Seltene Erden: Cyanobakterien sammeln begehrte Metalle aus Abwasser

Die sogenannten Seltenerdmetalle sind für zahlreiche Hightech-Anwendungen unverzichtbar. Sie finden sich in Windkraftanlagen, in Glasfaserkabeln oder auch in Bildschirmen. Die 17 Elemente der Seltenen Erden sind mithin sehr begehrt – und leider auch rar und teuer. Der größte Teil dieser Metallrohstoffe kommen aktuell aus China, was zu einer großen Abhängigkeit führt. Abhilfe könnten hier biologische Recyclinghelfer schaffen: Die Cyanobakterien in einigen Blaualgenarten sind in der Lage, die Seltenerdmetalle aus wässriger Lösung aufzunehmen. Die Mikroogranismen könnten daher eine wichtige Rolle beim Recycling der wichtigen Seltenen Erden spielen.

Versuche mit Cyanobakterien

Da Seltene Erden nicht nur selten sind, sondern ihr Abbau ist auch aufwendig und umweltschädlich. Dementsprechend ist es wichtig, entsprechend effiziente Recyclingmethoden zu entwickeln, mit denen Seltenerdmetalle aus alter Elektronik oder Industrie- und Bergwerksabfällen wiederzugewinnen.

Neben Methoden wie selektive Absorber oder das sogenannte Flash-Joule-Heating bieten Cyanobakterien eine effektive und umweltfreundliche Recyclingmethode. Das fand ein Team rund um Michael Paper von der Technischen Universität München (TUM) heraus. Die Forscher:innen untersuchten Cyanobakterien auf ihre Eignung als Recyclinghelfer für Seltene Erden. „Cyanobakterien haben schon vielversprechende Absorptionsfähigkeiten für verschiedene Schwermetalle gezeigt und könnten sich daher für die Extraktion von Metallen auch im großtechnischen Maßstab eignen„, so das Team.

Die Wissenschaftler:innen sammelten zwölf Cyanobakterien-Arten aus verschiedenen Stämmen und Lebensräumen. Darunter waren Arten aus Gewässern sowie dem Boden, aber auch Blaualgenarten aus verschiedenen Lebensräumen. Die meisten der untersuchten Stämme wurden noch nie mit Blick auf ihr biotechnologisches Potenzial getestet. Die Forscher:innen gaben die Cyanobakterien zum Testen in Lösungen, in denen zwischen 0,5 und zehn Millimol der Seltenen Erden Cer, Lanthan, Terbium oder Neodym gelöst waren.

Blaualgen sammeln Seltene Erden

Dabei stellte sich heraus, dass alle untersuchten Blaualgenarten in der Lage waren, die Seltenen Erden aus der Lösung zu absorbieren und in den eigenen Zellen anzureichen. Dabei erwiesen sich fünf Arten als besonders effizient. Selbst bei einer geringen Konzentration von Seltenen Erden in den Lösungen nahmen sie diese auf und reicherten sie auf bis zu zehn Prozent ihres Trockengewichts an. Die Absorptionskapazität lag dabei zwischen 84,2 und 91,5 Milligramm pro Gramm.

Hinzu kam, dass diese Biosorption sehr schnell verlief. Die Cyanobakterien hatten bereits nach fünf Minuten den größten Teil der gelösten Seltenen Erden aufgenommen. Im Anschluss erreichte die Absorption ein Plateau. Dass die Absorption der Seltenerdmetalle überhaupt möglich ist, ist der Zellchemie der Bakterien zu verdanken. „Die Cyanobakterien weisen einen hohen Anteil an Zuckerverbindungen auf, die negative Ladungen tragen. Diese ziehen positiv geladene Metallionen an, die so an die Biomasse gebunden werden„, so Paper.

Praktischen Wert für Recyclingverfahren

Wirklichen Wert für das Recycling Seltener Erden hat der Prozess allerdings nur, wenn er auch stattfindet, wenn noch andere Metalle präsent sind. Ergänzende Versuche zeigten, dass dies der Fall ist. Die Affinität der Cyanobakterien für Cer war etwa höher als für Aluminium, Zink, Blei und Nickel – zumindest solange die Metallkonzentration unter vier Millimol pro Liter lag. Bei höheren Konzentrationen neigten die Metalle dann dazu, Cer zu ersetzen.

„Dies sind vielversprechende Ergebnisse für eine industrielle Anwendung, denn dabei sind die Metallkonzentrationen gewöhnlich niedriger als die höchsten in unseren Experimenten getesteten„, fassen die Forscher ihre Ergebnisse zusammen. Sie gehen zudem davon aus, dass die Biosorption nicht nur bei den getesteten Seltenen Erden, sondern bei allen der 17 Elemente dieser Gruppe funktioniert.

„Ein großer Vorteil ist außerdem, dass der Prozess reversibel ist. Das bedeutet, wir können die Metalle auswaschen und die Biomasse wiederverwenden„, erklärt Thomas Brück von der TU München, der an den Experimenten beteiligt war. Nun wollen die Forscher:innen im Rahmen eines Folgeprojekts Versuche in einem größeren Rahmen durchführen.

via TU München