Fytomijnbouw: metalen oogsten met planten
Stel je een akker voor waar geen tarwe of aardappelen groeien, maar planten die stiekem metaal uit de bodem zuigen en het opslaan in hun bladeren. Na de oogst worden die bladeren niet gegeten, maar verbrand tot as – en uit die as wordt vervolgens zuiver metaal gewonnen. Dat is in een notendop fytomijnbouw (ook wel \"agromining\" genoemd): een vorm van mijnbouw waarbij planten in plaats van graafmachines het zware werk doen.
Het klinkt futuristisch, maar het principe bestaat al enkele decennia en wordt inmiddels op kleine schaal in de praktijk gebracht. Fytomijnbouw maakt gebruik van zogeheten hyperaccumulatoren: planten met een zeldzame eigenschap om extreem hoge concentraties van bepaalde metalen op te nemen uit de bodem, zonder daaraan dood te gaan. Vergelijk het met een spons die normaal water opneemt, maar die door de evolutie is \"geprogrammeerd\" om specifiek nikkel, zink of een ander metaal op te zuigen. Op plekken waar de bodem van nature rijk is aan metalen – bijvoorbeeld op zogeheten serpentijnbodems, die ontstaan uit gesteente met veel nikkel – hebben dit soort planten zich aangepast aan wat voor de meeste andere planten een giftige omgeving is.
Wat is het precies?
Fytomijnbouw verloopt in een aantal stappen die sterk lijken op een gewone landbouwcyclus. Eerst wordt een geschikt stuk grond gezocht: bodem met een relatief hoog gehalte aan een metaal, maar te laag voor traditionele mijnbouw. Dat kan een natuurlijk metaalrijke bodem zijn, zoals een serpentijnbodem (bodem ontstaan uit ultramafisch gesteente, met van nature veel nikkel, chroom of kobalt), of een verontreinigd industrieterrein waar vroeger mijnbouw of metaalverwerking plaatsvond.
Op die grond wordt vervolgens een hyperaccumulator geplant: een plantensoort die is geselecteerd omdat ze het specifieke metaal in haar bladeren en stengels kan opslaan zonder eraan dood te gaan. Wetenschappers spreken pas van een hyperaccumulator als een plant een concentratie bereikt van meer dan ongeveer 0,1 procent van het metaal in het drooggewicht van haar bladeren (voor nikkel ligt de grens iets hoger, rond de 0,3 procent) – dat is tientallen tot honderden keren meer dan een gewone plant zou verdragen.
De plant neemt het metaal op via de wortels, samen met water en voedingsstoffen, en transporteert het via inwendige sapstromen naar de bladeren. Daar wordt het metaal veilig opgeslagen in de vacuolen (kleine opslagblaasjes in plantencellen), zodat het de rest van de plant niet vergiftigt.
Na een groeiseizoen van meestal enkele maanden tot een jaar wordt het gewas geoogst, net als bij een landbouwgewas. De geoogste biomassa wordt gedroogd en vervolgens verbrand. Wat overblijft is as met een verrassend hoog metaalgehalte: soms tien tot twintig procent, vergelijkbaar met of zelfs hoger dan het gehalte in rijk mijnbouwerts. Deze as wordt daarom ook wel \"bio-erts\" genoemd. Uit die bio-erts wordt het metaal met bekende metallurgische technieken – smelten of chemisch uitlogen – gezuiverd tot een verkoopbaar product, zoals nikkelzout of -sulfaat.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter fytomijnbouw is het winnen van metalen uit bronnen die met traditionele mijnbouw niet rendabel zijn. Klassieke mijnbouw vereist ertsen met een minimaal metaalgehalte om winstgevend te zijn; bodems met een lager gehalte, of kleine, verspreide verontreinigde percelen, worden meestal links laten liggen. Fytomijnbouw kan die \"onrendabele\" bronnen alsnog benutten, met name voor nikkel, kobalt en mogelijk zeldzame aardmetalen – stuk voor stuk grondstoffen die essentieel zijn voor batterijen, magneten en andere technologie voor de energietransitie.
Een tweede doel is bodemsanering met een verdienmodel. Op plekken waar de bodem vervuild is met zware metalen, bijvoorbeeld door oude mijnbouw of industrie, kost sanering normaal gesproken alleen maar geld: grond wordt afgegraven en afgevoerd als chemisch afval. Met fytomijnbouw kan diezelfde sanering juist geld opleveren, omdat de geoogste planten een verkoopbaar metaal bevatten. Dit wordt ook wel fytoremediatie met economische waarde genoemd.
Daarnaast hopen onderzoekers dat fytomijnbouw milieuvriendelijker is dan conventionele mijnbouw: geen zware machines, geen open groeves, geen grote hopen mijnafval (tailings) en een veel kleinere directe impact op het landschap. Ook bodems die door hun natuurlijke metaalrijkdom ongeschikt zijn voor gewone landbouw – serpentijnbodems zijn vaak te giftig voor voedselgewassen – krijgen zo alsnog een productieve bestemming.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de eerste praktijkproeven vond eind jaren negentig plaats in de Amerikaanse staat Oregon, onder leiding van bodemkundige Rufus Chaney van het Amerikaanse landbouwministerie (USDA). Hij liet er velden met de nikkelhyperaccumulator Alyssum murale groeien op nikkelrijke bodem, oogstte de planten en won er daadwerkelijk nikkel uit – een van de eerste keren dat het principe buiten het laboratorium werd aangetoond.
In Frankrijk bouwde de Université de Lorraine, samen met onderzoeksinstituut INRAE, een proefterrein op de voormalige mijnbouwsite van Homécourt, op afvalgrond van oude ertsmijnen. Daar wordt al meer dan tien jaar onderzoek gedaan naar de beste teeltmethoden voor hyperaccumulatoren.
Dat onderzoek leidde tot het Econick-project, waarbij Franse onderzoekers (onder wie Guillaume Echevarria) rond 2020-2021 voor het eerst op praktijkschaal een volledige keten lieten zien: van het planten en oogsten van Alyssum-gewassen tot het produceren van een zuiver nikkelzout uit de as. Dit gold als een van de eerste demonstraties dat de hele keten technisch en op kleine schaal ook economisch haalbaar is.
Op het Zuidoost-Aziatische eiland Borneo ontdekten onderzoekers in 2011 de plant Phyllanthus rufuschaneyi (vernoemd naar Rufus Chaney), die in zijn melksap tot wel 16 procent nikkel kan bevatten – een van de hoogste concentraties ooit gemeten in een plant. Deze ontdekking, met bijdragen van onderzoeker Antony van der Ent, zette Zuidoost-Azië op de kaart als een gebied met veel onontgonnen hyperaccumulatorsoorten.
In Albanië, waar uitgestrekte serpentijnbodems liggen en waar traditioneel nikkel wordt gedolven, onderzoeken wetenschappers of natuurlijk voorkomende nikkelhyperaccumulatoren op verlaten mijnterreinen kunnen worden ingezet voor agromining, als aanvulling op – of alternatief voor – de bestaande mijnbouw.
Hoe ver is de techniek?
Fytomijnbouw voor nikkel is het verst ontwikkeld en heeft de stap gezet van laboratorium naar veldproeven en kleinschalige pilotproductie. Toch gaat het nog altijd om hooguit kilogrammen tot een paar ton metaal per jaar op een proefterrein, tegenover de miljoenen tonnen die de reguliere nikkelmijnbouw wereldwijd jaarlijks produceert. De techniek is dus vooralsnog een nichetoepassing, geen vervanger van conventionele mijnbouw.
Een aantal praktische obstakels remt opschaling. Planten groeien nu eenmaal trager dan een graafmachine kan graven: meestal is maar één of twee oogsten per jaar mogelijk. Daarnaast is er relatief veel land nodig voor een bescheiden hoeveelheid metaal, en werkt de methode alleen op bodems met de juiste samenstelling. Ook is voor veel metalen nog geen geschikte hyperaccumulator gevonden of goed genoeg onderzocht; van de naar schatting ruim 700 bekende hyperaccumulatorsoorten wereldwijd zijn de meeste specifiek voor nikkel, en veel minder voor bijvoorbeeld kobalt, zink, thallium of zeldzame aardmetalen.
Voor edelmetalen zoals goud is fytomijnbouw experimenteel gebleven: proeven in Nieuw-Zeeland lieten zien dat planten als bruine mosterd (Brassica juncea) goud kunnen opnemen als de bodem wordt behandeld met stoffen die het goud oplosbaar maken, maar dit blijkt kostbaar, chemisch risicovol en tot dusver niet commercieel haalbaar.
Kortom: het wetenschappelijke principe staat stevig, de nikkelketen is als eerste gedemonstreerd op praktijkschaal, maar brede commerciële toepassing hangt af van verdere optimalisatie van gewasopbrengsten, dalende kosten en – niet onbelangrijk – de marktprijs van metalen als nikkel en kobalt.
Wie werken eraan?
Het onderzoeksveld wordt van oudsher aangevoerd door een klein aantal academische groepen. In de Verenigde Staten legde Rufus Chaney van het landbouwministerie USDA vanaf de jaren tachtig de wetenschappelijke basis voor nikkelfytomijnbouw. In Frankrijk vormen de Université de Lorraine en onderzoeksinstituut INRAE, met onderzoekers als Jean-Louis Morel en Guillaume Echevarria, het huidige zwaartepunt van agromining-onderzoek, inclusief het Econick-demonstratieproject.
Internationaal is Antony van der Ent – verbonden geweest aan de University of Queensland (Australië) en later Wageningen University & Research (Nederland) – een sleutelfiguur in het ontdekken en karakteriseren van nieuwe hyperaccumulatorsoorten, vooral in Zuidoost-Azië. De basis van het hyperaccumulatoronderzoek werd mede gelegd door de Australische bioloog Alan Baker (University of Melbourne), die tot zijn overlijden in 2012 gold als grondlegger van het vakgebied.
Daarnaast lopen er onderzoeksprogramma's in landen met veel serpentijnbodems en een mijnbouwverleden, zoals Albanië, Griekenland, Turkije, Brazilië en Maleisië, vaak in samenwerking met de hierboven genoemde Europese en Australische groepen. Grote mijnbouwbedrijven zijn tot nu toe nauwelijks betrokken; het veld wordt vooral gedragen door universiteiten, publieke onderzoeksinstituten en enkele kleine Franse spin-offbedrijven die de Econick-technologie verder proberen te commercialiseren.