Kupfergewinnung: Neue Methode setzt auf Bakterien statt auf Gift

Wegen seiner guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit ist Kupfer ein wichtiger Rohstoff, der zahlreiche Anwendungsbereiche hat. Dazu zählt etwa der Einsatz in Leitungen, Sensoren, Rohren und Legierungen. Die Gewinnung von atomaren Kupfer ist indes aufwändig und erfordert giftige Chemikalien. Forscher haben nun einen Weg gefunden, die toxischen Stoffe durch Bakterien zu ersetzen.

Neues Bakterium entdeckt

Viele Kupferlagerstätten bestehen aus kupferhaltigen Mineralen. Das bedeutet, dass eine chemische Extraktion genutzt werden muss, um an das Metall zu kommen. Dabei kommen giftige Chemikalien zum Einsatz, die einige Herausforderungen in Sachen Umgang, Arbeitsschutz und Entsorgung stellen – Herausforderungen, denen sich manch ein Minenbetreiber auch zu entziehen versucht.

Ein Team rund um Louise Hase Gracioso von der Universität São Paulo hat nun jedoch eine Alternative gefunden. Die Forscher entdeckten eine Mikrobe, die monoatomares Kupfer aus gelösten Kupferverbindungen erzeugen kann. Sie fanden das Bakterium im kupfersulfathaltigen Sediment des Absetzbeckens einer brasilianischen Kupfermine. Mittels DNA-Analyse fanden die Forscher heraus, dass es sich um Bakterien einer bisher noch unbekannten Art handelte, worauf sie diese im Labor näher untersuchten.

Biologische Umwandlung in Kupfer

In einem kupfersulfathaltigen Medium kultiviert, zeigte sich, dass das Bakterium Kupfersulfat in monoatomares Kupfer umwandeln kann. Diese Beobachtung konnte durch Analysen unter einem Elektronenmikroskop sowie Spektralanalysen bestätigt werden. „Dieses aus einer Kupfermine isolierte Bakterium demonstriert damit die Fähigkeit, monoatomares Kupfer zu erzeugen. Diese mikrobielle Umwandlung findet zudem unter natürlichen, aeroben Bedingungen und ohne toxische Lösungsmittel statt„, so die Forscher.

Mithilfe einer Proteomanalyse untersuchten dir Forscher dann, wie genau diese Umwandlung vonstatten geht. Dabei analysierten sie die Proteine, die die Mikrobe in kupferfreien und kupfersulfathaltigen Nährlösungen produziert. Sie fanden 145 Proteine, die in den Bakterien nur dann vorhanden waren, wenn sie in einer Lösung mit Kupfersulfat waren. Von diesen Proteinen gehörten 105 zum primären Kohlenstoff- und Energiestoffwechsel der Mikroben.

„Das deutet darauf hin, dass die Kupfer-Exposition die Bakterienzellen negativ beeinflusst und dass sie mehr Energie aufwenden müssen, um die Belastung zu überleben„, so die Forscher. Das Bakterium musste scheinbar spezielle Anpassungen entwickeln, um den Kontakt mit dem toxischen Kupfersulfat zu überleben.

Neue Methoden zur Kupfergewinnung

15 der gefunden Proteine, die außerhalb des rimären Kohlenstoff- und Energiestoffwechsels des Bakteriums lagen, stellten sich als entscheidend für die Kupferumwandlung heraus. Drei von ihnen sind an der Kupferaufnahme und dessen Transport beteiligt und elf katalysieren und stabilisieren die Reduktion des Kupfersulfats zum atomaren Kupfer. Die zweifach positiv geladenen Kupferionen des Kupfersulfats werden durch das Bakterium in neutrale Kupferatome umgewandelt.

Die Entdeckung der Forscher eröffnet nach deren Meinung nicht nur neue Methoden, kontaminierte Minenabwässser zu reinigen, sondern auch, zusätzliches Kupfer zu gewinnen. „Unsere Ergebnisse eröffnen damit ein neues Forschungsfeld zu Umweltmikroben, die möglicherweise auch andere monoatomare Metalle für Anwendungen in Wissenschaft, Technologie und Medizin synthetisieren können„, so die Wissenschaftler.