Umweltwissenschaften

Bakterien im Dienst der Müllverwertung

Alte Elektronikgeräte und Schlacken der Kehrichtverbrennungsanlagen enthalten Metalle wie Kupfer, Eisen, Gold und Silber, Blei und Kadmium. Carlotta Fabbri vom Institut für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften (IEU) will herausfinden, wie sich die wertvollen und zum Teil auch giftigen Materialien mit Hilfe von Bakterien zurückgewinnen lassen. Sie wird dabei vom Forschungskredit der UZH unterstützt.

Lena Serck-Hanssen

Bestimmte Bakterien können Metalle in lösliche Form verwandeln. Im Bild: Bakterien auf einer Goldoberfläche. (Courtesy of Fabio La Mattina EMPA, Dübendorf)

Unser Abfall ist eine Goldgrube und ein Problemkind zugleich. Ausrangierte Elektronikgeräte und Rückstände der Kehrichtverbrennungslangen enthalten viele wertvolle, aber auch viele giftige Metalle. Angesichts der grossen Mengen Abfall kommt jährlich eine stattliche Menge an Metallen zusammen. Beispielsweise bei den Handys: Weltweit werden pro Jahr mehr als eine Milliarde Handys verkauft, die im Schnitt spätestens nach drei Jahren wieder pensioniert werden. Ein Viertel des Gewichts eines Handys besteht aus Metallen, darunter auch solchen, die sehr selten sind. Es lohnt sich also, diese Metalle zurückzugewinnen. Doch das ist gar nicht so einfach.

Konventionelle Verfahren für die Rückgewinnung von Metallen aus Schrott oder Kehrichtschlacken sind das Schmelzen und die Behandlung mit Laugen. Doch seit Mitte des letzten Jahrhunderts ist auch bekannt, dass bestimmte Bakterien imstande sind, feste Metalle in eine lösliche Form zu verwandeln. Dieses Bioleaching ist das Forschungsgebiet von Carlotta Fabbri, die am IEU doktoriert.

Neues Bakterium mit grossem Potenzial

Fabbri arbeitet mit verschiedenen Bakterien und Pilzen, die Metalle lösen können. Einige setzen dabei schwerlösliche Metallsulfide in wasserlösliche Metallsulfate um. Speziell widmet sich Fabbri aber auch einem Bakterium, welches erst kürzlich von Mitarbeitern des IEU zufällig entdeckt wurde. Dieses Bakterium produziert natürlicherweise eine grosse Menge Cyanid. Genau dieses Cyanid interessiert Fabbri, denn Cyanid bindet sehr gut an Metalle und bildet mit diesen einen wasserlöslichen Metall-Cyanid-Komplex.

Arbeitet mit verschiedenen Bakterien und Pilzen, die Metalle lösen können: Carletta Fabbri, Doktorandin am Institut für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften (IEU) der UZH. (BIld: Lena Serck-Hanssen)

Da das Bakterium noch nicht systematisiert ist, will Fabbri dieses erst kennen lernen. Neben der genetischen Charakterisierung, welche die Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) in Wädenswil übernimmt, möchte Fabbri herausfinden, wo und bei welchen Bedingungen das Bakterium am besten gedeiht, welche Nahrungsquellen es benötigt, wie der Stoffwechsel funktioniert und insbesondere auch, unter welchen Bedingungen es am meisten Cyanid produziert. Als nächstes will Fabbri untersuchen, ob und wie das Bakterium mit dem Arbeitsnamen CCOS 191 fähig ist, Metalle zu lösen.

Das Bakterium hat schwierige Aufgaben vor sich: Es soll Metalle wie Aluminium, Gold, Silber, Kupfer und andere aus Handys, Tetra-Pak-Verpackungen und Solarzellen lösen. Um zu untersuchen, ob dies klappt, wird der Gegenstand in eine wässrigen Lösung, welche die Bakterien enthält, gegeben. Die Flüssigkeit wird nach einigen Tagen mit dem Hochleistungsflüssigchromatographen (HPLC) auf das Vorhandensein von Metall-Cyanid-Komplexen analysiert.

Ob die Wechselwirkung zwischen dem Bakterium CCOS 191 und Metall irgendwie sichtbar ist, ist die nächste Frage, der Fabbri nachgeht. Tatsächlich haben erste Untersuchungen mit einem speziellen Mikroskop an der EMPA Dübendorf gezeigt, dass CCOS 191 auf der Metalloberfläche einen Biofilm bildet und die Metalloberfläche sichtbar angegriffen ist.

Aufnahme der gelösten Metalle durch Pflanzen

Nachdem das Bakterium CCOS 191 die Metalle in eine lösliche Form gebracht hat, stellt sich die Frage, was danach mit den Metall-Komplexen geschieht. Eine Möglichkeit besteht darin, die Cyanid-Komplexe mit Zinkstaub zu versetzen, das Metall so auszufällen und das giftige Cyanid in eine ungefährlichere Form zu verwandeln.

Bei den bereits seit langem bekannten metall-lösenden Bakterien und Pilzen, interessiert sich Fabbri noch für einen anderen Weg: «Ich will wissen, ob ich die Bakterien und Pilze auch für die Anreicherung von Metallen in Pflanzen verwenden kann», erklärt sie

Gewisse Pflanzen wie zum Beispiel Gartenkresse können Metalle in viel höheren Konzentrationen aufnehmen, als diese in der Umgebung vorhanden sind. Fabbri möchte deshalb mit Schwermetallen belastete Erde mit schwefeloxidierenden Bakterien und säurebildenden Pilzen mischen, Gartenkresse in die Erde säen und nach einiger Zeit den Metallgehalt der Gartenkresse messen. Diese Bioakkumulation könnte möglicherweise dazu dienen, mit Schwermetallen kontaminierte Böden zu entgiften.

Interessant für den Umweltservice

Bereits heute werden Bakterien teilweise in der Metallextraktion aus Gesteinen und Erzen verwendet. Doch der Prozess dauert meistens noch sehr lange. Das Bakterium CCOS 191 zeigt Potenzial, um diese Arbeit in viel kürzerer Zeit zu erledigen. Dies macht es auch für Kehrichtverbrennungsanlagen und Umweltservice-Unternehmen interessant.

Berechnungen der Hochschule für Technik in Rapperswil gehen davon aus, dass die Rückstände der Schweizer Kehrichtverbrennungsanlagen die Wertstoffe Kupfer, Aluminium und Messing sowie Eisen und Gold im Wert von jährlich rund 100 Millionen Franken enthalten.

Dazu kommen alte Elektronikgeräte wie eben die ausrangierten Handys oder Computer. Obwohl es sich beim einzelnen Gerät nur um sehr geringe Mengen Metall handelt, ist die Konzentration an wertvollen Metallen in Elektronikschrott viel höher als in der besten Metallmine der Welt. Ausserdem kann das Recycling die Abhängigkeit von rohstoffabbauenden Ländern wie China verringern und die Kosten für neue Rohstoffe stark reduzieren.

In Deutschland spart das Metall-Recycling gemäss dem Institut der Deutschen Wirtschaft (IW) bereits heute rund zwanzig Prozent der Kosten für Metallrohstoffe ein. Es gibt also allen Grund, um fähigen und zum Teil noch wenig bekannten Bakterien auf die Sprünge zu helfen.

Lena Serck-Hanssen, Dipl. Natw. ETH/CAS PR-Redaktorin

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