Developing a cultivation system using nickel hyperaccumulators in ultramafic soils

Abstract

Nickel has become a critical metal for the green transition due to the global climate crisis, with its demand increasing rapidly, primarily for applications such as high-energy-density batteries used in electric vehicles. Securing a stable and sustainable supply chain is essential to support future energy needs and global decarbonization efforts. Nickel agromining aims to develop cultivation systems that enable more efficient management of Ni-rich soils, offering a novel and integrated approach to agriculture, which is attracting growing interest. In Greece, approximately 3–4% of the country’s surface is covered by ultramafic rocks, mainly found in the Pindus mountain range. The simultaneous occurrence of Ni hyperaccumulator plant species in these areas — species which have been positively evaluated and are suitable for cultivation within the context of agromining — highlights the need to investigate all parameters affecting the success of this activity. The objective of the present study was to assess the growth and Ni accumulation capacity of Ni hyperaccumulator plant species under cultivation conditions, as well as to optimize cultivation practices. For this purpose, the aboveground biomass production, Ni yield, and metal accumulation capacity of three native Ni hyperaccumulator species (Odontarrhena chalcidica, Bornmuellera emarginata, and Bornmuellera tymphaea) were evaluated under cultivation conditions in ultramafic soils within their natural environment over a four-year period. All three plant species adapted exceptionally well to the adverse conditions with minimal resource inputs, creating the prospect for a new low-cost production crop. For the first time, high biomass and Ni yields were recorded under actual cultivation conditions for all three species, demonstrating that agromining can be applied as an alternative cultivation option in these areas. Despite its high Ni yields, O. chalcidica was successfully cultivated for only two years, and its establishment through direct seeding in the field each year is an aspect that requires further investigation. Nickel yield for the two Bornmuellera species depended on both biomass production and plant growth patterns. The leaves exhibited the highest Ni concentrations in both Bornmuellera species, while in B. tymphaea, Ni concentrations in the flowers approached those found in the leaves. After four years of continuous cultivation and three harvests, Ni stocks in the experimental field soil remained stable. The use of organic fertilization improved soil structure, particularly during the first year of cultivation — an intervention often necessary in ultramafic soils — and its combined use with inorganic fertilization should be considered. Factors affecting seed germination in the two Bornmuellera species were also studied, such as the effect of different Ni concentrations and light levels in combination with storage conditions and duration. Following field collection, seeds should be stored in refrigeration to achieve maximum germination rates. Continuous darkness provided better results for B. tymphaea, whereas B. emarginata was indifferent to changes in light conditions. The effect of higher Ni levels, though consistent across storage conditions, appeared to negatively impact seed germination in B. emarginata. The presence of Ni in the germination substrate was not necessary for either plant species. Bornmuellera tymphaea also demonstrated the ability for vegetative propagation by cuttings, with survival values and rooting greater than 70%. Regarding auxin use, a beneficial effect on the fresh and dry weight of cutting roots was observed only in perlite, while no significant effect was detected in the aerial part. Therefore, for the vegetative propagation of the Ni hyperaccumulator B. tymphaea through apical cuttings, the use of perlite as a rooting medium is preferable. Field observations indicated that B. emarginata populations typically occupy shaded places under shrubs or trees. Combined with the increasing installation of photovoltaic systems on agricultural land, this led to the study of the effect of different shading levels on the growth of B. emarginata, aiming to combine the cultivation of this species with photovoltaic panels in the same area. According to the results of this study, the growth of B. emarginata under shading conditions similar to those provided by photovoltaic systems was satisfactory, particularly under intermediate shading levels. Consequently, B. emarginata can be considered a candidate hyperaccumulator for cultivation on nickel-rich soils where photovoltaic systems have been installed, offering significant environmental benefits through the combined production of both energy and nickel.

Το νικέλιο έχει καταστεί κρίσιμο μέταλλο για την πράσινη μετάβαση λόγω της παγκόσμιας κλιματικής κρίσης, με τη ζήτησή του να αυξάνεται ραγδαία, κυρίως για εφαρμογές, όπως οι μπαταρίες υψηλής ενεργειακής πυκνότητας που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά οχήματα. Η εξασφάλιση μιας σταθερής και βιώσιμης αλυσίδας εφοδιασμού είναι απαραίτητη για την υποστήριξη των μελλοντικών ενεργειακών αναγκών παγκοσμίως και της απαλλαγής από τις εκπομπές άνθρακα. Η αγροεξόρυξη νικελίου στοχεύει στην ανάπτυξη συστημάτων καλλιέργειας που επιτρέπουν την αποτελεσματικότερη διαχείριση εδαφών πλούσιων σε νικέλιο, προσφέροντας μια νέα και ολοκληρωμένη προσέγγιση στη γεωργία, η οποία προσελκύει αυξανόμενο ενδιαφέρον. Στην Ελλάδα, περίπου το 3-4% της επιφάνειάς της καλύπτεται από υπερμαφικά πετρώματα, τα οποία απαντώνται κυρίως στην οροσειρά της Πίνδου. Η ταυτόχρονη παρουσία στην ίδια περιοχή φυτικών ειδών υπερσυσσωρευτών νικελίου, που έχουν αξιολογηθεί θετικά και μπορούν να καλλιεργηθούν στο πλαίσιο της αγροεξόρυξης, υπογραμμίζει την ανάγκη διερεύνησης όλων των παραμέτρων που επηρεάζουν την επιτυχία αυτής της δραστηριότητας. Στόχος της παρούσας μελέτης είναι η αξιολόγηση της ανάπτυξης και της ικανότητας συσσώρευσης νικελίου από φυτικά είδη, υπερσυσσωρευτές νικελίου υπό συνθήκες καλλιέργειας καθώς και τη βελτιστοποίηση των καλλιεργητικών πρακτικών. Για το σκοπό αυτό η παραγωγή υπέργειας βιομάζας και η απόδοση σε νικέλιο, καθώς και η ικανότητα συσσώρευσης μετάλλων τριών αυτοφυών φυτικών ειδών, υπερσυσσωρευτών νικελίου (Odontarrhena chalcidica, Bornmuellera emarginata και Bornmuellera tymphaea) αξιολογήθηκαν υπό συνθήκες καλλιέργειας σε υπερμαφικά εδάφη εντός του φυσικού τους περιβάλλοντος για περίοδο τεσσάρων ετών. Και τα τρία φυτικά είδη προσαρμόστηκαν εξαιρετικά, στις αντίξοες συνθήκες, με ελάχιστες εισροές πόρων, δημιουργώντας την προοπτική μιας νέας καλλιέργειας χαμηλού κόστους παραγωγής. Για πρώτη φορά καταγράφονται υψηλές αποδόσεις βιομάζας και νικελίου σε πραγματικές συνθήκες καλλιέργειας και για τα τρία είδη, αποδεικνύοντας ότι η αγροεξόρυξη μπορεί να εφαρμοστεί ως μια εναλλακτική καλλιέργεια στις προαναφερόμενες περιοχές. Παρά τις υψηλές αποδόσεις σε νικέλιο το O. chalcidica καλλιεργήθηκε με επιτυχία μόνο για δύο χρόνια και η εγκατάστασή του μέσω άμεσης σποράς στο χωράφι κάθε χρόνο είναι μια πτυχή που απαιτεί περαιτέρω διερεύνηση. Η απόδοση σε νικέλιο για τα δύο είδη του γένους Bornmuellera εξαρτήθηκε τόσο από την παραγωγή βιομάζας όσο και από τον τρόπο ανάπτυξης των φυτών. Τα φύλλα παρουσίασαν τις υψηλότερες συγκεντρώσεις νικελίου και στα δύο είδη Bornmuellera, ενώ στο B. tymphaea, οι συγκεντρώσεις νικελίου στα άνθη πλησίασαν εκείνες των φύλλων. Μετά από τέσσερα χρόνια συνεχούς καλλιέργειας και τρεις συγκομιδές, τα αποθέματα νικελίου στο έδαφος του πειραματικού αγρού παρέμειναν σταθερά. Η χρήση οργανικής λίπανσης βελτίωσε τη δομή του εδάφους, ιδιαίτερα κατά το πρώτο έτος καλλιέργειας - μια παρέμβαση συχνά απαραίτητη σε υπερμαφικά εδάφη - και θα πρέπει να εξεταστεί η συνδυασμένη χρήση της με ανόργανη λίπανση. Μελετήθηκαν επίσης οι παράγοντες που επηρεάζουν τη φυτρωτικότητα των σπερμάτων στα δύο είδη Bornmuellera, όπως η επίδραση διαφορετικών συγκεντρώσεων νικελίου και επιπέδων φωτός σε συνδυασμό με τις συνθήκες και τον χρόνο αποθήκευσης τους. Μετά τη συλλογή τους από το πεδίο τα σπέρματα, πρέπει να αποθηκεύονται στο ψυγείο για να επιτευχθεί η μέγιστη φυτρωτικότητα. Το συνεχές σκοτάδι έδωσε καλύτερα αποτελέσματα για το B. tymphaea, ενώ το B. emarginata ήταν αδιάφορο στις αλλαγές των συνθηκών φωτός. Η επίδραση των υψηλότερων επιπέδων νικελίου, παρόλο που δεν ήταν διαφορετική μεταξύ των συνθηκών αποθήκευσης, φάνηκε να έχει αρνητική επίδραση στη φυτρωτικότητα των σπερμάτων του B. emarginata. H παρουσία νικελίου στο υπόστρωμα σποράς δεν είναι απαραίτητη για κανένα από τα δύο φυτικά είδη. Το είδος B. tymphaea έχει την ικανότητα αγενούς πολλαπλασιασμού μέσω μοσχευμάτων, με ποσοστά επιβίωσης και ριζοβολίας που ξεπερνούν το 70%. Όσον αφορά τη χρήση αυξίνης, ευεργετική επίδραση στο νωπό και ξηρό βάρος των ριζών των μοσχευμάτων παρατηρήθηκε μόνο στην περίπτωση του περλίτη, ενώ στο υπέργειο τμήμα δεν παρατηρήθηκε σημαντική επίδραση. Συνεπώς, για τον αγενή πολλαπλασιασμό του υπερσυσσωρευτή νικελίου B. tymphaea με μοσχεύματα κορυφής η χρήση περλίτη ως μέσου ριζοβολίας είναι προτιμότερη. Οι παρατηρήσεις στο πεδίο ότι οι πληθυσμοί του B. emarginata συνήθως καταλαμβάνουν σκιερά μέρη κάτω από θάμνους ή δέντρα σε συνδυασμό με την αυξανόμενη εγκατάσταση φωτοβολταϊκών συστημάτων σε γεωργικές εκτάσεις, οδήγησε στη μελέτη της επίδρασης διαφορετικών επιπέδων σκίασης στην ανάπτυξη του φυτού, με στόχο τον συνδυασμό της καλλιέργειας του είδους αυτού με φωτοβολταϊκά πάνελ στην ίδια περιοχή. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής, η ανάπτυξη του B. emarginata υπό συνθήκες σκίασης παρόμοιες με αυτές που παρέχουν τα φωτοβολταϊκά συστήματα ήταν ικανοποιητική, ιδιαίτερα κάτω από ενδιάμεσα επίπεδα σκίασης. Κατά συνέπεια, το B. emarginata μπορεί να θεωρηθεί ως υποψήφιος υπερσυσσωρευτής για καλλιέργεια σε εδάφη πλούσια σε νικέλιο όπου έχουν εγκατασταθεί φωτοβολταϊκά συστήματα, προσφέροντας σημαντικά περιβαλλοντικά οφέλη μέσω της συνδυασμένης παραγωγής ενέργειας και νικελίου.