JP4837153B2 - 土壌からニッケル、コバルトおよび他の金属を植物採鉱する方法 - Google Patents

Description

発明の背景
発明の分野：
本発明は、植物の地上部分にニッケルおよびコバルト、ならびに、白金およびパラジウム金属族を包含する他の金属類を濃縮している過剰蓄積植物を用いた土壌栽培により、これらの金属類を土壌から抽出する方法に関するものであり、植物を収穫し、乾燥し、かつ溶解製錬して金属を回収できる（金属の植物採鉱（phytomining））。
従来技術の背景
蛇紋石、ラテライト蛇紋石、超塩基性土壌および流星衝撃土壌を包含する、ある種の型の土壌および地質学材料はニッケルまたはコバルトに富み、したがってこれらの金属を採鉱する場所であることは、長い間知られてきた。これらの金属に対する在来型採鉱の費用は依然として高いので、最近の技術が有益に適用し得る地質学的材料に要求される金属の水準は、大半の蛇紋石、ラテライト蛇紋石、超塩基性および流星由来土壌における水準よりも著しく高い。
Raskinらの米国特許第5,364,451号公報は、これらの土壌中でBrassicaceae科の遺伝子改変植物を育成して金属に富む土壌から金属類を除去し、汚染土壌を安価に改善する方法に関するものである。Raskin特許の主題である突然変異体に対する適切な親の例には、B. Junceaが包含される。この特許は、回収し得る多数の金属を一般的に記載しているが、具体的な人為的実施例としてはクロムおよび鉛の回収に関するものである。この米国特許第5,364,451号公報の開示の全てを引用によりここに加入する。
この引例の実施例の論評および提案技術の応用では、金属に富む土壌の改善および、それからの金属類の回収において引き起こされる、とどまることのない問題点を説明している。特に、その例は収率の甚だしい低減なしに、かつ厳しい鉛毒なしに植物の成育を可能にするために、リン酸塩を間欠的に供給した砂媒体における反射人工培養について述べている。この特許はまた、受入られる超蓄積体（hyperaccumulator）の限界決定のための子孫の選別と相まって、無作為”突然変異誘発”により生じた遺伝子の突然変異に依存しており、すなわち、突然変異原の無差別的適用による出発親細胞からの突然変異体もしくは潜在的突然変異体ライブラリーの創作に依存している。有望ではあるが、このRaskin特許は植物の成長もしくは栽培を介して直接的に土壌改善を推進する機会に対する基礎をなんらも提供していない。加えてこの特許は、金属それ自体を回収するための現実的機会も提案しておらず、なにかの環境下（確認されていない）でその金属が現実に利用できることを示すだけである。
最も広く見いだされ、かつ技術的にも重要な金属の一つはニッケルである。ニッケルは全ての土壌中の天然構成成分の一つであり、蛇紋石、ラテライト蛇紋石、超塩基性および流星由来土壌中には特に高濃度で存在する。化学的および地質学的特徴がニッケルと極めて類似したコバルトも、同じくこれらの土壌中に見いだされ、かつ、他の貴重な金属の一つである。本発明の範囲内で植物採鉱の対称である他の金属の例は、通常ＮｉおよびＣｏと共存するパラジウム、ロジウム、ルテニウム、白金、イリジウム、オスミウムおよびレニウムを包含る白金およびパラジウム族の金属等である。これらの金属の超蓄積体である植物を金属に富む土壌で栽培すること、もしくは”植物採鉱”は土壌からの金属回収手段としての望ましい別法である。しかし通常の栽培方法は土壌条件の適切な調整および維持なしには、植物中の金属の適切な超蓄積がなされず、植物からの金属の回収を経済的に興味のあるものにするには不充分である。加えて、上記金属類を回収するための特定な方法も開発されずに残されている。したがって、天然に、もしくは違った風に存在するニッケル、コバルトおよび他の確認された金属に富む土壌を植物採鉱するめの信頼できるシステムであって、経済的に許容し得る水準で上記金属類の回収に導くようなシステムを開発することは、当業者に残された目標である。
発明の要約
Brassicaceae科からの各種広範な植物を選別することにより、発明者らは、有益量のコバルトを蓄積し、かつニッケルの超蓄積体である植物をAlyssum属中で確認した。定義によれば超蓄積体植物は、それらが進化した土壌で、成育する乾燥重量ｋｇ当たり１０００ｍｇを超えるＮｉまたはＣｏを蓄積する。Ｃｏは上記土壌中のＮｉの約３から１０％レベルで存在するので、ＮｉはＮｉ超蓄積体植物の進化的選別を誘発した最も有力な毒性金属であり、かつＣｏは経済的に有用な水準まで蓄積はされるものの、Ｎｉの超蓄積が植物採鉱技術のためには最も経済的に利益になる。Alyssum属のOdontarrhena部類はニッケル超蓄積体としての候補であるらしいことは証拠が暗示している。この植物もＰｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、ＯｓおよびＲｅを包含する白金およびパラジウム族からの金属を、有意な量で地上植物組織中に濃縮できる。植物組織中のニッケル蓄積は２．５％を越す量が実用的である。
上記の金属類は、標的土壌中にニッケル超蓄積性Alyssum種を成育させることによりバイオマス中に蓄積した。Alyssum属のOdontarrhena部（section）内の、ある種の４８の分類群はニッケルの超蓄積体として既知である。これらの例中には、既に評価された次の種が包含される：A. muraleおよびA. pintodasilvae（A. serpyllifolium ssp.）、A. malacitanum、A. lesbiacumおよびA. fallacinum。採用できる他のＮｉ−超蓄積性種の例は次を包含する：A. argenteum、A. bertolonii、A. tenium、A. heldreichii。他の約２５０植物分類群がニッケルを高蓄積することが判明しているが、これらの多くは１０，０００ｍｇＮｉ／ｋｇ（乾燥重量基準）を超過せず、かつこれらの大半は熱帯性起源である。
識別された上記金属種は特定な土壌条件下、ニッケルに富む土壌中にAlyssumを成育させることにより蓄積される。この条件には次が包含される：１）ニッケルの植物入手可能性を高めるための、土壌ｐＨの低減；２）適切な処理および低ＣａでＭｇに富む土壌改良剤の使用により、土壌からカルシウムを浸出させて土壌中Ｃａを低下させたり、Ｃａを低く維持する；３）アンモニウム含有窒素肥料、またはアンモニウムを発生させる窒素肥料を用いて植物の成育を改良し、また根圏酸性化に起因するＮｉ超蓄積を増加させる；および４）土壌にキレート剤を施して超蓄積性Alyssum種の根によるニッケル摂取を改良する。
好適なキレート剤の例中には、ニトリロ三酢酸（ＮＴＡ）が包含される。植物摂取のための土壌金属の可動性の向上との関連で通常使用される他のキレート剤の例には：エチレンジアミン四酢酸およびエチレングリコール−ビス−（β−アミノエチルエーテル）−Ｎ，Ｎ−四酢酸が包含される。これら４種の土壌条件づけ因子を維持すると、植物の地上部、特に栽培と金属回収が容易な葉と茎中のＮｉ超蓄積量がAlyssumにおいて２．５％を超える濃度まで改良される。このことは、Raskinらの議論のように、もしそこから浸出し得ないならば土壌改善のためにはなっても植物採鉱のための便益は提供し得ない根中での濃度よりは好ましい。
発明の詳細な記載
発明者らは超蓄積型植物を識別するために生殖質の大量の野生型コレクションを選別した。特に、Raskin特許中で採用されたような誘発突然変異を伴った植物とは対照的に、Brassicaceae科植物なかでも特に天然に存在する植物がＮｉ＋Ｃｏの蓄積体であることを知った。しかし、この科内では、かつ各種の属でも同様に、それが含まれる程度までの広い範囲の変動が金属蓄積量においてみられる。本発明において使用される好ましい候補であるAlyssum種はニッケルを濃縮し、かつ超蓄積し、増進されたコバルト摂取を示し、かつ他の金属の蓄積にも有用である。このものは、これらの金属元素を優先選択の対称とし、かつ、これらの金属元素に対して高度の毒性抵抗性を示す。このことは、提供された生態的地位からこの植物が利益を受けることを可能にする進化的推進力に起因するように見える。この事は、極めて高濃度の亜鉛およびカドミウムを蓄積する各種Brassicaceae部類、Thlaspi caerulescensの応答とは対照的である。Alyssumは低濃度のニッケルおよびコバルトにおいては他の種に比べて一層速い摂取速度を示すが、一方、ThlaspiはＺｎおよびＣｄ濃度が遥かに高い土壌で実際上充分に成育する。従って、ある濃度範囲に亙ってAlyssumがニッケルおよびコバルトを濃縮するのに対して、Thlaspiは極めて高水準のＺｎおよびＣｄを超蓄積し、いくつかの株はＮｉおよびＣｏを蓄積する。発明者らは、突然変異誘発という予測不能な方法に頼るよりも寧ろ大量の野生型生殖質ライブラリーを選別することにおいて、ニッケルの適切な超蓄積体としての、かつコバルトの増進された摂取に有用な、A. murale、A. pintodasilvae（A. serpyllifolium ssp.）、A. malacitanum、A. lesbiacum、A. teniumおよびA. fallacinumを包含する幾つかのAlyssum種を同定した。上記植物はＰｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、ＯｓおよびＲｅも蓄積できる。これらの白金およびパラジウム金属類は低濃度で蓄積されるが、単位重量当たりのこれらの大きな値は、これら金属の植物採鉱を同じく経済的に興味あるものにする。
土壌の管理：
Alyssum植物の地上組織中のニッケルおよびコバルト金属イオン封鎖作用を改良するために、それらが成育する土壌は４種の異なった因子を利用して優先的に条件づけする。
これらの中には、土壌ｐＨ、低カルシウム濃度、他のＮ−肥料よりも寧ろアンモニウム含有もしくはアンモニウムを発生する肥料の使用およびキレート剤の使用が包含される。これら因子のそれぞれを以下に考慮する。
土壌のｐＨ：
好ましいｐＨ範囲に土壌を維持することは各種の理由で農業分野では良く知られている。通常は、土壌のｐＨが約６．０−７．５の中性に近い範囲以内に維持されるように変更もしくは修飾する。かくして、石灰石基盤近辺または他の構造物近辺の土壌を酸性化土壌改良剤を用いてアルカリｐＨ低減の処理をしてもよい。低ｐＨを自然に示す土壌は、その代わりに、石灰石または類似の改良剤を用いて土壌ｐＨを高めるように処理してもよい。ｐＨを低下させるとニッケルおよびコバルトの植物利用可能性が増す。ｐＨを低下させると溶解性が増し、かつこれら金属の放出が根による吸収に対して最適化され、かつ植物の地上組織への転流が最適化される。土壌のｐＨは確立された各種の方法のいずれを用いても維持可能であり、かつこれらの方法自体は本発明の観点を構成しない。硫黄の添加およびアンモニウムＮ−肥料の使用により土壌ｐＨを低値に管理するのが好ましい。Alyssum種および実際のところいずれの植物種でも、その進化した最適ｐＨ条件下に最適に成育する。従って、植物成長を実質的に遅らせたり、阻害するような低い値のｐＨまで低減させることはできない。Alyssumを用いて植物採鉱するための最適ｐＨ範囲は４．５から６．２、好ましくは５．２から６．２である。経済的に植物採鉱し得るＮｉおよびＣｏを土壌から抽出後、石灰石を施こしてより在来型の農作物により要求されるｐＨ水準へと土壌のｐＨを高めることもできる。
低カルシウム濃度：
ＮｉおよびＣｏを超蓄積するAlyssum種は、Ｎｉに富むと同時に低い土壌カルシウムを示す超塩基性蛇紋石土壌中で進化した。土壌中に高カルシウム濃度が存在すると、Alussumによるニッケル／コバルト超蓄積を阻害し得る。許容し得る土壌中カルシウム濃度は、不存在の値から置換性土壌カルシウムが置換性土壌Ｍｇの２０％未満であるような値までの範囲である。土壌中のカルシウム値がこれより高いとAlyssumの成長は阻害されないが、ニッケル／コバルト超蓄積を低減させるので、本発明の主たる目標を挫折させることになる。カルシウム濃度は各種既知方法のいずれによっても低減できる。好ましい方法の例中には、硫黄、硫酸、または他の改質剤の添加による土壌の酸性化および浸出に続く低Ｃａ土壌改良剤の使用が包含される。土壌中のカルシウム濃度の低減にどのような方法を選択するにしても、土壌植物採鉱の目的とは矛盾しないように選択すべきである。
アンモニウム肥料の添加：
一般的に、高い金属濃度は植物にとり有毒であり、植物の成長を阻害する。
Alyssumはその地上植物組織中にニッケル／コバルトを超蓄積する能力を発展させたにもかかわらず、成育を支える肥料特に汚染土壌における肥料は、実質的超蓄積にとっての必須要素である。高アンモニウムＮ−肥料の使用は有用である。アンモニウム肥料の使用それ自体は周知であるが、許容し得る肥料およびそのプロトコールは当業者による経験に基づいて決定される。
キレート剤の添加：
金属キレート類は農業分野で広く使用され、天然に存在する型は生きた細胞である。Ｎｉ／ＣｏおよびＰｔ、Ｐｄ金属を植物採鉱するための土壌中に、ＮＴＡまたは当業者にキレート剤として知られる任意の各種アミノ酢酸等のキレート剤を添加すると、摂取のための根表面への土壌金属の移動およびこれら金属の地上植物組織への転流性が改良される。市販の各種既知キレート剤のいずれも使用できる。好ましいキレート剤はＮＴＡまたはＥＤＴＡである。通常、キレート剤は植物が定着した後５−１００ｋｇ／ヘクタールで加える。肥料の使用と同じく、キレート剤の最適添加量は経験的に決定されうる。Ｆｅ、ＭｇおよびＣａが高土壌レベルで存在する中でＮｉをキレート化するキレート化合物は上記超蓄積体植物によるＮｉ摂取を選択的に増加させる。
金属回収：
上記のように本発明の主たる目的は、超蓄積植物により金属イオン封鎖された金属の回収にある。米国特許第5,364,451号公報では、根中に金属を蓄積する植物が識別されている。根からの金属の回収は、根組織からの金属の回収はもとより、根自体の回収を含めて、実質的な機械的問題を引き起こす。本発明で企図されるように、選択したAlyssum遺伝子型を培養することにより、根により吸収された極めて高程度のニッケル／コバルトが茎、葉、花および他の葉ならびに茎組織等の地上組織に転流する。この特徴は土壌から抽出された金属の回収を容易にする。Alyssumは在来型の態様、すなわち、土壌水準で植物を刈り取ることにより収穫できる。収穫した材料は乾燥のためにアルファルファの乾燥同様に放置し、植物組織中に存在する大半の水分を除く。乾燥後、干し草作りの通常の農業慣習に従ってこの植物材料を農地から収集し、エネルギーの回収もしくは回収なしに灰化する。別法としてこの有機材料をさらに焙焼、焼固または溶融精錬法により処理し、これにより酸溶解および電気精錬等の通常の金属精練法に従って回収され得る灰もしくは鉱石へと金属を変化させる。植物地上組織中の金属濃度が２．５から５．０％程度に高いと、金属回収が経済的になり、本発明の主たる目的を満足させる。従来型の溶解精練／焙焼／焼固温度である５００−１５００°Ｆは乾燥植物バイオマス中の有機性材料の燃焼には充分であり、金属精練の障害になることで知られる汚染物のほとんどない蓄積金属残渣が得られる。実際のところ、その他の灰成分は通常採鉱される鉱石濃縮物よりも低くなる。

Claims (2)

1. Alyssumの空気乾燥地上組織の少なくとも２．５重量％がニッケルであるように、上記Alyssumの地上組織中にニッケルをAlyssumが土壌から蓄積し得るのに十分な条件下に、ニッケル含有土壌中でAlyssum植物を栽培し；
   土壌からのニッケルの蓄積後に、上記Alyssumをバイオマス材料として収穫し；収穫した上記バイオマス材料からニッケルを回収する；
   ことを含み、土壌のｐＨを４．５から６．２の範囲内に維持することにより上記土壌を条件づけする、土壌からニッケルを回収する方法であって、
   上記土壌が置換性カルシウムおよび置換性マグネシウムを有し、かつこの場合、置換性Ｍｇ濃度の２０％未満の値になるように置換性カルシウム濃度を管理し、
   アンモニウム含有肥料およびキレート剤を上記土壌に添加する、方法。
2. 上記Alyssum植物がA. murale、A. pintodasilvae、A. malacitanum、A. lesbiacum、A. fallacinum、A. argentum、A. bertolonii、A. tenium、A. heldriechii、およびこれらの混合体からなる群から選択される、請求項１記載の方法。