В мире растущих связей редкоземельные металлы с необычными названиями, такие как лантан, церий и иттрий, стали стратегическими активами.
Они используются во всём: от мобильных телефонов до ветряных турбин и электромобилей. В настоящее время они находятся в центре торговой войны между США и Китаем.
Однако учёных беспокоят редкоземельные металлы по причинам, не связанным с международной политической напряжённостью. Что мы на самом деле знаем о воздействии их добычи на окружающую среду?
Кевин Уилкинсон, профессор кафедры химии Университета Монреаля, вместе со своими студентами Лорианн Паже и Мари-Элен Бруне пытается это выяснить. Их исследования сложных взаимодействий между редкоземельными металлами и водными организмами выявили механизмы, которые могут изменить наш подход к оценке экологических рисков.
Результаты их работы опубликованы в журнале Environmental Pollution.
«(Президент США Дональд) Трамп хочет лантан, церий и иттрий, но Китай контролирует почти 80% мирового производства и недавно прекратил экспорт в Соединённые Штаты, что побудило Северную Америку пересмотреть жизнеспособность собственных источников, многие из которых находятся в Канаде», — сказал Уилкинсон.
Шахта Нечалачо возле Йеллоунайфа на Северо-Западных территориях в настоящее время является одним из наиболее продвинутых проектов по добыче полезных ископаемых. Другие месторождения ценных металлов были обнаружены в Квебеке.
В сотрудничестве с Министерством окружающей среды и изменения климата Канады исследователи Университета де Монреаль сосредоточились на лантане, церии и иттрии и их взаимодействии с Chlamydomonas reinhardtii, микроскопической водорослью, часто используемой для изучения механизмов поглощения металлов живыми организмами.
«Мы используем эту водоросль в нашей лаборатории более 20 лет, — пояснил Уилкинсон. — Это одна из первых водорослей, чей геном был полностью секвенирован, что позволяет нам понять её молекулярные механизмы при воздействии металлов».
Лабораторные испытания дали неожиданные результаты: присутствие нескольких редкоземельных элементов не увеличивает их биоаккумуляцию при контакте с Chlamydomonas reinhardtii. Напротив, они конкурируют за клеточное поглощение, снижая всасывание каждого из них.
«Мы не ожидаем, что токсичность будет равна сумме металлов, — пояснил Уилкинсон. — Смешивание этих металлов оказывает благотворное, а не аддитивное действие. Худшим исходом было бы, если бы два загрязнителя оказали суммарное воздействие на организм, но здесь это не так».
Исследовательская группа также обнаружила, что ионы, естественно присутствующие в воде и определяющие её «жёсткость», такие как кальций и магний, обеспечивают защиту от поглощения металлов.
Эксперименты показали, что даже умеренные концентрации кальция могут значительно снизить поглощение этих металлов организмом. В природных условиях вблизи шахт, где соотношение кальция и редких металлов может достигать 10 000 или 100 000 к 1, этот защитный эффект имеет решающее значение.
«В Квебеке наша пресная вода содержит мало кальция и магния, поэтому защитный эффект менее выражен», — сказал Уилкинсон. «Мы видели этот эффект в прошлом, когда провинция больше страдала от кислотных дождей, чем Соединённые Штаты».
Регионы с мягкой водой, такие как Квебек и Скандинавия, поэтому подвержены большему риску загрязнения в результате добычи редких металлов, чем районы с более жёсткой водой.
Для извлечения редкоземельных металлов горные породы, содержащие элементы, измельчают. Это увеличивает площадь поверхности контакта, что позволяет извлекать нужные металлы, но также высвобождает все другие элементы, присутствующие в породе.
Отходы, производимые в результате этого процесса, содержат множество загрязняющих веществ и могут увеличить их концентрацию в природе по мере того, как в Канаде активизируется добыча редкоземельных металлов. Проект Уилкинсона является частью скоординированных национальных усилий по изучению последствий, в которых участвуют несколько исследовательских групп.
Пока его команда изучает механизмы поглощения, профессор биологии Университета де Монреаль Марк Эмио изучает, как загрязняющие вещества распространяются по пищевой цепи, а исследователи в Онтарио изучают токсичность редкоземельных металлов.
«В лаборатории мы всё контролируем, — сказал Уилкинсон. — В полевых условиях это сложнее, но более реалистично, с более низкими концентрациями. Базовые исследования и полевые исследования дополняют друг друга и вместе дадут нам лучшее понимание экологических проблем, связанных с эксплуатацией этих стратегических металлов».
«В настоящее время наша команда наблюдает за загрязнением этими металлами после переработки электронных продуктов. Чудодейственного решения не существует. Энергетический переход требует этих металлов для зелёных технологий, поэтому нам необходимо понять их воздействие на окружающую среду, чтобы избежать решения одной экологической проблемы путём создания другой».