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Forscher haben entdeckt, dass bestimmte Farne in der Lage sind, Seltene Erden (Seltenerdmetalle, REE) zu konzentrieren, indem sie mikroskopische Monazit-Partikel — ein REE-haltiges Mineral — innerhalb ihres Gewebes bilden. Dieser pflanzengetriebene Prozess könnte einen neuen, umweltfreundlicheren Weg zur Gewinnung der Metalle eröffnen, die Elektrofahrzeuge, Windkraftanlagen und viele Hightech-Geräte antreiben. Die Entdeckung verbindet Botanik, Geochemie und Ressourcenwissenschaft und wirft Fragen zu möglichen Anwendungen wie Phytomining, zur Diversifizierung von Lieferketten und zur Reduzierung ökologischer Folgeschäden traditioneller Bergbauverfahren auf.
Wie Farne Bodenmetalle in mikroskopisches Erz verwandeln
In Untersuchungen an Borreria orientale (B. orientale) fanden Wissenschaftler nach längerer Exposition gegenüber verwitterten Böden winzige Monazitpartikel, die sich innerhalb pflanzlicher Strukturen ansammelten. Monazit ist ein Phosphatmineral, das reich an leichten Seltenen Erden (LREE) ist — darunter Elemente wie Cerium (Ce), Lanthan (La), Neodym (Nd) und Praseodym (Pr) — und wird traditionell aus Hartgesteinlagerstätten oder schwermineralkörnigen Sanden gewonnen. Die überraschende Beobachtung ist biologischer Natur: Die Pflanze scheint funktionelles Erzmineral direkt aus der Umgebung auszufällen und zu sequestrieren.
Die Prozesse, die zu dieser Mineralbildung führen, beinhalten offenbar eine komplexe Kette aus chemischer Verwitterung, Lösung und lokalen Übersättigungsbedingungen in mikrochemischen Nischen der Pflanze. Wurzelzonen können pH, gelöste Phosphat- und REE-Konzentrationen sowie Redoxbedingungen so verändern, dass Phosphate kristallisieren. Zellwände, Rhizosphären-Mikroflora und organische Liganden können die Mobilität von Metallen steuern und lokale Partikelsynthese begünstigen. Instrumentelle Analysen wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) und Röntgendiffraktometrie (XRD) sind entscheidend, um Monazit-Strukturen, Korngrößen und chemische Zusammensetzung aufzuzeigen und den Nachweis zu sichern.
Es gibt erste Hinweise, dass das Phänomen nicht auf B. orientale beschränkt sein könnte. Feldbeobachtungen deuten darauf hin, dass ein weiterer Farn, Dicranopteris linearis, vergleichbares Verhalten zeigen könnte, doch betonen die Autoren, dass direkte und reproduzierbare Belege noch begrenzt sind. Vergleichende Untersuchungen über Arten, Ökosysteme und Bodenarten hinweg sind notwendig, um die Verbreitung dieser Fähigkeit systematisch zu beurteilen. Solche Studien würden Populationsexperimente, Quellwolken-Analysen von gelösten REE in Böden und kontrollierte Kulturen einschließen, um Ursache-Wirkungs-Beziehungen zu klären.
Warum das für saubere Energie und kritische Lieferketten relevant ist
Seltene Erden sind unverzichtbar für Permanentmagnete, Batterien und viele elektronische Komponenten. Neodym- und Dysprosium-haltige Magnete ermöglichen leistungsstarke Elektromotoren in Elektrofahrzeugen und effizienten Generatorbau in Windenergieanlagen; andere REE werden in Katalysatoren, Leuchtstoffen und Hochtemperaturwerkstoffen eingesetzt. Die heutige Gewinnung und Aufbereitung dieser Metalle ist energieintensiv, umweltbelastend und geografisch stark konzentriert, was sowohl ökologische als auch geopolitische Risiken birgt.
Phytomining — die Ernte von Metallen über Pflanzenbiomasse — könnte eine umweltverträgliche Ergänzung zu konventionellem Bergbau bieten, indem REE in der Biomasse konzentriert werden, statt großflächige Tagebaue und Tailings-Anhäufungen zu erzeugen. Vorteile dieser Methode können geringere direkte Landschaftszerstörung, reduzierter Einsatz schwerer Maschinen, und potenziell eine geringere Produktion gefährlicher Abwässer sein. Ferner eröffnen pflanzenbasierte Ansätze die Möglichkeit, marginale oder verwitterte Lagerstätten wirtschaftlich zu nutzen, die für klassische Extraktionsmethoden unwirtschaftlich wären.
Die Entdeckung hat auch Bedeutung für strategische Rohstoffsicherheit: Durch eine zusätzliche, dezentralisierbare Quelle könnten Abhängigkeiten von wenigen Produzenten verringert werden. Darüber hinaus können kombinierte Konzepte — etwa Phytomining zum Auffüllen lokaler Versorgungslücken, gekoppelt mit Recycling und verantwortungsbewusster Bergbaupolitik — helfen, die Versorgung für grüne Technologien resilienter zu gestalten. Neben ökonomischen Überlegungen sind ökologische Bewertung, Lebenszyklusanalysen und Risikoabschätzungen nötig, um tatsächliche Vor- und Nachteile zu quantifizieren.
In ihrem Beitrag in Environmental Science & Technology schreiben die Autorinnen und Autoren: 'Diese Entdeckung beleuchtet nicht nur REE-Anreicherung und -Sequestrierung während chemischer und biologischer Verwitterung, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten zur direkten Rückgewinnung funktionaler REE-Materialien.' Die Studie stärkt die Machbarkeit des Phytomining und stellt einen innovativen, pflanzenbasierten Ansatz für eine nachhaltige REE-Ressourcenentwicklung vor.
Nächste Schritte: Vom Pflanzen-Erz zum nutzbaren Metall
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verfolgen nun mehrere parallele Entwicklungsstränge, um die Lücke zwischen pflanzlichem Monazit und industriell nutzbaren Metallen zu schließen. Ein zentraler technischer Schritt ist die Entwicklung schonender und verlustarmer Extraktionsverfahren, die Monazit aus pflanzlichen Geweben entfernen und die darin enthaltenen Seltenen Erden in nutzbare Fraktionen zerlegen. Vorgehensweisen, die diskutiert werden, reichen von physikalischen Trennschritten über thermische Vorbehandlung (z. B. Pyrolyse oder Kalzinierung) bis hin zu hydrometallurgischen Methoden wie selektiver Säure- oder Basenlaugen, gepaart mit Lösungsmittel-Extraktion (SX) und Ionenaustauschverfahren.
Besondere Herausforderungen betreffen Skalierbarkeit, Wirtschaftlichkeit und die Vermeidung sekundärer Kontaminationen. Die Konzentrationen in pflanzlicher Biomasse sind zwar erhöht, bleiben aber oft deutlich unter jenen in konventionellen Erzlagerstätten; deshalb sind effiziente Ernte- und Vorbehandlungsprozesse erforderlich. Außerdem müssen Rückstände aus der Aufbereitung so gestaltet werden, dass sie keine toxischen Nebenprodukte freisetzen. Ansätze wie die Aschegewinnung (nach Verbrennung), gefolgt von selektiver Extraktion, oder direkte biochemische Extraktionsmethoden stehen zur Debatte. Ökonomische Modelle müssen auch Landnutzungsfragen, Erntezyklen und Energieinputs berücksichtigen, um ein realistisches Bild der Nachhaltigkeit zu liefern.
Darüber hinaus muss erforscht werden, wie weit verbreitet die Fähigkeit zur Monazitbildung in Pflanzen ist — sowohl innerhalb verwandter Farngruppen als auch über verschiedene Pflanzenfamilien hinweg. Systematische Screening-Programme könnten Candidate Species identifizieren, wobei Faktoren wie Wachstumsrate, Biomasseproduktion, Toleranz gegenüber kontaminierten Standorten und Effizienz der REE-Anreicherung in die Bewertung eingehen. Ökologische Studien sind wichtig, um Auswirkungen auf Bodenmikrobiome, Nährstoffkreisläufe und Folgewirkungen auf Tierarten zu verstehen.
Langfristig könnte ein integriertes Konzept entstehen: Gezielte Pflanzenauswahl und -zucht, gekoppelt mit angepasster Bodenbewirtschaftung (z. B. Phosphat-Applikation zur Förd erung von Monazitfällung, kontrollierte Bewässerung) und anschließend optimierte Verarbeitungsrouten, die die REE-Rückgewinnung maximieren. Pilotprojekte auf verschiedenen Standorten könnten zeigen, wie sich regionale Bodenchemie, Klima und Pflanzenwahl auf Ertrag und Umweltbilanz auswirken. Wenn diese Hürden erfolgreich adressiert werden, könnte Phytomining einen wertvollen Baustein in umfassenden Strategien zur Rohstoffsicherung für die Energiewende darstellen.
Weitere Forschung wird sich auch technischen Fragen wie der Bestimmung der Kristallgröße und -stabilität von pflanzengebundenem Monazit, kinetischen Einschränkungen bei der Fällung, sowie der Rolle spezifischer organischer Liganden und Enzyme in den Pflanzengeweben widmen. Analytische Methoden, darunter Isotopenanalysen und elementare Fingerprinting-Verfahren, können zusätzlich helfen, die Herkunft und der Transportpfade der REE zwischen Boden und Pflanze nachzuvollziehen.
Zum jetzigen Zeitpunkt weist der Befund auf eine neuartige Schnittstelle zwischen Botanik, Geochemie und Ressourcenwissenschaft hin — und auf einen vielversprechenden, pflanzenbasierten Weg zur Sicherung der Materialien, die für eine kohlenstoffärmere Zukunft benötigt werden. Gleichzeitig bleibt die Notwendigkeit für transparente, interdisziplinäre Forschung sowie für politisch-gesellschaftliche Debatten über nachhaltige Implementierung, Flächennutzung und wirtschaftliche Anreize.
Quelle: sciencealert
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