15.09.2020 - Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)

Recycling von Selten-Erd-Elementen mithilfe von Bakterien?

Ohne potenziell schädliche Lösungsmittel oder Zusätze?

Selten-Erd-Elemente sind technologisch unverzichtbare Rohstoffe. LMU-Chemiker haben nun gezeigt, dass ein Bestandteil bakterieller Enzyme einige der begehrten Elemente umweltschonend aus Gemischen isolieren kann.

Selten-Erd-Elemente (SEE) sind aus dem modernen Leben kaum mehr wegzudenken: Computer, Smartphones oder Elektromotoren würden ohne sie nicht funktionieren, und für viele Schlüsseltechnologien sind sie etwa als Bestandteile von Magneten, Batterien oder Katalysatoren unverzichtbar. Insgesamt gehören 17 Elemente zu dieser Gruppe, darunter Scandium, Yttrium, Lanthan und die sogenannten Lanthanoide. In der Natur kommen sie immer in Mischungen vor, oft sind sie auch mit den radioaktiven Elementen Uran und Thorium vergesellschaftet. Da SEE sich chemisch sehr ähneln, ist ihre Trennung bisher schwierig, sehr energieaufwendig und wenig nachhaltig. Ein Team um Professorin Lena Daumann vom Department Chemie hat nun gezeigt, dass ein bakterielles Molekül, der sogenannte Redox Cofaktor Pyrrolochinolinchinon (PQQ), einige der Gemische auftrennen kann.

Seit wenigen Jahren ist bekannt, dass Selten-Erd-Elemente auch biologisch essenziell sind. Manche Bakterien etwa nehmen Lanthanoide gezielt auf und nutzen sie für ihren Stoffwechsel. Der Cofaktor PQQ kommt in einigen bakteriellen Enzymen vor, die ihn nutzen, um Methanol mithilfe von Selten-Erd-Elementen wie Lanthan oder Europium zu oxidieren und dadurch Energie gewinnen. Die Wissenschaftler haben nun die Eigenschaften von PQQ näher charakterisiert und in Kooperation mit Forschern aus Berlin und Münster zudem erstmals die Struktur der gebildeten PQQ-Lanthanoid-Komplexe außerhalb einer Proteinmatrix charakterisiert.

Die Forscher konnten nachweisen, dass PQQ in der Lage ist, aus in Wasser gelösten Mischungen einige der Selten-Erd-Elemente auszufällen, also ohne potenziell schädliche Lösungsmittel oder Zusätze. Dabei werden die größeren Lanthanoide bevorzugt, dazu gehört auch Neodym, das unter anderem für nachhaltige Technologien wichtig ist. „Eine Eigenschaft der Lanthanoide ist, dass in der Reihe von Lanthan bis Lutetium die Ionenradien stetig abnehmen, diese winzigen Größenunterschiede kann man sich zunutze machen“, sagt Daumann. Bisher war zudem unklar, warum Bakterien vor allem etwas größere Lanthanoide für biologische Funktionen nutzen. Aufgrund ihrer Ergebnisse vermuten die Wissenschaftler, dass dies mit PQQ zusammenhängt, und dass das aktive Zentrum des Enzyms als Ganzes optimal für die etwas größeren Elemente ausgelegt ist. Möglicherweise können die neuen Erkenntnisse dazu beitragen, das Recycling von Selten-Erd-Elementen mithilfe von Bakterien voranzutreiben. Die Studie ist aktuell im Fachjournal Chemistry A European Journal veröffentlicht und als Titelgeschichte ausgewählt worden.

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