Planten worden onze groene mijnen

Dat is in elk geval het idee van onderzoekers die werken met deze zogeheten hyperaccumulatoren.

Van der Ent, die werkt aan de universiteit van Queensland in Australië, denkt ook dat de planten de deur kunnen openen naar groene mijnbouw, ook wel bekend als fytomijnbouw. Volgens hem kan het een milieuvriendelijke aanvulling zijn op de conventionele mijnbouw, waar het gebruik van machines veel CO₂ uitstoot en waar graafwerkzaamheden vaak natuur- en milieuverwoestend zijn.

700 planten nemen metaal op

Van der Ent onderzoekt ook hoe hyperaccumulatoren kunnen overleven met zo veel metaal in zich. Er zijn ruim 700 planten en bomen met deze bijzondere eigenschap bekend, en Van der Ent zelf heeft de afgelopen jaren zeker 400 hyperaccumulatoren gevonden en getypeerd.

Pycnandra acuminata, die hij aantrof in Nieuw-Caledonië, is ontdekt door dr. Tanguy Jaffré in de jaren 1970 en is tot op heden de hyperaccumulator die het meeste metaal kan opstapelen.

Volgens Van der Ent is de 25 procent nikkel in het boomsap een ‘duizelingwekkend’ cijfer. Nikkel komt van nature in ons voedsel voor met een paar microgrammen tegelijk (dat wil zeggen miljoensten van een gram), maar een paar gram van het metaal is al dodelijk voor ons als we het binnenkrijgen.

Uit Van der Ents onderzoek blijkt dat hyperaccumulatoren speciale trucs toepassen. Zo zetten ze de metaalatomen rechtstreeks af in de cellen die het oppervlak van de bladeren vormen. Hier richt het metaal waarschijnlijk de minste schade aan, ook omdat de energiestofwisseling van de plant plaatsvindt in de diepergelegen chlorofylhoudende cellen.

Maar hoe planten erin slagen om bijvoorbeeld nikkelatomen te vervoeren van de wortels naar de buitenste lagen van de bladeren, blijft een mysterie.

In zijn zoektocht naar hyperaccumulatoren reisde Van der Ent vijf continenten af. Vooral afgelegen eilanden kunnen verrassingen bieden, dus de keuze voor Nieuw-Caledonië was niet zomaar. Door de ligging van het eiland ver van het vasteland heeft een gevarieerd dieren- en plantenleven zich miljoenen jaren in afzondering kunnen ontwikkelen.

Metaalgehalte ter plaatse bepaald

Op Nieuw-Caledonië leeft ook de 55 centimeter lange loopvogel kagoe, de enige vogel ter wereld met veren die als snorharen rond zijn neusgaten zitten.

Pycnandra acuminata is, net als de kagoe en vele andere soorten op het eiland, endemisch, wat betekent dat hij nergens anders op aarde voorkomt.

Als Van der Ent een mogelijke hyperaccumulator in het regenwoud heeft gevonden, meet hij eerst het metaalgehalte met een röntgenapparaatje.

Onder invloed van de röntgengolven van het instrument zenden de metalen in de plant zelf ook röntgenstralen uit, die vervolgens door het apparaat worden opgevangen. Door de uitgezonden en ontvangen straling te vergelijken, kan het instrument bepalen welk soort metaal de plant bevat.

Als het metaalgehalte hoog is en de metaalsoort interessant, bewaart Van der Ent de plant. Wortels en bladeren worden met vloeibare stikstof bevroren tot -196 °C, zodat de plant voor de rest van de reis en tijdens het vervoer naar het laboratorium goed blijft.

In het lab wordt onderzocht hoe verschillende metalen, zoals nikkel of kobalt, over de weefsels en cellen van de plant zijn verdeeld. Omdat de plantenmonsters bij bijna -200 °C moeilijk te hanteren zijn, worden ze gevriesdroogd, zodat ze ook bij kamertemperatuur intact blijven. Daarna worden ze blootgesteld aan de serieuze apparatuur.

Om de hyperaccumulatoren in detail in kaart te brengen is een synchrotron met een omtrek van 216 meter nodig. Dit is een reusachtige, ringvormige deeltjesversneller die elektronen tot bijna de lichtsnelheid opjaagt. De zeer krachtige röntgenstralen die hierbij ontstaan, worden gebruikt om microscopie op de plantenmonsters uit te voeren.

Het plantenmonster wordt dwars door de röntgenstraal bewogen. Zo wordt in kaart gebracht wat het gehalte van de aanwezige metalen is en kunnen de details worden bestudeerd op een computerscherm.

De meeste hyperaccumulatoren – bijna driekwart – zijn goed in het stapelen van nikkel. Dit is belangrijk voor veel industriële toepassingen, zoals in roestvrij staal en in accu’s voor elektrische auto’s. In de elektrische auto’s van Tesla gaat naar schatting gemiddeld 45 kilo nikkel zitten.

Maar ook andere metalen vinden hun weg vanuit de bodem naar de stengels en bladeren van planten. Zo absorbeert de plant Iberis linifolia thallium, dat in elektronica wordt gebruikt, terwijl andere hyperaccumulatoren metalen als zink, kobalt en selenium absorberen.

Albanese boeren oogsten nikkel

In 2018 publiceerden Antony van der Ent en zijn collega’s over de ontdekking van de hyperaccumulator Phyllanthus rufuschaneyi, volgens hem zelf de belangrijkste ontdekking tot nu toe op dit onderzoeksgebied.

De plant is genoemd naar dr. Rufus Chaney van het Amerikaanse ministerie van Landbouw, die in 1983 met het idee van fytomijnbouw kwam, en heeft een nikkelgehalte in zijn sap dat tot 25 procent kan oplopen – even hoog als dat van de zeldzame Nieuw-Caledonische boom.

‘Deze soort heeft het grootste potentieel als metaalgewas van alle hyperaccumulatoren tot nu toe,’ aldus Van der Ent, die eraan toevoegt dat de plant na de oogst weer snel nieuwe scheuten vormt.

Volgens de onderzoeker is het potentieel voor groene mijnbouw op plantenbasis het grootst in de tropen in landen als Indonesië, Maleisië en de Filippijnen. Alleen al op het Indonesische eiland Sulawesi bevindt zich meer dan 15.000 km² ultramafische grond: een bodem die van nature veel metaal bevat, in dit geval nikkel.

Hier kan de hyperaccumulator Alyssum murale zo’n 400 kilo nikkel per hectare per jaar uit de grond halen, wat de landeigenaar circa 4000 dollar aan inkomen oplevert. Dat stelt binnen de traditionele mijnbouw weinig voor, maar in gebieden waar de grond anders braak ligt, kan het een commerciële buitenkans zijn voor de plaatselijke boeren.

In Albanië bestaat circa 10 procent van het land uit ultramafische gesteenten, en wetenschappers hebben hier geëxperimenteerd met het verbouwen van Alyssum murale in de buurt van het Meer van Ohrid. De bevolking heeft het land tot dusver niet kunnen bewerken, maar de hyperaccumulator kan daar verandering in brengen.

Metalen worden gevormd uit as

Tussen de oogst van de hyperaccumulatoren en het industriële gebruik van de metalen vindt raffinage plaats. Na de oogst moeten de planten worden verbrand tot as en dan behandeld met chemicaliën die de metalen isoleren.

Op sommige plaatsen zal de teelt van de planten al een milieuvoordeel opleveren. Ze kunnen bijvoorbeeld dienen om zware metalen te verwijderen van verontreinigde industrieterreinen, en volgens Antony van der Ent hebben ze een groot potentieel als aanvulling op de traditionele mijnbouw.

De planten kunnen hierbij de losse afvalgrond van de mijnbouw stabiliseren en ondertussen nog meer metaal uit de grond winnen.

Er is echter geld nodig om proefprojecten binnen de fytomijnbouw van de grond te krijgen, en Van der Ent weet dat er nog een lange weg te gaan is.

‘Hoewel de mijnbouwindustrie veel belangstelling toont, financiert ze helaas geen noemenswaardig onderzoek naar hyperaccumulatoren of proeven met fytomijnbouw,’ zegt hij.

Toch blijft Van der Ent de geheimen van de mysterieuze planten onderzoeken. Hij wil achterhalen hoe ze hun speciale vermogens hebben ontwikkeld – of ze op de een of andere manier baat hebben bij de metalen, of dat het ze gewoon een voordeel geeft dat ze kunnen groeien waar geen andere planten gedijen. En misschien hebben nog onbekende soorten metaalhoudende planten het antwoord.

‘Wereldwijd zijn er nog veel meer hyperaccumulatoren die erop wachten ontdekt te worden,’ besluit hij.