Projekt 05333/01

Entwicklung eines biotechnischen Kurzzeitverfahrens zur Bestimmung der mikrobiellen Aktivität in Bergbaualtlasten

Projektträger

Universit√§t HamburgInstitut f√ľr Allgemeine Botanik und Botanischer GartenAbteilung Mikrobiologie
Ohnhorststr. 18
22609 HamburgZielsetzung und Anlass des Vorhabens Entwicklung eines Verfahrens zur √úberwachung der in Bergbaualtlasten ablaufenden nat√ľrlichen oder durch Sanierungsma√ünahmen modifizierten mikrobiellen Laugung von Metallsulfiden, die zu einer Kontamination von B√∂den und Gew√§ssern mit Schwermetallionen und Schwefels√§ure f√ľhrt. Die bakteriellen Umsetzungen sollen mithilfe eines kalorimetrischen Kurzzeit-Aktivit√§tstests quantifiziert werden, der soweit standardisiert wird, dass er routinem√§√üig zur Vorbereitung, Kontrolle und Bewertung von Sanie-rungsma√ünahmen eingesetzt werden kann. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Arbeiten werden an der Universit√§t Hamburg und an der TU Clausthal durchgef√ľhrt. Zum einen werden grunds√§tzliche Fragestellungen des kalorimetrischen Kurzzeit-Aktivit√§tstests durch Laugungsversuche unter definierten Laborbedingungen untersucht. Diese Arbeiten umfassen u. a. Experimente zur Bestimmung der Reaktionsenergie und Temperaturabh√§ngigkeit der biologischen Laugung. Parallel wird der Aktivit√§tstest f√ľr verschiedene Anwendungszwecke wie R√ľckstandshalden der Erzgewinnung (Kupferh√ľtte der Mansfeld AG bei Helbra, Sachsen-Anhalt) und des Kohlenbergbaus (Steinkohlenbergehalden Gr√ľhlingstra√üe und Reden der Saarbergwerke AG, Saarland; Braunkohlenkippen der Braunschwei-gischen Kohlen-Bergwerke AG, Niedersachsen) standardisiert, um eine generelle Einsetzbarkeit zu erreichen. Dazu werden diese verschiedenen Laugungsbiotope auf mikrobielle Besiedlung sowie auf Zwischenverbindungen des Metallsulfidabbaus untersucht und die mikrobielle Stoffwechselaktivit√§t in Abh√§ngigkeit von den Umgebungsbedingungen bestimmt. Zum anderen wird ein Eluator (4.5 m3 Fas-sungsverm√∂gen) eingesetzt, mit dem s√§mtliche, in einem Haufwerk ablaufenden chemischen und mikrobiellen Umsetzungsprozesse simuliert und gleichzeitig deren Auswirkungen in k√ľrzester Zeit erfasst werden k√∂nnen, um die mikrobiologischen Aktivit√§ten in Bergbaualtlasten im Technikumsma√üstab zu untersuchen und Sanierungskonzepte zu √ľberpr√ľfen und fortzuentwickeln. Damit besteht die M√∂glichkeit, L√∂se- und Laugereaktionen mit der angestrebten Routine-Messmethode zu evaluieren. Ergebnisse und Diskussion In grundlegenden Experimenten zur Etablierung des kalorimetrischen Aktivit√§tstestes wurde die Pyritoxidation durch Rein- und Mischkulturen von Laugungsbakterien untersucht. Die bakteriellen Laugungsraten und Zellzahlen konnten hier durch kalorimetrische Messungen innerhalb von 1 bis 2 h bestimmt werden. Mit -1500 kJ/mol liegt die experimentell ermittelte Reaktionsenergie im Bereich des theoretischen Werts. Die Ergebnisse waren auf Perkolatorversuche mit pyrit-haltigem, nat√ľrlichen Erz √ľbertragbar. Des Weiteren wurde die Aktivierungsenergie (50.8 kJ/mol) und damit die Temperaturabh√§ngigkeit der biologischen Laugung von pyrit-haltigem Erz bestimmt. Damit ist f√ľr Bergbaufolgelasten, an denen die Laugung von Pyrit gegen√ľber der Oxidation anderer Metallsulfide dominiert, der Aktivit√§tstest soweit standardisiert, dass eine kalorimetrische Quantifizierung der Laugungsraten von Proben von Standorten mit Temperaturen von etwa 10 bis 40 ¬įC m√∂glich ist. Weiter wurden Untersuchungen zur biologischen Laugung von Erzen und Verh√ľttungsr√ľckst√§nden, die √ľberwiegend Kupfer-, Zink- und Bleisulfide enthalten, durchgef√ľhrt. Der Aktivit√§tstest wurde erfolgreich auf verschiedene Standorte mit Bergbaufolgelasten angewendet. Auf dem Gel√§nde der Kupferh√ľtte bei Helbra wurde die Oxidationsaktivit√§t von bei der Verh√ľttung angefallenen, zink- und bleisulfidhaltigen Flugst√§uben (Theisenschlamm) untersucht. W√§hrend die Aktivit√§t von Proben mit hohen Theisenschlammanteil gut zu bestimmen ist, kann die Laugungsrate von mit Theisenschlamm infiltrierten Schlackehalden aufgrund der gro√üen Heterogenit√§t und geringen Aktivit√§t der Proben nur mit hohem Aufwand ermittelt werden. F√ľr Bergehalden der Steinkohlengewinnung und Abraumkippen des Braunkohlentagebaus konnte der Aktivit√§tstest ebenfalls zur Lokalisierung von Bereichen mit hoher Laugungsaktivit√§t eingesetzt werden. Hier konnte auch zwischen Material mit √ľberwiegend abiotisch ablaufenden exothermen Prozessen und Abschnitten mit biologisch dominierter Laugung unterschieden werden. Im 4.5 m3-Eluator wurden Versuche zur Simulierung der Schwermetall-Emission einer mit Theisenschlamm kontaminierten Schlackehalde und einer Braunkohlenabraumkippe sowie ein Technikumsversuch mit Steinkohlenbergematerial durchgef√ľhrt. √Ėffentlichkeitsarbeit und Pr√§sentation T. Rohwerder, A. Schippers, W. Sand (1997) In: Proceedings of the XX. International Mineral Processing Congress, Aachen, Vol. 4: Solid-liquid, Hydro- and Biohydrometallurgy, H. Hoberg und H. v. Blottnitz (eds.), GDMB, Clausthal-Zellerfeld, p. 475-483 T. Rohwerder, W. Sand, A. Schippers (1997) In: Proceedings of the 9th International Conference on Coal Science, Essen , Vol. 3, A. Ziegler et al. (eds.), DGMK, Essen, p. 1659-1662 T. Rohwerder, A. Kahl, S. Wentzien, W. Sand (1997) 10th ISBC Congress: Biothermodynamics: From human beings to molecules, Monte Verit√†, Switzerland T. Rohwerder, A. Schippers, W. Sand (1997) 12. Ulm-Freiberger Kalorimetrietage, Freiberg T. Rohwerder, A. Kahl, S. Wentzien, W. Sand (1997) Fr√ľhjahrstagung der VAAM, Hamburg T. Rohwerder, A. Kahl, S. Wentzien, W. Sand (1998) Euroconf.: Bacterial-Metal/Radionuclide Interaction, Rossendorf W. Sand, A. Kahl, T. Rohwerder, S. Wentzien, E. Gock, M. Rei√ü (1999) Konferenz Rekultivierung und Umweltschutz in Bergbau-Industriegebieten, Bd. 2, Legnica, p. 323-327 T. Rohwerder, A. Schippers, W. Sand (1998) Thermochim. Acta 309, p. 79-85A. Schippers, T. Rohwerder, W. Sand (1999) Appl. Microbiol. Biotechnol. 52, p. 104-110 W. Sand, H. v. R√®ge, T. Rohwerder, A. Schippers, S. Wentzien (1999) In: Innovative Techniken der Bodensanierung, S. Heiden (ed.), Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, p. 190-212 T. Rohwerder, A. Kahl, S. Wentzien, W. Sand (1999) In: Proceedings of the IBS¬ī99, San Lorenzo de El Escorial, Part A, R. Amils, A. Ballester (eds.), Elsevier, Amsterdam, p. 551-558 M. Rei√ü, E. Gock (2000) Schriftenreihe des Mansfeld-Museums (Neue Folge), Nr. 5, p. 25-38 M. Rei√ü, E. Gock (2000) Schriftenreihe des Mansfeld-Museums (Neue Folge), Nr. 5, p. 89-104 Fazit Der kalorimetrische Aktivit√§tstest stellt ein schnelles Messverfahren dar, mit dem bakterielle Laugungsraten in Bergbaufolgelasten sehr genau und ohne weitere Aufbereitung einer Probe bestimmt werden k√∂nnen. Durch die Standardisierung kann der Test zur √úberwachung biologischer Laugungsprozesse und damit bei Sanierungsprojekten an fast allen Problemstandorten mit sulfidischen R√ľckst√§nden eingesetzt werden.

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