Verbesserte Uran-Bioleaching in brackigen Umgebungen durch mikrobielles Konsortium mit RSM-basierter Modellierung und Optimierung

Warum salziges Wasser und winzige Helfer wichtig sind

Da hochwertiges Uranerz immer seltener wird und Süßwasser knapper, suchen Bergbauunternehmen nach saubereren, kostengünstigeren Verfahren zur Gewinnung dieses kritischen Brennstoffs für die Kernenergie. Ein vielversprechender Ansatz ist, Mikroben die Arbeit übernehmen zu lassen: Bestimmte Bakterien können Metalle langsam aus Gestein lösen in einem Prozess, der Bioleaching genannt wird. Es gibt jedoch einen Haken — diese Mikroben mögen in der Regel kein salziges, brackiges Wasser, das in trockenen Bergbauregionen oft die einzige verfügbare Wasserquelle ist. Diese Studie untersucht eine clevere Lösung: die Zusammenarbeit eines salztoleranten Bakteriums mit einer Hefe, sodass sie gemeinsam Uran aus niedriggradigem Erz unter brackigen Bedingungen lösen können.

Mikroben die Arbeit am Gestein überlassen

Anstatt hohe Temperaturen oder aggressive Chemikalien zu verwenden, beruht Bioleaching auf Mikroorganismen, die Energie gewinnen, indem sie Eisen und Schwefel im Erz umwandeln. Dabei schaffen sie eine saure, oxidierende Umgebung, die feste Uranminerale in gelöste Formen überführt, die aus der Lösung zurückgewonnen werden können. Die Forschenden arbeiteten mit einem niedriggradigen Uranerz aus Zentraliran und kultivierten ein halotolerantes Bakterium, Acidithiobacillus ferrooxidans Stamm THA4, in einem Laboransatz mit kontrollierten Mengen an Salz, zerkleinertem Erz und Luft. Durch genaue Messungen, wie viel Uran unter verschiedenen Bedingungen in die Flüssigkeit gelangte, konnten sie beurteilen, wie gut die Mikroben das Gestein „abbauten“.

Salziges Wasser und Erzbelastung testen

Eine zentrale Frage war, wie viel Salz und Feststoff die Bakterien bewältigen können, bevor ihre Leistung nachlässt. Mithilfe eines statistischen Ansatzes, der Response-Surface-Methodik, variierten die Forschenden Salzgehalt, Erzkonzentration (Pulp-Dichte), Kontaktzeit und Anfangsmenge an Bakterien über dutzende Versuche. Sie fanden heraus, dass höherer Salzgehalt und mehr Feststoff beide die Uranrückgewinnung reduzierten: Salz setzte die Mikroben osmotischem Stress aus, während dichte Suspensionen den Sauerstoff begrenzten und es den Zellen erschwerten, Mineraloberflächen zu erreichen. Eine Verlängerung der Auslaugzeit half bis zu etwa zehn Tagen, da sie den Bakterien Zeit zum Wachsen und zur Produktion oxidierender Agenzien gab, darüber hinaus sank die Leistung vermutlich, weil Nährstoffe aufgebraucht und Abfallprodukte angesammelt wurden.

Ein Partner für harte Bedingungen

Um die Extraktion in brackigem Wasser zu verbessern, führten die Forschenden ein zweites Mikroorganismus ein: die Hefe Rhodotorula toruloides Stamm IR-1395, die Säure und Salz tolerieren kann. Statt zu konkurrieren, übernehmen die beiden Arten unterschiedliche Aufgaben. Das Bakterium ernährt sich von anorganischem Eisen und Schwefel und ist auf Kohlendioxid angewiesen, während die Hefe organisches Material nutzt und Kohlendioxid wieder in die Flüssigkeit abgibt. Wenn beide in sorgfältig gewählten Mengen vorhanden waren, wurde das System robuster. Die optimierte Kombination aus Bakterium und Hefe erhöhte die Uranrückgewinnung um etwa 24 Prozent im Vergleich zum Bakterium allein unter ähnlichen Salzbedingungen, und die Lösung wurde sowohl oxidierender als auch saurer — beides vorteilhaft zum Auflösen von Uran.

Zusehen, wie Mikroben Bergbaugemeinschaften bilden

Das Team nutzte außerdem Rasterelektronenmikroskopie gekoppelt mit Elementaranalyse, um direkt zu beobachten, wie die Organismen das Erz kolonisierten. Innerhalb weniger Tage sahen sie einzelne bakterielle Zellen, die sich an Mineralpartikel anlagerten. Nach 16 Tagen zeigten Proben mit sowohl Bakterien als auch Hefe dichte mikrobielle Schichten — Biofilme —, die das Gestein bedeckten, zusammen mit Mineralkrusten wie Jarosit an der Oberfläche. Diese Biofilme helfen, die Zellen in engem Kontakt mit dem Erz zu halten, wo sie kontinuierlich chemische Stoffe produzieren können, die das Mineral angreifen und das Uran in Lösung halten. Die visuellen Befunde untermauerten die Messungen: Das Konsortium überlebte nicht nur, sondern veränderte aktiv die Gesteinsoberfläche in der salzigen Umgebung.

Was das für die künftige Urangewinnung bedeutet

Insgesamt zeigt die Studie, dass eine durchdacht konzipierte Partnerschaft zwischen verschiedenen Mikroben eines der Hauptprobleme des Bioleachings überwinden kann: die Salzempfindlichkeit. Durch die Kombination eines salztoleranten Bakteriums mit einer kompatiblen Hefe und den Einsatz statistischer Werkzeuge zur Feinabstimmung von Salzgehalt, Erzbeladung, Mikrobenmengen und Zeit haben die Forschenden ein effizientes Uran-Auslaugungssystem geschaffen, das in brackigem Wasser und mit niedriggradigem Erz funktioniert. Für Laien lautet die Schlussfolgerung, dass winzige Organismen als umweltfreundliche „Bergleute“ fungieren können und dass ihre gezielte Zusammenführung helfen kann, wertvolle Metalle dort zu gewinnen, wo sauberes Wasser und reiche Erzlagerstätten nicht mehr verfügbar sind.

Zitation: Shoja, M., Mohammadi, P., Tajer-Mohammad-Ghazvini, P. et al. Improved uranium bioleaching in brackish environments via microbial consortium using RSM based modelling and optimization. Sci Rep 16, 9697 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39700-3

Schlüsselwörter: Bioleaching, Urangewinnung, salzhaltiges Wasser, mikrobielle Konsortien, Biomining