Oli vuosi 2014. Kasvitutkija Antony van der Ent kierteli sademetsän uumenissa Tyynenmeren keskellä sijaitsevassa Uudessa-Kaledoniassa.
Van der Ent etsi harvinaisia Pycnandra acuminata -puita, joita ei kasva missään muualla maailmassa. Lajilla on poikkeuksellinen kyky kerätä niin paljon metallia, että muut eliöt sairastuisivat ja kuolisivat siihen määrään.
Onni oli myötä. Van der Ent löysi puun. Hän otti puukon ja viilsi sillä kuorta. Van der Ent ei ole unohtanut, miltä tuntui, kun kiihkeästi kaivattu neste alkoi valua haavasta.
”Oli ihmeellistä nähdä ensimmäistä kertaa omin silmin sinivihreän, 25 prosenttia nikkeliä sisältävän maitiaisnesteen juoksevan puusta Uuden-Kaledonian sademetsässä”, kertoi van der Ent Tieteen Kuvalehdelle.
Tyynenmeren saaressa kasvava puu on yksi esimerkki niistä biologisista harvinaisuuksista, jotka voivat auttaa uudistamaan kaivostoimintaa. Monilla kasveilla on kyky kerätä metalleja, ja niitä on mahdollista kasvattaa eri puolilla maailmaa miljoonien hehtaarien alalla. Metalleja talteen ottavien kasvien avulla voidaan myös puhdistaa saastunutta maata ja tarjota köyhyydessä eläville maanviljelijöille uusi tulolähde.
Biokemisti Antony van der Ent on tunnistanut yli 400 metallia keräävää kasvia. Kuvassa hän pitää kädessään Phyllanthus balgooyi -lajin nestenäytettä, jonka nikkelipitoisuus on yli 16 prosenttia.
Vision takana olevien tutkijoiden mielenkiinto kohdistuu hyperakkumulaattoreiksi kutsuttuihin metallinkerääjäkasveihin.
Australiassa Queenslandin yliopistossa työskentelevä Van der Ent tekee tunnetuksi ajatusta uudenlaisesta kasveihin perustuvasta vihreästä kaivostoiminnasta, josta käytetään englanninkielistä nimitystä phytomining. Hänen mukaansa se sopii myös täydentämään tavallista kaivosteollisuutta, joka konevaltaisena alana aiheuttaa paljon hiilidioksidipäästöjä ja ympäristöongelmia.
700 kasvia kerää metallia
Van der Ent etsii uusia hyperakkumulaattoreita ja selvittää, mihin kasvien kyky sietää suuria määriä metallia perustuu. Nykyään tunnetaan jo yli 700 metallinkerääjäkasvia, joista vain osa on puita. Van der Ent on itse löytänyt ja kuvannut runsaat 400 hyperakkumulaattoria viime vuosina.
Uudessa-Kaledoniassa kasvava Pycnandra acuminata luokiteltiin 1970-luvulla. Ranskalaisen Tanguy Jaffrén ensimmäisenä tutkima laji on tiettävästi eniten metallia keräävä kasvi.
Lateksimaisen maitiaisnesteen nikkelipitoisuus – 25 prosenttia – on van der Entin mukaan ”huima”. Vaikka nikkeliä esiintyy luonnostaan esimerkiksi ruoassa mikrogrammoina, siis gramman miljoonasosina, mitattava määrä, kyse on ihmiselle haitallisesta metallista. Jo muutaman gramman annos on hengenvaarallinen.
Hyperakkumulaattorista vuotavan nesteen kirkkaan vihreä väri kielii, että se sisältää runsaasti nikkeliä.
Van der Entin tutkimukset osoittavat, että hyperakkumulaattoreiden keinovalikoimaan kuuluu metallin varastoiminen lehtien uloimpiin pintasoluihin. Siellä kertymästä on ilmeisesti vähiten haittaa varsinkin kasvin yhteyttämiseksi kutsutulle energiansitomisprosessille, joka tapahtuu lehtien sisemmissä lehtivihreällisissä soluissa.
Ne keinot, joilla kasvit kuljettavat vaikkapa nikkeliä juurista lehtien pintakerrokseen, ovat yhä hämärän peitossa.
Van der Ent on etsinyt metallinkerääjäkasveja viideltä mantereelta ja lukuisilta saarilta. Ennen kaikkea syrjäiset saaret voivat järjestää iloisia yllätyksiä. Uusi-Kaledonia ei siis valikoitunut tutkimuskohteeksi sattumoisin. Koska lähimmälle mantereelle on sieltä pitkä matka, luonto on kehittynyt eristyksissä miljoonia vuosia.
Metallipitoisuus tutkitaan paikalla
Uuden-Kaledonian erikoisuuksia on muun muassa 55 senttiä pitkä lentokyvytön lintu, kagu. Sillä on ainoana lintulajina maailmassa sierainten ympärillä höyheniä, jotka sojottavat kuin tuntokarvat.
Pycnandra acuminata on kagun tavoin Uuden-Seelannin kotoperäisiä lajeja. Kotoperäisyys tarkoittaa sitä, että kasvia tai eläintä esiintyy vain tietyllä melko pienellä alueella, kuten saarella.
Kun van der Ent löytää mahdollisen hyperakkumulaattorin sademetsästä, hän määrittää ensiksi sen metallipitoisuuden kannettavalla röntgenlaitteella.
Sitkeähenkiset kasvit imevät arvometalleja
Koboltinkerääjä puhdistaa kuparikaivosta
Kobolttia käytetään mm. sähköautojen akuissa. Haumaniastrum robertii -laji voi kerätä kobolttia esimerkiksi Keski-Afrikan kuparikaivosten sivukivestä. Läjitysalueella kobolttia voidaan saada 25 kiloa hehtaarilta.
Nikkelinkerääjä lisää huonon maan arvoa
Joillakin seuduilla maa sisältää niin paljon nikkeliä, ettei se sovellu tavalliseksi pelloksi. Sillä voidaan kuitenkin viljellä kerääjäkasvina Alyssum muralea eli hopeakilpiruohoa. Hehtaarilta saadaan jopa 400 kiloa nikkeliä.
Talliuminkerääjä laskee hintaa
Talliumia käytetään mm. elektroniikassa ja optisissa materiaaleissa. Talliumin hankkiminen perinteisin menetelmin on kallista, mutta Iberis linifolia eli kaitasaippo voi kerätä sitä sinkki- ja lyijykaivosten sivukivestä.
Röntgenlaitteen säteet saavat kasvin sisältämät metallit lähettämään röntgensäteitä, jotka laite ottaa vastaan. Vertaamalla lähettämiään ja vastaanottamiaan säteitä laite pystyy määrittämään, mitä metalleja kasvissa esiintyy.
Kun kiinnostavaa metallia on runsaasti, van der Ent tekee kasvin juurista ja lehdistä pakastenäytteen nestetypen avulla. –196 asteen lämpötila varmistaa säilymisen siihen asti, että näytettä päästään analysoimaan laboratoriossa kotiinpaluun jälkeen.
Koska melkein –200-asteisten näytteiden käsittely on hankalaa, vaihtoehtoista säilöntämenetelmää, kylmäkuivausta, käytetään nykyään yleisesti. Se varmistaa, että näytteet säilyvät hyvin huoneenlämmössä. Niitä tutkitaan järeällä laitteistolla.
Hiukkaskiihdytin erittelee metallia keräävät kasvit.
Hyperakkumulaattoreiden yksityiskohtaiseen erittelyyn tarvitaan synkrotroni, jonka ympyräradan pituus on 216 metriä. Mittava rengasmainen hiukkaskiihdytin nostaa elektronien nopeuden lähelle valonnopeutta. Prosessissa syntyvää äärimmäisen voimakasta röntgensäteilyä käytetään kasvinäytteiden mikroskooppitutkimuksissa.
Näyte liikkuu röntgensäteen poikki, ja tietokoneen näytölle ilmestyy tietoa metallipitoisuudesta samalla periaatteella, jolla kannettava röntgenlaite paljastaa sademetsässä, mitä metalleja kasvi sisältää ja paljonko niitä siinä on.
Valtaosa eli melkein 75 prosenttia hyperakkumulaattoreista on hyviä nikkelinkerääjiä. Nikkeli on teollisuudessa tärkeä aine, sillä sitä käytetään muun muassa ruostumattomassa teräksessä ja akuissa. Esimerkiksi Teslan sähköautoissa on arvioitu olevan keskimäärin 45 kiloa nikkeliä.
Nikkeli ei ole suinkaan ainoa metalli, jota kasvit keräävät kasvupaikaltaan varsiinsa ja lehtiinsä. Esimerkiksi kaitasaippoon (Iberis linifolia) kertyy talliumia, jolla on käyttöä muun muassa elektroniikassa. Osa hyperakkumulaattoreista imee itseensä sinkkiä, kobolttia tai seleeniä.
Albaniassa korjataan nikkelisatoa
Vuonna 2018 Antony van der Ent ja hänen kollegansa julkistivat Phyllanthus rufuschaneyi -tutkimuksen tulokset. Van der Entin mukaan kysymyksessä on tähän mennessä alan merkittävin löytö.
Laipikoihin kuuluva laji nimettiin Yhdysvaltojen maatalousministeriön tutkijan Rufus Chaneyn mukaan. Hän esitti vuonna 1983 ajatuksen kasvien hyödyntämisestä kaivostoiminnassa. Kasvinesteen nikkelipitoisuus on jopa 25 prosenttia. Metallia on siis yhtä paljon kuin harvinaisen Uudessa-Kaledoniassa kasvavan puun maitiaisnesteessä.
”Tämän lajin metallinkeräyspotentiaali on suurempi kuin minkään muun tunnetun hyperakkumulaattorin”, toteaa van der Ent. Hän perustaa käsityksensä siihen, että tehokkaasti nikkeliä keräävän kasvin kasvupaikka taimettuu uudelleen nopeasti sadonkorjuun jälkeen.
Van der Entin mukaan parhaat mahdollisuudet luoda uudenlaista kaivostoimintaa ovat kuuman ilmastovyöhykkeen maissa, kuten Indonesiassa, Malesiassa ja Filippiineillä. Pelkästään Sulawesin saaressa Indonesiassa on yli 15 000 neliökilometriä ultramafista maata. Toisin sanoen siinä on runsaasti jotain metallia – tässä tapauksessa nikkeliä.
Monissa maissa on alueita, jotka sopivat nikkelinkerääjäkasvien viljelyyn. Niitä löytyy mm. Kaakkois-Aasiassa Indonesiasta ja Malesiasta, Lähi-idässä Iranista ja Euroopassa Albaniasta.
Nikkelinkerääjäkasvi Alyssum muralea eli hopeakilpiruohoa viljelemällä voidaan päästä noin 400 kilon hehtaarisatoon. Se tarkoittaa viljelijälle noin 4 000 dollarin vuosituloja. Tavalliseen kaivostoimintaan verrattuna tämä on tietenkin nappikauppaa, mutta hyöty korostuu siellä, missä maa jäisi muuten paljaaksi ja köyhyys on ongelma.
Albaniassa noin kymmenen prosenttia maasta on ultramafista. Siellä on kasvatettu kokeellisesti hopeakilpiruohoa Ohridjärven lähellä aiemmin viljelemättömillä mailla. Hyperakkumulaattori saattaa hyvinkin kasvattaa viljelyalaa.
Metallit kätkeytyvät tuhkaan
Kun kasvisato on korjattu, alkaa metallien erottaminen teollisuuden käyttöön. Siksi kerääjäkasvit poltetaan tuhkaksi, jota voidaan käsitellä kemiallisesti niin, että metallit erottuvat.
Tuli ja kemia irrottavat metallit kasveista
Metallin kertyminen maasta kasviin on vasta ensimmäinen vaihe pitkässä prosessissa, joka johtaa metallin saamiseen teollisuuskäyttöön.
1. Kasvisato korjataan ja kuivataan
Hopeakilpiruoho (Alyssum murale) on tehokas nikkelinkerääjä. Kasvun aikana kasvi sitoo metallia juurillaan ja siirtää sen varteen ja lehtiin. Nikkelin osuus kasvin painosta voi olla jopa kolme prosenttia. Niiton jälkeen kasvit kuivataan.
2. Kuivatut kasvit pelletoidaan
Kuiva kasviaines hienonnetaan tasalaatuiseksi jauheeksi, joka puristetaan pelleteiksi kutsutuiksi rakeiksi. Niillä on hyvä lämpöarvo niin kuin puupelleteillä, joilla tuotetaan voimalaitoksissa kaukolämpöä ja sähköä.
3. Metallit erotetaan tuhkasta
Biopolttoaine palaa lämpövoimalaitoksessa tuhkaksi, jonka nikkelipitoisuus on 25 prosenttia. Käsittelemällä tuhkaa kemiallisesti metalli saadaan talteen: syntyy teollisuudessa sellaisenaan hyödynnettäviä nikkelisuoloja.
Joillakin alueilla erikoiskasvien viljely on jo sinänsä ympäristöteko. Niiden avulla on mahdollista esimerkiksi puhdistaa raskasmetallien saastuttamia teollisuustontteja. Samalla tavalla voidaan Antony van der Entin mukaan vähentää myös tavallisen kaivostoiminnan haittoja.
Kasvillisuus on hyvä keino sitoa irtomaata kaivosalueilla ja hyödyntää sivukiven sisältämiä metalleja.
Kerääjäkasvien käyttöä selvittäviin pilottihankkeisiin on kuitenkin löydettävä rahaa. Van der Ent pitää puuttuvaa rahoitusta ongelmana.
”Vaikka kaivosteollisuus on ollut hyvin kiinnostunut asiasta, se ei ole tukenut taloudellisesti hyperakkumulaattoreiden tutkimusta eikä koeviljelyä”, toteaa van der Ent.
Kaikesta huolimatta van der Ent jatkaa arvoituksellisten kasvien salaisuuksien selvittämistä. Hän haluaa mielellään päästä perille esimerkiksi siitä, miksi kasvit ovat kehittäneet erikoiskykynsä. Ilmeisesti metallien keräämisestä on niille jonkinlaista hyötyä. Kyse voi tosin olla vain kasvupaikkaedusta: niiden ei tarvitse kilpailla, kun muut kasvit eivät menesty samalla paikalla. Ehkä kysymyksiin saadaan vastaus, kun löydetään ennen tuntemattomia metallinkerääjäkasveja.
”Eri puolilla maailmaa kasvaa runsaasti hyperakkumulaattoreita, jotka vain odottavat löytämistään”, uskoo van der Ent.