Wissenschaftler entwickeln Bakterium, das Batteriemetalle aus Gestein holt – und dabei helfen könnte, CO₂ dauerhaft zu binden

Batterien brauchen Metalle wie Nickel und Kobalt – gleichzeitig sucht die Welt nach Wegen, Kohlenstoff dauerhaft zu binden. Ausgerechnet Olivin könnte bei beidem helfen. Das Mineral aus dem Erdmantel reagiert an der Erdoberfläche vergleichsweise leicht mit Säuren und setzt dabei Magnesium sowie Metalle frei.

Wissenschaftler der Cornell University haben nun einen Stamm des Bakteriums Gluconobacter oxydans gentechnisch so verändert, dass er diesen natürlichen Prozess stark beschleunigt. Im Fachjournal Scientific Reports berichten sie, dass das Bakterium Olivin und Enstatit mit organischen Säuren angreift. Dabei wird unter anderem Nickel freigesetzt. Zugleich entsteht Magnesiumoxalat, ein Mineral, das Kohlenstoff binden kann. So rückt eine ungewöhnliche Idee näher: CO₂ mit Hilfe von Bakterien speichern und dabei gleichzeitig Rohstoffe gewinnen.

CO₂ speichern mit Bakterien beginnt beim reaktiven Olivin

Olivin eignet sich für solche Versuche, weil das Mineral unter den Bedingungen an der Erdoberfläche chemisch instabil ist. Bei seiner natürlichen Verwitterung werden unter anderem Magnesiumionen frei. Diese können später mit kohlenstoffhaltigen Verbindungen neue Minerale bilden. In der Natur läuft dieser Prozess jedoch sehr langsam.

Ultramafische Gesteine stammen meist aus dem Erdmantel und enthalten besonders viel Magnesium und Eisen. Dadurch können sie theoretisch enorme Mengen Kohlenstoff binden – ohne Beschleunigung dauert das jedoch Zehntausende bis Hunderttausende Jahre.

Gluconobacter oxydans verkürzt einen Teil dieses Weges. Das Bakterium erzeugt organische Säuren und senkt damit den pH-Wert seiner Umgebung. Die gentechnisch veränderte Variante produzierte eine besonders säurereiche Flüssigkeit. Vorläufige Messungen ergaben darin rund zehn Prozent Gluconsäure. Beim unveränderten Wildtyp waren es etwa sechs Prozent.

Das Bakterium löst Olivin erstaunlich schnell auf

Für ihre Experimente zermahlten die Wissenschaftler Olivin sowie eine Mischung aus Olivin und Enstatit zu feinem Pulver. Anschließend behandelten sie das Material 15 Tage lang. Ein Teil der Proben kam direkt mit den Bakterien in Kontakt. Andere erhielten lediglich die zuvor von den Mikroorganismen produzierte saure Flüssigkeit. Die Versuche liefen bei 30 Grad Celsius und ohne Durchmischung.

Der direkte Kontakt machte einen erheblichen Unterschied. Nach 15 Tagen hatten die Bakterien in den erfolgreichsten Versuchen bis zu 75 Prozent des ursprünglich im Olivin enthaltenen Magnesiums herausgelöst. In allen Versuchen mit G. oxydans waren es mindestens 70 Prozent. Zum Vergleich führen die Autoren frühere Experimente mit dem Pilz Aspergillus niger an. Dort wurden bei gleicher Feststoffkonzentration innerhalb von 21 Tagen nur rund zehn Prozent des Magnesiums mobilisiert.

Auch Nickel löst sich deutlich aus dem Gestein

Mit dem Magnesium gelangte auch Nickel in die Flüssigkeit. Besonders gut funktionierte reiner Olivin mit direktem Bakterienkontakt. Dort fanden die Wissenschaftler im Mittel mehr als 9500 Milligramm Magnesium und 80 Milligramm Nickel pro Liter Lösung.

Nach dem fünften Versuchstag schnitten die Proben mit lebenden Bakterien bei beiden Elementen besser ab als jene, die nur mit der bakterienfreien Säurelösung behandelt wurden. Das freigesetzte Nickel befand sich zunächst nur in gelöster Form in der Flüssigkeit. Für eine Nutzung als Rohstoff wären weitere Trenn- und Aufbereitungsschritte nötig.

Esteban Gazel, Professor für Erd- und Atmosphärenwissenschaften an der Cornell University, sieht gerade in dieser Verbindung den wirtschaftlichen Reiz: „Indem wir Kohlenstoffspeicherung mit der Gewinnung wertvoller Batteriemetalle koppeln, hat dieser Ansatz das Potenzial, die Wirtschaftlichkeit einer großskaligen CO₂-Entnahme zu verbessern.“

Direkter Bakterienkontakt verstärkt die Reaktion zusätzlich

Die Säuren allein erklären offenbar nicht die gesamte Wirkung. Flüssigkeiten mit lebenden G. oxydans verfärbten sich während der Experimente dunkelrot bis braun. Ohne Bakterien blieben sie deutlich heller. Die Wissenschaftler führen das auf Veränderungen des im Olivin enthaltenen Eisens zurück. Die Anwesenheit der Mikroorganismen förderte zumindest indirekt die Oxidation von zweiwertigem zu dreiwertigem Eisen. Wie dieser Vorgang biologisch genau abläuft, ist noch offen.

Möglich wäre, dass die Bakterien reaktive Sauerstoffverbindungen erzeugen. Auch andere von ihnen produzierte Stoffe könnten beteiligt sein. Der Effekt hilft möglicherweise dabei, die Mikroorganismen länger aktiv zu halten. Sie können dadurch weiter Säure bilden und das Gestein weiter angreifen. Für eine technische Anwendung wäre das interessant: Eine künstlich hergestellte Säuremischung müsste nicht zwangsläufig dieselbe Wirkung erzielen wie lebende Bakterien.

Aus gelöstem Magnesium entsteht ein Kohlenstoffspeicher

Während das Olivin verschwand, entstand auf seiner Oberfläche ein neues Mineral: Magnesiumoxalat, auch Glushinskit genannt. Mikroskopische Aufnahmen zeigten kleine Kristalle auf deutlich angegriffenen Olivinkörnern. Die Wissenschaftler bestätigten Magnesiumoxalat zusätzlich mit Röntgenbeugung und Raman-Spektroskopie.

Magnesiumoxalat besitzt eine ungewöhnliche Eigenschaft. Auf jedes Magnesiumatom kommen zwei Kohlenstoffatome. Bei Magnesit, einem häufig diskutierten Mineral für die dauerhafte Bindung von CO₂, beträgt das Verhältnis nur eins zu eins. Bezogen auf dieselbe Menge Magnesium könnte Magnesiumoxalat damit theoretisch doppelt so viel Kohlenstoff aufnehmen. Außerdem bildet es sich bei niedrigen Temperaturen und niedrigem pH-Wert.

75 Prozent Magnesium bedeuten nicht 75 Prozent Kohlenstoffbindung

Nach 15 Tagen waren bis zu 75 Prozent des Magnesiums aus dem Olivin gelöst. Nur elf Prozent des ursprünglich vorhandenen Magnesiums waren zu diesem Zeitpunkt bereits in Magnesiumoxalat gebunden. Weitere 64 Prozent befanden sich noch gelöst in der Flüssigkeit. Magnesiumoxalat entstand zudem erst ab dem zehnten Versuchstag.

Damit blieb ein großer Teil des freigesetzten Magnesiums für weitere Reaktionen verfügbar. Ob daraus bei längerer Versuchsdauer tatsächlich mehr Magnesiumoxalat entsteht, ist noch unklar. Die Autoren bezeichnen die Verbindung aus Kohlenstoffspeicherung und der Gewinnung kritischer Elemente als „eine vielversprechende Möglichkeit für die globale Kohlenstoffspeicherung, die weitere Untersuchungen verdient“.

Woher der gebundene Kohlenstoff stammt

Die Bakterien wurden mit Glukose versorgt. Der im Magnesiumoxalat gebundene Kohlenstoff stammt nach Einschätzung der Wissenschaftler wahrscheinlich letztlich aus diesem Ausgangsstoff. Atmosphärisches CO₂ wurde in den Versuchen damit noch nicht in großem Maßstab entfernt. Dafür wären günstige Kohlenstoffquellen nötig, deren Kohlenstoff andernfalls wieder in die Atmosphäre gelangen würde.

Glukose ist zudem teuer und erschwert eine Anwendung in großem Maßstab. Deshalb untersuchen Wissenschaftler günstigere Ausgangsstoffe wie Zellulosehydrolysate. Besonders geeignet könnten außerdem ultramafische Bergbauabfälle sein. Weltweit existieren davon nach Angaben der Autoren rund zehn Milliarden Tonnen. Das Gestein wurde dort bereits abgebaut und zerkleinert – zwei energieintensive Schritte wären damit schon erledigt.

Ablagerungen bremsen die Bakterien schon nach wenigen Tagen

Magnesiumoxalat und amorphes Siliziumdioxid lagern sich während der Reaktion zunehmend auf der Olivinoberfläche ab. Diese Schicht schirmt das darunterliegende Mineral von der sauren Flüssigkeit ab. Dadurch verlangsamte sich die Freisetzung von Magnesium und Nickel bereits nach dem fünften Versuchstag deutlich. Für eine spätere technische Anwendung müsste die Oberfläche deshalb regelmäßig freigelegt oder die Bildung dieser Schicht gebremst werden.

Auch die Haltbarkeit des Magnesiumoxalats ist noch nicht geklärt. Das Mineral ist in Wasser ungefähr doppelt so löslich wie Magnesit. Über seine langfristige Verwitterung und Stabilität unter natürlichen Bedingungen ist bislang wenig bekannt. Wie dauerhaft der gebundene Kohlenstoff im Mineral bleibt, müssen längere Versuche erst klären.

Kurz zusammengefasst:

• Das gentechnisch veränderte Bakterium Gluconobacter oxydans beschleunigt die Auflösung von Olivin und setzt dabei unter anderem Magnesium und Nickel frei.
• Aus einem Teil des gelösten Magnesiums entsteht Magnesiumoxalat, das pro Magnesiumatom zwei Kohlenstoffatome binden kann; nach 15 Tagen waren jedoch erst elf Prozent des ursprünglichen Magnesiums darin gebunden.
• Für eine spätere CO₂-Speicherung sind noch zentrale Fragen offen: Der Kohlenstoff stammte im Versuch wohl aus Glukose, die Reaktion bremst sich durch Ablagerungen selbst und die Langzeitstabilität des Magnesiumoxalats ist noch ungeklärt.

Übrigens: Ein anderes Bakterium kann CO₂ direkt in Kalkstein umwandeln – und könnte damit eines Tages klimafreundlichere Baustoffe ermöglichen. Wie dieser ungewöhnliche Weg der CO₂-Mineralisierung funktioniert, mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © GerritR via Wikimedia unter CC BY-SA 4.0