《Journal of Environmental Management》：Towards sustainable remediation: Understanding and boosting phytoremediation of soils contaminated with lithium ion battery material
编辑推荐：
本研究针对锂离子电池（LIB）生产与回收过程中因环境标准不足导致的土壤重金属污染问题，探讨了利用植物修复技术（Phytoremediation）实现可持续环境治理的潜力。研究人员通过盆栽实验，评估了两种植物——庭芥（Alyssum murale）和芥菜（Brassica juncea）——在LIB正极材料（NMC）和黑粉（black mass）污染土壤中的金属富集效果，并尝试利用螯合剂提升修复效率。结果表明，A. murale 对钴（Co，832 mg·kg–1）和锂（Li，1044 mg·kg–1）具有显著富集能力；而B. juncea 虽非超富集植物，但其生物量大、生长快，对锂的富集量高达6082 mg·kg–1，且在低污染水平下生物富集系数＞25，单次处理可去除18.6%的锂，展现出良好的锂修复前景。研究为电池污染土壤的绿色修复提供了新思路，发表于Journal of Environmental Management，对推动电池产业环境可持续发展具有重要意义。
随着可再生能源存储和电动汽车的快速发展，锂离子电池（Lithium Ion Battery, LIB）已成为支撑现代绿色能源体系的关键技术。然而，这一“绿色技术”的背后却隐藏着不容忽视的环境隐忧：LIB的制造和废弃处理过程中，由于采矿活动、回收体系不完善以及不当处置（如填埋），大量含有锂（Li）、钴（Co）、镍（Ni）、锰（Mn）等重金属的电池材料可能进入土壤环境，造成持久性污染。尤其是在环境标准执行不力的地区，电子废弃物的非法倾倒问题尤为突出。这些重金属不仅难以自然降解，还可能通过食物链富集，最终威胁生态系统健康和人类安全。例如，在刚果民主共和国的手工钴矿开采区，当地居民血液和尿液中已检测到钴含量显著升高，凸显了电池材料污染的严峻现实。因此，开发高效、低成本、环境友好的土壤修复技术迫在眉睫。
传统的土壤修复方法，如酸洗淋溶等物理化学手段，往往成本高昂、过程侵入性强，且易破坏土壤生态。相比之下，植物修复（Phytoremediation）技术利用特定植物吸收、转运并富集土壤中的污染物，被认为是一种更具可持续性的修复策略。它成本较低、对环境影响小，并能维持土壤的基本功能。然而，该技术也面临修复效率低、周期长、依赖植物物种及其生物量、污染物生物有效性不足等多重挑战。针对LIB材料污染土壤的修复研究尚处于起步阶段，哪些植物物种能有效富集LIB中的关键金属？如何提升植物对固态电池材料中金属的提取效率？这些问题亟待解答。
在此背景下，由Julius Buchmann、Tobias Brake、Andreas Hensel、Martin Winter、Simon Wiemers-Meyer和Sascha Nowak组成的研究团队，在《Journal of Environmental Management》上发表了题为“Towards sustainable remediation: Understanding and boosting phytoremediation of soils contaminated with lithium ion battery material”的研究论文。该工作系统评估了两种代表性植物——镍超富集植物庭芥（Alyssum murale）和快速生长的高生物量植物芥菜（Brassica juncea）——对LIB材料污染土壤的修复潜力，并探索了利用螯合剂（chelating agents）作为增强策略的效果。
为开展此项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，通过盆栽实验（pot studies），在受控温室环境下模拟土壤污染条件，分别使用LIB正极材料（NMC）和废旧电池破碎后得到的黑粉（black mass）作为污染物来源。其次，利用电感耦合等离子体光学发射光谱法（ICP-OES）精确测定植物组织（叶片、茎）以及土壤、电池材料中的金属（Li, Ni, Co, Mn）总含量。第三，采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法（LA-ICP-MS）对植物叶片进行元素成像分析，以观察金属在叶片组织中的空间分布特征。此外，还通过体外浸提实验评估了不同螯合剂（如EDTA, EDDS, 柠檬酸, 组氨酸）对电池材料中金属溶出性的影响。
3.1. 金属从LIB材料中的浸出性
研究人员首先评估了金属从NMC和黑粉中的浸出潜力。结果显示，过渡金属（Ni, Co, Mn）在中性至碱性条件下浸出率极低（<0.001%），而螯合剂（如EDTA、EDDS）的添加能显著提高其溶解度（最高至0.20%）。锂（Li）的浸出性普遍高于过渡金属，尤其在黑粉中，由于可能含有水溶性导电盐，锂的浸出率超过10%。这表明黑粉中的金属，特别是锂，具有更高的环境迁移风险和生物可利用性潜力。
3.2. Alyssum murale 对固态LIB污染物的金属富集
盆栽实验发现，A. murale 在NMC污染土壤中生长良好，并能有效富集钴（平均832 mg·kg–1）和锂（平均1044 mg·kg–1），而对镍的富集相对较低。出乎意料的是，尽管黑粉污染土壤的总金属含量较低，但其对A. murale 的毒性却更强，导致植物生物量显著减少，金属富集量也相应降低（锂平均482 mg·kg–1）。这种毒性可能源于黑粉中更高的锂生物有效性以及可能存在其他有毒成分（如氟化导电盐及其分解产物）。
3.3. 通过金属活化提高生物有效性
为了增强金属吸收，研究团队尝试在土壤中添加螯合剂。低剂量（10 mmol·kg–1）的EDTA和EDDS能显著促进A. murale对镍的吸收（分别增加182%和138%），但对锂、钴、锰的富集影响不一致或甚至略有抑制。高剂量（100 mmol·kg–1）的螯合剂则导致植物死亡，这可能是由于营养元素被螯合或金属过度活化产生毒害。结果表明，螯合剂的应用需谨慎，其对修复效率的提升具有金属特异性和浓度依赖性。
3.4. Brassica juncea 对离子溶液的金属富集
在离子溶液污染的盆栽实验中，B. juncea 表现出对过渡金属（Ni, Co, Mn）的高耐受性，但其富集量相对较低。相反，锂被强烈富集，最高浓度达6082 mg·kg–1（0.61%），且锂的毒性也最为明显。在多种金属共存条件下，各元素的富集未表现出相互抑制，说明B. juncea 对不同的金属可能存在独立的吸收机制。
3.5. Brassica juncea 中的空间分布
LA-ICP-MS元素成像显示，锂、镍、钴、锰在B. juncea叶片中分布相对均匀，未发现如A. murale中钴在叶尖和毛状体处形成热点的那种排泄现象。这表明B. juncea可能通过将金属隔离在叶肉细胞或表皮细胞的液泡中来解毒。
3.6. Brassica juncea 对固态LIB污染物的金属富集
当使用固态LIB材料污染土壤时，B. juncea 的生长受到显著抑制，尤其是高污染水平下。尽管如此，在低污染水平下，B. juncea 仍表现出对锂的显著富集能力，生物富集系数可达25以上。从NMC污染土壤中，单株植物叶片锂含量最高达3812 mg·kg–1。虽然过渡金属的富集量和回收率很低，但锂的修复潜力突出。
3.7. Brassica juncea 的金属回收率
通过对植物生物量和金属含量的综合分析，研究人员估算了潜在的金属回收率。对于离子形式的锂污染，单次处理可回收高达18.6%的锂，相当于每公顷土地可收获16.4千克锂。即使对于固态NMC污染，在低污染水平下，锂的回收率也可达12.9%，潜在年产量经推算可能达到可观的水平。这凸显了B. juncea 在修复锂污染土壤方面的应用价值，特别是针对中低污染水平。
综上所述，本研究深入探讨了利用植物修复技术治理LIB材料污染土壤的可行性与策略。主要结论包括：1) 庭芥（A. murale）对钴和锂表现出出乎意料的强富集能力，是修复多种LIB金属污染的有力候选者，但其应用可能受土壤中高生物有效性锂及其他有毒成分的限制；螯合剂可特异性增强其对镍的吸收，但需精确控制用量。2) 芥菜（B. juncea）虽非传统意义上的超富集植物，但其快速生长和高生物量的特性，使其在修复锂污染方面展现出独特优势，尤其适用于中低污染水平的土壤，通过多次收割可实现可观的锂去除量；然而，它对过渡金属的富集能力有限。3) LIB废弃物的来源（如 pristine NMC 与 recycled black mass）显著影响其环境行为和植物毒性，黑粉因可能含有更多可浸出成分和辅助化学物质而具有更高的生态风险。
这项研究的意义在于，它不仅验证了植物修复技术应用于新兴电子废弃物污染场地的潜力，而且通过对比两种不同修复策略（超富集植物 vs. 高生物量植物），为针对特定污染物（如锂）选择最适修复方案提供了科学依据。研究结果强调了在实际应用中需综合考虑污染水平、污染物形态、植物耐受性以及可能的环境风险（如螯合剂使用带来的淋溶风险）。该工作为发展可持续、低成本的电池循环经济环境安全保障技术提供了重要的理论支撑和实践指导，推动了绿色修复理念在新能源领域的深入应用。
