prinsippi eins og með handfrjálsa apparatið úti í regnskóginum er hægt að sjá hvaða málma er að finna í plöntunni og rannsaka þá í smáatriðum á tölvuskjá.
Mestur hluti ofursafnara – eða tæp 75% – eru góðir í að safna saman nikkeli sem að nýtist í margs konar iðnaði. Við notum það t.d. í ryðfrítt stál og í rafhlöður rafbíla. Í rafbílum Tesla eru notuð að meðaltali um 45 kg af nikkeli í hvern bíl.
LESTU EINNIG
En það eru aðrar málmtegundir sem berast upp frá jörðinni og inn í stöngla og laufblöð plantnanna. Plantan Iberis linifolia tekur þannig upp þallín sem nýtist í ýmis konar rafbúnaði meðan aðrir ofursafnarar draga í sig málma eins og sínk, kopar og selen.
Albanskir bændur uppskera nikkel
Árið 2018 gátu Anthony Van der Ent og kollegar hans opinberað fund á ofursafnaranum Phyllantus rufuschaneyi sem hann telur sjálfur vera eina af mikilvægustu uppgötvununum til þessa innan þessa nýja rannsóknarsviðs.
Plantan er nefnd eftir dr. Rufusi Chaning við bandaríska landbúnaðarráðuneytið sem árið 1983 kom fyrstur fram með hugmyndina um plöntumálmvinnslu. Og planta þessi er með nikkelinnihald í safanum sem nemur allt að 25% – þ.e.a.s. álíka mikil og hin fágæta trjátegund frá Nýju-Kaledóníu.
„Þessi tegund ber með sér mesta möguleika af góðri málmuppskeru af öllum ofursöfnurum til þessa,“ telur van der Ent og bendir á að auk mikillar nikkelupptöku geti plantan fljótlega myndað nýja sprota eftir að búið er að uppskera hana.
Samkvæmt van der Ent eru möguleikar fyrir nýja græna málmvinnslu með þessari plöntu, bestir í hitabeltinu í löndum eins og Indónesíu, Malasíu og Filippseyjum. Á eyjunni Sulawesi í Indónesíu einni saman er að finna meira en 15.000 km2 af svonefndri ofurbasískri jörð – þ.e.a.s. jörð sem inniheldur náttúrulega mikið magn af málmi, í þessu tilviki nikkeli.
Fjölmörg lönd eru með svæði þar sem planta má nikkelsjúgandi plöntum. Það á m.a. við um Indónesíu í Suðaustur-Asíu, Íran í Miðausturlöndum og Albaníu í Evrópu.
Þar gæti ofursafnarinn Alyssum murale gefið af sér um 400 kg af nikkeli á hvern hektara árlega en það samsvarar tekjum sem nema um 4.000 dölum fyrir jarðeigandann.
Þessu er ekki hægt að líkja við hefðbundna námuvinnslu en á svæðum þar sem jörðin myndi ella standa gróðursnauð gæti slík ræktun reynst vera ábatasöm fyrir bændur.
Í Albaníu er um tíundi hluti jarðvegsins ofurbasískur og vísindamenn hafa þar gert tilraunir sem byggja á plöntunni Alyssum murale nærri vatninu Ohrid. Þar hafa bændur ekki getað yrkt jörðina en því gæti ofursafnarinn breytt.
Málmar rísa upp úr öskunni
Frá uppskeru bænda á ofursöfnurum til notkunar málmanna í iðnaði liggur eðlilega mikið vinnsluferli. Eftir uppskeru þurfa bændurnir fyrst að brenna plönturnar til ösku og þessu næst meðhöndla öskuna með kemískum efnum sem einangra málmana.
Súrefni og efnafræði draga málma út úr plöntunum
Leiðin frá málmauðugum jarðvegi til plantna er fyrsta þrepið í löngu vinnsluferli áður en málmarnir eru tilbúnir fyrir iðnaðinn.
1. Ræktun, uppskera og þurrkun plantna
Plantan Alyssum murale er skilvirkur nikkelgleypir. Á vaxtarskeiðinu dregur hún upp málminn í gegnum ræturnar og út í stöngla og blöð, þar til nikkelið er um þrjú prósent af þyngd plöntunnar. Að uppskeru lokinni er plantan þurrkuð.
2. Plöntumassinn kurlaður og pressaður
Þurrkaðar plönturnar eru kurlaðar niður í einsleitan massa sem má pressa saman í litlar töflur. Þessar töflur má brenna í orkuverum til að framleiða rafmagn, rétt eins og venjulegt trjákurl.
3. Málmar unnir úr öskunni
Líftöflurnar eru brenndar í stórum ofnum til ösku sem inniheldur 25 prósent nikkel. Askan er meðhöndluð í kemískri upplausn sem dregur út málminn. Endanleg afurð er nikkelsalt sem er tilbúið til notkunar í iðnaði.
Súrefni og efnafræði draga málma út úr plöntunum
Leiðin frá málmauðugum jarðvegi til plantna er fyrsta þrepið í löngu vinnsluferli áður en málmarnir eru tilbúnir fyrir iðnaðinn.
1. Ræktun, uppskera og þurrkun plantna
Plantan Alyssum murale er skilvirkur nikkelgleypir. Á vaxtarskeiðinu dregur hún upp málminn í gegnum ræturnar og út í stöngla og blöð, þar til nikkelið er um þrjú prósent af þyngd plöntunnar. Að uppskeru lokinni er plantan þurrkuð.
2. Plöntumassinn kurlaður og pressaður
Þurrkaðar plönturnar eru kurlaðar niður í einsleitan massa sem má pressa saman í litlar töflur. Þessar töflur má brenna í orkuverum til að framleiða rafmagn, rétt eins og venjulegt trjákurl.
3. Málmar unnir úr öskunni
Líftöflurnar eru brenndar í stórum ofnum til ösku sem inniheldur 25 prósent nikkel. Askan er meðhöndluð í kemískri upplausn sem dregur út málminn. Endanleg afurð er nikkelsalt sem er tilbúið til notkunar í iðnaði.
Á sumum stöðum næst umhverfislegur ávinningur með því að rækta þessar sérstöku plöntur. Þær má t.d. nota við að hreinsa jarðveg mengaðan af þungmálmum og samkvæmt Anthony van der Ent felast miklir möguleikar í plöntunum sem viðbót við hefðbundna námuvinnslu.
Þar má nota plönturnar við að hreinsa jarðveg frá námagreftri og ná ennþá meira af málmi úr þeim jarðvegi.
Það þarf þá mikið fjármagn til að setja þetta í gang og van der Ent viðurkennir að nokkuð langt sé í land.
„Þrátt fyrir að við höfum fundið fyrir miklum áhuga frá námuiðnaði hefur hann því miður hvorki fjármagnað rannsóknir á þýðingu ofursafnara eða styrkt tilraunir með græna námuvinnslu,“ segir hann.
Engu að síður heldur van der Ent áfram að rannsaka leyndarmál þessara dularfullu plantna. Hann vill sem dæmi komast að því hvernig þær hafa þróað með sér þessa sérstöku eiginleika – og einnig hvort málmarnir gagnist þeim með einhverjum hætti eða veiti þeim einungis það forskot að geta vaxið þar sem fáar aðrar plöntur geta þrifist. Kannski er svarið að finna hjá einhverjum alls óþekktum ofursöfnurum.
„Um heim allan er að finna marga ofursvelgja sem bíða þess bara að uppgötvast,“ segir Anthony van der Ent.
