Издание Cosmos (Австралия) попыталось скрестить, казалось бы, ежа с ужом: объединить такие разные субстанции, как растения и металлы. Выяснилось, что не такие уж они и разные, и одно может становиться другим. Предлагаем перевод этого материала.
Возможно, ещё рано собирать золотые самородки с ягодных кустов, но исследователи изучают удивительную способность растений разделять и хранить минералы и молекулы.
Исследователи из Австралийского национального университета (ANU) изучают, как очистить загрязнённую воду, извлекая при этом редкие минералы, металлы и дефицитные питательные вещества. Но зачем начинать с нуля, когда природа уже решила проблему?
«Старатели уже ищут золотистый оттенок в смоле, — говорит доктор Кейтлин Бирт, учёный-растениевод, работающая в лаборатории Исследовательской школы биологии имени Линнея. — Эвкалиптовые деревья будут поглощать и накапливать золото в своих листьях. Так что это дешёвый, быстрый и простой способ поиска новых месторождений золота».
Вырубка целых эвкалиптовых лесов для получения нескольких унций драгметалла никогда не будет экономически или экологически оправданной, как и сокращение местной популяции коал, но изменение и воспроизведение естественных процессов внутри деревьев, которые собирают, разделяют, транспортируют и хранят минералы, может решить множество проблем. Такова цель, и уже в целом ясно, как всё это работает.
«Теперь пришло время реализации полученных знаний на практике», — заявляет Кейтлин Бирт.
Знаменитые эвкалиптовые леса Австралии.
Ресурсы повсюду
При чём тут Adblue, присадка для очистки выхлопа дизельных двигателей? Недавно Австралия столкнулась с дефицитом AdBlue, вызванным прекращением экспорта из Китая, на долю которого приходится 80% поставок присадки на Зелёный континент.
«AdBlue — это сочетание сверхчистой воды и сверхчистой мочевины, — говорит Бирт. — Но люди ежедневно выделяют пару граммов мочевины и много воды при отправлении естественных надобностей. Что, если мы проявим изобретательность и на всех стоянках грузовиков в глубинке будем собирать мочу водителей, чтобы затем часть её компонентов вернуть в виде AdBlue в баки машин?» Проще говоря, молекулы, имеющие решающее значение для мировой экономики, находятся повсюду. И масштабы этих ресурсов огромны.
По оценкам, во всём мире в городских сточных водах содержится 3 млн т фосфора, 16,6 млн т азота и 6,3 млн т калия. В них достаточно молекул аммиака и водорода для снабжения энергией 158 млн домохозяйств. Затем промышленные сточные воды. Только горнодобывающая промышленность Австралии производит их 500 млн т ежегодно.
«Промышленные сточные воды могут превратиться в ядовитую массу, — говорит Бирт. — Сточные воды, богатые такими металлами, как медь, литий и железо, необходимо перерабатывать, чтобы восстановить эти ресурсы».
Каждый элемент безмерно ценен, но только в чистом виде. Задача в том, чтобы найти эффективные и рентабельные способы извлечения полезных веществ до того, как будут исчерпаны легкодоступные залежи сырья. В то же время ситуация с мировыми запасами воды становится всё более напряжённой, и проблему загрязнённых вод нельзя пускать на самотёк. Доктор Бирт считает, что это открывает возможности.
AdBlue — это сочетание сверхчистой воды и сверхчистой мочевины.
Зелёные технологии для поиска редких минералов
Будь то водоросли или жёлуди — это сверхэффективные перерабатывающие заводы, использующие солнечную энергию. Компоненты клеточной мембраны растений способны идентифицировать определённые молекулы, отделять их от общей массы и транспортировать в нужное место. Таков природный механизм флоры. И это именно то, что нужно при добыче полезных ископаемых и очистке воды.
«Мы изучали, как растения разделяют разные молекулы-мишени и по-разному управляют ими внутри своей ткани, — говорит Бирт. — Но все эти исследования велись для того, чтобы применять их результаты в растениеводстве, в частности для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к засухе, засоленности почвы и для продвижения фундаментальной биологии растений».
Теперь эти наработки могут быть использованы и в другой сфере. «Процессы разделения позволяют вам брать что-то, что представляет собой проблемные экологические отходы, и извлекать целевые ресурсы, — говорит Бирт. — Здесь есть потенциал для создания экономики замкнутого цикла, при которой эти ресурсы используются повторно, а в качестве конечного продукта вы получаете чистую воду».
Всё потому, что растения разделяют свои ресурсы. Возьмите сахарный тростник. Сожмите его — и вы получите богатую сахаром жидкость, раздавите стебель — и вы получите источник волокон. А корни содержат целый отдельный комплекс материалов. Что, если эти неиспользуемые части растения могут содержать ценный местный минерал?
«Мы можем разрабатывать новые мембранные технологии с функциями точного разделения, которых нет ни в одной другой технологии. И мы можем сделать это, заимствуя то, что в процессе эволюции появилось у растений. Как видим, это не совсем то же самое, что собирать золотые самородки с ягодного куста», — улыбается Бирт.
С другой стороны, это беспроигрышный сценарий. «Вы связываете углерод, используя солнечное излучение для приведения процесса в действие. Вы создаёте естественную среду обитания и собираете жизненно важный ресурс, — говорит Бирт. — Свалки токсичных отходов могут превратиться в пышные зелёные (в прямом смысле слова) литиевые рудники. А общественные канализационные системы станут удобным источником всё более труднодоступных калия, фосфора и азота».
Будь то водоросли или жёлуди — это сверхэффективные перерабатывающие заводы, использующие солнечную энергию.
Гипераккумуляторы
Некоторые растения уже собирают минералы и молекулы почти в промышленных масштабах. «Есть виды, которые могут накапливать и отделять до 17% никеля, — отмечает Бирт. — Поэтому вполне возможно использовать такой работающий на солнечной энергии «аккумулятор» в качестве комбайна для улавливания углерода в районе с большим количеством золотых частиц, рассеянных в окружающей среде». При этом ценным товаром становятся даже ранее накопленные отходы.
«В шутку говорят, что в любом хвостохранилище может быть материал на 2 миллиона долларов, но это создаёт головную боль для окружающей среды на 4 миллиона долларов», — объясняет Бирт. Пока это только отходы, беспорядочная смесь материалов. И разделение её ранее было экономически нецелесообразным. Но у растений-гипераккумуляторов есть свои методы сепарации. Дело за адаптацией этого природного механизма к масштабируемой технологии.
Впрочем, сами растения не всегда могут быть решением. «В некоторых местах, например, на хвостохранилищах, просто невозможно ничего вырастить, — говорит Бирт. — Там погибает всё живое. Но ноу-хау растений всё же может подсказать решение. Мы будем заимствовать механизмы живых организмов и превращать их в машины. Мы уже делаем это в ограниченной степени».
Здание Австралийского национального университета само по себе выглядит футуристично.
Сортировка на молекулярном уровне
Опреснительные установки используют мембраны для удаления соли из морской воды. А у армии США есть портативные установки размером с транспортный контейнер, которые способны перерабатывать 17 000 литров грязной воды в день в питьевую воду.
«Растения выполняют эти функции естественным путём, — говорит Бирт. — Но растение растению рознь. Это вопрос знания того, какие растения выживут в каких условиях и какие из них позволят осуществить тот или иной процесс».
Многие виды и подвиды развили различные молекулярные механизмы, соответствующие тем особым условиям, в которых растут такие растения. «Отсюда следует, что если вы просто возьмёте установку, аккумулирующую медь, и ожидаете, что она будет работать на почве, богатой никелем, это не сработает. Вам нужно правильное сочетание биологических функций», — подчёркивает Бирт.
Исследовательская группа ANU сосредоточилась на изучении механизма отделения 10 молекул-мишеней. Большинство из них содержится в питательных веществах, такие как азот, фосфор и калий. «Эти молекулы, эти элементы в их ионной форме входят во множество различных комплексов, — говорит Бирт. — Для каждого из них потребуется специальный процесс разделения, разработанный для него». Сведения об изучаемых минералах пока остаются конфиденциальными.
«Наша команда понимает, что делают части растения на молекулярном уровне, — объясняет Бирт. — Каждый тип клеток обладает своей собственной биохимией, сочетанием ферментов, способных преобразовывать те или иные молекулы в разные формы. У него также есть свои собственные мембранные транспортные функции, позволяющие ему брать одно и освобождаться от другого».
Понимание этого механизма позволит настроить на конкретный продукт водорослевый биореактор, посадки сельскохозяйственных культур, рощу деревьев или перерабатывающее предприятие.
«Эта технология спрятана на виду. Природа уже решила проблемы, связанные с управлением такого рода ресурсами, — заключает Бирт. — Как только это будет понято, биологический потенциал, накопленный за миллиарды лет, может быть использован в новых технологиях».
Перевод Виктора Симионова
