Bakterien im Erzbergbau

Der Einsatz von Bakterien kann nicht nur das Schadstoffpotential problematischer Bergbaualtlasten minimieren, sondern auch die Metallausbeute erhöhen.

Alle natürlichen Elemente sind auf und in der gesamten Erde sowie im Meerwasser in unterschiedlicher Konzentration vorhanden. Die schweren Elemente, insbesondere die Metalle Nickel, Tantal, Wolfram, Kupfer, Platin, Gold, Quecksilber, Blei, Bismut bis hin zum Uran, sind in der oberen Erdkruste durchschnittlich in sehr geringen Spuren vorhanden. Besondere geologische Bedingungen und Prozesse führten jedoch lokal zu einer enormen Aufkonzentration von Mineralen in der Erdkruste, die diese Elemente in ihren Verbindungen beherbergen. Assoziert mit verschiedenen plattentektonischen Situationen, besonderen geochemischen Verhältnissen wie dem Schwarzen Meer, aber auch durch besondere sedimentäre Prozesse über lange geologische Zeiträume hinweg, können sich unter entsprechenden Voraussetzungen, lokal geochemische Anomalien ausbilden.

Geochemische Anomalie, Vorkommen oder Lagerstätte?

Eine geochemischen Anomalie kann entweder als Vorkommen oder Lagerstätte bezeichnet werden. Ein Vorkommen bietet nur ein von natürlichen, technischen und gesellschaftlichen Faktoren abhängiges Potential für eine Lagerstätte. Eine Lagerstätte ist konkret eine Funktion von Angebot, Nachfrage, Verfügbarkeit, Zugänglichkeit und Qualität hinsichtlich der Konzentration und der Verarbeitungsmöglichkeiten eines Rohstoffes. Bei der Erschließung entsprechender Lagerstätten sind technische Komponenten, wie Erkundungsmöglichkeiten und Bergbautechnik, die eine Ausbeute zum einen ermöglichen und zum anderen erhöhen können, ebenso grundlegend, wie gesellschaftliche Rahmenbedingungen. So steckt in vielen Produkten sowohl ein Stück Geowissenschaft als auch Politik. Die Konflikte um die knappen Tantalressourcen für die IT-Kommunikationselektronik im Kongo sind hierfür ein beredtes Beispiel.

„Biobergbau“ metallischer Rohstoffe

Bestimmte Bakterienarten spielen bei der Entstehung von Manganknollen auf dem Meeresboden oder auch bei der allgemeinen Metallfällung eine besondere Rolle. Seit Jahrzehnten ergibt sich nicht nur die Frage einer effektiveren Rohstoffausbeute, sondern auch die der Sanierung von Bergbauflächen. Bakterien, die eine große Rolle bei der Metallfällung spielen, können auch metallisch verseuchte, hoch saure Abwässer biologisch klären. Das hat weniger mit dem inflationären Gebrauch der Vorsilbe „Bio“ zu tun als eher mit der Aufarbeitung industrieller Altlasten, also mit bergbau- und umwelttechnischem Know How. Bergbau allgemein bedeutet eine extreme Anreicherung von Stoffkomponenten, die bisher entweder von der Lebewelt geologisch isoliert oder in einem charakteristischen Hintergrundwert lokal vorhanden sind.

Was sind das für Bakterien?

Betrachtet man sich die Lebensbedingungen dieser Bakterienarten, so fällt es nicht schwer, diese Lebensformen als biochemische Vorfahren der noch viel komplexeren biologischen Evolution auf unserer Erde zu betrachten. Lebensformen, die man eher mit der Frühzeit der Erde oder gar mit extraterrestrischen Bedingungen verknüpft. Sowohl hitze- als auch säureliebend (thermo- und acidophil), beziehen viele dieser Lebensformen ihre Energie aus der Oxidation anorganischer Substanzen und werden daher auch als chemolithotroph (Stein fressend) bezeichnet.

Das Bakterium Thiobacillus ferrooxidans

1947 entdeckte man in Kohlengrubenabwässern das Bakterium Thiobacillus ferrooxidans, ein acidophiles Bakterium, das ein schwefliges Milieu bevorzugt. Das Temperaturoptimum liegt zwischen 28 und 35°C, sodass es auch an warmen Quellen vulkanischer Spalten und sulfidischen Erzlagerstätten vorkommt. Wie der Name T. ferrooxidans vermuten lässt, liegt die Hauptenergiequelle des Bakteriums in der Oxidation von sich in Lösung befindlichen (ionischen) zweiwertigem Eisen zu dreiwertigem Eisen sowie ionischem Schwefel aus anorganischen Quellen. Das Bakterium ist zwischen 1 und 2 Mikrometer lang mit einem Durchmesser zwischen 0,5 und 1 Mikrometer. Neben der Art T. ferrooxidans kommen noch andere Thiobakterien vor, die für die biologische Metallauslaugung in Frage kommen. Weitere wichtige Stoffwechselkomponenten sind Stickstoff, Phosphate sowie Magnesium und Kalzium.

Das Prinzip der biologischen Metalllaugung

Thiobakterien sind in der Lage, klassische Sulfidmineralien zu zersetzten. Es handelt sich hier zumeist um Eisen-, Blei-, Nickel-, Kupfer-, Antimon- und Arsensulfid-Minerale. Durch Besprenkelung der Abraumhalden mit angesäuertem Wasser vermehren sich die schon vorhandenen Thiobakterien in den durchsickerten Bereichen. Gleichzeitig bewirkt die Besprenkelung eine Sauerstoffanreicherung, die für die folgenden Reaktionen Voraussetzung ist. Die Bakterien greifen die sulfidischen Erzminerale an und oxidieren zum Beispiel im Kupfer-Eisensulfid Kupferkies (Chalkopyrit) das zweiwertige Eisen zu dreiwertiges Eisen. Als Reaktionsprodukte entstehen in mehreren Stufen Eisen und Kupfersulfat sowie elementarer Schwefel. Dieser Schwefel wird dann unter Anwesenheit von Wasser, Sauerstoff und Sulfationen zu Schwefelsäure oxidiert. Ähnlich den physikochemischen Bedingungen des Metalliontransportes und durch ihre Anreicherung in überkritischen magmatischen Lösungen, sind die Eisen- und Kupfersulfatkomplexionen wesentlich leichter löslich und können so abgeführt werden. Die so abgeführten Metalle können dann, aufgefangenen in großen Sammelbecken, weiterverarbeitet werden. Bisweilen kann durch diese mehrstufigen Reaktionsprozesse sehr viel Wärme in den Abraumhalden entstehen, in denen dann nur robuste Thiobakterienarten überleben können.

Das Prinzip des mikrobielle Laugungsprozesses

Wie gelingt den Bakterien der „Zugriff“ auf die Metalle? Bei der direkten bakteriellen Laugung werden die oxidierbaren Mineralbestandteile durch Enzyme angegriffen. Die Energiegewinnung aus diesem anorganischen Material ergibt sich aus einem Elektronentransfer, den das Bakterium vom Eisen oder Schwefel zum Sauerstoff bewirkt. Die durch die Oxidation freiwerdenden Elektronen gelangen in die äußere Membrane des Bakteriums und werden über diese auf den Sauerstoff übertragen, wobei Wasser entsteht. Die abgegebene Energie der übertragenden Elektronen ist wiederum Teil der universellen Energiegewinnung aller Zellen und ist mit der Bildung von ATP (Adenosin-triphosphat) verknüpft. Im Gegensatz zu diesen Prozess kann es auch zu einer indirekten Laugung von Metallen kommen. Statt eines enzymatisch gesteuerten Frontalangriffs sorgt die Oxidation zu dreiwertigem Eisen für eine Laugung. Dieses ist ein starkes Oxidationsmittel und reagiert wiederum mit anderen Metallen. In der Praxis lassen sich diese Abläufe nicht trennen. Sie werden von zahlreichen physikochemischen Prozessen überlagert.

„Biobergbau“- Ausblick

Sei es die bakterielle Entschwefelung von Kohle oder die verbesserte Ausbeute bei der bakteriell unterstützten Kupfer- und Urangewinnung: Die Forschung Erzressourcen durch mikrobielle Unterstützung effektiver zu nutzen, bietet die Perspektive das aus manchen Vorkommen Lagerstätten werden können. Besonders in den USA bleiben Nickelsulfidlagerstätten noch unangetastet, da man sich von der Forschung noch schnellere und effektivere Methoden verspricht, die Nickelausbeute zu erhöhen.