Gold schlucken, entgiften, abbauen, ich spreche von Mikroorganismen

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Zhang Xiaodong (Guangdong Industry and Trade Vocational Technical College)

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Warum sind die „Dunhuang-Wandmalereien“ verblasst? Warum haben Weltraumgeräte Angst vor der Invasion von Mikroorganismen? Wie nehmen metallische Werkstoffe am Erdkreislauf teil? Welche Beziehung besteht zwischen Metallen und Mikroorganismen?

Metall scheint unzerstörbar. Wie also bezwingen winzige Mikroorganismen es? Heute wollen wir mehr über die Hassliebe zwischen Mikroorganismen und Metallen erfahren.

Mikroben, die gerne sammeln

Metallische Elemente sind in der natürlichen Umwelt und der menschlichen Gesellschaftsproduktion weit verbreitet. In der natürlichen Umwelt kommen Metalle im Allgemeinen in Form von metallischen Mineralien in der Lithosphäre, der Bodensphäre usw. vor, und in aquatischen Umgebungen wie Ozeanen und Seen kommen sie im Allgemeinen in Form von Metallionen vor. Ob in der Lithosphäre oder im Meerwasser, Mikroorganismen können die Aufgabe des „Sammelns“ von Metallen erfüllen und werden nie müde. Das „Einsammeln“ von Metallen durch Mikroorganismen wird auch als Metallimmobilisierung, Biokonzentration oder Biosorption bezeichnet.

Mikroorganismen haben viele Möglichkeiten, Metalle zu „sammeln“. Diese können als extrazelluläre Adsorption und Komplexierung, extrazelluläre Präzipitation und intrazelluläre Akkumulation zusammengefasst werden.

Unter extrazellulärer Präzipitation versteht man den Vorgang, bei dem bestimmte von Bakterien produzierte Substanzen chemisch mit Metallen in der Lösung reagieren und dabei unlösliche Metallverbindungen bilden. Beispielsweise kann die Phosphatase auf der Oberfläche einiger Bakterienzellen Glycerin-2-phosphat spalten und dadurch einen Niederschlag erzeugen. Die löslichen Metallmonohydrogenphosphat-Ionen können mit Schwermetallen wie Zinn, Blei und Uran reagieren und einen Niederschlag bilden, der in Wasser schwer oder unlöslich ist und dadurch die Metallionen zurückhält.

Unter Oberflächenadsorption versteht man den Prozess, bei dem negativ geladene funktionelle Gruppen auf der Oberfläche von Mikroorganismen Metallkationen adsorbieren. In Schwermetallabwässern sind Metallionen normalerweise Kationen, die ständig nach Möglichkeiten suchen, sich mit Anionen zu verbinden. Es ist genau das Vorhandensein von funktionellen Gruppen wie Schwefel, Phosphat, Hydroxyl und Carboxyl auf der Oberfläche mikrobieller Zellwände, das der mikrobiellen Oberfläche eine „negative Ladung“ verleiht. Diese funktionellen Gruppen können koordinierte Elektronenpaare für Metallionen bereitstellen, wodurch das Metall an der Zellwand adsorbiert werden kann, wie in Abbildung 1 dargestellt. Darüber hinaus können Mikroorganismen Metalle auch durch Ionenaustausch, Oberflächenkomplexierung und andere Methoden „sammeln“.

Abbildung 1 Schematische Darstellung von Mikroorganismen, die Metalle „sammeln“

Unter Endozytose versteht man den Prozess der Metallfixierung in mikrobiellen Zellen. Aufgrund physikalischer und chemischer Effekte werden Metalle an der Zelloberfläche adsorbiert und anschließend werden die „gesammelten“ Metalle von den Mikroorganismen absorbiert, wie in Abbildung 2 dargestellt. Beispielsweise sind 8,5 % des in Bacillus subtilis chelatierten Bleis physikalisch in der Zellwand eingekapselt.

Abbildung 2 Intrazelluläre Aggregation

(Bildquelle: Journal of Engineering Science)

Mikroorganismen: Gute Helfer des Menschen

In den 1980er Jahren wurde über eine neue Technologie zur Mineralexploration berichtet, bei der Mikroorganismen zum Aufspüren von Metallvorkommen eingesetzt wurden. Eine Zeit lang war man mit großer Begeisterung dabei, Mikroorganismen zum „Goldwaschen“ einzusetzen, und Mikroorganismen wurden zu glorreichen „Goldsuchern“.

Der Grund, warum Mikroorganismen dem Menschen bei der Durchführung von Erkundungsarbeiten helfen können, liegt darin, dass verschiedene Mikroorganismen unterschiedlich empfindlich auf die toxische Wirkung von Schwermetallen reagieren. Bestimmte Mikroorganismen vertragen höhere Metallkonzentrationen, sodass diese Mikroorganismen bevorzugt in Bereichen mit hohem Metallgehalt wachsen. Der Nachweis dieses spezifischen Mikroorganismus entspricht dem Nachweis von Metallablagerungen.

Mikroorganismen sind nicht nur Prospektoren, sie sind wahre „Bergleute“, die die benötigten Metalle effizient abbauen können. Mikroorganismen nutzen ihre eigenen Redoxeigenschaften bei Mineralien, um die Metalle in den Mineralien in der Lauge aufzulösen (eine Lösung, die festes Erz in Flüssigkeit umwandeln und dann metallhaltige Erzflüssigkeit erhalten kann, um den Abbau abzuschließen) oder nutzen die Metaboliten von Mikroorganismen (wie Zitronensäure, Oxalsäure, Fe3+ usw.), um Mineralien aufzulösen. Sie können auch die Metallkomplexe in den Mineralien verwenden, um die Mineralien zu oxidieren und zu reduzieren, um die Mineralien aufzulösen und so den Zweck des Bergbaus zu erreichen. Dies ist einer der Gründe, warum das „Wandbild“ seinen Glanz verliert.

Neben der Erkennung von Metallen und dem Abbau von Mineralien können Mikroorganismen auch Schwermetallbelastungen im Boden beheben.

Die industrielle Entwicklung hat zu einer Schwermetallverschmutzung geführt. In die Natur gelangende Schwermetalle schädigen nicht nur den Menschen, sondern stellen auch eine Bedrohung für verschiedene Mikroorganismen dar. Mikroorganismen können sich jedoch „retten“, indem sie die Toxizität von Schwermetallen verringern.

Studien haben ergeben, dass einige Mikroorganismen in unterschiedlichen Bodenumgebungen den Wertigkeitszustand von Metallelementen wie As, Cr, Hg und Zn durch eine Reihe von Aktivitäten verändern, was zu Änderungen ihrer Toxizität, Löslichkeit, Mobilität und anderer Eigenschaften führt. Beispielsweise können einige acidophile Bakterien durch ihre eigenen Stoffwechselaktivitäten hochgiftiges sechswertiges Chrom (eine Art Karzinogen) in weniger giftiges und weniger lösliches dreiwertiges Chrom umwandeln und so dessen Toxizität erheblich verringern.

Mikroorganismen – eine „große Bedrohung“ für die Industrie

In „Shenyijing“ heißt es: „Im Süden gibt es ein Tier mit Hörnern und Füßen so groß wie ein Büffel. Sein Fell ist schwarz wie Lack. Es frisst Eisen und trinkt Wasser. Aus seinem Kot lassen sich Waffen herstellen. Es ist scharf wie Stahl. Man nennt es Eisennagend.“ Dies ist der Rekord meines Landes an eisenfressenden Bestien. In der Natur sind es Mikroorganismen und Pflanzen, die die wichtige Aufgabe des „Eisenessens“ übernehmen. Neben der gegenseitigen Anziehung sind manche Mikroorganismen und Metalle auch gewissermaßen Feinde.

Industrieanlagen, Luft- und Raumfahrtausrüstung, Hochseeschiffe usw. waren schon immer durch Mikroorganismen bedroht. Da die Lebensaktivitäten einiger Mikroorganismen den elektrochemischen Prozess der Metallkorrosion indirekt beeinflussen und dadurch den Prozess der Metallkorrosion verschlimmern und Stahlprodukte zerstören, handelt es sich im Wesentlichen um eine elektrochemische Korrosion.

Zu den üblichen mikrobiellen Metallkorrosionsbakterien zählen aerobe Eisenbakterien, Manganbakterien und anaerobe sulfatreduzierende Bakterien. Unter ihnen gewinnen die trophischen Eisenbakterien Energie aus der Oxidation von zweiwertigem Eisen, indem sie zweiwertige Eisenionen in dreiwertige Eisenionen umwandeln und in der Lage sind, Eisenhydroxidablagerungen zu bilden, Rostablagerungen zu bilden, den Korrosionsprozess kontinuierlich zu verschlimmern und letztendlich Stahlprodukte zu zerstören.

Die Beziehung zwischen Metallen und Mikroorganismen ist komplex und kompliziert und viele Wirkungsmechanismen müssen noch verbessert werden. Allerdings hat der Mensch nie aufgehört, Mikroorganismen im Bereich der Metallmaterialien einzusetzen, insbesondere bei der Behandlung von Schwermetallverschmutzung, der Bodensanierung, der Mineralienexploration, dem Metallrecycling und in anderen Bereichen.