Projekt 02042/01

Entwicklung eines optimierten Verfahrens zur mikrobiellen Metallmobilisierung aus Bergbaualtlasten

ProjekttrÀger

UniversitĂ€t HamburgInstitut fĂŒr Allgemeine Botanik und Botanischer GartenAbteilung Mikrobiologie
Ohnhorststr. 18
22609 Hamburg
Telefon: 040/42816-423

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die in mineralischen Altlasten wie Bergwerkshalden natĂŒrlich und unkontrolliert ablaufende bakterielle Haufenlaugung fĂŒhrt zur Bildung Schwermetall belasteter SauerwĂ€sser (acid mine drainage). Die in den Altlasten ablaufenden mikrobiellen Laugungsprozesse sollen untersucht werden, um einerseits ein Verfahren zur Entfernung von Schwermetallen zu entwickeln, andererseits Wege zur Verhinderung oder UnterdrĂŒckung der Prozesse aufzuzeigen. Das Know-how soll dazu dienen, Umweltbelastungen, wie sie z.B. durch den sĂ€chsisch-thĂŒringischen Uranerzbergbau verursacht worden sind, zu verringern.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn der Zeit von April bis Oktober 1993 wurden auf dem GelĂ€nde der Wismut GmbH bei Ronneburg in ThĂŒringen fĂŒnf Beprobungen auf der Absetzer(A.)-halde und auf der fĂŒr ca. 15 Jahre biologisch gelaugten Gessen(G.)-halde mittels Rammkernsondierungen bis zu 5 m Tiefe durchgefĂŒhrt, um die Zusammensetzung der lithoautotrophen und chemoorganotrophen Bakterienflora zu bestimmen. Die Proben wurden auf den Gehalt von aerob und anaerob lebenden Mikroorganismen untersucht sowie die mikrobielle StoffwechselaktivitĂ€t (Laugung) unter aeroben und anaeroben Bedingungen mittels Mikrokalorimetrie ermittelt. Weiterhin wurden 16 Perkolationsexperimente zur Hemmung der biologischen Laugung durchgefĂŒhrt. Dabei wurde der Einfluß der ZusĂ€tze SDS (Laurylsulfat), Calciumfluorid und Alkalien (Beton, Kalk) auf die biologische Laugung untersucht. Hierzu wurde die WĂ€rmeleistung als Maß fĂŒr die mikrobielle AktivitĂ€t sowie die Zellzahl, das Metallausbringen, der pH-Wert und das Redoxpotential bestimmt. Die Beimpfung erfolgte mit einer Mischkultur aus Thiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans und T. thiooxidans. Tastversuche zur Haldenabdichtung mittels mineralischer, sich selbst bildender Sperrschichten sowie zur Auswirkung von Flutungsbedingungen im Erzkörper auf die biologische Laugung wurden ebenfalls in Perkolatoren durchgefĂŒhrt. Zur Übertragung von Laborergebnissen in einen (klein)technischen Maßstab wurde ein Laugungsexperiment mit Uranerz aus dem Tagebau Ronneburg in einer 300 l - Perkolationsanlage mit einem Temperaturgradienten von 25°C bis 57°C durchgefĂŒhrt.


Ergebnisse und Diskussion

Die mikrobiologische Bestandsaufnahme ergab, daß aerob lebende lithotrophe Bakterien in den Ronneburger Halden dominierten. ZusĂ€tzlich konnten auch chemoorganotrophe Mikroorganismen sowie anae-rob lebende Bakterien nachgewiesen werden. Die Zellzahlen sowie die HĂ€ufigkeit des Vorkommens nahm bei allen Gruppen mit der Tiefe ab. Mikrobielle AktivitĂ€t war ĂŒberwiegend in den oberen 1,5 - 2 m der Halden nachzuweisen. GegenĂŒber Vergleichsstandorten war die mikrobielle AktivitĂ€t am Standort Ronneburg um etwa 90 % reduziert. Die durch die Pyritoxidation entstehende WĂ€rme fĂŒhrte in manchen Haldenbereichen zur Erhitzung mit Temperaturen von teilweise ĂŒber 100 °C. An diesen Stellen konnte ein thermoacidophiles Archaeonbakterium nachgewiesen werden. Zum ersten Mal konnte in Naturproben von Laugungsstandorten Tetra- und Pentathionat nachgewiesen werden, vorwiegend in schwach alkalischen Proben. Elementarer Schwefel konnte in den meisten Proben nachgewiesen werden. Die Exhalation von Radon wird wahrscheinlich durch die mikrobielle LaugungsaktivitĂ€t verstĂ€rkt. Haldenbereiche mit den höchsten Strahlungswerten wiesen auch die höchsten Zellzahlen von Thiobacillus ferrooxidans auf. In Perkolationsversuchen konnte die biologische Laugung von Armerzen durch Mischkulturen von Thiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans und Thiobacillus thiooxidans mit verschiedenen ZusĂ€tzen gehemmt werden. WĂ€hrend mit SDS nur eine zeitlich begrenzte Hemmwirkung erzielt wurde, konnte mit Calciumfluorid, Calciumcarbonat und Beton eine dauerhafte Hemmung erreicht werden. Tastversuche in Perkolatoren zeigten, daß eine Haldenabdichtung mittels mineralischer, sich selbst bildender Sperrschichten prinzipiell möglich ist. Tastversuche zur Auswirkung von Flutungsbedingungen im Erzkörper auf die biologische Laugung zeigten, dass keine Hemmung eintritt, wenn der Sauerstoffbedarf durch die Laugungslösung gedeckt wird. In Simulationsversuchen konnte die Haufenlaugung von zwei unter-schiedlichen Erztypen in einer Versuchsanlage unter Einstellung eines Temperaturgradienten von 25 °C bis 57 °C nachgestellt werden. Die Übertragung von Laborergebnissen in einen (klein)technischen Maßstab war somit erfolgreich.


Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation

Veröffentlichungen:
1) W. Sand, T. Gehrke, R. Hallmann, A. Schippers (1995). Sulfur chemistry, biofilm, and the (in)direct attack mechanism - a critical evaluation of bacterial leaching. Appl. Microbiol. Biotechnol. 42,961-966.
2) A. Schippers, R. Hallmann, S. Wentzien, W. Sand (1995). Microbial diversity in uranium mine waste heaps. Appl. Environ. Microbiol. 61, 2930-2935.
3) A. Schippers, H. v. RĂšge, W. Sand (1996). Impact of microbial diversity and sulfur chemistry on safe-guarding sulfidic mine waste. Minerals Engineering 9, 1069-1079.
FachvortrÀge (Auswahl):
1) Im Rahmen der Konferenz Minerals Bioprocessing II. Microbial diversity in uranium mine waste heaps strongly influences the rehabilitation concept. Salt Lake City, Utah, USA, 1994.
2) Im Rahmen der VAAM-FrĂŒhjahrstagung. Diversity of microorganisms in two uranium mine waste piles. Hannover, 1994.
3) Auf der 95. ASM-Jahrestagung. Bacterial leaching and the sulfur cycle : evidence for the indirect mechanism only. Washington, USA, 1995.
4) Im Rahmen der DECHEMA-Jahrestagungen Ž95. Mikrobielle Umsetzungen erhöhen das GefÀhrdungspotential von Altlasten des Uranbergbaus. Wiesbaden, 1995.


Fazit

Die Untersuchungen zur mikrobiologischen Bestandsaufnahme von zwei Armerzhalden des ehemaligen Uranbergbaus der Wismut GmbH haben gezeigt, dass sĂ€mtliche Gruppen von Mikroorganismen nachweisbar sind, die oxidative und/oder reduktive Umsetzungen an Metallionen und/oder -verbindungen durchfĂŒhren können. Das bedeutet, dass trotz der Fleckenhaftigkeit des Auftretens vieler Gruppen bei einer Umlagerung des Haldenmaterials sĂ€mtliche Mikroorganismen im Material verteilt wĂŒrden. Die Laugungsprozesse konnten wirkungsvoll mit CaF2, Kalk und Beton gehemmt werden. Bei den beiden letztgenannten war sogar eine Immobilisierung der Schwermetalle feststellbar. Die vorliegenden Befunde scheinen darauf hinzudeuten, dass eine positive Korrelation zwischen Radonexhalation der Halden und den AktivitĂ€ten und Zellzahlen von Thiobacillus ferrooxidans bestehen könnte. Zur ErhĂ€rtung der Annahme sind jedoch noch weitere Untersuchungen erforderlich.

Übersicht

Fördersumme

99.446,27 €

Förderzeitraum

01.04.1993 - 05.05.1998

Bundesland

Hamburg

Schlagwörter

Klimaschutz
KulturgĂŒter
Landnutzung
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik