新的一年如何實現(xiàn)“家里有礦”？種它！

又是一年年關(guān)，祝福大家新年快樂的同時，誠邀大家在評論區(qū)留言，去年你的小目標(biāo)實現(xiàn)了嗎？前年的呢？大前年的呢？

如果都沒有，在勤懇“搬磚”之余，有沒有捷徑能讓你“一夜暴富”呢？這不，科學(xué)家就給你帶來了實現(xiàn)“家里有礦”的科學(xué)秘籍！

稀土不是土，稀土也不稀！

這個“礦”，就是大名鼎鼎的稀土（Rare Earth Elements，REEs）！雖然名字中帶“土”，但是“稀土”并不是土，而是“稀土金屬”的簡稱。

它也不是單一金屬，是元素周期表中第3族之鈧、釔和鑭系元素共17種金屬化學(xué)元素的合稱。

元素周期表中的稀土元素（綠框內(nèi)）（圖源：中國化學(xué)會）

這些元素皆為質(zhì)地較軟的銀白色金屬，化學(xué)性質(zhì)相似，在礦床中天然伴生，彼此難以分離和提取，故以“稀土元素”統(tǒng)稱。

稀土元素（圖源：圖蟲創(chuàng)意）

稀土元素看似神秘，實際在我們的生活中無處不在。

中國稀土“家譜”與產(chǎn)地速覽（圖源：圖蟲創(chuàng)意）

中國稀土產(chǎn)量占全球近70%，圖為日照港稀土堆場（圖源：南方周末）

稀土元素貫穿于電子信息、新能源、國防、民生等諸多領(lǐng)域，號稱工業(yè)界“黃金維生素”，是高端制造與新興產(chǎn)業(yè)不可或缺的戰(zhàn)略支撐。

如，高性能燒結(jié)釹鐵硼永磁材料是新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的核心，鉺元素是支撐5G光傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，約90%的激光材料需要用到稀土元素。

釹元素（左）、鉺元素（右）（圖源：圖蟲創(chuàng)意）

稀土之所以珍貴，并非因為其總體儲量低，而是分離、提純和應(yīng)用難。

• 一方面，稀土元素在地殼中總體并不稀少，但能形成經(jīng)濟(jì)可采的富集礦床相對少見；不同礦床類型的富集程度差異很大。

稀土金屬礦（圖源：圖蟲創(chuàng)意）

• 另一方面，傳統(tǒng)采礦和提取過程會造成嚴(yán)重的土地退化、水污染和資源浪費，同時還受地緣政治因素影響，可持續(xù)供應(yīng)壓力巨大。

很多稀土都是露天開采，廢水廢渣、水土流失是常態(tài)（圖源：地球知識局）

徐光憲院士提出的串級萃取理論破解了稀土冶煉分離技術(shù)復(fù)雜度高、能耗大的應(yīng)用瓶頸，讓中國成為世界稀土產(chǎn)能之最。

中國稀土之父、著名化學(xué)家徐光憲（圖源：央視新聞）

但是，嚴(yán)重的礦區(qū)污染和高昂的環(huán)境治理成本依然需要更加綠色、高效的產(chǎn)能方式來解決。

植物礦工顯神通！

自然界的神奇，就在于萬物皆有來自自然的“解決方案”。

近期，中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，自然界有一種大型蕨類，可以自主吸收和分離土壤中的稀土元素，這種蕨類叫作烏毛蕨（Blechnum orientale），隸屬烏毛蕨科烏毛蕨屬，是一種古老的我國本土植物，在廣東等地有自然分布。

烏毛蕨 （壽海洋 攝）

烏毛蕨的葉子長度可達(dá)1米，全葉輪廓呈卵狀披針形，一回羽狀；葉軸上的許多對小葉片，呈互生排布，像羽毛一般，又被稱為“羽片”。

烏毛蕨的葉（圖源：上海科技館藏品保護(hù)與研究中心）

羽片有二型，下部羽片不育，極度縮小為圓耳形，而上部的羽片，斜展，呈現(xiàn)線狀披針形，長10-30cm，寬5-18mm。

我長大了：不同發(fā)育階段的烏毛蕨葉（圖源：中國植物圖像庫 ??朱鑫鑫、吳棣飛 ）

通過化學(xué)分析與先進(jìn)的納米礦物學(xué)成像技術(shù)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)烏毛蕨的羽葉中可以富集大量的稀土元素（以輕稀土元素為主，濃度達(dá)1735μg/g），并將其儲存在表皮、柵欄組織和維管束中。

烏毛蕨羽葉富集稀土元素（圖源：國際期刊《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》）

更令人稱奇的是，稀土元素在烏毛蕨的羽葉中，形成了納米級大小如樹枝狀的稀土礦物晶體。

稀土元素在烏毛蕨體內(nèi)存在的位置和存在形式（圖源：參考文獻(xiàn)[1]）

電子三維重構(gòu)技術(shù)顯示了粒徑為幾百納米的枝狀晶顆粒形貌（圖源：中國環(huán)境）

吸入這么多稀土元素，還形成了礦石，難道烏毛蕨不會稀土“中毒”嗎？

其實，形成礦石晶體的過程，正是烏毛蕨“解毒”的過程。當(dāng)烏毛蕨通過根系吸收土壤中的稀土離子并運輸?shù)饺~片，出于保護(hù)機(jī)制，細(xì)胞膜會阻止可能對植物產(chǎn)生損害的稀土離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，被阻擋的稀土離子就會聚集在細(xì)胞壁的縫隙間，與植物體內(nèi)游弋而來的磷酸根離子結(jié)合發(fā)生沉淀反應(yīng)，形成納米級礦物顆粒。

稀土元素在葉片表皮（Ep）、柵欄組織（PT）、海綿組織（ST）和維管束（VB）的富集情況：黃色箭頭標(biāo)示含稀土顆粒位置（圖源：農(nóng)環(huán)薈）

這樣一來，有可能對植物細(xì)胞造成損害的稀土離子就被“封印”在了礦石結(jié)構(gòu)當(dāng)中，相當(dāng)于稀土離子濃度被大大稀釋，因此也就實現(xiàn)了植物的自我“解毒”。

這一過程類似于“化學(xué)花園（chemical garden）”的形成，植物在蒸騰作用之下不斷帶來的新的離子，也會產(chǎn)生微動力推動礦物顆粒不斷生長和組裝，通過非平衡自組織的過程排列成有序結(jié)構(gòu)，最終促使礦物顆粒形成樹枝狀的納米晶體，也就是——獨居石礦物晶體。

emmm～～這名字聽起來有點像金庸筆下的“絕世高手”

在烏毛蕨中形成的這種礦石晶體的主要元素為鑭元素，也包含鈰、鐠等其他稀土元素，因此又稱為“鑭獨居石”。

鈰-獨居石（左）、鑭-獨居石（右）（圖源：北京市地震局）

簡而言之，就是烏毛蕨通過生物誘導(dǎo)礦化作用將土壤環(huán)境中的稀土元素在自己體內(nèi)形成了納米級的“鑭獨居石”礦石晶體。已知有草酸鈣石、方解石等極少數(shù)礦物和非晶態(tài)植硅體，但這是首次在活體植物中發(fā)現(xiàn)納米級的稀土磷酸鹽礦石晶體。

植物采礦有什么用？

獨居石在工業(yè)上有重要用途。

以往自然界中被發(fā)現(xiàn)的獨居石，多形成于巖漿或熱液的成巖成礦過程，需要高溫高壓環(huán)境，且常伴生鈾和釷等放射性元素，這使其開采和應(yīng)用都面臨著危險與挑戰(zhàn)。

圖源：圖蟲創(chuàng)意

烏毛蕨在常溫常壓下，在植物組織的細(xì)胞間就形成了純度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、沒有伴生放射性元素且容易提取的“鑭獨居石”，無疑為“綠色采礦”提供了全新思路。而且，這種納米級獨居石兼具尺寸依賴性效應(yīng)和塊狀獨居石的優(yōu)異性能，在涂層、發(fā)光器件、催化等多個領(lǐng)域具有廣闊的潛在應(yīng)用價值。

圖源：ftmmachinery

這種“邊修復(fù)、邊回收”的綠色循環(huán)模式，實現(xiàn)了礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與資源回收的雙贏，是環(huán)境治理中可持續(xù)發(fā)展的基于自然的解決方案。

從烏毛蕨體內(nèi)提取純凈、穩(wěn)定、無毒無輻射的“生物獨居石”，可以提升礦石的采集效率，對于廢棄礦場和尾礦的修復(fù)工作，烏毛蕨也不遑多讓。

作為大型的蕨類植物，烏毛蕨本身就具有固定土壤、減少水土流失的生態(tài)功能，加上其超富集稀土元素的“神奇功能”，在已經(jīng)面臨嚴(yán)重稀土元素面源污染的礦區(qū)或尾礦種植烏毛蕨：

• 不但可以有效保持水土、恢復(fù)植被，減少土壤和水環(huán)境的污染物擴(kuò)散；

• 還可以通過收割植物二次獲取稀土資源。

這種“邊修復(fù)、邊回收”的綠色循環(huán)模式，實現(xiàn)了礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與資源回收的雙贏，是環(huán)境治理中可持續(xù)發(fā)展的基于自然的解決方案。更難得的是，在中國烏毛蕨的分布范圍和稀土礦的分布范圍有大面積的疊合，這也大大降低了“蕨類礦工”的“上崗”成本，為實現(xiàn)綠色修復(fù)提供了可能。

事實上，植物界可以超富集金屬元素的植物有很多，據(jù)報道重金屬超富集植物已經(jīng)超過450種，能夠吸收、富集稀土元素的植物也超過20種，蕨類就是其中的佼佼者。

• 如芒萁對稀土元素具有很強(qiáng)的選擇性吸收能力，以吸收鑭元素（56.08%）和鈰元素（19.40%）為主；

芒萁（王金虎 攝）

• 節(jié)節(jié)草、蕨、蜈蚣鳳尾蕨、井欄邊草等都能在礦業(yè)廢棄地自然生長，常被作為生態(tài)修復(fù)的“先鋒部隊”。

節(jié)節(jié)草（圖源：圖蟲創(chuàng)意）

但是，以往的研究多關(guān)注這些元素在植物體內(nèi)的分布、含量，及其耐受過程中相關(guān)的基因調(diào)控或者蛋白質(zhì)合成過程，對金屬元素在植物體內(nèi)具體的賦存形態(tài)以及礦化機(jī)制知之甚少，烏毛蕨“吸土成礦”的神奇功能，無疑讓這一領(lǐng)域更受關(guān)注，也加速了通過植物實現(xiàn)“綠色成礦”的進(jìn)程。

所以，還等什么呢？一起來“種草”吸“金”，發(fā)家致富吧！

參考文獻(xiàn)：

[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] 張靜等. 蕨類植物在生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué). 2017, 45(4):69-71, 109.

來源：上海自然博物館

編輯：辣條

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