新的一年如何实现“家里有矿”？种它！

又是一年年关，祝福大家新年快乐的同时，诚邀大家在评论区留言，去年你的小目标实现了吗？前年的呢？大前年的呢？

如果都没有，在勤恳“搬砖”之余，有没有捷径能让你“一夜暴富”呢？这不，科学家就给你带来了实现“家里有矿”的科学秘籍！

稀土不是土，稀土也不稀！

这个“矿”，就是大名鼎鼎的稀土（Rare Earth Elements，REEs）！虽然名字中带“土”，但是“稀土”并不是土，而是“稀土金属”的简称。

它也不是单一金属，是元素周期表中第3族之钪、钇和镧系元素共17种金属化学元素的合称。

元素周期表中的稀土元素（绿框内）（图源：中国化学会）

这些元素皆为质地较软的银白色金属，化学性质相似，在矿床中天然伴生，彼此难以分离和提取，故以“稀土元素”统称。

稀土元素（图源：图虫创意）

稀土元素看似神秘，实际在我们的生活中无处不在。

中国稀土“家谱”与产地速览（图源：图虫创意）

中国稀土产量占全球近70%，图为日照港稀土堆场（图源：南方周末）

稀土元素贯穿于电子信息、新能源、国防、民生等诸多领域，号称工业界“黄金维生素”，是高端制造与新兴产业不可或缺的战略支撑。

如，高性能烧结钕铁硼永磁材料是新能源汽车驱动电机的核心，铒元素是支撑5G光传输网络的关键，约90%的激光材料需要用到稀土元素。

钕元素（左）、铒元素（右）（图源：图虫创意）

稀土之所以珍贵，并非因为其总体储量低，而是分离、提纯和应用难。

• 一方面，稀土元素在地壳中总体并不稀少，但能形成经济可采的富集矿床相对少见；不同矿床类型的富集程度差异很大。

稀土金属矿（图源：图虫创意）

• 另一方面，传统采矿和提取过程会造成严重的土地退化、水污染和资源浪费，同时还受地缘政治因素影响，可持续供应压力巨大。

很多稀土都是露天开采，废水废渣、水土流失是常态（图源：地球知识局）

徐光宪院士提出的串级萃取理论破解了稀土冶炼分离技术复杂度高、能耗大的应用瓶颈，让中国成为世界稀土产能之最。

中国稀土之父、著名化学家徐光宪（图源：央视新闻）

但是，严重的矿区污染和高昂的环境治理成本依然需要更加绿色、高效的产能方式来解决。

植物矿工显神通！

自然界的神奇，就在于万物皆有来自自然的“解决方案”。

近期，中国科学家发现，自然界有一种大型蕨类，可以自主吸收和分离土壤中的稀土元素，这种蕨类叫作乌毛蕨（Blechnum orientale），隶属乌毛蕨科乌毛蕨属，是一种古老的我国本土植物，在广东等地有自然分布。

乌毛蕨 （寿海洋 摄）

乌毛蕨的叶子长度可达1米，全叶轮廓呈卵状披针形，一回羽状；叶轴上的许多对小叶片，呈互生排布，像羽毛一般，又被称为“羽片”。

乌毛蕨的叶（图源：上海科技馆藏品保护与研究中心）

羽片有二型，下部羽片不育，极度缩小为圆耳形，而上部的羽片，斜展，呈现线状披针形，长10-30cm，宽5-18mm。

我长大了：不同发育阶段的乌毛蕨叶（图源：中国植物图像库 ©️朱鑫鑫、吴棣飞 ）

通过化学分析与先进的纳米矿物学成像技术，科学家发现乌毛蕨的羽叶中可以富集大量的稀土元素（以轻稀土元素为主，浓度达1735μg/g），并将其储存在表皮、栅栏组织和维管束中。

乌毛蕨羽叶富集稀土元素（图源：国际期刊《环境科学与技术》）

更令人称奇的是，稀土元素在乌毛蕨的羽叶中，形成了纳米级大小如树枝状的稀土矿物晶体。

稀土元素在乌毛蕨体内存在的位置和存在形式（图源：参考文献[1]）

电子三维重构技术显示了粒径为几百纳米的枝状晶颗粒形貌（图源：中国环境）

吸入这么多稀土元素，还形成了矿石，难道乌毛蕨不会稀土“中毒”吗？

其实，形成矿石晶体的过程，正是乌毛蕨“解毒”的过程。当乌毛蕨通过根系吸收土壤中的稀土离子并运输到叶片，出于保护机制，细胞膜会阻止可能对植物产生损害的稀土离子进入细胞内部，被阻挡的稀土离子就会聚集在细胞壁的缝隙间，与植物体内游弋而来的磷酸根离子结合发生沉淀反应，形成纳米级矿物颗粒。

稀土元素在叶片表皮（Ep）、栅栏组织（PT）、海绵组织（ST）和维管束（VB）的富集情况：黄色箭头标示含稀土颗粒位置（图源：农环荟）

这样一来，有可能对植物细胞造成损害的稀土离子就被“封印”在了矿石结构当中，相当于稀土离子浓度被大大稀释，因此也就实现了植物的自我“解毒”。

这一过程类似于“化学花园（chemical garden）”的形成，植物在蒸腾作用之下不断带来的新的离子，也会产生微动力推动矿物颗粒不断生长和组装，通过非平衡自组织的过程排列成有序结构，最终促使矿物颗粒形成树枝状的纳米晶体，也就是——独居石矿物晶体。

emmm～～这名字听起来有点像金庸笔下的“绝世高手”

在乌毛蕨中形成的这种矿石晶体的主要元素为镧元素，也包含铈、镨等其他稀土元素，因此又称为“镧独居石”。

铈-独居石（左）、镧-独居石（右）（图源：北京市地震局）

简而言之，就是乌毛蕨通过生物诱导矿化作用将土壤环境中的稀土元素在自己体内形成了纳米级的“镧独居石”矿石晶体。已知有草酸钙石、方解石等极少数矿物和非晶态植硅体，但这是首次在活体植物中发现纳米级的稀土磷酸盐矿石晶体。

植物采矿有什么用？

独居石在工业上有重要用途。

以往自然界中被发现的独居石，多形成于岩浆或热液的成岩成矿过程，需要高温高压环境，且常伴生铀和钍等放射性元素，这使其开采和应用都面临着危险与挑战。

图源：图虫创意

乌毛蕨在常温常压下，在植物组织的细胞间就形成了纯度高、稳定性强、没有伴生放射性元素且容易提取的“镧独居石”，无疑为“绿色采矿”提供了全新思路。而且，这种纳米级独居石兼具尺寸依赖性效应和块状独居石的优异性能，在涂层、发光器件、催化等多个领域具有广阔的潜在应用价值。

图源：ftmmachinery

这种“边修复、边回收”的绿色循环模式，实现了矿区生态修复与资源回收的双赢，是环境治理中可持续发展的基于自然的解决方案。

从乌毛蕨体内提取纯净、稳定、无毒无辐射的“生物独居石”，可以提升矿石的采集效率，对于废弃矿场和尾矿的修复工作，乌毛蕨也不遑多让。

作为大型的蕨类植物，乌毛蕨本身就具有固定土壤、减少水土流失的生态功能，加上其超富集稀土元素的“神奇功能”，在已经面临严重稀土元素面源污染的矿区或尾矿种植乌毛蕨：

• 不但可以有效保持水土、恢复植被，减少土壤和水环境的污染物扩散；

• 还可以通过收割植物二次获取稀土资源。

这种“边修复、边回收”的绿色循环模式，实现了矿区生态修复与资源回收的双赢，是环境治理中可持续发展的基于自然的解决方案。更难得的是，在中国乌毛蕨的分布范围和稀土矿的分布范围有大面积的叠合，这也大大降低了“蕨类矿工”的“上岗”成本，为实现绿色修复提供了可能。

事实上，植物界可以超富集金属元素的植物有很多，据报道重金属超富集植物已经超过450种，能够吸收、富集稀土元素的植物也超过20种，蕨类就是其中的佼佼者。

• 如芒萁对稀土元素具有很强的选择性吸收能力，以吸收镧元素（56.08%）和铈元素（19.40%）为主；

芒萁（王金虎 摄）

• 节节草、蕨、蜈蚣凤尾蕨、井栏边草等都能在矿业废弃地自然生长，常被作为生态修复的“先锋部队”。

节节草（图源：图虫创意）

但是，以往的研究多关注这些元素在植物体内的分布、含量，及其耐受过程中相关的基因调控或者蛋白质合成过程，对金属元素在植物体内具体的赋存形态以及矿化机制知之甚少，乌毛蕨“吸土成矿”的神奇功能，无疑让这一领域更受关注，也加速了通过植物实现“绿色成矿”的进程。

所以，还等什么呢？一起来“种草”吸“金”，发家致富吧！

参考文献：

[1] Liuqing He, et al. Discovery and implications of a nanoscale rare earth mineral in a hyperaccumulator plant. Environmental Science & Technology. 2025, 59:25973-25981.

[2] 张静等. 蕨类植物在生态修复中的应用研究进展. 安徽农业科学. 2017, 45(4):69-71, 109.

来源：上海自然博物馆

编辑：辣条

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