Seltenerdelemente (REEs) sind eine Gruppe von 17 chemisch ähnlichen Metallen, die ihren Namen erhalten haben, weil sie typischerweise in geringen Konzentrationen (zwischen 0,5 und 67 Teilen pro Million) in der Erdkruste vorkommen. Da sie in modernen Technologien wie Leuchtdioden, Mobiltelefonen, Elektromotoren, Windrädern, Festplatten, Kameras, Magneten und Energiesparlampen unverzichtbar sind, ist die Nachfrage nach ihnen in den letzten Jahrzehnten stetig gestiegen und wird prognostiziert bis 2030 weiter steigen.
Aufgrund ihrer Seltenheit und Nachfrage sind sie teuer: Beispielsweise kostet ein Kilo Neodymoxid derzeit etwa 200 Euro, während die gleiche Menge Terbiumoxid etwa 3.800 Euro kostet. Heute hat China fast das Monopol auf den Abbau von REEs, obwohl die Entdeckung vielversprechender neuer Funde (mehr als eine Million Tonnen) in Kiruna, Schweden, im Januar 2023 mit großem Tamtam angekündigt wurde.
Kreislaufwirtschaft
Die Vorteile des Übergangs von einer verschwenderischen „linearen“ Wirtschaft zu einer „Kreislaufwirtschaft“, in der alle Ressourcen recycelt und wiederverwendet werden, liegen auf der Hand. Könnten wir REEs also auch effizienter recyceln?
In Grenzen in Bioengineering und Biotechnologie, haben deutsche Wissenschaftler gezeigt, dass die Antwort ja lautet: Die Biomasse einiger exotischer photosynthetischer Cyanobakterien kann REEs aus dem Abwasser effizient absorbieren; B. aus dem Bergbau, der Metallurgie oder dem Recycling von Elektroschrott. Die absorbierten REEs können anschließend aus der Biomasse gewaschen und zur Wiederverwendung gesammelt werden.
„Hier haben wir die Bedingungen der REE-Aufnahme durch die cyanobakterielle Biomasse optimiert und die wichtigsten chemischen Mechanismen zu ihrer Bindung charakterisiert. Diese Cyanobakterien könnten in zukünftigen umweltfreundlichen Prozessen zur gleichzeitigen REE-Rückgewinnung und Behandlung von Industrieabwässern eingesetzt werden“, sagte Dr. Thomas Brück, Professor an der Technischen Universität München und Letztautor der Studie.
Hochspezialisierte Stämme von Cyanobakterien
Biosorption ist ein metabolisch passiver Prozess zur schnellen, reversiblen Bindung von Ionen aus wässrigen Lösungen an Biomasse. Brück und Kollegen maßen das Potenzial zur Biosorption der REEs Lanthan, Cer, Neodym und Terbium durch 12 Cyanobakterienstämme in Laborkultur. Die meisten dieser Stämme waren zuvor noch nie auf ihr biotechnologisches Potenzial untersucht worden. Sie wurden aus hochspezialisierten Lebensräumen wie trockenen Böden in namibischen Wüsten, der Oberfläche von Flechten auf der ganzen Welt, Natronseen im Tschad, Felsspalten in Südafrika oder verschmutzten Bächen in der Schweiz entnommen.
Die Autoren fanden heraus, dass eine nicht charakterisierte neue Spezies von Nostoc die höchste Kapazität zur Biosorption von Ionen dieser vier REEs aus wässrigen Lösungen mit Effizienzen zwischen 84,2 und 91,5 mg pro g Biomasse hatte, während Scytonema hyalinum mit 15,5 bis 21,2 mg pro g Biomasse die niedrigste Effizienz hatte G. Ebenfalls wirksam waren Synechococcus elongates, Desmonostoc muscorum, Calothrix brevissima und eine nicht charakterisierte neue Spezies von Komarekiella. Es wurde festgestellt, dass die Biosorption stark vom Säuregehalt abhängt: Sie war am höchsten bei einem pH-Wert zwischen fünf und sechs und nahm in saureren Lösungen stetig ab. Das Verfahren war am effizientesten, wenn es keine „Konkurrenz“ um die Biosorptionsoberfläche auf der Cyanobakterien-Biomasse durch positive Ionen anderer Nicht-REE-Metalle wie Zink, Blei, Nickel oder Aluminium gab.
Die Autoren verwendeten eine Technik namens Infrarotspektroskopie, um zu bestimmen, welche funktionellen chemischen Gruppen in der Biomasse hauptsächlich für die Biosorption von REEs verantwortlich sind.
„Wir haben festgestellt, dass aus Cyanobakterien gewonnene Biomasse aufgrund ihrer hohen Konzentration an negativ geladenen Zuckereinheiten, die Carbonyl- und Carboxylgruppen tragen, hervorragende Adsorptionseigenschaften aufweist. Diese negativ geladenen Komponenten ziehen positiv geladene Metallionen wie REEs an und unterstützen deren Anlagerung an die Biomasse “, sagte Erstautor Michael Paper, Wissenschaftler an der Technischen Universität München.
Schnell und effizient, mit großem Potenzial für zukünftige Anwendungen
Die Autoren schlussfolgern, dass die Biosorption von REEs durch Cyanobakterien auch bei geringen Konzentrationen der Metalle möglich ist. Der Prozess ist auch schnell: Beispielsweise wurde das meiste Cer in Lösung innerhalb von fünf Minuten nach Beginn der Reaktion biosorbiert.
„Die hier beschriebenen Cyanobakterien können SEE-Mengen adsorbieren, die bis zu 10 % ihrer Trockensubstanz entsprechen. Die Biosorption stellt damit ein ökonomisch und ökologisch optimiertes Verfahren zur zirkulären Rückgewinnung und Wiederverwendung von Seltenerdmetallen aus verdünnten Industrieabwässern der Bergbau-, Elektronik-, und Chemie-Katalysator-produzierende Sektoren“, sagte Brück.
„Es wird erwartet, dass dieses System in naher Zukunft wirtschaftlich realisierbar wird, da die Nachfrage und die Marktpreise für REEs in den kommenden Jahren voraussichtlich erheblich steigen werden“, sagte er.
Mehr Informationen:
Seltene Erden haften an seltenen Cyanobakterien: zukünftiges Potenzial für die biologische Sanierung und Rückgewinnung von Seltenerdelementen, Grenzen in Bioengineering und Biotechnologie (2023). DOI: 10.3389/fbioe.2023.1130939