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Bioleaching im Lausitzer und Mitteldeutschen Braunkohlerevier : Mikrobiologische Bestandsaufnahme und Laborexperimente zur Hemmung der mikrobiellen Pyrit-Oxidation

Siebert, Hans-Michael

In der Lausitz und in Mitteldeutschland wird seit Anfang des 20. Jahrhunderts Braunkohle abgebaut. Durch diesen Abbau entstanden aus den geschlossenen Tagebauen Restseen, die durch einen sauren pH- Wert und eine hohe Sulfatlast charakterisiert sind. Diese Versauerung wird „Acid Mine Drainage“ (AMD) genannt. Ziel der Arbeit war der Nachweis von azidophilen Laugungsmikroorganismen im Lausitzer und Mitteldeutschen Braunkohlerevier. Es sollte ein Zusammenhang zwischen diesen Mikroorganismen und dem AMD gezeigt, eine Hemmung des AMD im Labor erzielt und der Wirkmechanismus auf die Mikroorganismen erklärt werden.

Aus 66 Bodenproben, die 2006 und 2008 aus drei Lausitzer und zwei mitteldeutschen Braunkohletagebauen gewonnen wurden, konnten Eisen- und Schwefel- oxidierende Mikroorganismen durch Kultivierung bei 28 bis 70°C isoliert werden. Aus 168 Reinkulturen wurden 12 verschiedene Spezies, wie z.B. Acidithiobacillus ferrooxidans, A. thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, L. ferriphilum, Ferrimicrobium acidiphilum, Acidiphilium acidophilum und Sulfobacillus thermosulfidooxidans, nachgewiesen. Nach Extraktion der Nukleinsäuren direkt aus den Proben und Aufreinigung von PCR- inhibierenden Substanzen wurden diese Ergebnisse durch spezifische Amplifikate der 16S rRNA Gene für A. ferrooxidans, A. thiooxidans und Leptospirillum spp. unterstützt. Weiterhin konnte der Nachweis der mikrobiellen Stoffwechselaktivität durch Mikrokalorimetrie erbracht werden. Durch Untersuchung von 42 Bohrkernproben nach und 24 Bohrkernproben vor der Absenkung des Grundwassers, genommen 2008 und 2009, konnte die Theorie aufgestellt werden, dass die biologische Pyritoxidation mit Absenkung des Grundwassers, d.h. dem Einströmen von Luftsauerstoff, beginnt.

Für die Hemmung der Eisen- und Schwefel- oxidierenden Mikroorganismen wurden Säulenexperimente im 20 mL und 20 L Maßstab, sowie in Temperaturbereichen von 12 bis 25°C und mit verschiedenen Tensid- Regimen durchgeführt. Das Bioleaching konnte durch Zugabe von Regenwasser gestartet werden. Durch SDS- oder Texapon N70- Zugaben konnte in 20 mL Säulen für bis zu 38 Wochen eine pH Anhebung und Abtötung der Eisen- und Schwefel- oxidierenden Mikroorganismen gemessen werden. Dabei wurde eine Verringerung der Sulfat- Freisetzung um bis minus 70% gemessen. In Säulen im 20 L Maßstab, betrieben bei konstant 12°C oder 15 bis 21°C, wurde die biologische Laugung gestartet und anschließend für bis zu 45 Wochen gehemmt, messbar durch eine pH- Wert Anhebung, das Vorkommen von vorzugsweise Eisen (II) im Durchlauf der Säulen und die Abtötung der Eisen- und Schwefel- oxidierenden Mikroorganismen. Die Sulfat- Auswaschung wurde um 29 bis 44% verringert.

In Untersuchungen mit konzentrierten Suspensionen von A. ferrooxidans, A. thiooxidans und Ac. cryptum im Vergleich zu Escherichia coli und Bacillus subtilis konnte eine induzierte Lyse der Laugungsbakterien durch Behandlung mit SDS und Texapon N70 nachgewiesen werden. Für A. thiooxidans wurde eine Verringerung der Zellzahlen um bis zu 75% durch SDS Behandlung gezählt. Für die drei Laugungsbakterien wurde durch Behandlung mit den Tensiden SDS und Texapon N70 eine Verringerung der OD600 um bis zu 80% gemessen, wogegen für E. coli und B. subtilis nur eine Verringerung um 10 bis 20% gefunden wurde. Für alle Bakterien wurde eine Freisetzung von DNA und RNA gefunden, eine Freisetzung von 50 bis 80% der Gesamtproteine wurde für die Laugungsbakterien gemessen, für E. coli dagegen nur 0,35%. Diese Ergebnisse sprechen für eine induzierte Lyse als Wirkmechanismus und erklären den Erfolg der Hemmung des Bioleaching in den Säulenversuchen.

Since the beginning of the 20th century in Lusatia and in Central Germany the mining of lignite was performed. Therefore mining lakes exist and are characterised by a low pH value and increased sulphate concentrations. This process is harmful to the environment and called acid mine drainage (AMD). Aim of this study was the detection of acidophilic microorganisms in the mining areas in Lusatia and in central Germany. Furthermore, the connection between these leaching microorganisms and the AMD, the inhibition of AMD in the laboratory scale, and the mechanism of action of the surfactants to the microorganisms were examined.

From 66 sand samples, taken in 2006 and 2008, from three lignite mining areas in Lusatia and from two mining areas in central Germany iron- and sulphur- oxidizing microorganisms were detected by cultivation based technique at temperatures from 28 to 70°C. From 168 isolated pure cultures, the microorganisms were identified by sequencing of the 16S rRNA genes as 12 different species e.g. Acidithiobacillus ferrooxidans, A. thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, L. ferriphilum, Ferrimicrobium acidiphilum, Acidiphilium acidophilum and Sulfobacillus thermosulfidooxidans. By the amplification of the 16S rRNA genes after extraction of the nucleic acids direct from the sand and purification from PCR inhibiting substances the species A. ferrooxidans, A. thiooxidans and Leptospirillum spp. were detected and supported the results derived from the classical method. Furthermore, microcalorimetric determination of the metabolic activity supported the results shown above. After examination of 42 drilling core samples after lowering the groundwater and 24 samples of drilling cores before lowering the ground water, taken in 2008 and 2009, the hypothesis was proposed that the biological pyrite oxidation starts by lowering the ground water and influx of air.

For the development of a strategy for the inhibition of leaching microorganisms, experiments were performed in columns in 20 mL and 20 L scale, filled with aquifer material, in the temperature range from 12 to 25°C and different surfactant regimes. The leaching was started by the addition of rainwater to the columns. By addition of SDS or Texapon N 70 an inhibition of the bioleaching was achieved in the 20 mL columns for up to 38 weeks. This was measured by an increased pH, missing detection of iron- and sulphur- oxidizing microorganisms in sand or solution. At all temperatures a reduction of the sulphate concentration was found, with a maximum of minus 70%. In 20 L columns, operated at constant 12°C or from 15 to 21°C, the bioleaching was successfully initiated and afterwards inhibited by surfactant treatment for up to 45 weeks. The surfactant addition achieved an inhibition of iron- and sulphur- oxidizing microorganisms, hence the occurrence of iron in the reduced form and an increasing pH of the leaching solution. Furthermore, the total sulphate release was decreased between 29 and 44% in comparison to the rainwater washed control, respectively.

By examinations of concentrated suspensions of A. ferrooxidans, A. thiooxidans and Ac. cryptum in comparison to E. coli and B. subtilis an induced lysis of the leaching bacteria by SDS and Texapon N70 treatment was observed. By SDS treatment a decrease in the cell count down to minus 75% for A. thiooxidans was found. Surfactant treatment of the three leaching bacteria caused a decrease in the optical density at 600nm by 80%, whereas only a slight decrease between 10 and 20% was measured for E. coli and B. subtilis, respectively. For all bacteria a release of DNA and RNA was found. Furthermore, a release of 50 to 80% of total protein content was measured for the leaching bacteria after the SDS treatment, whereas for E. coli only 0.35% was detected. These results indicate an induced lyis mechanism and explain the successful inhibition of the bioleaching in the columns by SDS and Texapon N70 addition.

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Siebert, Hans-Michael: Bioleaching im Lausitzer und Mitteldeutschen Braunkohlerevier. Mikrobiologische Bestandsaufnahme und Laborexperimente zur Hemmung der mikrobiellen Pyrit-Oxidation. 2013.

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