Erz - Experimente Biologie

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Bakterien im Erzabbau                          zurück
Schneider. V.
 
Man vermutet, dass schon vor rund 3000 Jahren Erzgewinnung mit Hilfe eines  Auslaugverfahrens durchgeführt wurde, aber erst seit wenigen Jahrzehnten ist bekannt, dass Bakterien die wesentliche Rolle spielen. Diese Bakterien sind in der Lage, im stark sauren Bereich ihre Lebensenergie aus der Oxidation von Schwefel oder Fe2+ Salzen zu gewinnen. Die Bezeichnung „Laugung“ leitet sich ab vom englischen „to leach“. (Mit Lauge im Sinne eines alkalischen pH-Wertes haben die Vorgänge nichts zu tun.)
Das heute so genannten Bioleaching wird weltweit eingesetzt, um Kupfer, Gold und Uran zu gewinnen.
 
Beteiligte Bakterien: Die wichtigsten beteiligen Bakterien sind Temperatur und Säure liebend, sie können bis 70 Grad und noch bei pH 2 ihren Stoffwechsel durchführen. Sie sind stäbchenförmig und polar begeißelt.   Die Stoffwechselprozesse laufen dabei an der äußeren Membran ab, die Metallionen gelangen also nicht in das Plasma der Zellen. Die geothermisch sehr langsam ablaufende Oxidation solcher Erze wird durch die Tätigkeit der Bakterien um das millionenfache beschleunigt.  Die Abbildung fokussiert auf die Methode der Kupfergewinnung. 

Zementverfahren der Kupferreinigung: Das auslaufende Sauerwasser wird mit Eisen versetzt. Das Eisen geht als Eisensulfat In Lösung, während Kupfer elementar ausfällt, das noch anschließend elektrolytisch gereinigt wird. 
 
Arbeitsunterlagen:  Bioleaching im Versuch    Chemische Umsetzungen
 
LIT Mikrobielle Laugung IN: Präve,P u.a.:Handbuch der Biotechnologie, Wiesbaden
Bioleaching: http://de.wikipedia.org/wiki/Bioleaching (2010) 
Mikrobieller Erzabbau (2010): http://www.spaceship-earth.de/REM/Bergbau.htm ; 
Bausatz Phywe: http://www.phywe.de/index.php/fuseaction/download/lrn_file/ versuchsanleitungen/P1313900/d/13139_01.pdf;  Winter, J. u. J. Mack (1984): Bakterien im Erzbergbau IN: UB 90, 38ff.
 
 
 
Erz Arbeitsunterlage  1-------------------------------------------------------
Bioleaching im Versuch 
 
Materialien: Schwefelkies (CuFeS2), Geräte nach Abbildung
Sauerwasser: („9K-Medium“):
3g (NH4)2SO4 -; 0,5g K2HPO4; 0,5g MgSO4-7H2O;   0,01g Ca(NO3)2; 0,1g  KCl ; 700ml Wasser, 1,0ml 10n H2SO4; 300ml FeSO4-7 H2O einer 14,74%igen Lösung, ph Wert auf 3 – 3,5 einstellen. (nach Bosecker (1982) 
Kupferteststäbchen (Merkoquant), pH- Papier , 50 ml einer 5% Thymollösung in Alkohol zum Abtöten der Bakterien.

Bakteriensuspension :
Deutsche Bakteriensammlung 38124 Braunschweig  www.dsmz.de . 

Versuchsaufbau:
Durchführung: Wegen des hohen Sauerstoffbedarfs muss ständig Luft eingeblasen werden. In die Erlenmeyer (1000ml) werden je 200g Eisenkies und 500ml Sauerwasser eingebracht. Die Temperatur wird im Wasserbad auf 370 gehalten. Das verdunstete Wasser wird mit Leitungswasser auf eine zuvor gesetzte Markierung wieder aufgefüllt. 
Ergebnisüberprüfung: Der pH-Wert von 3,5 sollte täglich überprüft werden. 
Der Kupfergehalt wird täglich mit Kupfer-Test-Stäbchen (Merkoquant) gemessen. Das Verfahren erlaubt eine halbquantitative Aussage.
Weitere Tests:
  1. Nach 10 bis 15 Tagen kann aus der grünlich werdenden Sauerwasserlösung in einem Becherglas die Abscheidung von Kupfer an einem polierten Eisennagel nachgewiesen werden (Zementverfahren).
  2. Man stellt eine Fehling2 Lösung und eine 5%ige Glucoselösung her.
    Dann neutralisiert man etwas Test-Sauerwasser.
    Wenn Kupferionen vorhanden sind, wird Kupferoxid rot ausfallen (Umkehrung der Fehlingprobe auf Zucker).
  3. Kontrollen: A) Mit neutralisiertem reinem Sauerwasser unterbleibt die Reaktion. B) Bei Zugabe von Kupferchlorid fällt Kupfer aus.  
 
 
 
Erz Arbeitsunterlage  2-------------------------------------------------------
Chemische Umsetzungen  
Im Wesentlichen sind zwei Bakterienarten beteiligt, die sich nur im Stoffwechsel unterscheiden lassen:
Thiobacillus ferrooxidans   Fe2+ ----->   Fe3+  
Thiobacillus thiooxidans:   So --------> SO42-
Im Erzgesten laufen folgende Reaktionen (vereinfacht) ab:
 Modell eines Gesteins (Gangart) mit Erzeinschlüssen

Direkte Laugung:
Elementarer Schwefel und Fe2+ -Ionen dienen als Energielieferanten für die beteiligten Bakterien. Unlösliche Sulfide oder elementarer Schwefel werden dabei als Schwefelsäure in Lösung gebracht:
2 S + 3 O2 + 2 H2O ----> 2 H2SO4
und 4 FeSO4 + O2 + H2SO4  ----  2 Fe2(SO4)3 + H2O

Die Bildung der Schwefelsäure fördert das Wachstum der acidophilen Bakterien, die ein Optimum bei pH 2 haben. Sauerstoff muss zugegen sein, dies macht in der Praxis bei der Belüftung des Erzes Probleme.
Liegen gleichzeitig Eisen und Kupfer vor (z. B. als Kuperkies CuFeS2 oder als Cu2S) laufen kompliziertere Reaktionen ab, unter anderen die folgende:
z.B. CuFeS2 + 17 O2 + H2SO4 -----> 4 Cu SO4 + 2 Fe2(SO4)3 + H2O
 
Indirekte Laugung:
Bei der direkten Laugung entstehen Fe3+ Ionen, die chemisch mit Metallsulfiden oder auch Uranoxid reagieren: 
z. B.: 2 MeS +  Fe2 (SO4)3 ----->  MeSO4  +  2 FeSO4  +  S
Auch auf Uranoxid  U02 wird in eine lösliche Form überführt und ausgelaugt.
z. B.: UO2  +  Fe2 (SO4)3   ----> UO2SO4  +  2 FeSO4
Der entstehende Schwefel und die Fe3+-Ionen befördern wieder die direkte Laugung.
-- Wenn keine Fe2+Ionen oder keine oxidierbaren Schwefelverbindungen vorhanden sind, müssen Schwefel oder Fe2+2(SO4) mit dem Sauerwasser in die Gesteinslücken  eingebracht werden. 
Der hier geschilderte Versuch wurde mit Kupferkies (CuFeS2)  durchgeführt, da die Kupferionen farblich erkennbar sind und der Nachweis mit Kupferteststäbchen gut funktioniert. 



 
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