中国科学家发现植物能合成稀土纳米矿，机理尚待破解

在植物体内，稀土竟然是以矿物的形态存在的。这是中国科学院广州地球化学研究所朱建喜研究员和团队的最新发现。“在植物体内发现稀土以纳米矿物的形式赋存这一现象本身就非常特殊，加之本次研究聚焦于具有重大战略意义的稀土元素，故在论文发表之后引起了较大关注。”他告诉 DeepTech。

图 | 朱建喜和乌毛蕨（来源：朱建喜）

在植物中发现稀土

稀土元素是一类非常特殊的金属，尽管它的名字中含有“稀”字，但其实并不算特别稀有。之所以珍贵是因为它在现代科技中几乎无处不在：我们的手机屏幕、电动汽车的电池、风力发电机的磁铁、甚至医院的磁共振成像机器都离不开稀土。然而，传统的稀土开采通常需要大规模挖掘矿山，不仅会破坏矿山生态，而且还会产生大量污染。

因此，人们一直在寻找更加绿色、更加可持续的方式来获取稀土。此次朱建喜团队发现一种叫做乌毛蕨的超积累植物，它不仅可以吸收土壤中的土壤元素，还能在体内“制造”出纳米级的矿物晶体。你可能会问：植物不是依靠阳光、水和二氧化碳生长的吗？怎么会和这些特殊的金属扯上关系？这是因为超积累植物拥有这样一种超能力，它能从土壤中吸收并储存大量的金属元素，比如镍、锌甚至稀土元素。这些金属在植物体内积累的浓度，能够达到周围土壤的几百倍甚至几千倍。人们把这种利用植物来开采金属的方法称为植物采矿。

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

朱建喜团队此次在一种名为乌毛蕨的超积累植物中发现了一个奇特的现象：这种植物的叶片和茎部之中，竟然靠植物的生命作用形成了只有纳米级大小的稀土矿物——镧独居石。镧独居石是一种稀土磷酸盐矿物，主要形成于岩浆或热液的成岩成矿过程，通常在较高温度下形成。但是，令人意外的是，乌毛蕨竟然能在常温常压下在自己的细胞间隙中合成出来这种矿物。朱建喜和团队借助高分辨透射电子显微镜发现，这些矿物以树枝状的纳米晶体形式存在，就像是微型的水晶团簇，它们并不是杂乱无章地堆积，而是通过一种叫做非平衡自组织的过程像搭积木一样排列成为短程有序的结构。回忆一下我们曾经上过的化学课吧，当化学老师将金属盐溶液倒入硅酸钠水中，就会长出像彩色珊瑚一样的沉淀物。而乌毛蕨体内的矿物形成过程，就和这个实验非常相似。即植物通过根系吸收土壤中的稀土离子然后运输到叶片，由于细胞膜阻止它们进入细胞内部，这些离子就会聚集在细胞壁的缝隙中。这时，植物体内的磷酸根离子也会被运输过来，两者相遇之后就会发生沉淀反应，从而形成微小的矿物颗粒。在这个过程中，植物在蒸腾作用之下会不断带来新的离子，就像一股微小的水流，推动矿物颗粒不断生长和组装，最终形成美丽的树枝状结构。

据了解，这一成果可以为植物采矿带来助力，如果我们能够更好地理解植物是如何收集和储存稀土的，那么未来就可以培育出更高效的超积累植物，甚至可以直接从中提取已经成型的纳米矿物，从而可以省去很多加工步骤。同时，这一成果也有望作为纳米材料的新来源。纳米级的独居石在工业上大有可为，可被用于制造催化剂、光学材料、防辐射涂层等。而植物制造的纳米矿物形态特殊、表面积大，可能比人工合成的性能更好。

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

重新审视重金属在植物体内的赋存状态

如前所述，朱建喜团队首次在植物体内发现稀土是以矿物的形态存在的。具体来说，它是一种纳米尺寸的独居石晶体。由于其尺寸极小，仅有两三百纳米，因此使用常规扫描电镜难以观测，必须借助高分辨透射电镜才能清晰识别。本次研究最重要的发现是，稀土在植物体内形成了一种类似小结石或沉淀物的纳米矿物。这与以往认为稀土是和植物体有机大分子或者生物酶等物质结合观点不同。这一研究也表明，大量的稀土磷酸盐沉积在细胞壁与外壁之间的区域，可被理解为是一种纳米“结石”。

这一发现的意义在于，从机理上证实了植物能够将土壤中微量的稀土离子活化、迁移至体内，并通过生物诱导矿化作用将其转化为稳定的磷酸盐矿物。它为全球近千种针对不同元素比如镍、铜、金、锰等的超积累植物研究提供了新思路，促使人们重新审视这些金属在植物体内的具体赋存状态。

虽然动物和微生物体内的生物矿化现象比如动物的牙齿和骨骼中的磷灰石、贝类的钙质贝壳碳酸钙、驱磁微生物中形成的磁小体等已被熟知，但是植物中此前仅知有草酸钙石、方解石等极少数矿物和非晶态植硅体。而此次发现植物能形成独特的稀土磷酸盐矿物，属于领域内的首次发现。朱建喜团队推测，未来可能会有更多植物体内的矿物形成机制被逐步揭示。

尽管论文受到了较多关注，但是，当朱建喜开展这一研究时，并未特别关注公众是否关心这个方向。可能由于稀土的战略资源性和博弈工具性，引发了公众的普遍关切。但就研究本身而言，它与其他科研工作并无特殊之处，都是遵循常规的科学方法进行论证和寻找证据。

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

在植物内，稀土以镧独居石矿物形态存在

大约七八年前，朱建喜团队开始转向稀土研究，并主要聚焦于中国南方的一种赋存于风化壳中的离子吸附型稀土矿。这一研究涵盖了稀土从成矿过程、到相关影响因素、再到后期的环境生态影响以及绿色开采技术等几个环节。在此框架下，他们启动了针对稀土资源的绿色开采及后续环境污染控制技术的研究。基于这一方向，其将目光聚焦于植物与稀土之间的相互关系。而本次关于超积累植物乌毛蕨的研究，正是朱建喜团队整个研究链条中的一个环节。

事实上，植物积累稀土并非一种新发现，业内关于超积累植物的相关研究已持续多年。在南方稀土矿区，人们已知的具备这种能力的植物有二十多种，其中以蕨类植物为主，例如乌毛蕨、芒萁。以往的研究大多集中于植物学、分子生物学或者环境科学研究领域，主要关注稀土在植物体内的含量分布，即稀土从土壤被吸收后，在根、茎、叶、果实等部位的积累情况，以及试图解析其相关的生命过程例如与哪些 DNA 或蛋白质结合，或者会受到哪些基因的控制。本质上，这与植物吸收其他矿物质营养的过程类似。但是，对于植物的生命活动来说，稀土元素并不是其所必需的，可以说是一种多余的元素。

而朱建喜团队的核心原创性贡献在于，首次揭示了这些植物体内的稀土主要是以纳米尺寸的晶体矿物形式存在的，即以独居石矿物晶体的形式存在，这类似于植物体内形成的纳米结石。尽管其形成的具体机制尚不明确，但这一发现本身具有重要意义。它使朱建喜团队认识到，既然稀土以独居石形态存在，那么便可据此开发相应的提取工艺，从而能为资源化利用提供明确的方向。

其实，许多植物体内都可能存在大量尚未被发现的生物矿化现象，而动物界的生物矿物比如牙齿、骨骼、硅藻外壳等则已广为人知。植物体内的矿物形成机制仍是一个几乎未知的领域。因此，本次研究可能会给植物学界带来的启发是：目前已知的上千种超积累植物中，重金属的具体赋存状态大多仍是未知的。从矿物学角度系统研究植物体内的元素赋存形态，则是朱建喜团队的一项开创性尝试。

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

目前，朱建喜团队正与合作伙伴共同探索一个相对简化的路径。在南方农村，这些超积累植物比如芒萁等通常被当作柴火使用。人们从山上砍回整捆植物，晒干后作为燃料用于炊事。燃烧后产生的草木灰中富集着稀土。一吨此类植物燃烧后的灰烬中约可提取一到两公斤稀土，假如进一步提纯草木灰，其稀土含量还会更高，理论上可作为稀土提取的一种来源。然而，从整体来看，这并非一种特别理想的稀土提取技术路径。一方面，中国目前的稀土主体供应仍依赖大规模矿山开采，这种植物提取方式仅能作为辅助手段。另一方面，植物修复技术更适用的场景，应聚焦于那些已被稀土污染或原矿品位较低的矿区及土壤。以江西赣州为例，经过数十年的稀土开采，给当地造成了广泛的面源污染，稀土元素扩散至周边农田和水系沉积物中。若采用传统人工工程手段进行修复，成本极其高昂——据赣州的数据，修复费用高达数百亿元。相比之下，利用这种本土植物进行修复，其一能以极低成本治理环境污染，其二又能将土壤中低浓度的稀土元素富集起来，人们只需定期收割植物即可。这不仅可以修复污染土壤，还能在矿山尾矿库等地继续种植，将其中残留的少量稀土资源再次提取出来，从而实现稀土资源的二次回收与循环利用。

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

矿物学：至关重要、至关底层

眼下，国内也有其他科研团队正在探索利用芒萁等超积累植物修复污染土壤并回收稀土的技术路径。这项技术的关键在于需要实现大规模种植，比如至少种植几十亩的规模，才能准确评估其实际效果与可行性。朱建喜团队目前尚未开展此类较大规模的实地试验。要真正验证其经济性和技术可行性，必须通过工业化、市场化的工程示范来证明。

尽管聚焦于矿物学，但是朱建喜团队的研究方向依然是多元化的。此前，他和团队曾深度参与中国嫦娥五号月球样品的研究工作，属于国内首批获得月壤样品并发表相关成果的团队。

在稀土领域，朱建喜团队着眼于全产业链布局，研究链条覆盖较广。至于植物修复技术，他们主要将其定位在环境修复与尾矿资源回收层面。由于主体矿藏通常位于地下五米以下，植物根系无法触及，因此该技术不适用于原生矿体的主体开采，而是用于回收那些已扩散至浅层土壤中的稀土元素，实现对污染区域的治理与资源回收。总体而言，他和团队正通过电驱开采、植物修复等多种技术并举的方式，系统推进稀土资源的绿色开采与综合利用。

谈及为何选择矿物学，朱建喜表示自己于 1992 年读大学，距今已三十多年。当时选择专业并不像现在这样在意细节，更多是根据高考分数和学校名称来填报志愿。大家对“大学生”的概念较为宽泛，只区分大致方向，比如是搞地质的、搞石油的还是搞农业的，具体细节要等到读研究生乃至后续阶段才逐步明确。

对朱建喜那一代人而言，路径选择相对随缘，理工科学生也少有强烈的专业壁垒意识，不会刻意限定自己只做某一领域而排斥其他。当时普遍实行工作分配制度，被分配到什么专业就学什么，分配到什么岗位就做什么，总体抱着“走到哪一步算哪一步”的心态。“事实上，无论做什么领域的工作，只要你肯认真投入，都会发现其中充满乐趣。”他说。

关于矿物学这一学科，这些年的发展并不理想。作为地球科学中一门非常基础的学科，朱建喜认为其发展滞后的原因并非因为它无用或简单，恰恰相反是因为它太难了。相较于其他方向，矿物学研究往往需要运用数十种不同的分析仪器，技术门槛与技能要求非常高，这可能使得许多学生望而却步。

然而，矿物学实际上极其基础和重要，它几乎渗透到人们生活的方方面面。从最直观的珠宝玉石，到化妆品中的闪粉（云母）以及硅藻土、活性海泥等成分，再到人们的生活与生产资料，无不与矿物息息相关。正因其广泛分布于各行各业，反而使其自身的学科特色与优势未能充分凸显。总之，朱建喜认为矿物学是一个至关重要、处于地球科学、土壤科学、环境科学、行星地质学，以及材料科学等诸多领域的基础地位的学科。近年来，随着矿物学界专家的努力以及各方关注和支持，矿物学科发展已大有改观。

未来，朱建喜希望能够系统地研究能积累不同元素的超积累植物，揭示它们体内形成的具体矿物种类。可能涉及数十种，朱建喜自己也无法确定能完成多少，但他会持续探索。就稀土植物而言，许多深层次问题仍有待深入。目前，朱建喜团队仅知其形成了独居石，但究竟是何种机制控制着磷酸根与稀土离子在植物体内精准形成矿物？以及为何在实验室常规条件下难以合成？这背后的生物控制因素和具体形成条件人们尚不清楚，而这正是他和团队接下来需要重点研究的方向——探索植物为何能如此神奇地合成这类矿物。

参考资料：

相关论文 https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.5c09617

运营/排版：何晨龙