Die Zellantwort von Mikroalgen auf Metalle seltener Erden

Die Metalle der Seltenen Erden (MSE) kommen in einer Vielzahl an Produkten moderner Technologie zur Anwendung, zum Beispiel in Flachbildschirmen, Magneten für Elektromotoren und Computer, Metalllegierungen oder Laserkomponenten. Der steigende Bedarf and High-Tech-Produkten führt zu einem erhöhten Ausstoß an Abfall, welcher MSE enthält, im Besonderen elektronischem Schrott sowie Schlämmen und Abwässern von Bergwerken. Dadurch kontaminieren MSE Böden und Gewässer, wo sie ein steigendes Risiko für die ökologische sowie menschliche Gesundheit darstellen. Es werden daher nachhaltige Technologien zur Rückgewinnung von MSE aus Abfallströmen benötigt, um diese Ressource in eine Kreislaufwirtschaft zu integrieren. Mikroalgen sind einzellige Organismen, die Photosynthese betreiben. Sie kommen in fast allen natürlichen Gewässern vor, einschließlich extrem heißer und saurer Milieus (50-6ßC; pH bis zu 0). Organismen, die unter solchen Bedingungen wachsen, sind sogenannte Extremophile. Das Potenzial extremophiler Mikroalgen zur Rückgewinnung toxischer Metalle aus Abfällen, wie z.B. Cadmium oder Blei, ist bekannt und kann zum Teil durch die intrinsischen Mechanismen harschen Bedingungen standzuhalten erklärt werden. Die Vorgänge, mit denen sich MSE in Mikroalgen anreichern, sowie die physiologischen Auswirkungen dieser Metalle, sind jedoch weitaus unbekannt. Im Besonderen ist nicht erforscht, welchen Einfluss eine planktonische (frei im Wasser schw ebend) oder eine sessile (an einem Festkörper als Biofilm anhaftend) Lebensweise auf die Zellantwort auf MSE hat. Hierbei sei angemerkt, dass MSE keinerlei biologische Funktion in lebenden Organismen zugeschrieben wurde, bis deren Bedeutsamkeit für den Stoffwechsel von Bodenbakterien vor nur einem Jahrzehnt entdeckt wurde. Das Ziel dieses Projektes ist es, die Mechanismen für Transport, Anreicherung und Entgiftung von MSE, sowie die Stressantwort auf diese Metalle in Mikroalgen zu beleuchten. Die extremophile rote Alge Galdieria sulphuraria wird als Modellorganismus dienen. Sowohl planktonische als auch sessile Mikroalgenkulturen werden verschiedenen Konzentrationen von MSE ausgesetzt werden um eine Dosis-Wirkungs-Beziehung unter den jeweiligen Wachstumsbedingungen herstellen zu können. Transcriptomics und Proteomics sind der Kern der analytischen Methoden dieses Projekts, wodurch gezeigt werden kann, welche Gene zu welchen Proteinen exprimiert werden. Die erlangten Erkenntnisse werden nicht nur unser Wissen über den Einfluss von MSE auf Mikroalgen in der Umwelt erweitern, sondern auch die Entwicklung nachhaltiger Prozesse zur Rückgewinnung dieser kritischen Metalle aus Abfällen erleichtern.

Metalle Seltener Erden, die sogenannten Lanthanoide, sind wichtige Bestandteile moderner Technologien, wie etwa Batterien, Windräder, Smartphones oder Katalysatoren. Um die Produktion dieser Metalle nachhaltiger zu machen, wird nach Methoden gesucht, Lanthanoide aus wässrigen Abfallströmen zu recyceln. In diesem Projekt wurde daran geforscht, was für eine Rolle Mikroalgen - mikroskopische Lebewesen, die sich von Licht und Kohlendioxid ernähren - dabei spielen können, und was man bei Experimenten dazu beachten muss. Säure-liebende (sogenannte acidophile) Mikroalgen leben unter extremen Bedingungen. Das Mileu, in dem sie sich wohlfühlen, ist so sauer wie Zitronensaft und enthält oft sehr hohe Konzentrationen an gelösten toxischen Metallen. Könnte diese Widerstandsfähigkeit von Nutzen sein, Lanthanoide "aufzusaugen"? Die Ergebnisse dieses Projektes zeigen, dass acidophile Mikroalgen tatsächlich sehr gut bei hohen Konzentrationen Seltener Erden wachsen können, doch unter optimalen Wachstumsbedingungen geringe Mengen an Lanthanoiden aufnehmen. Diese werden garnicht erst in die Zelle eingeschleust, sondern am Zelläußeren abgewiesen. Für eine effiziente Aufnahme muss man den pH-Wert erhöhen, also den Säuregehalt reduzieren, damit die Ladung der Zellwand und der Metalle entgegengesetzt sind und die beiden einander stärker anziehen. Obwohl Mikroalgen bei erhöhtem pH-Wert auch wachsen, können sich unter diesen Bedingungen unlösliche Phosphatsalze der Lanthanoide bilden. Dies würde zu unkontrolliertem Verlust der Metalle führen, oder auch zu einer Überschätzung der tatsächlichen Aufnahme durch die Zellen. Es ist daher wichtig zu bestimmen, ob Lanthanoidphosphate unter den gegebenen experimentellen Bedingungen löslich sind. In diesem Projekt wurde gezeigt, dass einige Lösungskomponenten, die oft in Experimenten mit Mikroorganismen und Lanthanoiden vorzufinden sind, zu einer Übersättigung an Lanthanoidphosphaten führen. Das bedeutet, dass die Lösung nicht stabil ist und die Phosphatsalze erst als Feststoffe ausfallen, wenn ein Kristallisationskeim vorhanden ist. Dies führt zu ungenauen Schlussfolgerungen zur Metallaufnahmeeffizienz. Es wurde somit eine Vorgehensweise für Kontrollversuche basierend auf Simulierungen und Experimenten dargelegt, die Studien über die Wechselwirkungen von Lanthanoiden und Mikroorganismen treffsicherer machen kann. Die Ergebnisse dieses Projektes sind für die Entwicklung von Prozessen zur Wiedergewinnung von Seltenen Erden von Bedeutung, sowie im Allgemeinen für die Forschung an Lanthanoiden in biologischen Systemen.