Biologische Laugung von wertvollen Elementen aus Erzen und Abfällen mit acidophilien Bakterien in Gegenwart von Chlorid

Stipendiatin/Stipendiat: Marek Kaszuba

 

Als Ziel dieses Projektes sollten acidophile Bakterien zur biologischen Laugung von wertvollen Elementen aus armen Erzen und Tailings (Rückstand nach der Flotation von Kupferschiefer) eingesetzt werden. Dabei gilt es, geeignete Tailings zu finden und Bakterien einzusetzten, die den Prozess der Biolaugung durchführen können. Bei der Biolaugung handelt es sich um die Gewinnung von Metallen durch die Aktivität von Metallsulfid oxidierenden Bakterien. Bei der großtechnischen Haldenlaugung ist die biologische Laugung nicht gefährlich für die Umwelt, wenn der Standort vom Grundwassersystem abgeschnitten ist. Jedoch verbraucht dieser Prozess große Mengen an reinem Wasser, das in vielen Teilen der Welt, beispielsweise in Chile, knapp ist (Bitran et. al., 2011). Hier wird der Wasserbedarf, der bei der biologischen Laugung anfällt, zu einem echten Problem. Aufgrund dieser Tatsache ist ein aussichtsreicher und vielversprechender Ansatz die biologische Laugung von Metallen in Gegenwart von Chlorid durch Chlorid tolerante acdidophile Bakterien. Laugungsbakterien sind bekannt dafür, sensitiv auf Chlorid zu reagieren. Wenn jedoch die Anpassung der Bakterien an erhöhte Chlorid-Konzentrationen, wie sie beispielsweise im Meerwasser vorkommen (˜3,5% NaCl), erfolgreich ist (Lin & Brown, 1993), kann Meerwasser als Grundlage für die Laugungslösung verwendet werden. Sogar wenn es nicht gelingt, die Bakterien an ein 3,5%iges Kochsalzniveau zu adaptieren, läge der große Vorteil in der Einsparung von mindestens 50% des Reinwassers durch die Mischung mit Salzwasser.
Die Resistenz gegenüber Chlorid spielt bei der biologischen Laugung mit Bakterien eine wichtige Rolle. Der Hauptgrund dabei ist das Ersetzen von Trinkwasser mit Meerwasser bei der Haldenlaugung in Chile. Derzeit sind die Fähigkeiten von Bakterien mit Chlorid umzugehen, sehr begrenzt. In polnischem und deutschem Kupferschiefer ist viel Carbonat enthalten (Piestrzynski, 1996). Deshalb muss der Kupferschiefer vor der Biolaugung angesäuert werden. Wird dies mit H2SO4 durchgeführt, entsteht Gips, der als passivierende Schicht den Laugungsprozess behindern kann (Kutschke et al., 2015). Dieses Problem kann durch Ansäuern mit HCl vermieden werden. Unter diesen Bedingungen muss jedoch die Adaption der Laugungsbakterien an erhöhte Chlorid-Konzentrationen erfolgen. Eine erfolgreiche Adaption bietet eine Perspektive für neuartige Biolaugungsversuche.

Methoden:

  • Erstes Animpfen der Chlorid resistenten Bakterien
  • DNA-Isolation und 16S PCR
  • Ansäuerung der Flotation Tailings
  • Extraktion der Organik
  • Zweiter Kultivierungsversuch der Chlorid resistenten Bakterien
  • Probennahme des Grubenwassers & Animpfen
  • Probennahme der Flotation Tailings


Der beste Weg zur Gewinnung Chlorid resistenter Bakterien ist die Isolierung von Stämmen aus der natürlichen Umgebung. Thiobacillus prosperus wurde aus zwei verschiedenen Stellen in Europa isoliert, der Volcano Island in Italien und der Insel Milos in Griechenland (Huber & Stetter, 1989; Davis-Belmar et. al., 2008). Die Gewinnung von Konsortien aus Vulcano Island kann dazu beitragen, neue Chlorid resistente Stämme zu finden und diese für die biologische Laugung unter Laborbedingungen einzusetzen. Sollte die Anreicherung Chlorid resistenter Stämme nicht erfolgreich sein, könnte Thiobacillus prosperus als Bakterienstamm bei der Deutschen Stammsammlung für Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ) bestellt und im empfohlenen Kulturmedium gezüchtet werden. Jedoch ist davon auszugehen, dass dieser Laborstamm weniger resistent gegenüber Schwermetallen, vor allem Kupfer ist, als Umweltisolate.


Die Flotation Tailings, die in diesem Projekt verwendet wurden, haben hohe pH Werte. Der pH muss für die biologische Laugung mit acidophilen Bakterien eingestellt werden. Wie oben bereits diskutiert, gibt auch die Möglichkeit Salzsäure anstelle von Schwefelsäure zur Ansäuerung zu verwenden, um die Präzipitation von Gips zu vermeiden. Salzsäure ist zudem billiger als Schwefelsäure und wäre deswegen besser für eine Anwendung der Biolaugung im Labor-bzw. Pilotmaßstab geeignet. Widerum ist hier ist der Einsatz Chlorid resistenter Stämme von wichtiger Bedeutung.
Der Prozess der Adaptierung von Laugungsbakterien an erhöhte Chlorid-Konzentrationen kann kompliziert und langwierig sein. Deswegen ist es nötig, Bakterien aus Habitaten zu gewinnen, die sich dadurch kennzeichnen, dass erhöhten Salz-, Eisen-, und Schwermetallkonzentrationen, sowie niedrige pH Werte vorherrschen. Es ist davon auszugehen, dass Umweltisolate die Resistenzen über lange Zeit entwickelt haben und optimal an ihr Habitat angepasst sind. Bei Laborstämmen können bestimmte Fähigkeiten (z.B. die Toleranz gegenüber Schwermetallen), die bei der biologischen Laugung wichtig sind, schnell verloren gehen.


Bitrán E., Rivera P., Villena M., 2011. Water Management Problems in the Copiapó Basin Chile. Faculty of Engineering & Science, Universidad Adolfo Ibáñez, Chile.
Crundwell, F.K., 2003. How do bacteria interact with minerals? Hydrometallurgy 71, 75–81.
Davis-Belmar C.S., Nicolle J. Le C., Norris P.R., 2008. Ferrous iron oxidation and leaching of copper ore with halotolerant bacteria in ore columns. Hydrometallurgy 94, 144-147.
Huber H., Stetter K.O., 1989. Thiobacillus sp. nov., represents a new group of halotolerant metal-mobilizing bacteria isolated from a marine geothermal field. Microbiology 151, 479-485.
Kutschke S., Guézennec A.G., Hedrich S., Schippers A., Borg G., Kamrat A., Gouin J., Giebner F., Schopf S., Schlömann M., Rahfeld A., Gutzmer J., D’Hugues P., Pollmann K., Dirlich S., Bodénan F., 2015. Bioleaching of Kupferschiefer blackshale – A review including perspectives of the Ecometals project. Min. Eng. 79, 169-175.
Lin J., Brown C.W, 1993. Near-IR Spectroscopic Measurement of Sea Water Salinity. Environmental Science & Technology 27, 1611-1615.
Piestrzynski A. i inni, 1996. Monografia KGHM Polska Miedz S.A (KGHM Polska Miedz S.A. Monography). Wydawnictwo PROFIL, Lubin.
Vera M., Schippers A., Sand W., 2013. Progress in bioleaching: fundamentals and mechanisms of bacterial metal sulfide oxidation-part A. Appl. Microbiol. Biotechnol. 97, 7529-7541.
Watling H.R., 2006. The bioleaching of sulphide minerals with emphasis on copper sulphides- A review. Hydrometallurgy 84, 81-108.

 

 

Förderzeitraum:
01.03.2015 - 29.02.2016

Institut:
Technische Universität Bergakademie Freiberg
Institut für Biowissenschaften
AG Umweltmikrobiologie

Betreuer:
Prof. Dr. Michael Schlömann

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