中國科學家發現植物能合成稀土納米礦，機理尚待破解

在植物體內，稀土竟然是以礦物的形態存在的。這是中國科學院廣州地球化學研究所朱建喜研究員和團隊的最新發現?！霸谥参矬w內發現稀土以納米礦物的形式賦存這一現象本身就非常特殊，加之本次研究聚焦于具有重大戰略意義的稀土元素，故在論文發表之后引起了較大關注?！彼嬖V DeepTech。

圖 | 朱建喜和烏毛蕨（來源：朱建喜）

在植物中發現稀土

稀土元素是一類非常特殊的金屬，盡管它的名字中含有“稀”字，但其實并不算特別稀有。之所以珍貴是因為它在現代科技中幾乎無處不在：我們的手機屏幕、電動汽車的電池、風力發電機的磁鐵、甚至醫院的磁共振成像機器都離不開稀土。然而，傳統的稀土開采通常需要大規模挖掘礦山，不僅會破壞礦山生態，而且還會產生大量污染。

因此，人們一直在尋找更加綠色、更加可持續的方式來獲取稀土。此次朱建喜團隊發現一種叫做烏毛蕨的超積累植物，它不僅可以吸收土壤中的土壤元素，還能在體內“制造”出納米級的礦物晶體。你可能會問：植物不是依靠陽光、水和二氧化碳生長的嗎？怎么會和這些特殊的金屬扯上關系？這是因為超積累植物擁有這樣一種超能力，它能從土壤中吸收并儲存大量的金屬元素，比如鎳、鋅甚至稀土元素。這些金屬在植物體內積累的濃度，能夠達到周圍土壤的幾百倍甚至幾千倍。人們把這種利用植物來開采金屬的方法稱為植物采礦。

（來源：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.5c096）

朱建喜團隊此次在一種名為烏毛蕨的超積累植物中發現了一個奇特的現象：這種植物的葉片和莖部之中，竟然靠植物的生命作用形成了只有納米級大小的稀土礦物——鑭獨居石。鑭獨居石是一種稀土磷酸鹽礦物，主要形成于巖漿或熱液的成巖成礦過程，通常在較高溫度下形成。但是，令人意外的是，烏毛蕨竟然能在常溫常壓下在自己的細胞間隙中合成出來這種礦物。朱建喜和團隊借助高分辨透射電子顯微鏡發現，這些礦物以樹枝狀的納米晶體形式存在，就像是微型的水晶團簇，它們并不是雜亂無章地堆積，而是通過一種叫做非平衡自組織的過程像搭積木一樣排列成為短程有序的結構?；貞浺幌挛覀冊浬线^的化學課吧，當化學老師將金屬鹽溶液倒入硅酸鈉水中，就會長出像彩色珊瑚一樣的沉淀物。而烏毛蕨體內的礦物形成過程，就和這個實驗非常相似。即植物通過根系吸收土壤中的稀土離子然后運輸到葉片，由于細胞膜阻止它們進入細胞內部，這些離子就會聚集在細胞壁的縫隙中。這時，植物體內的磷酸根離子也會被運輸過來，兩者相遇之后就會發生沉淀反應，從而形成微小的礦物顆粒。在這個過程中，植物在蒸騰作用之下會不斷帶來新的離子，就像一股微小的水流，推動礦物顆粒不斷生長和組裝，最終形成美麗的樹枝狀結構。

據了解，這一成果可以為植物采礦帶來助力，如果我們能夠更好地理解植物是如何收集和儲存稀土的，那么未來就可以培育出更高效的超積累植物，甚至可以直接從中提取已經成型的納米礦物，從而可以省去很多加工步驟。同時，這一成果也有望作為納米材料的新來源。納米級的獨居石在工業上大有可為，可被用于制造催化劑、光學材料、防輻射涂層等。而植物制造的納米礦物形態特殊、表面積大，可能比人工合成的性能更好。

（來源：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.5c096）

重新審視重金屬在植物體內的賦存狀態

如前所述，朱建喜團隊首次在植物體內發現稀土是以礦物的形態存在的。具體來說，它是一種納米尺寸的獨居石晶體。由于其尺寸極小，僅有兩三百納米，因此使用常規掃描電鏡難以觀測，必須借助高分辨透射電鏡才能清晰識別。本次研究最重要的發現是，稀土在植物體內形成了一種類似小結石或沉淀物的納米礦物。這與以往認為稀土是和植物體有機大分子或者生物酶等物質結合觀點不同。這一研究也表明，大量的稀土磷酸鹽沉積在細胞壁與外壁之間的區域，可被理解為是一種納米“結石”。

這一發現的意義在于，從機理上證實了植物能夠將土壤中微量的稀土離子活化、遷移至體內，并通過生物誘導礦化作用將其轉化為穩定的磷酸鹽礦物。它為全球近千種針對不同元素比如鎳、銅、金、錳等的超積累植物研究提供了新思路，促使人們重新審視這些金屬在植物體內的具體賦存狀態。

雖然動物和微生物體內的生物礦化現象比如動物的牙齒和骨骼中的磷灰石、貝類的鈣質貝殼碳酸鈣、驅磁微生物中形成的磁小體等已被熟知，但是植物中此前僅知有草酸鈣石、方解石等極少數礦物和非晶態植硅體。而此次發現植物能形成獨特的稀土磷酸鹽礦物，屬于領域內的首次發現。朱建喜團隊推測，未來可能會有更多植物體內的礦物形成機制被逐步揭示。

盡管論文受到了較多關注，但是，當朱建喜開展這一研究時，并未特別關注公眾是否關心這個方向。可能由于稀土的戰略資源性和博弈工具性，引發了公眾的普遍關切。但就研究本身而言，它與其他科研工作并無特殊之處，都是遵循常規的科學方法進行論證和尋找證據。

（來源：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.5c096）

在植物內，稀土以鑭獨居石礦物形態存在

大約七八年前，朱建喜團隊開始轉向稀土研究，并主要聚焦于中國南方的一種賦存于風化殼中的離子吸附型稀土礦。這一研究涵蓋了稀土從成礦過程、到相關影響因素、再到后期的環境生態影響以及綠色開采技術等幾個環節。在此框架下，他們啟動了針對稀土資源的綠色開采及后續環境污染控制技術的研究?；谶@一方向，其將目光聚焦于植物與稀土之間的相互關系。而本次關于超積累植物烏毛蕨的研究，正是朱建喜團隊整個研究鏈條中的一個環節。

事實上，植物積累稀土并非一種新發現，業內關于超積累植物的相關研究已持續多年。在南方稀土礦區，人們已知的具備這種能力的植物有二十多種，其中以蕨類植物為主，例如烏毛蕨、芒萁。以往的研究大多集中于植物學、分子生物學或者環境科學研究領域，主要關注稀土在植物體內的含量分布，即稀土從土壤被吸收后，在根、莖、葉、果實等部位的積累情況，以及試圖解析其相關的生命過程例如與哪些 DNA 或蛋白質結合，或者會受到哪些基因的控制。本質上，這與植物吸收其他礦物質營養的過程類似。但是，對于植物的生命活動來說，稀土元素并不是其所必需的，可以說是一種多余的元素。

而朱建喜團隊的核心原創性貢獻在于，首次揭示了這些植物體內的稀土主要是以納米尺寸的晶體礦物形式存在的，即以獨居石礦物晶體的形式存在，這類似于植物體內形成的納米結石。盡管其形成的具體機制尚不明確，但這一發現本身具有重要意義。它使朱建喜團隊認識到，既然稀土以獨居石形態存在，那么便可據此開發相應的提取工藝，從而能為資源化利用提供明確的方向。

其實，許多植物體內都可能存在大量尚未被發現的生物礦化現象，而動物界的生物礦物比如牙齒、骨骼、硅藻外殼等則已廣為人知。植物體內的礦物形成機制仍是一個幾乎未知的領域。因此，本次研究可能會給植物學界帶來的啟發是：目前已知的上千種超積累植物中，重金屬的具體賦存狀態大多仍是未知的。從礦物學角度系統研究植物體內的元素賦存形態，則是朱建喜團隊的一項開創性嘗試。

（來源：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.5c096）

目前，朱建喜團隊正與合作伙伴共同探索一個相對簡化的路徑。在南方農村，這些超積累植物比如芒萁等通常被當作柴火使用。人們從山上砍回整捆植物，曬干后作為燃料用于炊事。燃燒后產生的草木灰中富集著稀土。一噸此類植物燃燒后的灰燼中約可提取一到兩公斤稀土，假如進一步提純草木灰，其稀土含量還會更高，理論上可作為稀土提取的一種來源。然而，從整體來看，這并非一種特別理想的稀土提取技術路徑。一方面，中國目前的稀土主體供應仍依賴大規模礦山開采，這種植物提取方式僅能作為輔助手段。另一方面，植物修復技術更適用的場景，應聚焦于那些已被稀土污染或原礦品位較低的礦區及土壤。以江西贛州為例，經過數十年的稀土開采，給當地造成了廣泛的面源污染，稀土元素擴散至周邊農田和水系沉積物中。若采用傳統人工工程手段進行修復，成本極其高昂——據贛州的數據，修復費用高達數百億元。相比之下，利用這種本土植物進行修復，其一能以極低成本治理環境污染，其二又能將土壤中低濃度的稀土元素富集起來，人們只需定期收割植物即可。這不僅可以修復污染土壤，還能在礦山尾礦庫等地繼續種植，將其中殘留的少量稀土資源再次提取出來，從而實現稀土資源的二次回收與循環利用。

（來源：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.5c096）

礦物學：至關重要、至關底層

眼下，國內也有其他科研團隊正在探索利用芒萁等超積累植物修復污染土壤并回收稀土的技術路徑。這項技術的關鍵在于需要實現大規模種植，比如至少種植幾十畝的規模，才能準確評估其實際效果與可行性。朱建喜團隊目前尚未開展此類較大規模的實地試驗。要真正驗證其經濟性和技術可行性，必須通過工業化、市場化的工程示范來證明。

盡管聚焦于礦物學，但是朱建喜團隊的研究方向依然是多元化的。此前，他和團隊曾深度參與中國嫦娥五號月球樣品的研究工作，屬于國內首批獲得月壤樣品并發表相關成果的團隊。

在稀土領域，朱建喜團隊著眼于全產業鏈布局，研究鏈條覆蓋較廣。至于植物修復技術，他們主要將其定位在環境修復與尾礦資源回收層面。由于主體礦藏通常位于地下五米以下，植物根系無法觸及，因此該技術不適用于原生礦體的主體開采，而是用于回收那些已擴散至淺層土壤中的稀土元素，實現對污染區域的治理與資源回收。總體而言，他和團隊正通過電驅開采、植物修復等多種技術并舉的方式，系統推進稀土資源的綠色開采與綜合利用。

談及為何選擇礦物學，朱建喜表示自己于 1992 年讀大學，距今已三十多年。當時選擇專業并不像現在這樣在意細節，更多是根據高考分數和學校名稱來填報志愿。大家對“大學生”的概念較為寬泛，只區分大致方向，比如是搞地質的、搞石油的還是搞農業的，具體細節要等到讀研究生乃至后續階段才逐步明確。

對朱建喜那一代人而言，路徑選擇相對隨緣，理工科學生也少有強烈的專業壁壘意識，不會刻意限定自己只做某一領域而排斥其他。當時普遍實行工作分配制度，被分配到什么專業就學什么，分配到什么崗位就做什么，總體抱著“走到哪一步算哪一步”的心態?！笆聦嵣?，無論做什么領域的工作，只要你肯認真投入，都會發現其中充滿樂趣?！彼f。

關于礦物學這一學科，這些年的發展并不理想。作為地球科學中一門非?；A的學科，朱建喜認為其發展滯后的原因并非因為它無用或簡單，恰恰相反是因為它太難了。相較于其他方向，礦物學研究往往需要運用數十種不同的分析儀器，技術門檻與技能要求非常高，這可能使得許多學生望而卻步。

然而，礦物學實際上極其基礎和重要，它幾乎滲透到人們生活的方方面面。從最直觀的珠寶玉石，到化妝品中的閃粉（云母）以及硅藻土、活性海泥等成分，再到人們的生活與生產資料，無不與礦物息息相關。正因其廣泛分布于各行各業，反而使其自身的學科特色與優勢未能充分凸顯。總之，朱建喜認為礦物學是一個至關重要、處于地球科學、土壤科學、環境科學、行星地質學，以及材料科學等諸多領域的基礎地位的學科。近年來，隨著礦物學界專家的努力以及各方關注和支持，礦物學科發展已大有改觀。

未來，朱建喜希望能夠系統地研究能積累不同元素的超積累植物，揭示它們體內形成的具體礦物種類?？赡苌婕皵凳N，朱建喜自己也無法確定能完成多少，但他會持續探索。就稀土植物而言，許多深層次問題仍有待深入。目前，朱建喜團隊僅知其形成了獨居石，但究竟是何種機制控制著磷酸根與稀土離子在植物體內精準形成礦物？以及為何在實驗室常規條件下難以合成？這背后的生物控制因素和具體形成條件人們尚不清楚，而這正是他和團隊接下來需要重點研究的方向——探索植物為何能如此神奇地合成這類礦物。

參考資料：

相關論文 https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.5c09617

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