Projekt 05333/01

Entwicklung eines biotechnischen Kurzzeitverfahrens zur Bestimmung der mikrobiellen Aktivität in Bergbaualtlasten

Projektdurchführung

Universität HamburgInstitut für Allgemeine Botanik und Botanischer GartenAbteilung Mikrobiologie
Ohnhorststr. 18
22609 Hamburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Entwicklung eines Verfahrens zur Überwachung der in Bergbaualtlasten ablaufenden natürlichen oder durch Sanierungsmaßnahmen modifizierten mikrobiellen Laugung von Metallsulfiden, die zu einer Kontamination von Böden und Gewässern mit Schwermetallionen und Schwefelsäure führt. Die bakteriellen Umsetzungen sollen mithilfe eines kalorimetrischen Kurzzeit-Aktivitätstests quantifiziert werden, der soweit standardisiert wird, dass er routinemäßig zur Vorbereitung, Kontrolle und Bewertung von Sanie-rungsmaßnahmen eingesetzt werden kann.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Arbeiten werden an der Universität Hamburg und an der TU Clausthal durchgeführt. Zum einen werden grundsätzliche Fragestellungen des kalorimetrischen Kurzzeit-Aktivitätstests durch Laugungsversuche unter definierten Laborbedingungen untersucht. Diese Arbeiten umfassen u. a. Experimente zur Bestimmung der Reaktionsenergie und Temperaturabhängigkeit der biologischen Laugung. Parallel wird der Aktivitätstest für verschiedene Anwendungszwecke wie Rückstandshalden der Erzgewinnung (Kupferhütte der Mansfeld AG bei Helbra, Sachsen-Anhalt) und des Kohlenbergbaus (Steinkohlenbergehalden Grühlingstraße 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 Stoffwechselaktivität in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen bestimmt. Zum anderen wird ein Eluator (4.5 m3 Fas-sungsvermögen) eingesetzt, mit dem sämtliche, in einem Haufwerk ablaufenden chemischen und mikrobiellen Umsetzungsprozesse simuliert und gleichzeitig deren Auswirkungen in kürzester Zeit erfasst werden können, um die mikrobiologischen Aktivitäten in Bergbaualtlasten im Technikumsmaßstab zu untersuchen und Sanierungskonzepte zu überprüfen und fortzuentwickeln. Damit besteht die Möglichkeit, Löse- und Laugereaktionen mit der angestrebten Routine-Messmethode zu evaluieren.


Ergebnisse und Diskussion

In grundlegenden Experimenten zur Etablierung des kalorimetrischen Aktivitätstestes 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, natürlichen Erz übertragbar. Des Weiteren wurde die Aktivierungsenergie (50.8 kJ/mol) und damit die Temperaturabhängigkeit der biologischen Laugung von pyrit-haltigem Erz bestimmt. Damit ist für Bergbaufolgelasten, an denen die Laugung von Pyrit gegenüber der Oxidation anderer Metallsulfide dominiert, der Aktivitätstest soweit standardisiert, dass eine kalorimetrische Quantifizierung der Laugungsraten von Proben von Standorten mit Temperaturen von etwa 10 bis 40 °C möglich ist. Weiter wurden Untersuchungen zur biologischen Laugung von Erzen und Verhüttungsrückständen, die überwiegend Kupfer-, Zink- und Bleisulfide enthalten, durchgeführt. Der Aktivitätstest wurde erfolgreich auf verschiedene Standorte mit Bergbaufolgelasten angewendet. Auf dem Gelände der Kupferhütte bei Helbra wurde die Oxidationsaktivität von bei der Verhüttung angefallenen, zink- und bleisulfidhaltigen Flugstäuben (Theisenschlamm) untersucht. Während die Aktivität von Proben mit hohen Theisenschlammanteil gut zu bestimmen ist, kann die Laugungsrate von mit Theisenschlamm infiltrierten Schlackehalden aufgrund der großen Heterogenität und geringen Aktivität der Proben nur mit hohem Aufwand ermittelt werden. Für Bergehalden der Steinkohlengewinnung und Abraumkippen des Braunkohlentagebaus konnte der Aktivitätstest ebenfalls zur Lokalisierung von Bereichen mit hoher Laugungsaktivität eingesetzt werden. Hier konnte auch zwischen Material mit überwiegend 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 durchgeführt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

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 Verità, Switzerland
T. Rohwerder, A. Schippers, W. Sand (1997) 12. Ulm-Freiberger Kalorimetrietage, Freiberg
T. Rohwerder, A. Kahl, S. Wentzien, W. Sand (1997) Frühjahrstagung 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. Reiß (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. Rège, 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´99, San Lorenzo de El Escorial, Part A, R. Amils, A. Ballester (eds.), Elsevier, Amsterdam, p. 551-558
M. Reiß, E. Gock (2000) Schriftenreihe des Mansfeld-Museums (Neue Folge), Nr. 5, p. 25-38
M. Reiß, E. Gock (2000) Schriftenreihe des Mansfeld-Museums (Neue Folge), Nr. 5, p. 89-104


Fazit

Der kalorimetrische Aktivitätstest stellt ein schnelles Messverfahren dar, mit dem bakterielle Laugungsraten in Bergbaufolgelasten sehr genau und ohne weitere Aufbereitung einer Probe bestimmt werden können. Durch die Standardisierung kann der Test zur Überwachung biologischer Laugungsprozesse und damit bei Sanierungsprojekten an fast allen Problemstandorten mit sulfidischen Rückständen eingesetzt werden.