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Foto: Markus Kissel
Zur Aufnahme von Kupfer eignet sich die Sonnenblume (Helianthus annuus) hervorragend (Gebeshuber 2015).

Phytomining

Lass es Blumen machen

Phytomining beschreibt einen Prozess, bei dem Rohstoffe, darunter primär Metalle, durch Pflanzen gezielt aufgenommen werden, um diese aus den oberen Bereichen von Böden zu gewinnen.

Sobald die Pflanzen die Schwermetalle aufgenommen haben, werden sie auf traditionelle bzw. klassische Art und Weise geerntet und verbrannt. Nach der Ernte der Pflanze muss die Biomasse zunächst aufgeschlossen, d.h. freigelegt werden. Dies erfolgt heutzutage überwiegend durch das Steam-Explosion-Verfahren. Aus den Rückständen der Verbrennung werden die Metalle und Halbmetalle schlussendlich extrahiert. Auf diese Weise werden zum einen Metalle gewonnen, zum anderen erfolgt auch eine energetische Verwertung der Pflanzen. Diese erfolgt in Industrieländern oftmals ohnehin mittels Nutzung der Pflanzen durch Gewinnung von Biogas, sodass nur einige Zusatzschritte notwendig sind, um die sonst verloren gehenden Metalle zu gewinnen (Heilmeier et al. 2016).

Goldige Ausbeute

Abzugrenzen ist der Begriff des Phytominings von der Bioremediation. Bei dieser werden Pflanzen und andere Organismen dazu genutzt, toxische Substanzen aus Böden sowie aus Gewässern zu entfernen. Dadurch kann ein Großteil der toxischen Materialien in von Bergbau kontaminierten Arealen von diesen aufgenommen und somit aus den dortigen Böden entfernt werden. Infolge der hohen Aufnahmekapazität einiger Pflanzen bei Metallen wurde begonnen, zu überprüfen, inwieweit Bergbau gezielt mithilfe von Pflanzen durchgeführt werden kann - das sogenannte Phytomining (Karman et al. 2015). Es ist mittlerweile bekannt, dass diese als Hyperakkumulation bezeichneten Pflanzen Metallen wie Kupfer, Kobalt, Zink, Nickel, Cadmium, Gold, Thallium, Blei und Mangan in der Biomasse binden (Karman et al. 2015). Folglich besteht ein hohes Potenzial, dass diese Metalle aus dem Boden aufnehmen.

Möglichkeiten der Verbesserung des Phytominings

Folgende Einflussfaktoren beeinflussen die Höhe des zu erwartenden Ertrags an Metallen:

– Der Menge an Biomasse, welche man von den geernteten Pflanzen erhält

- Der Konzentration der Metalle in den geernteten Pflanzen

- Der Bioverfügbarkeit der Metalle (Heilmeier et al. 2016)

Die Bioverfügbarkeit kann positiv beeinflusst werden, indem ausschließlich Pflanzen angebaut werden, welche den gewünschten Rohstoff in besonders hohem Maß aufnehmen und eine hohe Rohstoffkonzentration in der Pflanze erreichen, sogenannte Hyperakkumulenten. Ebenso sind die Bedingungen in der Bodenschicht, in welcher sich die Pflanzenwurzeln befinden, der sogenannten Rhizosphäre, von Bedeutung - sowohl die chemischen als auch die physikalischen und die biologischen. Da die Wurzeln der Pflanzen einen deutlichen Einfluss auf diese Bedingungen haben, werden die bisher genannten Einflussfaktoren auch pflanzeninterne Faktoren genannt. Beim pH-Wert des Bodens, einer Düngung des Bodens und dem Boden beigefügten Zusatzstoffen, handelt es sich hingegen um pflanzenexterne Faktoren, welche den Metallertrag beeinflussen können. Wird etwa der pH-Wert des Bodens verringert, verbessert sich oftmals auch die Pflanzenverfügbarkeit von Metallen wie Germanium. Dies kann anthropogen erreicht werden, indem dem Boden spezielle Zusatzstoffe hinzugefügt werden, welchen diesen verringern, ebenso durch Düngung mit NPK-Düngern (Heilmeier et al. 2016), welche den pH-Wert stark beeinflussen und demzufolge auch absenken können (Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen 2015).

Für Phytomining infrage kommende Pflanzen

Nicht alle Arten der Flora sind gleichermaßen gut für die Durchführung des Phytomining geeignet, einige Arten sind sehr empfindlich gegenüber schadstoff-, bzw. schwermetallbelasteten Böden und überleben auf diesen nicht. Diese Arten sind zur Aufnahme des jeweiligen Materials ungeeignet. Unter den Arten, die auf den belasteten Böden überleben können, nehmen einige die Schadstoffe bzw. (Halb-)Metalle besser auf als andere. Die Identifikation dieser Pflanzen ist für die erfolgreiche Durchführung des Phytomining wichtig (Kulkarni et al. 2013). Daher werden im Folgenden einige Pflanzenarten, welche auch in Deutschland gut überleben, vorgestellt.

Besonders geeignete Arten der Flora

Zur Aufnahme von Kupfer eignet sich die Sonnenblume (Helianthus annuus) hervorragend (Gebeshuber 2015). Kupfer gelangt primär durch Pflanzenschutzmittel in Böden und hat dort toxische Auswirkungen auf diverse Bodenorganismen, sodass in kupferbelasteten Böden die Biodiversität insgesamt sinkt (Julius-Kühn-Institut 2021). Auch in einst vulkanisch aktiven Gebieten wie z.B. dem Vogelsberg in Mittelhessen finden sich geogen bedingt erhöhte Werte an Kupfer, Chrom und Nickel. Da die Sonnenblume eine attraktive Pflanze ist, welche in Deutschland gut wächst, könnte diese auf kupferbelasteten Böden zur Reduktion der Kupferbelastung und gleichzeitigen Gewinnung von Kupfer genutzt werden und parallel durch ihr attraktives Aussehen auch als Blickfang, etwa in touristisch geprägten Regionen, dienen. Zudem bindet die Sonnenblume die Metalle nur im Stamm, nicht aber in der Krone gar den Kernen, so dass ein Eintrag in Lebensmittel über die gewonnen Öle ausgeschlossen werden kann.

Besonders gut auf schwermetallbelasteten Böden gedeiht die Hallersche Schaumkresse (Arabidopsis halleri). Diese wächst selbst auf Böden, auf denen andere Pflanzen infolge der hohen Schwermetallgehalte kaum noch überleben, nimmt dort Cadmium sowie Zink aus dem Boden auf und speichert sie in großen Mengen in ihren Blättern. Ursache für dieses Verhalten ist, dass auf diese Weise Herbivoren diese Pflanze nicht fressen bzw. diejenigen, die die Pflanze aufnehmen, erkranken oder sterben. Somit stellt die Aufnahme von Schwermetallen für die Pflanze einen guten Schutz vor Fressfeinden dar (Theis 2018). Eine andere Pflanze, das Mauersteinkraut (Alyssum murale), ist in der Lage, Nickel aufzunehmen und zu speichern (Kulkarni et al. 2013).

Auch die Senfpflanze (Sinapis alba) ist gut in der Lage, Metalle aus dem Boden zu filtern. Beispielsweise kann Thallium von dieser aufgenommen werden. Thallium kommt geogen bedingt in den Regionen nördlich von Frankfurt am Main vor und erhöht die Entsorgungspreise für entsprechend belasteter Böden. Zunächst ist von Bedeutung, dass diese auf schwermetallbelasteten Flächen mit mittelhoher Thalliumkonzentration nach einer Eingewöhnungszeit ausgesprochen gut wachsen (Referat für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit der Universität Potsdam 2017). Auch der indische Senf (Brassica juncea), der weiße Senf (Sinapis alba) und wilder Roggen aus dem Altaigebirge wachsen, wie in einer weiteren Studie erwiesen wurde, auf mit Metallen belasteten Flächen gut (Kulkarni et al. 2013).

Gold kann ebenfalls in Pflanzen akkumuliert werden. So akkumulierte das Wildkraut Chilopsis linearis im Rahmen einer Studie 1000 mg Gold/kg in den Wurzeln auf, 200 mg in den Stielen und 30 mg in den Blättern, während der Boden nur 10 mg Gold/kg enthielt. Selbst Möhren (Daucus carota) akkumulierten 48,3 mg Gold/kg in Sandböden, die nur 3,8 mg Gold /kg enthielten (Kulkarni et al. 2013).

Chancen und Möglichkeiten von Phytomining anhand des Beispiels Germanium

Beispielhaft wird das Potenzial vom Phytomining anhand der Gewinnung des Rohstoffs Germanium erläutert. Bei Germanium handelt es sich um ein Element, welches insbesondere in der Mikroelektronik zukünftig immer gefragter wird, da es dort infolge seiner besseren Eigenschaften das bislang gebräuchliche Siliziumdioxid, gewonnen aus dem Element Silizium, ersetzt (Brunco et al. 2007). Es wird prognostiziert, dass Germanium zukünftig an vierter Stelle aller Rohstoffe steht, welche zukünftig den höchsten Nachfragezuwachs weltweit haben werden (Heilmeier et al. 2016). Konventionell wird Germanium gewonnen, indem Rauchgase mit H2SO4 (Schwefelsäure) versetzt werden, im Anschluss der pH-Wert auf 5 gesenkt wird und NaOH (Natriumhydroxid) hinzugefügt wird, welche eine Ausfällung des Germaniums bewirkt. Schließlich wird HCl (Chlorwasserstoff) oder reines Chlor hinzugegeben und die Temperatur auf über 83°C erhöht, was eine Austreibung von GeCl2 bewirkt. Final wird Germanium mittels Destillationsverfahren gewonnen (Heilmeier et al. 2016). Allerdings ist Germanium in der Erdkruste nur in sehr geringer Konzentration vorhanden. Ein Abbau dieses Elements im Rahmen des traditionellen Bergbaus ist infolgedessen bislang nicht wirtschaftlich (Heilmeier 2015). Demzufolge sind gerade bei Germanium alternative Gewinnungsarten dringend vonnöten, möchte man die Preise dieses Rohstoffs annähernd wettbewerbsfähig erhalten (Heilmeier et al. 2016). Daher forschte die Technische Universität Bergakademie Freiberg im Projekt PhytoGerm daran, Germanium mittels Phytomining zu konzentrieren. Ziel war es, eine gute und wirtschaftlich effektive Lösung zu Gewinnung von Germanium zu finden (Heilmeier et al. 2016).

Im Einzelnen wird im Rahmen des Projekts erforscht, welche Pflanzen das Element am besten aufnehmen und in ihrer Biomasse akkumulieren. Im Folgenden wird überprüft, auf welche Weise man die Akkumulation dieses Materials in den Pflanzen erhöhen kann. Aufbauend auf diesen Grundlagenerkenntnissen soll im Anschluss daran überprüft werden, auf welche Weise das Germanium aus Gärresten, welche bei der Produktion von Biogas entstehen, extrahiert werden kann, ebenso aus Asche, welche bei der thermischen Verwertung zusammen mit Rauchgasen, aus welchen das Germanium ebenfalls gewonnen werden kann, entstanden ist. Hierzu sollen final auf mikrobieller Ebene die Festbestandteile aufgeschlossen werden und ein Übergang des Germaniums in die flüssige Phase erfolgen (Heilmeier 2015). In der Freiberger Studie stellte sich heraus, dass Mischkulturen mit Leguminosen und weitere chelatisierender Verbindungen produzierender Pflanzen ebenso eine ausreichende Düngung mittels Stickstoffs und Phosphor den Germaniumertrag erhöhen können (Heilmeier et al. 2016).

Zudem können bei der Optimierung der Anbaubedingungen mittels Destillationsverfahren aus 100 Tonnen Gärresten, welche Germanium enthalten, 39 kg Germaniumdioxid (GeO2) gewonnen werden können. Würden sämtliche in Deutschland bereits bestehenden Biogasanlagen das Verfahren zur Destillation von Germanium anwenden, könnten pro Jahr insgesamt 3 Tonnen Germanium gewonnen werden, was ein Zehntel des Bedarfs an Germanium in Deutschland decken würde. Somit besteht allein für diesen Rohstoff durch die Nutzung von Phytomining ein großes Potenzial (Heilmeier et al. 2016).

Auch die Rückgewinnung von Phosphat oder Nitrat sowie von seltenen Erden mittels Phytomining ist möglich. Gerade im Umweltschutz besteht zudem eine weitere Nutzungsmöglichkeit dieser Methode: die additive Entfernung von Schwermetallen und Arsen bei Anbau der Pflanzen in schadstoffbelasteten Arealen (Heilmeier et al. 2016). Wichtig ist, dass diese Pflanzen, die Schwermetalle ausnahmen, keineswegs als Futterpflanzen und für die menschliche Ernährung genutzt werden. Eine Nutzung als Gründüngung und Verwertung in Biogasanlagen zur energetischen Nutzung ist hingegen unproblematisch (Kulkarni et al. 2013).

Fazit

Deutschland hat als dicht besiedeltes Land mit Nutzungskonflikten in Bezug auf die Landnutzung zu kämpfen. Folglich wäre eine Nutzung von Böden zum Phytomining und eine ausschließliche der darauf wachsenden Pflanzen zur Gewinnung von Rohstoffen wenig praktikabel. Hingegen könnte Phytomining in Kombination mit der Phytoremediation, also der Entfernung toxischer Substanzen, sehr sinnvoll sein, um die Böden zu dekontaminieren, parallel Rohstoffe zu gewinnen und auf diese Weise die Böden final für andere Nutzungsformen, beispielsweise für Landwirtschaft, nutzbar zu machen. Ergänzend könnten die Pflanzen in Biogasanlagen verwertet werden.

Auf diese Weise könnte im Optimalfall eine dreifache Nutzung der Pflanzen erfolgen: Der Anbau auf schwermetall- und generell schadstoffbelasteten Flächen würde bewirken, dass diese zum Teil aus dem Boden entfernt werden, die Verwertung in Biogasanlagen zur Energiegewinnung dienen. Aus der Asche könnten schließlich mittels Phytomining Rohstoffe gewonnen werden. Infolge der vielen Vorteile dieser Nutzungsweisen wird dafür plädiert, die Erforschung des Phytominings stark zu fördern und insbesondere auch die Prozessschritte zur Gewinnung der Rohstoffe aus den Pflanzen zu optimieren.

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Foto: Markus Kissel
Chromasche bleibt nach Verbrennung der „Reinigungspflanzen“ übrig.
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Foto: Isnurnfoto. - stock.adobe.com
Auch Süßlupinen lassen sich beim Phytomining einsetzen.

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