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Biomoleküle erhöhen die Mobilität von Hochtechnologiemetallen in der Umwelt

Man sieht sie kaum, aber sie haben eine große Bedeutung in unserer Umwelt: Pilze, Pflanzen und Bakterien können spezielle Moleküle absondern, die sogar Hochtechnologiemetalle wie Uran, Platin, Thorium und Seltene Erden aus Gesteinen und Böden herauslösen und als Nährstoff oder Umweltgift für Organismen verfügbar machen. Das haben Dr. Dennis Krämer und Prof. Dr. Michael Bau von der Jacobs University in Bremen nachgewiesen. Das Team hat gezeigt, dass diese Verbindungen von Hochtechnologiemetallen und Biomolekülen wasserlöslich und sehr stabil sind, und daher auch ins Grundwasser und in Flüsse gelangen können. Die Ergebnisse wurden in Geochimica et Cosmochimica Acta veröffentlicht.

 

Die als Siderophoren bezeichneten Moleküle werden von Bakterien, Pilzen und Pflanzen produziert und sind in der Lage, sich in Böden und Gesteinen chemisch an Metallionen zu binden. Weil die Siderophoren wasserlöslich sind, können sie auch die Löslichkeit und damit die Bioverfügbarkeit dieser Metalle drastisch erhöhen. Das kann positive, aber auch negative Folgen haben. Eisen beispielsweise ist für Organismen ein essentieller Mikronährstoff, der aber an der Erdoberfläche nur schwer löslich ist und somit nur eine geringe Bioverfügbarkeit hat. Viele Organismen produzieren daher Siderophoren, um die Löslichkeit von Eisen zu erhöhen und dieses für sie nutzbar zu machen. Es kann aber auch zu unerwünschten Effekten kommen, weil die Siderophoren auch die Löslichkeit von giftigen Metallen wie etwa Uran erhöhen.

 

In einer jüngst veröffentlichten Studie in der Fachzeitschrift Geochimica et Cosmochimica Acta konnten die Jacobs Wissenschaftler Prof. Dr. Michael Bau und Dr. Dennis Krämer zusammen mit Dr. Sebastian Kopf, einem ehemaligen Studenten der Jacobs University, der heute an der Princeton University in den USA forscht, zeigen, dass solche Siderophoren nicht nur die Löslichkeit von Eisen erhöhen, sondern dass sie auch Hochtechnologiemetalle wie zum Beispiel Uran, Platin, Thorium und Seltene Erden aus Gesteinen herauslösen können. Diese Elemente gelten gemeinhin als sehr immobil, das heißt, dass sie sich im Wasser nur schwer lösen. In Anwesenheit der Biomoleküle erhöht sich die Löslichkeit dieser teils hochtoxischen Schwermetalle allerdings erheblich und sie können dadurch auch ins Grund- und Trinkwasser sowie in die Nahrungskette gelangen. Andererseits könnten diese Verbindungen aber auch zum Beispiel eine effektivere Aufbereitung von Platinerzen oder die Entwicklung neuer Methoden des Recyclings ermöglichen.

 

„Geowissenschaftler sind bislang immer davon ausgegangen, dass Elemente wie die Seltenen Erden oder auch Thorium an der Erdoberfläche nur schwer zu mobilisieren sind. Dass die bloße Anwesenheit von biogenen Molekülen die Mobilisierbarkeit aus Gesteinen dermaßen drastisch erhöht, ist eine große Überraschung und könnte die Tür zu vielen neuen Anwendungen öffnen“, so Michael Bau. Die Wissenschaftler der Jacobs University konnten auch nachweisen, dass sich durch die Siderophoren typische Spurenelementverhältnisse bilden, die als sogenannte „Biosignaturen“ das Vorhandensein dieser Biomoleküle in Gesteinen der Erdfrühzeit aufgezeichnet haben und dadurch wichtige Informationen zur Entwicklung des Lebens auf der Erde liefern könnten. „Das Potenzial dieser Signaturen als Indikatoren für die Existenz von Lebewesen ist da – zukünftige Studien müssen nun zeigen, ob man sie zum Beispiel in fossilen Böden, sogenannten Paleosols, auch tatsächlich finden kann“, so Bau weiter.

 

Die Verwendung von Hochtechnologiemetallen im Alltag nimmt rasant zu. Seltene Erden zum Beispiel sind nicht nur in Smartphones und Flachbildschirmen, sondern auch in Elektroautos und Windenergieanlagen zu finden. Hohe Konzentrationen dieser Metalle gelangen somit zwangsläufig auch in die Umwelt. „Die Mobilisierung dieser Metalle durch biologisch produzierte Moleküle könnte bedeuten, dass auch Bakterien, Pflanzen und Pilze in der Lage sind, diese Metalle in ihren Organismus aufzunehmen oder die Aufnahme durch die Bindung an Siderophoren gezielt zu verhindern“, sagt Dennis Krämer, Erstautor der Studie und Geowissenschaftler an der Jacobs University. „Die Konzentrationen der Siderophoren in der Natur sind allerdings zu gering, als dass daraus allein eine Gefährdung für die Umwelt und den Menschen entstehen könnte. Unsere Experimente zeigen allerdings, dass die Natur prinzipiell in der Lage ist, mitunter auch normalerweise nahezu unlösliche Metalle zu mobilisieren“, so Krämer weiter, „dies hat natürlich große Bedeutung für die Lagerung von radioaktivem Abfall, für die Sanierung von mit Hochtechnologiemetallen wie Uran und Thorium kontaminierten Böden und Gewässern, oder die Aufbereitung von Platinerzen.“

 

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Kraemer, D., Kopf, S. und Bau, M. Oxidative mobilization of cerium and uranium and enhanced release of ‘immobile’ high field strength elements from igneous rocks in the presence of the biogenic siderophore desferrioxamine B. Geochim. Cosmochim. Acta 165, 263–279 (2015).

DOI: 10.1016/j.gca.2015.05.046 Jacobs University Bremen gGmbH www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001670371500383X