Isolierung und Charakterisierung Chlorid tolerierender, mesophiler oder moderat thermophiler, acidophiler Eisenoxidierer und ihre Verwendung zur Laugung von Metallen aus carbonathaltigen Erzen

Stipendiatin/Stipendiat: Katarzyna Kwiecien

Die Anwendung „grüner“ Technologien in der Industrie nimmt stetig zu. Umweltfreundliche biotechnologische Prozesse sind oft ähnlich effektiv oder sogar effektiver als ihre konventionellen physikochemischen Analoga. Dies gilt auch in Bergbau und Metallurgie. So ist die Biolaugung von Metallen aus sulfidischen Erzen insbesondere bei armen und komplexen Erzen der konventionellen pyrometallurgischen Herangehensweise mit Konzentrierung durch Flotation und anschließende Verhüttung hinsichtlich Effizienz, Kosten und Umweltbelastung oft überlegen.

Bei der Biolaugung sulfidischer Erze werden die unlöslichen Sulfide zu den löslichen Sulfaten oxidiert. Entscheidend dafür sind zum einen Mikroorganismen, die Fe2+ zu Fe3+ oxidieren, und zum zweiten Mikroorganismen, die die zunächst gebildeten teil-oxidierten Schwefelverbindungen vollständig zu Sulfat oxidieren. Der unmittelbare Angriff auf die Sulfidminerale erfolgt durch Protonen sowie durch Fe3+-Ionen, die dabei zu Fe2+ reduziert werden, weshalb die erneute Oxidation durch Eisenoxidierer erforderlich ist.

Die Gegenwart höherer Konzentrationen von Chloridionen gilt für Biolaugungsprozesse generell als problematisch, weil sie anscheinend insbesondere typische acidophile Eisenoxidierer wie Acidithiobacillus ferrooxidans und Leptospirillum ferriphilum hemmen. Solche erhöhten Konzentrationen können u.a. daraus resultieren, dass die Laugungsflüssigkeit im Kreislauf gefahren und durch Verdunstung bei Haldenprozessen aufkonzentriert wird, oder daraus, dass neben den Sulfiden auch oxydische Erze mit Atacamit (Cu2Cl(OH)3) vorliegen. Hätte man acidophile Eisenoxidierer, die erhöhte Konzentrationen an Chlorid tolerieren, könnten nicht nur diese beiden Probleme gelöst werden, sondern man könnte auch Meerwasser an Stelle des in vielen Bergbauregionen knappen Trinkwassers verwenden. In Deutschland und an anderen europäischen Standorten wäre zudem von Interesse, dass beim Vorkommen von Sulfiden in Gegenwart von Carbonaten (wie im Erzgebirge oder im europäischen Kupferschiefergürtel) eine Ansäuerung durch HCl möglich würde statt durch H2SO4, die mit Carbonaten zu Gips führt und damit Passivierungsschichten verursachen kann. Ein weiterer entscheidender Vorzug Chloride tolerierender Mikroorganismen wäre die Option das weltweit wichtigste Kupfermineral Chalcopyrit durch eine Kombination von Chlorid- und Biolaugung effektiver in Lösung zu bringen als bisher.

Neuere Arbeiten haben gezeigt, dass mixotrophe Bakterien wie Sulfobacillus thermosulfidooxidans oder die neue Art „Alicyclobacillus halophilus“ höhere Chloridkonzentrationen tolerieren als die genannten obligat autotrophen Arten. Noch ist aber wenig klar, woran das liegt. Zudem ist unklar, wodurch sich der üblicherweise verwendete, für technische Prozesse aber zu teure Hefeextrakt ersetzen lässt. Es wäre wünschenswert, Bakterien zu isolieren, die hohe Salzkonzentrationen bei noch niedrigerem pH vertragen oder die höhere Temperaturen vertragen. Schließlich muss die angedachte Anwendung auf die im Erzgebirge und im Kupferschiefergürtel anzutreffenden carbonathaltigen Erze nach HCl-Behandlung technisch realisiert werden. Im Rahmen des vorgeschlagenen Promotionsprojektes sollen deshalb relativ chloridtolerante Bakterien genauer charakterisiert werden (Abhängigkeit der Toleranz vom Wachstumssubstrat, Identifizierung der relevanten Bestandteile aus dem Hefeextrakt, Transkriptomanalyse). Es soll versucht werden weitere Stämme zu isolieren, die unter sauren Bedingungen hohe Chloridkonzentrationen vertragen, wofür Proben von verschiedenen vielversprechenden Standorten verwendet werden sollen (Salare mit saurem pH, Standorte, wo saure Wässer auf das Meer treffen, ggf. Standort Rudna von KGHM). Selbstverständlich sollen auch neue Isolate genauer charakterisiert werden. Mit geeigneten Stämmen sollen schließlich in Bioreaktoren gemahlenes Sphalerit-Erz aus dem Bergwerk Reiche Zeche und carbonathaltiger Kupferschiefer jeweils nach Ansäuerung durch HCl gelaugt werden.

Förderzeitraum:
01.07.2020 - 30.09.2025

Institut:
Technische Universität Bergakademie Freiberg
Institut für Biowissenschaften
AG Umweltmikrobiologie

Betreuer:
Prof. Dr. Michael Schlömann

E-Mail: E-Mail schreiben