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Fein abgestimmte Elektrodenkomposite für Feststoffbatterien, Phosphidosilicate als Natriumionenleiter, Erbsenzählerei mit Nanopartikeln, hierarchische Kohlenstoffmaterialien aus metallorganischen Gerüststrukturen, phosphoreszierende Materialien und Neues aus der Hochdruckchemie. Komplexe AnionenS...

Bakterien und Archäen helfen dem Bergbau schon jetzt dabei, Kupfer, Gold und Uran zu gewinnen. In Zukunft könnten sie auch für Recycling und Umweltschutz nützlich werden.
Materialaustausch und chemische Reaktionen zwischen Mikroben und Mineralien finden auf der Erde schon seit rund vier Milliarden Jahren statt – mehr als viermal so lange, wie es vielzellige Lebewesen gibt. Mikroben können wasserunlösliche Mineralien löslich machen und für ihren Energiestoffwechsel nutzen, und umgekehrt auch gelöste Stoffe für ihre eigene Biomineralisation verwenden.Ein besseres Verständnis dieser über Jahrmilliarden entwickelten mikrobiellen Fähigkeiten kann nicht nur helfen, Rohstoffe zu finden und abzubauen, sondern auch, sie ohne Umweltgefährdung zu recyceln.Die Auslaugung von Metallen aus Mineralien durch Mikroben, nach dem englischen Fachbegriff bioleaching Biolaugung genannt, wird bisweilen in der Natur beobachtet. Am Rio Tinto in Andalusien etwa gelangt gelöstes Eisen in das Wasser und färbt den Fluss nach Luftoxidation rostbraun (Abbildung). Schon in der Antike zog diese offen sichtbare Spur des Metalls Bergleute an, die begannen, nach den ursprünglichen Erzen zu suchen. Heute ist die Umgebung des Flusses, nach dem auch eine der größten Bergbaufirmen der Welt benannt ist, vom Bergbau verändert – und zwar so stark, dass sich nicht mehr auseinanderhalten lässt, welcher Anteil seiner Färbung natürliche Ursachen hat.<figure><img src="https://media.graphcms.com/kytcHZc6TiKtpOUlQL8W"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Biolaugung am Rio Tinto in Andalusien. Quelle: Alejandro/Fotolia</figcaption></figure>
Natürliche Auslaugungsprozesse kommen seit Jahrhunderten auch schon dann in Gang, wenn Bergleute ihren Abraum achtlos auskippen. Bei Abraumhalden in Hanglage fingen sie dann am talseitigen Ende eine mit Metallen angereicherte Lauge auf, ohne zu ahnen, dass Mikroorganismen im Gestein für deren Auslaugung verantwortlich waren.<h2>Mikroben als Helfer</h2>Erst im Jahr 1947 wurde die erste an diesen Prozessen beteiligte Mikrobenart identifiziert, ein Gram-negatives Bakterium, das zunächst als Thiobacillus ferrooxidans eingeordnet wurde. Heute trägt es den systematischen Namen Acidithiobacillus ferrooxidans.Mit der Zeit kamen weitere Arten derselben Gattung hinzu, darunter A. thiooxidans, A. caldus, A. ferrivorans und A. ferridurans, sowie weitere Bakterienarten aus den Gattungen Leptospirillum, Acidiphilum und Sulfobacillus.1)Auch die erst in den 1970er Jahren von Carl Woese (1928 – 2012) entdeckte Domäne der Archäen (Archaebakterien) stellt mehrere Vertreter, die an der Biolaugung teilnehmen. Sie sind besonders oft in extrem unwirtlichen Lebensräumen anzutreffen, insbesondere in stark saurem Milieu oder bei hohen Temperaturen (pH kleiner 4, Temperatur ab 80 °C). Diese Archäen gehören meist zu den Gattungen Sulfolobus, Metallosphaera und Acidianus.<h2>Mechanismen</h2>Die chemischen Mechanismen der Biolaugung sind meist eine Kombination biotischer und abiotischer Reaktionen. So kann bei der Auflösung von Eisensulfiden zum Beispiel unter sauren Bedingungen gelöstes Eisen(III) die Sulfide zu elementarem Schwefel oder zu Thiosulfaten oxidieren. Das dabei entstehende Eisen(II) überführen Bakterien wie A. ferrooxidans wieder in Eisen(III). Dazu nutzt das Bakterium Luftsauerstoff, sofern vorhanden, und gewinnt aus dieser kontrollierten Verbrennung seine Stoffwechselenergie. Auch die weitere Oxidation des Schwefels können Bakterien ausführen.Nachdem die Mikrobiologie begonnen hatte, die beteiligten Arten zu beschreiben, begann auch die Bergbauindustrie, diese systematischer zu nutzen. Statt der planlos aufgeschütteten Abraumhaufen wurden nun systematisch Halden auf undurchlässigen Unterlagen konstruiert. So sickern die Flüssigkeiten unter kontrollierten Bedingungen durch und lassen sich sammeln.Die Biolaugung auf sorgfältig angelegten Halden ist inzwischen weit verbreitet, vor allem, um Kupfer zu gewinnen, aber auch bei anderen Metallen wie Nickel, Zink, Kobalt und Uran.<h2>Tank statt Halde</h2>Eine Alternative ist die Biolaugung in geschlossenen Tanks. Dieses Verfahren wird vor allem dann genutzt, wenn das Rohmaterial zu feinkörnig ist, um es als stabile Halde aufzuschichten. Es bietet zudem die Möglichkeit, Prozessbedingungen wie Temperatur, Sauerstoffgehalt und chemische Zusammensetzung der Lauge zu steuern. Mit hitzeliebenden Archäen etwa kann eine Biolaugung bei hohen Temperaturen sinnvoll sein.Ein völlig anderer Ansatz ist die Biolaugung in situ. Sie erreicht auch tiefe, für den mechanischen Abbau unzugängliche Gesteinsschichten. Bei diesem Verfahren injiziert man eine Flüssigkeit in die Gesteinsschicht, die entweder geeignete Mikroben oder lediglich Nährstoffe für bereits in situ vorhandene Mikroben enthält. Die gelösten Metalle werden dann ebenfalls als Flüssigkeiten wieder abgepumpt.Wirtschaftlich wird das ab etwa 60 Metern Tiefe. Da die Mineralrohstoffe mehr oder weniger zufällig in der Erdkruste verteilt sind und die kontinentale Kruste bis zu 50 Kilometer dick sein kann, bietet sich hier die Chance, ein Vielfaches der Rohstoffmengen zu erschließen, die mit konventionellen mechanischen Abbaumethoden zugänglich sind. Derzeit wird die In-situ-Methode in großem Maßstab bei der Urangewinnung verwendet, wo sie einen Marktanteil von etwa 40 Prozent hält. In geringerem Umfang dient das Verfahren auch dem Abbau von Kupfer.Da sich der Verlauf der In-situ-Biolaugung nicht direkt vor Ort beobachten und analysieren lässt, ist dieses Verfahren noch mehr als die anderen auf ein umfassendes wissenschaftliches Verständnis der mikrobiologischen Grundlagen angewiesen. Auf diesem Gebiet gibt es noch einiges zu erforschen und zu verbessern.Ebenso wie das ähnlich durchgeführte und aus Umweltgründen umstrittene Fracking kann dieses Verfahren zu Umweltproblemen führen. Der Wasserverbrauch, die Reinigung der Abwässer und die mögliche Verschmutzung von Grundwasser müssen bedacht werden. Andererseits kann die Biolaugung der Umwelt helfen, indem sie bei Bergbau und Verhüttung Abfälle vermeidet. Sogar beim Recycling von Rohstoffen aus Industrieabfällen oder Konsumgütern könnte sich der biologische Weg durchsetzen.<h2>Recycling</h2>Mikroben werden für Recycling bisher nur im Labor eingesetzt. Metallhaltige Industrieabfälle wie Schlacken aus Verbrennungsanlagen oder Flugasche aus der Kupferverhüttung gelten als interessante Sekundärrohstoffe für biotechnisches Recycling, aber auch für Altbatterien und Elektronikschrott wird es in Erwägung gezogen. Wie erste Berichte nahelegen, erfolgt die biologische Solubilisierung dieser Abfälle langsamer als etwa mit konventionellen starken Säuren. Dafür bietet sie aber Möglichkeiten, Energie zu sparen und Umweltprobleme zu vermeiden.2)Auch bei der Renaturierung schwermetallbelasteter Böden könnten sich die Mikroben nützlich machen.3) In diesem Zusammenhang prüfen Forscher, ob sich auch Pilze oder sogar Pflanzen eignen (Phytoextraktion).Auch aus Abwässern, die ja sowieso bereits mit Fermentationsverfahren geklärt werden, lassen sich unter Umständen mit Bakterien Rohstoffe gewinnen. Forscher in Osaka entwickelten zum Beispiel den Bakterienstamm Pseudomonas stutzeri NT-I, der giftige Selenverbindungen aus Abwässern als elementare Se-Nanopartikel abscheidet.4)Die Ausweitung der Anwendungen von Bergbaubakterien und -archäen steht unmittelbar bevor. Wir können von den ersten Lebewesen unseres Planeten noch viel darüber lernen, wie man am geschicktesten mit Mineralstoffen umgeht.Michael Groß ist freier Wissenschaftsjournalist in Oxford, England. <a href="https://www.michaelgross.co.uk" target="_blank">www.michaelgross.co.uk</a><h2>Quergelesen</h2>Biolaugung basiert auf biotischen und abiotischen Prozessen. Die beteiligten Bakterien gewinnen aus dem Prozess die Energie, die sie für ihren Stoffwechsel brauchen.Der erste Mikroorganismus, der Metalle aus Gestein laugt, wurde im Jahr 1947 entdeckt.Die Bergbauindustrie nutzt Biolaugung auf Halden. Möglich ist der Prozess zudem in geschlossenen Tanks und in tiefen Gesteinsschichten.Biolaugung eignet sich auch zum Recyceln. Das dauert zwar länger als mit üblicherweise genutzten Säuren, spart aber Energie.
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1 K. A. Natarajan: Biotechnology of Metals, Elsevier 2018</li><li>
2 R. Auerbach, K. Bokelmann, R. Stauber et al., Chem. unserer Zeit 2018, 52, 330</li><li>
3 W. S. Dunbar, Trends Biotechnol. 2017, 35, 79</li><li>
4 M. Kuroda, E. Notaguchi, A. Sato et al., J. Biosci. Bioeng. 2011, 112, 259</li></ul>

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