Phytomining of Rare Earth Elements: Dynamics of Rhizosphere Processes and Element Interactions in the Soil

Enamik mullas leiduvatest elementidest on peale geogeense päritolu ka antropogeensete tegevuste tulemus. Nende hulgas on haruldased muldmetallid (REE-d), mis on levinud enamikes geoloogilistes keskkondades, kuid võivad esineda ka madalakvaliteedilistes maakides, hüljatud kaevandusaladel ja põllumajandusmaadel. REE-d on muutunud väga olulisteks mitmetes kaasaegsetes tööstusharudes, sealhulgas keemia-, elektroonika-, puhta energia, transpordi- ja põllumajandustööstuses. Nõudluse suurenemise tõttu kuuluvad REE-d kriitiliste toormete hulka. Lisaks tavapärastele elementide eraldamise meetoditele pinnasest on tuntud ka fütoekstraktsioon, mis kasutab hüperakumuleerivaid taimi metallide eemaldamiseks saastunud pinnasest
(fütoremediatsioon) või majanduslikult väärtuslike metallide kättesaamiseks biomassi põletamist (fütokaevandamine). Fütokaevandamist on rakendatud mitmete majanduslikult oluliste elementide, nagu nikkel ja kuld, kontsentreerimisel. Fütoekstraktsiooni rakendamine sõltub täielikult elementide biosaadavusest pinnases ning seetõttu on vajalik mõista taimede ja pinnase vastasmõjusid, elementide käitumist nende imendumisel taimedesse ning taimede kohanemist muutustega. Üldiselt ei esine kõik mullas leiduvad elemendid taimedele kättesaadavas vormis, mis nõuab taimede vastavat kohandumist ja muutusi risosfääris, et suurendada imendumise efektiivsust.

Käesolevas doktoritöös viidi läbi eksperimentaalsed uuringud välitingimustes, samuti kontrollitud labori- ja kasvuhoonekatsed, eesmärgiga mõista juurestiku protsesse ja elementidevahelisi seoseid, mis mõjutavad haruldaste muldmetallide biosaadavust fütokaevandamisel. Uurimus keskendus: a) substraadi omaduste ja fosforisisalduse mõjule haruldaste muldmetallide akumuleerumisel segakultuurides (Publikatsioon I), b) karboksülaadil põhinevate toitainete omandamise strateegiate, fosfori kättesaadavuse ja haruldaste muldmetallide akumuleerumise seostele taimedes (Publikatsioon III), c) mulla Bacillus amyloliquefaciens FZB42-ga nakatamise mõjule haruldaste muldmetallide ja potentsiaalselt mürgiste elementidie fütoakumulatsioonis (Publikatsioon IV) ning d) oluliste ja mitteoluliste elementide vahelistele seostele erinevate toitumisstrateegiate ja räni akumuleerimisvõimega taimedes (Käsikiri I).

Nõrgalt happelisel substraadil (pH = 6,8) kasvatatud taimed omandasid suuremaid toitainete ja haruldaste muldmetallide kontsentratsioone kui aluselisel substraadil (pH = 7,9) kasvatatud taimed. Kultiveerides Hordeum vulgaret segakultuuris Lupinus angustifoliusega aluselisel substraadil ning varustades taimi fosforväetisega, täheldati, et H. vulgare omandas suures koguses toitaineid ja REE-sid. Samas segakultuurina L. albusega, mida kasvatati nõrgalt happelisel substraadil, vähenes H. vulgares REE-de akumulatsioon oluliselt. See näitab, et liigisisene juurte vastasmõju erinevate fosfori omandamise strateegiatega liikide puhul ja taimede toitainetega varustamine mõjutab REE-de jaotumist taimede vahel. Tulemused näitasid ka, et taimed, mis reageerivad fosfori defitsiidile karboksülaatide vabastamisega, omastamaks raskestilahustuvat fosforit risosfääris, suurendavad ka teiste elementide, REE-de lahustuvust ja liikuvust. See juhtub koos karboksülaatidega vabanevate vesinikioonide tõttu, mis muudavad risosfääri happelisemaks. Seetõttu osfori hankimise strateegiad, mis muudavad risosfääri happelisust, tõstavad ka haruldaste muldmetallide bio-kättesaadavust.

Doktoritöö tulemused näitasid ühtlasi, et mulla inokuleerimine Bacillus amyloliquefaciens FZB42-ga suurendas märkimisväärselt REE-de akumuleerumist taimedes ning vähendas potentsiaalselt toksiliste elementide (nt kaadmium) esinemist mullas. Samamoodi kipuvad taimed, millel on kõrge räni omandamisvõime (räniakumuleerijad, näiteks Zea mays ja Cucumis sativus), koguma oma lehtedesse kõrgeid nii oluliste kui ka mitteoluliste elementide (REE-d, Al ja Cd) kontsentratsioone. See näitab, et räni mobiliseerib mullas esinevaid haruldasi muldmetalle ja suurendab taimedel toksiliste elementide taluvust.

Kokkuvõttes rõhutavad käesoleva doktoritöö tulemused, et risosfääri mõjutamine võib parandada fütokaevandamise efektiivsust ning vähendada keskkonnariske, mis on seotud toksiliste elementide akumulatsiooniga pinnases(fütoremediatsioon). Töö tulemused aitavad kaasa jätkusuutlike kaevandamistehnoloogiate väljatöötamisele (taastamis strateegiad kaevandamisjärgsetel ja saastunud maastikel) ning looduskeskkonna taastamisele.

Abstract

Most elements available in the soil are, apart from geogenic origin, also a product of anthropogenic activities. Among these elements, there are rare earth elements (REEs), which are not only prevalent in most geologic environments, but may also be found in some lean ores, abandoned mining sites, and agricultural areas. REE became key to many modern industries including chemicals, consumer electronics, clean energy, transportation and in agriculture. Due to increasing demand, REE are of increasing relevance as raw materials. Besides other conventional extraction methods of elements from the soil, phytoextraction, using hyperaccumulator plants, is known as a feasible way to either extract metals from contaminated soils (through a technology called phytoremediation) or to extract economically valuable metals (via phytomining). The concept of phytomining has been applied specifically focusing on other economic elements such as nickel and gold. The application of phytoextraction depends fully on the bioavailability of elements in the soil, which makes it imperative to understand plantsoil interactions, element interactions from when they are absorbed in plants, as well as plant adaptation towards these changes. Generally, not all elements present in the soil are in plant-available forms, necessitating plant adaptation and changes in the rhizosphere to increase the possibility of uptake.

In this thesis, experimental work under field conditions as well as controlled laboratory and greenhouse experiments were conducted with the aim to understand rhizosphere processes and element interactions affecting the bioavailability of rare earth elements in phytomining. The studies focus on: a) the effects of substrate properties and P-supply in mixed culture crops on the accumulation of rare earth elements (Publication I), b) the relationship between carboxylate-based nutrient-acquisition strategies, phosphorus-nutritional status, and rare earth element accumulation in plants (Publication III), c) the impact of soil inoculation with Bacillus amyloliquefaciens FZB42
on the phytoaccumulation of rare earth elements and potentially toxic elements (Publication IV), and d) the relationships between essential and non-essential elements in plants with different nutritional strategies and silicon absorption capacities (Manuscript I).

Plants cultivated on a slightly acidic (pH = 6.8) substrate accumulated higher concentrations of nutrients and rare earth elements than on an alkaline substrate (pH = 7.9). Cultivating Hordeum vulgare in mixed culture crops with Lupinus angustifolius on the alkaline substrate and supplying the plants with P-fertilizer, showed that H. vulgare accumulated high nutrient and REE concentrations. Conversely, in the mixed cultures with Lupinus albus cultivated on the slightly acidic substrate, REE accumulation
in H. vulgare decreased significantly. This emphasises that interspecific root interactions between species with different P-acquisition strategies in combination with plant nutrient supply influences REE fluxes between the plants. The results also demonstrated that plants that respond to P-deficiency with carboxylate release as way to access sparingly soluble P in the rhizosphere also increase the solubility and mobility of other elements, including REEs. This occurs due to the H+ ions released alongside carboxylates which acidify the rhizosphere. Therefore, this indicates that rhizosphere acidification and P-acquisition strategies positively influence REE bioavailability.

The results also demonstrated that soil inoculation with Bacillus amyloliquefaciens FZB42 significantly increased the accumulation of REEs in plants while reducing the accumulation of potentially toxic elements such as cadmium. Similarly, plants with high silicon absorption capacities (Si-accumulators, such as Zea mays and Cucumis sativus), tend to accumulate high concentrations of essential and non-essential (REEs, Al and Cd) elements in their shoots. This indicates that Si mobilizes REEs in the soil, increasing their uptake in plants. Furthermore, Si increases plant tolerance against multielement toxicity, allowing Si-accumulators to accumulate high concentrations of Al and Cd without any detrimental effects towards plant nutrition and growth.

Overall, the findings from this thesis emphasise that rhizosphere modification has the potential to improve the efficiency of phytomining while mitigating environmental risks associated with toxic element accumulation through phytoremediation. In terms of practical application, the results of this thesis contribute towards sustainable mining practices (remediation and revegetation strategies on post mining and contaminated landscapes) and promoting the restoration of environmental integrity.