从废弃物到宝藏：污泥改良矿区土壤中镍、钴、硒的植物采矿新策略

《Plant and Soil》：From waste to value: agromining of nickel, cobalt, and selenium from mine waste amended with sewage sludge

本研究针对全球对镍(Ni)、钴(Co)、硒(Se)等关键元素日益增长的需求，探索了利用超富集植物从污泥改良的矿区废弃物中回收这些元素的新途径。研究人员通过中宇宙实验，将三种超富集植物（Berkheya coddii、Astragalus bisulcatus、Odontarrhena chalcidica）栽培于不同污泥改良比例的矿区基质上。结果表明，污泥添加显著提高了植物生物量，但降低了植物组织中金属浓度（Ni降低33-60%，Co降低0-41%，Se降低67-74%）。该研究为可持续回收关键元素和矿区生态修复提供了重要概念验证。

　　

随着全球向可再生能源转型加速，对镍(Ni)、钴(Co)、硒(Se)等关键元素的需求呈现爆发式增长。传统采矿方式不仅碳排放高（每公斤镍排放51公斤CO₂），还存在资源枯竭、政治风险等诸多问题。与此同时，全球每年产生大量矿区废弃物和污水污泥，这些废弃物中富含的金属元素往往被白白浪费，甚至造成环境污染。在这一背景下，植物采矿(agromining)这一绿色技术应运而生——它利用超富集植物从富含金属的基质中选择性吸收并富集目标元素，为可持续资源回收提供了新思路。

发表在《Plant and Soil》上的这项创新研究，提出了一个巧妙解决方案：将富含营养的污水污泥与富含金属的矿区废弃物结合，通过植物采矿实现"变废为宝"。研究人员选择了意大利三个特征各异的矿区废弃物（分别富含Co、Se、Ni），并搭配三种相应的超富集植物，开展了一系列精心设计的实验。

研究团队采用中宇宙实验设计，在博洛尼亚植物园建立了18个实验单元，每个包含0.2立方米矿区废弃物，并设置不同污泥添加梯度（0、15、30 kg/m²）。实验选用Berkheya coddii（钴超富集）、Astragalus bisulcatus（硒超富集）和Odontarrhena chalcidica（镍超富集）三种植物，通过五个月生长周期，系统监测了植物生物量、金属积累效率以及基质理化性质和微生物群落变化。关键技术方法包括基质理化性质分析（粒径分布、pH、电导率、阳离子交换容量等）、金属含量测定（使用能量色散X射线荧光光谱法）、生物可利用金属提取（DTPA和AB-DTPA法）以及微生物群落测序（基于16S rDNA的纳米孔测序技术）。

植物生物量、金属积累与产量

污泥处理显著影响了三种植物的生物量和金属积累效率，呈现明显的权衡关系。随着污泥添加量增加，植物生物量普遍提高，而金属积累则呈现相反趋势。

Berkheya coddii生物量在SS15处理下从1.9增至5 g DW/株，但在SS30时略降至4 g。Astragalus bisulcatus表现最为显著，生物量增加九倍，从SS0的1.2 g增至SS30的11.2 g。Odontarrhena chalcidica生物量也呈现稳步增长，从SS0的7.7 g增至SS30的14.4 g。

金属积累方面，钴积累在SS0和SS15间保持稳定（约250 mg/kg），但在SS30显著下降至148 mg/kg。硒积累从SS0到SS15下降四倍（198至55 mg/kg），SS30无进一步下降。镍积累在所有处理中持续下降，SS0、SS15、SS30分别为6,150、4,110和1,940 mg/kg。

研究人员还分析了金属在植物老叶和幼叶中的分布差异。钴在老叶中积累更高，且随污泥添加呈下降趋势；而硒和镍则在幼叶中积累更高，表明这两种元素在植物体内具有较好的韧皮部移动性。

估算的年产量显示，污泥添加对金属回收效率的影响因元素而异。钴产量在SS15最高（15 mg/m²），硒产量随污泥添加持续增加，而镍产量则随污泥添加下降。

基质理化性质变化

污泥添加显著改变了矿区废弃物的理化性质。所有基质的阳离子交换容量(CEC)在SS30处理下比未改良基质增加2-3倍，这主要归因于污泥引入的有机胶体。氮和碳浓度也显著提高，但在植物采矿后，SS15和SS30处理中的氮含量下降30-50%，表明存在快速的氮循环过程。

金属总量和生物可利用性的变化呈现有趣模式。在CAMP和PRIN基质中，污泥添加初期降低了总钴和镍浓度（稀释效应），但经过植物采矿后，SS15和SS30处理中的总金属浓度反而增加，可能是由于有机质降解导致基质质量减少，金属相对浓缩。生物可利用金属库在T1时普遍减少，特别是镍（降低四倍）和钴（降低15倍）。

微生物群落结构

污泥添加和植物采矿显著重塑了矿区废弃物的微生物群落结构。初始细菌多样性在历史悠久的CAMP和PRIN矿区较高，而在持续活动的NORD矿区较低。

污泥处理 consistently 促进了Alpha-和Gamma-变形菌纲的增殖，这些类群与碳和硫循环相关，具有富营养型特征。相反，适应低营养环境的放线菌门和酸杆菌门等寡营养类群丰度下降。这种微生物群落转变加速了污泥降解，可能通过提高营养利用率促进了植物生长，但同时也可能导致有机质快速分解和碳损失。

研究结论与意义

该研究首次系统验证了从污泥改良矿区废弃物中回收镍、钴、硒的可行性。研究表明，污泥改良确实能促进超富集植物生长，但高剂量添加（30 kg/m²）会导致金属生物可利用性降低，反而削弱植物积累效率。这种权衡关系提示未来需要优化污泥与废弃物的混合比例，可能在1-3 kg/m²范围内更为适宜。

这项研究的创新之处在于将两种环境挑战（废弃物管理和关键元素短缺）转化为协同解决方案。不仅为关键元素可持续供应提供了新途径，还为矿区土地修复和污泥资源化利用开辟了新前景。微生物群落的积极响应表明，这种策略可能促进退化生态系统的恢复。

然而，要实现大规模应用，仍需解决若干挑战。当前立法框架（如欧盟指令86/278/EEC）限制金属污染污泥的土地应用，需要政策创新。此外，对非目标元素（如铬）的归趋需要进一步研究，经济可行性也需要在大尺度上验证。

这项研究为循环经济和绿色采矿提供了重要概念验证，展示了一条将环境负担转化为资源机遇的可行路径。随着技术优化和政策支持，植物采矿有望在未来资源可持续利用中发挥重要作用。