Mit Biomasse Seltene Erden recyceln

Prof. Thomas Brück bei der Probenentnahme am Photobiorektor am Werner Siemens Lehrstuhl für Synthetische Biotechnologie. Diese Bioreaktoren nutzten die Forschenden, um Biomasse der untersuchten Cyanobakterien-Stämme zu produzieren.
Foto: Andreas Heddergott / TUM

Seltene Erden sind essenziel für zahllose Hightech-Anwendungen. Einem Forschungsteam unter Leitung der Technischen Universität München (TUM) ist es jetzt gelungen, diese Metalle mithilfe von bisher nicht untersuchten Bakterienstämmen aus wässriger Lösung zu recyceln.

Windkraftanlagen, Katalysatoren, Glasfaserkabel und Plasma-Bildschirme: Sie alle enthalten Seltene Erden. Da die 17 Metalle, die unter diesem Begriff zusammengefasst werden, für die modernen Technologien unentbehrlich sind, steigen die Nachfrage und die Kosten stetig. Das Vorkommen ergiebiger Abbaustätten ist begrenzt und die Produktion oft aufwändig und umweltschädlich. Die Vorteile, diese Ressourcen so effizient wie möglich zu recyceln, etwa aus Industrieabwässern in den Bereichen Bergbau, Elektronik oder chemische Katalysatoren, liegen also auf der Hand.

In Kooperation mit der Hochschule Kaiserslautern haben Forschende der TUM die Kreislaufwirtschaft der gefragten Metalle einen großen Schritt weitergebracht: Sie untersuchten mehrere Stämme von Cyanobakterien auf ihr Potenzial, Seltene Erden aus wässriger Lösung zu binden – und hatten Erfolg. „Ein großer Vorteil ist außerdem, dass der Prozess reversibel ist“, erklärt Prof. Thomas Brück vom Werner Siemens-Lehrstuhl für Synthetische Biotechnologie der TUM. „Das bedeutet, wir können die Metalle auswaschen und die Biomasse wiederverwenden.“

Bakterien stammen aus extremen Lebensräumen

Brück und seine Kolleg:innen bestimmten das Potenzial für die sogenannte Biosorption der Seltenen Erden Lanthan, Cer, Neodym und Terbium für zwölf Stämme von Cyanobakterien. Die meisten dieser Stämme waren zuvor noch nie auf ihr biotechnologisches Potenzial hin untersucht worden. Sie stammen aus Lebensräumen mit extremen Umweltbedingungen wie den Wüsten Namibias, Natronseen im Tschad, Felsspalten in Südafrika oder verschmutzten Bächen in der Schweiz.

Wie die Wissenschaftler:innen im Laborversuch feststellten, können die untersuchten Cyanobakterien Mengen der Seltenen Erden adsorbieren, die bis zu zehn Prozent ihrer Trockenmasse entsprechen. Erstautor Michael Paper erklärt: „Die Biomasse aus Cyanobakterien weist einen hohen Anteil an Zuckerverbindungen auf, die negative Ladungen tragen. Diese ziehen positiv geladene Metallionen an, die so an die Biomasse gebunden werden.“

Schnell und effizient

Die Forschenden konnten außerdem beobachten, dass die Biosorption von Seltenen Erden durch Cyanobakterien selbst bei niedrigen Konzentrationen der Metalle möglich ist. Der Prozess ist zudem schnell: So wurde beispielsweise das meiste Cer in Lösung innerhalb von fünf Minuten nach Beginn der Reaktion gebunden.

Die Wissenschaftler:innen wollen nun in einem weiteren Projekt die Versuche in einem größeren Maßstab durchführen, um die industrielle Anwendung der Ergebnisse voranzubringen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Thomas Brück
Technische Universität München
Werner Siemens-Lehrstuhl für Synthetische Biotechnologie
Tel: +49 89 289 13253
brueck@tum.de

Originalpublikation:

Michael Paper, Max Koch, Patrick Jung, Michael Lakatos, Tom Nilges and Thomas B. Brück: Rare Earths Stick to Rare Cyanobacteria: Future Potential for Bioremediation and Recovery of Rare Earth Elements, Front. Bioeng. Biotechnol., Sec. Bioprocess Engineering, Volume 11 – 2023 | doi: 10.3389/fbioe.2023.1130939
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2023.1130939/full

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