Американские ученые из Окриджской национальной лаборатории (ORNL) совершили прорыв в фитомайнинге — добыче металлов с помощью растений. Объединив потенциал ярутки полевой и возможности искусственного интеллекта, исследователи нашли способ извлекать никель биомассы растения. Эта технология способна совершить переворот в производстве аккумуляторов, суперсплавов для реактивных двигателей и военной техники, сделав добычу стратегического сырья экологически чистой.
Исследование Окриджской национальной лаборатории (ORNL) направлено на ускорение поиска растений для фитомайнинга — извлечения ценных металлов из почвы. Главной особенностью этого эксперимента стало использование агентного искусственного интеллекта (OPAL) в качестве полноценного научного сотрудника.
Ярутка полевая (Thlaspi arvense) относится к тому же семейству, что и природные гипераккумуляторы никеля (Odontarrhena). Благодаря быстрой вегетации, она способна «выкачивать» тяжелый металл из земли, очищая загрязненные территории и аккумулируя сырье в своих листьях. После сбора урожая биомассу сжигают, получая био-руду высокой чистоты. Никель используется в литий-ионных батареях и необходим для производства нержавеющей стали и суперсплавов для реактивных двигателей, военной техники и систем вооружения.
Ученые лаборатории передового фенотипирования растений (APPL) отобрали 12 генетических линий ярутки полевой из разных уголков планеты, предоставленных Университетом штата Иллинойс. В общей сложности 360 растений поместили в почву с разной концентрацией никеля.
Днём и ночью растения перемещались по автоматизированным конвейерам в лаборатории APPL, где камеры высокого разрешения фиксировали мельчайшие изменения цвета листьев, архитектуры растений, роста, реакции на стресс и содержания минеральных веществ. К концу эксперимента более 24 000 наблюдений позволили выявить, как каждое отдельное растение реагировало на возрастающую концентрацию никеля.
Обработать такой гигантский массив информации человеку не под силу.
На помощь пришел агентный искусственный интеллект OPAL, который выступил в роли полноценного научного сотрудника. ИИ быстро выявил самые выносливые линии ярутки. Проанализировав ранние этапы роста, алгоритм научился прогнозировать, сколько именно никеля сможет накопить взрослое растение.
Более того, OPAL самостоятельно контролировал качество эксперимента, вовремя предупреждая об аномалиях, и рекомендовал исследователям проверить эксперимент для принятия возможных корректирующих мер, сократив время простоя и риски. Он предложил провести последующие эксперименты для подтверждения динамики роста растений, выявления биологических механизмов устойчивости к никелю и совершенствования стратегий биодизайна для повышения эффективности фитодобычи никеля.
Ограничиваться только селекцией растений ученые не планируют. В рамках проекта OPAL исследовательские институты объединяются, чтобы превратить фитомайнинг в управляемую инженерную платформу, связывающую флору, бактерии и белки.
К проекту подключаются другие крупнейшие национальные лаборатории США:
Аргоннская национальная лаборатория с помощью ИИ и продвинутой робототехники проектирует искусственные белки с оптимизированным уровнем pH. Они повысят эффективность ферментов биовыщелачивания, что позволит растениям эффективнее накапливать не только никель, но и редкоземельные элементы.Тихоокеанская северо-западная лаборатория и Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли создают модифицированные микроорганизмы. Они используют ИИ-агентов для настройки металлоустойчивой бактерии Pseudomonas putida. Эта бактерия выделяет органические кислоты, которые высвобождают связанные в почве минералы, делая их легкоусвояемыми для корней ярутки.Объединив растения, микробы и белки в единую многомасштабную биологическую систему, ученые создадут программируемую платформу. Вместо разрушения экосистем тяжелыми карьерами, человечество сможет засевать поля специализированными агрокультурами. Они будут сами собирать металл из земли в промышленных масштабах, а человеку останется лишь собрать урожай «зеленой руды».
Источник: Oak Ridge National Laboratory. Автор графики: Эндрю Спроулз, ORNL/Министерство энергетики США.