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BLICKWINKEL

Bakterien Statt Bohrhammer

Da der Erzabbau in Deutschland kaum noch eine Rolle spielt, öffnen viele Bergwerke ihre Stollen und Schächte nur noch für Besucher. Forscher um die BRAIN-Mitarbeiterinnen Dr. Esther Gabor und Dr. Yvonne Tiffert haben die Welt unter Tage in Sonderführungen erkundet.

„Wir wurden an unberührte Orte geführt, wo kaum Kontaminationen von außen zu erwarten waren“, berichtet Gabor. In vielen früheren Förderstätten nahm das Team Gesteinsproben – im Silber- und Vitriol-Bergwerk im nahegelegenen Schriesheim ebenso wie im Weltkulturerbe Rammelsberg im Harz, in der Silbergrube Haslach im Schwarzwald und einer Quecksilbermine in Obermoschel in der Pfalz. Auch einen 700 Meter langen Bohrkern aus einer Lagerstätte im sächsischen Storkwitz und weiteres metallreiches Gestein untersuchten die BRAIN-Forscher im Labor in Zwingenberg in der Hoffnung, darin Lebensspuren zu finden. Das Resultat war überwältigend:

Wir haben allein aus dem Bohrkern 250 Stämme isoliert – allesamt äußerst genügsame Bakterien, die sich von Resten eingeschlossener organischer Substanz ernähren und sich nur alle paar Hundert bis Tausend Jahre teilen.

Dr. Esther Gabor

Insgesamt führte die Kampagne zu einem Pool von 2000 verschiedenen Bakterienstämmen, die an eine metallreiche Umgebung angepasst sind.

Vor dem Hintergrund der Verknappung metallischer Rohstoffe interessiert man sich bei BRAIN besonders dafür, wie die in den tiefen Gesteinsschichten lebenden Mikroorganismen mit den Metallen ihrer Umgebung wechselwirken, wie sie sich essenzielle Elemente verfügbar machen und wie sie schädliche entgiften. Manch mikrobielle Strategie soll der Industrie helfen, die Versorgung mit wertvollen Metallen zu sichern.

In dem Storkwitzer Bohrkern beispielsweise entdeckten die BRAIN-Wissenschaftler Bakterien der Gattungen Bacillus und Pseudomonas, die eine ausgeprägte Vorliebe für Scandium besitzen. Scandium ist ein technisch relevantes Leichtmetall aus der Gruppe der Seltenen Erden. Es macht Aluminiumlegierungen strapazierfähiger und kommt in Laserkristallen, Stadionleuchten sowie Datenspeichern zum Einsatz. Gefördert wird Scandium vor allem in Russland, während die anderen Seltenerdmetalle größtenteils aus China stammen. Mit starken Säuren werden die Metalle aus dem Boden gewaschen. Die dabei anfallenden säurehaltigen Abwässer, Schlämme und der oft radioaktiv verseuchte Abraum belasten die Umwelt.

In einer Tonne Computer- Leiterplatten steckt ein halbes Pfund Gold. Diesen Schatz gilt es zu heben – und zwar nicht mit problematischen Chemikalien in Asien oder Afrika, sondern hierzulande mit den Werkzeugen der Natur.

Dr. Esther Gabor

Können Bakterien die Gewinnung von Hightech-Metallen effizienter und umweltfreundlicher gestalten? Bietet die Biotechnologie gar einen Weg aus der Rohstoffabhängigkeit von Ländern wie China? Die Entdeckung der scandiumaffinen Bakterien lässt hoffen, denn sie binden gelöstes Scandium selektiv, selbst wenn andere Seltenerd- oder Massenmetalle wie Kupfer, Eisen und Calcium im Überschuss vorliegen. BRAIN entwickelt jetzt ein einfaches Durchflussverfahren, das Scandium aus Erzlaugen, aber auch aus Abwässern und sonstigen Lösungen abtrennt. Die Technik lässt sich auf andere Metalle übertragen. Nach Organismen, die weitere Seltenerdmetalle binden, suchen Gabor und ihre Kollegen noch. Gallium, Indium, Platin, Palladium, Silber und Gold bindende Bakterien haben sie aber schon isoliert.

Außerdem arbeiten die BRAIN-Forscher an biotechnischen Verfahren zur Metallgewinnung aus Feststoffen. Neben Erzen sollen vor allem Rückstände aus der Müllverbrennung und ausgediente Elektrogeräte mithilfe von Bakterien aufbereitet werden. Müllverbrennungsaschen weisen ähnliche Goldgehalte auf wie goldhaltige Erze, Elektroschrott enthält gar die hundertfachen Mengen. In einer Tonne Computer-Leiterplatten etwa steckt ein halbes Pfund Gold. Diesen Schatz gilt es zu heben – und zwar nicht mit problematischen Chemikalien in Asien oder Afrika, sondern hierzulande mit den Werkzeugen der Natur.  

Bioflotation: Goldhaltige Schäume

Gewisse Bakterien haben ein Faible für Gold. Sie lagern sich an goldhaltige Partikel an und verleihen ihnen eine wasserabstoßende Oberfläche. „Damit eignen sie sich ideal für das Recycling edelmetallhaltiger Abfallstoffe“, erklärt BRAIN-Ingenieur Benedikt Hoffmann, der eine Trenntechnik namens Bioflotation entwickelt. Eine wässrige Suspension des gemahlenen Ausgangsstoffs wird dafür mit abgetöteten Bakterien versetzt und unter Lufteinspeisung gerührt. Die von den Zellen überzogenen goldhaltigen Partikel treiben mit den Luftblasen als Schaum auf und trennen sich so vom wertlosen Rest. Aus dem abgeschöpften Schaum lässt sich das Edelmetall ausschmelzen. 

In Kooperation mit einem Zulieferer der metallgewinnenden Industrie soll die Bioflotation in die großtechnische Anwendung überführt werden. Für die Zellzüchtung hat BRAIN einen 200-Liter-Fermenter installiert. Zurzeit optimiert Hoffmann das Nährmedium, um die Bakterien effizient und kostengünstig zu produzieren – kein leichtes Unterfangen, da Wildtyp-Stämme eingesetzt werden. In einer Studie für das Bundesumweltamt haben die BRAIN-Forscher schon gezeigt, dass sich per Bioflotation goldhaltige Partikel aus Müllverbrennungsaschen abtrennen lassen.

Bioleaching: Sanfte Bodenwaschung

Etwa 15 Prozent des weltweit abgebauten Kupfers werden mithilfe von Bakterien aus dem Erz gelöst. Bioleaching ist umweltfreundlicher und effizienter als konventionelles Leaching mit starken Säuren. „Die Mikroorganismen lagern sich ans Gestein an und produzieren die Säuren genau dort, wo sie benötigt werden“, erläutert BRAIN-Projektleiterin Dr. Esther Gabor. Bei kalkhaltigem Ausgangsmaterial wie Kupferschiefer stößt das Verfahren allerdings an seine Grenzen.  Zum einen neutralisiert der Kalk die Säuren, zum anderen gedeihen die üblicherweise im Bioleaching eingesetzten Schwefelbakterien nur im sauren Milieu. BRAIN schlägt daher einen zweistufigen Prozess vor. Zuerst wird das Erz mit alkalitoleranten Bakterien behandelt, die den Kalk auflösen. Erst danach gibt man die Schwefelbakterien zu, um das eigentliche Bioleaching einzuleiten. 

Unter den alkalitoleranten Mikroorganismen haben die BRAIN-Forscher auch solche entdeckt, die Edelmetalle in Lösung bringen. Sie machen das Bioleaching alkalischer Aschen, Schlämme und anderer Reststoffe möglich, aus denen die kostbaren Metalle bislang nicht zurückgewonnen werden konnten. Ein Joint Venture mit Unternehmen der Recyclingbranche bahnt BRAIN gerade an.

Biosorption: Perfekte Scandium-Binder

Metalle aus der Gruppe der Seltenen Erden stecken in Elektroautos, Windkraftanlagen und vielen anderen Hightech-Anwendungen. Dass die Biotechnologie zur Sicherung der metallischen Rohstoffe beitragen kann, demonstriert BRAIN am Beispiel des leichten Seltenerdmetalls Scandium. In einem Screening wurden über 10 000 verschiedene Bakterienstämme in einer Erzlauge inkubiert, die alle 16 stabilen Elemente der Seltenen Erden enthielt. Nach der Metallanalyse der Bakterien zeigte sich: Einige Stämme binden ausschließlich Scandium. 

Mit den besten ScandiumBindern entwickelt BRAIN jetzt ein Biosorptionsverfahren zur Isolierung des Leichtmetalls aus Erzlaugen, Abwässern und anderen Flüssigkeiten. Da Scandium an die Oberfläche lebender und toter Zellen gleichermaßen bindet, funktioniert die Biosorption mit inaktivierten Bakterien. Diese werden granuliert oder auf Kunststoffpellets immobilisiert und in eine Säule gefüllt. Strömen scandiumhaltige Lösungen durch das System, bleibt das Seltenerdmetall an den Zelloberflächen hängen. Mit der Chemikalie EDTA lässt es sich von den Zellen spülen oder – im Fall des Bakteriengranulats – durch Verbrennung zurückgewinnen.

Uta Neubauer Sw

Uta Neubauer

Dr. Uta Neubauer ist freie Wissenschaftsjournalistin. Sie hat in Hamburg und Oldenburg Chemie studiert und wurde an der ETH Zürich promoviert. Als Autorin und Redakteurin beschäftigt sie sich vor allem mit Neuigkeiten aus der Chemie, der Biotechnologie sowie den Nano- und Materialwissenschaften. Ihr Interesse gilt sowohl der Grundlagenforschung als auch technischen Entwicklungen, sofern diese ökologisch und sozial verträglich sind. Sie lebt und arbeitet in Bad Soden am Taunus.

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