Zeldzame aardmetalen die concurreren om opname kunnen hun eigen milieueffect op aquatische organismen verminderen

Studenten Laurianne Pagé en Marie-Hélène Brunet nemen monsters nabij de Nechalacho-mijn, vlakbij Yellowknife.

In een steeds meer verbonden wereld zijn zeldzame aardmetalen met vreemde namen zoals lanthaan, cerium en yttrium strategische activa geworden. Ze worden gebruikt in alles, van mobiele telefoons tot windturbines en elektrische voertuigen. Momenteel staan ze centraal in een handelsconflict tussen de VS en China.

Echter, wetenschappers maken zich zorgen over zeldzame aardmetalen om redenen die niets te maken hebben met internationale politieke spanningen. Wat weten we werkelijk over de milieueffecten van hun winning?

Kevin Wilkinson, professor aan de Universiteit van Montréal, en zijn studenten Laurianne Pagé en Marie-Hélène Brunet proberen dit uit te zoeken. Hun onderzoek naar de complexe interacties tussen zeldzame aardmetalen en aquatische organismen heeft mechanismen onthuld die de manier waarop we milieurisico’s beoordelen zouden kunnen veranderen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Environmental Pollution.

Geopolitiek komt het laboratorium binnen

“(U.S. President Donald) Trump wil lanthaan, cerium en yttrium, maar China controleert bijna 80% van de wereldproductie en heeft onlangs de export naar de Verenigde Staten stopgezet, wat Noord-Amerika heeft aangezet om de levensvatbaarheid van zijn eigen bronnen, waarvan veel in Canada zijn, opnieuw te onderzoeken,” aldus Wilkinson.

De Nechalacho-mijn nabij Yellowknife in de Northwest Territories is momenteel een van de meest geavanceerde extractieprojecten. Andere afzettingen van deze waardevolle metalen zijn gevonden in Quebec.

In samenwerking met Environment and Climate Change Canada hebben de onderzoekers van de UdeM zich gericht op lanthaan, cerium en yttrium en hun interacties met Chlamydomonas reinhardtii, een microscopische algen soort die vaak wordt gebruikt om de mechanismen te onderzoeken waarmee metalen door levende organismen worden opgenomen.

“We gebruiken deze algen al meer dan 20 jaar in ons laboratorium,” legde Wilkinson uit. “Het is een van de eerste algen waarvan het genoom volledig is gesequenced, wat ons in staat stelt om de moleculaire mechanismen te begrijpen wanneer het wordt blootgesteld aan metalen.”

Concurrentie is goed voor het milieu

De laboratoriumtests leverden tegenintuïtieve resultaten op: De aanwezigheid van verschillende zeldzame aardmetalen verhoogt hun bioaccumulatie in contact met Chlamydomonas reinhardtii niet. Integendeel, ze concurreren om opname door cellen, waardoor de absorptie van elk metaal wordt verminderd.

“We verwachten niet dat toxiciteit optelt tot de som van de metalen,” verduidelijkte Wilkinson. “Het mengen van deze metalen heeft een gunstig effect in plaats van een optelsom. Het ergste scenario zou zijn dat twee verontreinigende stoffen de som van hun effecten op het organisme zouden hebben, maar dat is hier niet het geval.”

Hard water: een natuurlijk schild

Het onderzoeksteam ontdekte ook dat de ionen die van nature in water aanwezig zijn en de “hardheid” ervan bepalen, zoals calcium en magnesium, bescherming bieden tegen de opname van metalen. Experimenten hebben aangetoond dat zelfs gematigde concentraties van calcium de opname van deze metalen door een organisme aanzienlijk kunnen verminderen. In natuurlijke omgevingen nabij mijnen, waar de verhouding calcium tot zeldzame metalen zo hoog kan zijn als 10.000 of 100.000 tot 1, is dit beschermende effect cruciaal.

“In Quebec bevat ons zoetwater weinig calcium en magnesium, dus is er minder beschermend effect,” zei Wilkinson. “We hebben dit effect in het verleden gezien, toen de provincie meer werd getroffen door zure regen dan de Verenigde Staten.”

Regio’s met zacht water, zoals Quebec en Scandinavië, lopen dus een groter risico op vervuiling door de winning van zeldzame metalen dan gebieden met harder water.

Andere elementen vrijgegeven

Om zeldzame metalen te extraheren, worden de rotsen die de elementen bevatten, vergruisd. Dit vergroot het contactoppervlak, waardoor het mogelijk is om de gewenste metalen te winnen, maar ook alle andere elementen die in de rots aanwezig zijn, vrijkomen.

De afvalproducten die door dit proces worden geproduceerd, bevatten daarom een verscheidenheid aan verontreinigende stoffen en kunnen hun concentratie in de natuur verhogen naarmate de exploitatie van zeldzame aardmetalen in Canada toeneemt. Het project van Wilkinson maakt deel uit van een gecoördineerde nationale inspanning om de impact te onderzoeken, met meerdere onderzoeksteams.

Terwijl zijn team de opname mechanismen bestudeert, onderzoekt biologie professor Marc Amyot van de UdeM hoe de verontreinigende stoffen zich door de voedselketen verplaatsen, en in Ontario bestuderen onderzoekers de toxiciteit van zeldzame aardmetalen.

“In het laboratorium controleren we alles,” zei Wilkinson. “In het veld is het moeilijker, maar realistischer, met lagere concentraties. Basisonderzoek en veldstudies vullen elkaar aan en samen zullen ze ons een beter inzicht geven in de milieuproblemen die gepaard gaan met de exploitatie van deze strategische metalen.”

“Momenteel observeert ons team de besmetting door deze metalen na de recycling van elektronische producten. Er is geen wonderoplossing. De energietransitie vereist deze metalen voor groene technologieën, dus moeten we hun milieu-impact begrijpen om te voorkomen dat we het ene ecologische probleem oplossen door een ander te creëren.”