Nikkel-bloedende bomen in de Hortus botanicus Leiden

Metaalaccumulerende planten

Hyperaccumulatorplanten zijn bijzondere planten die van nature enorm hoge concentraties aan bepaalde metalen op kunnen slaan in hun blad. Terwijl normale planten hooguit 10 milligram nikkel per kilogram bevatten, kunnen hyperaccumulatoren meer dan 50.000 milligram nikkel per kilogram in hun bladeren bevatten zonder daar aan te bezwijken. Sommige hyperaccumulatoren vertonen deze eigenschap consistent, ongeacht waar ze groeien, terwijl andere soorten deze eigenschap alleen vertonen in bepaalde populaties op met metaal verrijkte bodems.

In totaal zijn er wereldwijd nu ruim 700 hyperaccumatorplantensoorten bekend. Verreweg de meeste daarvan accumuleren nikkel, omdat met nikkel verrijkte bodems wijdverspreid zijn, vooral in Zuidoost-Azië. Op het Indonesische eiland Sulawesi beslaan de met nikkel verrijkte gebieden ongeveer 15.000 vierkante kilometer en in Maleisisch Borneo 3.500 vierkante kilometer. Na nikkel is selenium het meest geaccumuleerde element. Dit komt doordat bodems die van nature selenium bevatten ook grote oppervlakken beslaan. Vooral in het zuidoosten van de Verenigde Staten zijn er grote gebieden met selenium verrijkte bodems. Daar komen selenium-hyperaccumulatoren voor, zoals Astragalus bisulcatus en Stanleya pinnata. Deze planten bevatten zeer hoge concentraties aan selenium, waarvan ze een gedeelte uitademen als dimethyl diselenide-gas. Dit stinkt enorm en de planten zijn al vanaf tientallen meters te ruiken. Ook in de kas is hun geur op een warme zomerse dag te ruiken, door de ene onderzoeker wat beter dan door de andere.

Blauwgroen melksap uit een Nieuw-Caledonische boom

De beroemdste hyperaccumulatorplant in de wereld is Pycnandra acuminata, een boomsoort endemisch voor het Pacifische eiland Nieuw-Caledonië. Deze boom heeft melksap dat voor maar liefst een kwart uit nikkel bestaat en fel blauwgroen gekleurd is door de nikkelionen. Wanneer een blad of de bast beschadigd raakt, komt dit opvallend gekleurde melksap vrij. De melksapkanalen in de plant staan onder druk: een insect dat begint te knagen aan een blad van Pycnandra acuminata krijgt direct een dosis giftig melksap over zich heen.

Sinds kort worden in de Hortus botanicus Leiden kleine Pycnandra acuminata-kiemplantjes opgekweekt uit zaad voor onderzoek. Doel van het onderzoek is te begrijpen hoe op moleculair- en celniveau nikkel door de melksapkanalen worden getransporteerd. Daarvoor worden synchrotrons gebruikt. Dit zijn gigantische deeltjesversnellers waarin röntgenstraling in een soort laserstraal op een monster gericht kan worden. Door het monster door deze straal te scannen kan een elementenkaart gemaakt worden. Deze informatie is cruciaal om inzicht te krijgen in de mechanismen die ten grondslag liggen aan hyperaccumulatie.

Phytomining voor duurzame winning van metalen

Hyperaccumulatorplanten kunnen ingezet worden voor phytomining als ‘metal crops’. Dit wordt ook wel ‘metal farming’ genoemd en hoewel het idee al in de jaren tachtig werd bedacht, wordt het pas in de laatste drie jaar op commerciële schaal uitgevoerd door een aantal startups. In Europa gebeurt dit in Griekenland nu grootschalig voor nikkel door het Franse phytomining-bedrijf Botanickel. 

Er wordt ook onderzoek gedaan naar planten die thallium hyperaccumuleren. Thallium is het meest giftige element dat bekend is, maar komt zeer spaarzaam voor in het milieu. Het komt als verontreiniging voor bij het verwerken van zink- en loodertsen en kan zich dan verder verspreiden. De meeste planten zijn gevoelig voor thallium en vertonen al bij hele lage blootstelling typische tekenen van vergiftiging, zoals vergeling van het blad. Enkele populaties van de wijdverspreide soorten brilkruid (Biscutella laevigata) en avondkoekoeksbloem (Silene latifolia) zijn echter thallium-hyperaccumulatoren. Deze hyperaccumulerende populaties komen alleen voor op oude zink- en loodmijnen in Frankrijk en Italië. Op een bodem met slechts 10 milligram thallium per kilogram kunnen deze planten daar meer dan 10.000 milligram per kilogram van in hun scheuten bevatten. Dit biedt mogelijkheden voor het ontwikkelen van thallium-phytomining, waarbij zowel de verontreinigde grond kan worden opgeschoond als ook waardevol thallium teruggewonnen wordt. Thallium wordt gebruikt in halfgeleiders en geavanceerde optische materialen en is 8000 dollar per kilogram waard, dus het opruimen van thalliumvervuiling kan in dit geval de moeite waard zijn.

Acuut bedreigd: urgente zoektocht naar hyperaccumulatorplanten

Naast nikkel-, selenium- en thallium-hyperaccumulatorplanten zijn er soorten bekend die cadmium, koper, kobalt, zink en zeldzame aardmetalen kunnen hyperaccumuleren. Al deze planten zijn erg zeldzaam omdat ze gebonden zijn aan van nature met metaal verrijkte bodems. Alle bekende koper- en kobalt-hyperaccumulatorplanten zijn endemisch in de ‘Kopergordel’ van de Democratische Republiek Congo. Hyperaccumulatorplanten worden acuut bedreigd door mijnbouw omdat ze op ertslichamen groeien. Het is daarom vaak een race tegen de klok om deze zeldzame planten te ontdekken voordat ze vernietigd worden door mijnbouwactiviteiten. Botanische tuinen zijn cruciaal om levende collecties aan te leggen voor ex situ behoud en om onderzoek naar de mechanismen van hyperaccumulatie mogelijk te maken voor toekomstige toepassingen in phytomining.

Tekst: Antony van der Ent, Laboratorium voor Erfelijkheidsleer, Wageningen University & Research
Beeld: Antony van der Ent (leadfoto: nikkel-rijke, blauwgroene latex vloeit uit de bast van Pycnandra acuminata bij beschadiging)