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Kupfergewinnung mit Mikroben statt Gift

Bakterium wandelt Kupfersulfat aus Bergwerksabwässern in atomares Kupfer um

Kupfermine
Im Abwasserschlamm eines Kupferbergwerks haben Forscher eine Mikrobe entdeckt, die Kupfersulfat in atomares Kupfer umwandeln kann. © JDieter Meyerl / Getty images

Spannender Fund: Kupfer könnte künftig auf biologische Weise statt mithilfe giftiger Lösungen gewonnen werden. Denn Forscher haben ein Bakterium entdeckt, das in Bergwerksabwässern vorkommendes Kupfersulfat in atomares Kupfer umwandeln kann. Die in einer brasilianischen Kupfermine entdeckte Mikrobe eröffnet damit neue Möglichkeiten für die umweltfreundliche Gewinnung von Kupfer und möglicherweise auch anderen Metallen, wie die Forscher im Fachmagazin „Science Advances“ berichten.

Kupfer ist schon seit prähistorischen Zeiten ein begehrter Metallrohstoff. Damals diente das Metall als Basis für Bronze, Schmuck und Zahlungsmittel. Heute ist Kupfer vor allem wegen seiner guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit ein wichtiger Rohstoff in der Elektronik und Technik. Das Metall wird für Leitungen, Elektromagneten, Sensoren, aber auch für Kupferrohre, antimikrobielle Beschichtungen und in Legierungen eingesetzt.

Bergwerksabwässer
Die grüne Farbe des Abwassers aus einer Kupfermine zeigt an, das unter anderem Kupfersulfat in ihm gelöst ist. © Jodi Jacobson/ Getty Images

Spurensuche im Absetzbecken

„Die Gewinnung von atomarem Kupfer ist jedoch noch immer eine Herausforderung und erfordert komplexe Produktionsschritte und toxische Chemikalien“, erklären Louise Hase Gracioso von der Universität von Sao Paulo und ihre Kollegen. Zwar kommt Kupfer auch gediegen vor, aber viele Lagerstätten bestehen aus kupferhaltigen Mineralen, die erst durch chemische Extraktion aufgereinigt werden müssen.

Jetzt haben Gracioso und ihr Team eine Mikrobe entdeckt, die auf biologische Weise monoatomares Kupfer aus gelösten Kupferverbindungen erzeugen kann. Aufgespürt haben sie das Bakterium im Sediment des Absetzbeckens einer brasilianischen Kupfermine. Der Schlamm in diesem Becken enthielt vor allem Kupfersulfat. Nachdem das Team mittels DNA-Analysen feststellte, dass in dem Sediment Bakterien einer noch unbekannten Bacillus-Art leben, untersuchten sie Proben davon näher im Labor.

Von Grün zu orange

Als die Forschenden die Mikroben auf einem kupfersulfathaltigen Medium kultivierten, zeigte sich Überraschendes: Nach 48 Stunden hatte sich das ursprünglich grünliche Nährmedium nach orange verfärbt. „Diese Farbveränderung repräsentiert die Umwandlung von Kupfersulfat (CuSO4) in Cu0„, erklären Gracioso und ihre Kollegen. Analysen mittels Elektronenmikroskopie und Spektralanalysen bestätigten, dass in der Nährlösung nun einzelne Kupferatome vorlagen.

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„Dieses aus einer Kupfermine isolierte Bakterium demonstriert damit die Fähigkeit, monoatomares Kupfer zu erzeugen“, konstatiert das Forschungsteam. „Diese mikrobielle Umwandlung findet zudem unter natürlichen, aeroben Bedingungen und ohne toxische Lösungsmittel statt.“

Kupferhaltige Brühe ist auch für die Mikrobe Stress

Wie das Bakterium diese Umwandlung bewerkstelligt, haben Gracioso und ihr Team mithilfe der Proteomanalyse näher untersucht. Dafür analysierten sie, welche Proteine die Mikrobe in kupferfreien und kupfersulfathaltigen Nährlösungen produziert. Das Ergebnis: 145 Proteine waren in den Bakterien nur in Anwesenheit der Kupferverbindung präsent. Von diesen gehörten 105 zum primären Kohlenstoff- und Energiestoffwechsel der Mikroben und waren an Abwehr und Antistressfunktionen beteiligt.

„Das deutet darauf hin, dass die Kupfer-Exposition die Bakterienzellen negativ beeinflusst und dass sie mehr Energie aufwenden müssen, um die Belastung zu überleben“, erklären die Forschenden. Kupfersulfat ist ein typisches Beiprodukt des Kupferabbaus und für die meisten Organismen extrem toxisch. Um im Absetzbecken zu überleben, mussten die Bacillus-Mikroben demnach speziellen Anpassungen entwickeln.

Spezielle Enzyme für die Kupferreduktion

Als für die Kupferumwandlung entscheidend erwiesen sich jedoch 15 andere Proteine. Von ihnen sind drei am Kupferaufnahme und Transport beteiligt, elf Enzyme katalysieren und stabilisieren die Reduktion des Kupfersulfats zu atomarem Kupfer, wie das Team berichtet. Dabei werden die zweifach positiv geladenen Kupferionen aus dem Sulfat in neutrale Kupferatome umgewandelt. „Die Mikroben aus den sauren Minenabwässern können so die Metallionen in einen wertvollen Rohstoff transformieren“, so Gracioso und ihr Team.

Nach Ansicht der Forschenden eröffnet die Entdeckung dieser Mikrobe nicht nur neue Möglichkeiten, kontaminierte Minenabwässer zu reinigen und zu recyceln. Die Fähigkeit der Bakterien, atomares Kupfer aus solchen Lösungen abzuscheiden, könnte auch dazu beitragen, zusätzliche Kupferrohstoffe aus solchen Bergwerken 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“, schreibt das Team. (Science Advances, 2021; doi: 10.1126/sciadv.abd9210)

Quelle: Science Advances

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