• Nie Znaleziono Wyników

Results of microbiological research in the polish part of the Muskau Arch - the largest AMD environment in Poland - final report = Wyniki badań mikrobiologicznych prowadzonych w zbiornikach kwaśnych wód kopalnianych w polskiej części Łuku Mużakowa - najwi

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Results of microbiological research in the polish part of the Muskau Arch - the largest AMD environment in Poland - final report = Wyniki badań mikrobiologicznych prowadzonych w zbiornikach kwaśnych wód kopalnianych w polskiej części Łuku Mużakowa - najwi"

Copied!
10
0
0

Pełen tekst

(1)

RESULTS OF MICROBIOLOGICAL RESEARCH IN THE POLISH PART OF THE MUSKAU ARCH - THE LARGEST AMD ENVIRONMENT IN POLAND -

FINAL REPORT

Piotr BOŻĘCKI1, Grzegorz RZEPA, Tadeusz RATAJCZAK AGH - University of Science and Technology in Kraków,

Faculty of Geology, Kraków, Poland

Abstract

This work presents the results of microbiological investigations carried out in the Polish part of the Muskau Arch. In this abandoned lignite mining area highly acidified Fe-rich waters have been formed as a result of sulphide oxidation. Microbiological tests have shown that all studied groups of microorganisms exhibit both time and spatial variability.

The most common group of microorganisms are bacteria Galionella sp.

Keywords: AMD environment, the Muskau Arch, microbiological variability

1. INTRODUCTION

The Muskau Arch is a large glacitectonic belt formed mainly during the Saale glaciation. This horseshoe-shaped structure is open to the north (Fig. 1) and crosses the Polish-German border (from Brandenburg, via Saxony to the Lubuskie Province in Poland). Intense glacitectonics disturbances lifted Miocene lignite beds (as well as co-occurring sands and clays) towards the Earth’s surface - making them much easier to exploitation carried out both by underground and open pit methods.

The mining of these deposits was active till the end of the 70-ties of the 20th century. Abandoned excavations have been recently filled with water, forming

1 Corresponding author: AGH University of Science and Technology in Kraków, Faculty of Geology, Geo-physics and Environmental Protection, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland; e-mail: pbozecki@agh.edu.pl, tel. +48 126172373

(2)

about 110 reservoirs in the so called Anthropogenic Lake District. Many of these lakes, especially in the Łęknica Region, are of the acidotrophic type, characterized by low and very low pH values (usually below 4.0). This is an effect of the oxidation of sulphide-containing lignite leading to the generation of abundant quantities of sulphuric acid. Numerous ochreous precipitates occur in this area, as a consequence of iron oxidation and hydrolysis in the presence of microorganisms. The main objective of the study is the confirmation of the presence of iron-oxidizing bacteria in the waters of Anthropogenic Lake District, which would justify the role of their metabolism in the ferruginous precipitates formation. The quantitative seasonal variability of their population sizes, depending on changing ambient conditions as temperature, precipitation, insolation etc., have also been estimated.

Fig. 1. A sketch map of the Muskau Arch after [4] (modified);

red star - the research area

(3)

2. MATERIALS AND METHODS

The fieldwork started in July 2009 and ended in September 2010. Water samples from five localities (Fig. 2) were monthly collected and subjected to both microbiological and chemical analyses.

Such parameters as temperature, electrolytic conductivity, redox potential and pH of the waters were measured in situ. Then the samples were filtered using 0.22 m syringe filters and stabilized with HNO3. The cation concentrations were estimated using ICP-MS (Ca, Mg, Mn, Al, As) and FES (Na, K). Total Fe as well as selected anions (NO2

-, NO3 -, SO4

2-) were measured by VIS spectrometry and Cl- by titration with AgNO3.

The results of the chemical analysis have already been published by the authors [1-4].

Chosen groups of microorganisms were incubated on Petri dishes or in tubes and then characterized qualitatively and quantitatively after a specific time of incubation. The optimal incubation time and temperature were established as follows:

24 hours and 37oC for mesophilic bacteria,

72 hours and about 23oC for psychrophilic bacteria,

about 10 days and 28oC for Heterotrophic Ferruginous Bacteria, Acidithiobacillus ferrooxidans, filamentous bacteria of the genera Leptothrix sp., Gallionella sp. and fungi.

The growth media for these groups of microorganisms were as follows:

psychro- and mesophilic bacteria: MPA medium [9],

Heterotrophic Ferruginous Bacteria: medium based on Winogradski receipt [7],

A. ferrooxidans: 9K medium [8], Fungi: the Czapek-Dox medium [7],

Leptothrix sp.: “Mulder - Van Veen” medium [9], Galionella sp.: “Lieske” medium [7].

3. RESULTS AND DISCUSION

The results show that the waters are rich in both auto- and heterotrophic microorganisms (Fig. 4, 5, Phot. 1). Their effect on water chemistry is immediate. It results from a change in their physical and chemical environment of the basic parameters such as pH end Eh.

The results of pH-Eh measurements as well as concentration of iron justify the presence of iron bacteria in the research area. These parameters are compatible

(4)

with the physicochemical conditions [6] essential for the existence and growth of so called iron bacteria (Fig. 3).

500 m

Fig. 2. The location of sampling points (names given by the authors). 1 - “Wyciek źródłowy” ; 2 - “Misa źródłowa I”; 3 -“Misa źródłowa II”; 4 - “Misa źródłowa III”;

5 - “Rozlewisko”

Fig. 3. A projection of pH and Eh values in the Anthropogenic Lake District waters.

black rectangle - the conditions favouring the existence of ferruginous bacteria [6]

0 2 4 6 8 10 12 14

pH -800

-400 0 400 800 1200

Eh[mV]

(5)

0

110

100

1000

10000

Mia no Het er otr ofi czn yc hb ak te żel rii azi s ty ch w1 3 cm an ali zo wa nej wo d y

"WyciekźdłowyI"

"Misaźdłowa1"

"Misaźdłowa2"

"Misaźowa3"

"Rozlewisko"

0

110

100

1000

Lic zb ak óre om kb ak ter ii zr od za ju Le pto th rix sp

.

w1 3 cm an ali zo wa n ej wo dy

"WyciekźdłowyI"

"Misaźdłowa1"

"Misaźdłowa2"

"Misaźróowa3"

"Rozlewisko"

0

110

100

1000

10000

100000

1000000

Mia no ba kte rii zr od za ju Ga lio ne lla sp

.w

1c 3m an ali zo wa ne jw od y

"WyciekźdłowyI"

"Misaźdłowa1"

"Misaźdłowa2"

"Misaźdłowa3"

"Rozlewisko"

0

110

100

1000

10000

100000

1000000

Mia no bak ter ii zg atu nk uA cid ith iob aci llu sf err oo x id an s w1 3 cm an ali zo w an ej wo dy

"WyciekźdłowyI"

"Misaźdłowa1"

"Misaźródłowa2"

"Misaźródłowa3"

"Rozlewisko"

0

110

100

1000

10000

Lic zb ak óre om kb ak te rii mez ofi ln yc hw 3 1cm an ali zo wa nej wo d y

"Wyciek źdłowyI"

"Misa źdłowa1"

"Misa źdłowa2"

"Misa źródłowa3"

"Rozlewisko"

0

110

100

Lic zb ak olo nii grz ów yb mik ro sk op ow ych w1 3 cm an ali zo wa nej wo dy

"Wyciek źdłowyI"

"Misa źdłowa1"

"Misa źdłowa2"

"Misa źródłowa3"

"Rozlewisko"

0

110

100

1000

10000

Lic zb ak óre om kb ak te rii p sy ch ro fil nyc hw 3 1cm an ali zo wan ej wo dy

"Wyciek źdłowyI"

"Misa źdłowa1"

"Misa źdłowa2"

"Misa źródłowa3"

"Rozlewisko" 123451234512345 12345123451234512345

A B C D E F G

Fig. 4. An illustration of population sizes of microorganisms (measured as amounts of bacteria cells in 1 mL of the water). A - psychrophilic bacteria; B - mesophilic bacteria;

C - fungi; D - Leptothrix sp.; E - Heterotrophic Ferruginous Bacteria; F - Gallionella sp.; G - Acidithiobacillus ferrooxidans; 1-5 - sampling points; 1 - “Wyciek źródłowy”;

2 - “Misa źródłowa I”; 3 - “Misa źródłowa II”; 4 - “Misa źródłowa III”;

5 - “Rozlewisko”

(6)

Jul-09 Aug-09 Sep-09 Oct-09 Nov-09 Dec-09 Jan-10 Feb-10 Mar-10 Apr-10 May-10 Jun-10 Jul-10 Aug-10 Sep-10 2

6

1 100 10 000

Jul-09 Aug-09 Sep-09 Oct-09 Nov-09 Dec-09 Jan-10 Feb-10 Mar-10 Apr-10 May-10 Jun-10 Jul-10 Aug-10 Sep-10 2

6

1 100 10 000

Jul-09 Aug-09 Sep-09 Oct-09 Nov-09 Dec-09 Jan-10 Feb-10 Mar-10 Apr-10 May-10 Jun-10 Jul-10 Aug-10 Sep-10 2

6

1 10 100

Jul-09 Aug-09 Sep-09 Oct-09 Nov-09 Dec-09 Jan-10 Feb-10 Mar-10 Apr-10 May-10 Jun-10 Jul-10 Aug-10 Sep-10 2

6

0 100 1 000 000

Jul-09 Aug-09 Sep-09 Oct-09 Nov-09 Dec-09 Jan-10 Feb-10 Mar-10 Apr-10 May-10 Jun-10 Jul-10 Aug-10 Sep-10 2

6

0 100 1 000 000

Jul-09 Aug-09 Sep-09 Oct-09 Nov-09 Dec-09 Jan-10 Feb-10 Mar-10 Apr-10 May-10 Jun-10 Jul-10 Aug-10 Sep-10 2

6

0 10 1 000

Jul-09 Aug-09 Sep-09 Oct-09 Nov-09 Dec-09 Jan-10 Feb-10 Mar-10 Apr-10 May-10 Jun-10 Jul-10 Aug-10 Sep-10 2

6

0 100 1 000 000

b a

c d

e f

g

Fig. 5. Seasonal variations of the population sizes of selected groups of microorganisms (the crosshatched area shows the ranges of the values observed in different sampling

points); a - psychrophilic bacteria; b - mesophilic bacteria; c - fungi;

d - Acidithiobacillus ferrooxidans; e -Galionella sp.; f - Leptothrix sp.;

g - Heterotrophic Ferruginous Bacteria

Microbiological analyses showed that the most numerous bacteria in Anthropogenic Lake District waters are filiform variety of Galionella sp.

(Fig. 4 - 6). However, it is noteworthy that their population size did not correlate with measured ambient temperature. The explanation of this situation might be as follows: another abundant microorganism in this area is Acidithiobacillus ferrooxidans, which consumes the same nutrients. To win the “competition”

these bacteria can even inhibit growth of their population. They are also more sensitive to temperature changes.

(7)

Fig. 6. Total population sizes (from all localities) of microorganisms. Explanations:

A. f - Acidithiobacillus ferrooxidans; HBZ - Heterotrophic Ferruginous Bacteria, G. - Galionella sp., L - Leptothrix sp., B. p - psychrophilic bacteria,

B. m - mesophilic bacteria, Gr - fungi

SO4

2- [mg/dm]3 A. f.

Fig. 7. The variability of sulphate concentration and the Acidithiobacillus ferrooxidans population size in the sampling point “Rozlewisko”

0 1 10 1 00 10 00 100 00 1000 00 10000 00

A . f. H. b . z. G. L. B. p. B. m . G rzy by

Number of bacterial cells / fungal colonies in 1 mL of test water

(8)

Photo 1. SEM images of isolated bacterial cultures; a, b - Acidithiobacillus ferrooxidans; c - f - Galionella sp.; g, h - Heterotrophic Ferruginous Bacteria

(9)

The performed analyses confirmed the impact of some microorganisms - mainly Acidithiobacillus ferrooxidans and Heterotrophic Ferruginous Bacteria on the processes of iron sulphide oxidation. This is reflected, in inter alia a strong positive correlation between the size of their populations and the sulphate concentration (Fig. 7).

On the basis of the results of this research another conclusion can be drawn - if we consider the population sizes of psychro- and mesophilic bacteria as well as fungi we can say that water in the tested sites exhibits good sanitary conditions.

This is certainly true only in terms of microbiological conditions.

4. ACKNOWLEDGEMENTS

This work was supported by AGH-University of Science and Technology statutory grant No. 11.11.140.319.

REFERENCES

1. Bożęcki P., Kotulska M., Rzepa G.:, Variability of water composition in the AMD-type environment: the Łęknica region case study, Mineralia Slovaca 43, 2, 2011 172-173.

2. Bożęcki P., Rzepa G.:, Variability of chemical composition in reservoirs in the Łęknica region (the Muskau Arch, western Poland) and attempt to set the relation between this variation and the microbiological activity, Goldschmidt 2011, August 14-19, 2011 in Prague, Czech Republic, Coference Meterials.

3. Bożęcki P., Rzepa G.:, Wstępne wyniki badań mineralogiczno- hydrogeochemicznych prowadzonych w rejonie zlikwidowanej kopalni węgla brunatnego „Przyjaźń Narodów” szyb „Babina” w rejonie Łęknicy (SW Polska). Górnictwo Odkrywkowe, Wrocław 2 (2010), 66-69.

4. Bożęcki P., Rzepa R.:, Wstępne wyniki badań zmienności chemizmu kwaśnych wód kopalnianych z rejonu Łęknicy (SW Polska), [in:]

Interdyscyplinarne zagadnienia w górnictwie i geologii (eds.

W. Ciężkowski, J. Drzymała), Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej Wrocław, 2010, 113-121,.

5. Kupetz A., Kupetz M., Der Muskauer Faltenbogen, Munechen, Verlag DR.

Friedrich Pfeil, 2009.

6. Macioszczyk A., Dobrzański D.: Hydrogeochemia strefy aktywnej wymiany wód podziemnych, Warszawa, Wyd. PWN, 2007.

7. Mrozowska J.:, Laboratorium z mikrobiologii ogólnej i środowiskowej.

Gliwice, Wyd. Politechniki Śląskiej, 1999.

(10)

8. POLSKA NORMA PN-C-04615-21:1980 - Woda i ścieki. Badania mikrobiologiczne. Oznaczanie bakterii Thiobacillus ferrooxidans metodą hodowli na pożywce płynnej.

9. Schlegel H. G.:, Mikrobiologia ogólna, Warszawa, PWN, 2003.

WYNIKI BADAŃ MIKROBIOLOGICZNYCH PROWADZONYCH W ZBIORNIKACH KWAŚNYCH WÓD KOPALNIANYCH W POLSKIEJ CZĘŚCI ŁUKU MUŻAKOWA – NAJWIĘKSZYM TEGO TYPU ŚRODOWISKU W POLSCE

S t r e s z c z e n i e

W rejonie Łuku Mużakowa prowadzona była eksploatacja m.in. węgla brunatnego.

Działalność kopalń w tym rejonie trwała do końca lat 70. XX wieku. Po zakończeniu eksploatacji w obniżeniach terenu powstały liczne zbiorniki wodne, tworzące tzw.

pojezierze antropogeniczne. W wyniku utleniania siarczków (głównie pirytu) występujące tutaj wody są bogate w żelazo oraz charakteryzują się bardzo niskim pH. W pracy przedstawiono wyniki badań mikrobiologicznych wykonywanych w polskiej części tej struktury geologicznej. Stwierdzono, że wszystkie badane grupy mikroorganizmów wykazują zmienność zarówno czasową (wynikającą z pór roku) jak i przestrzenną (wynikającą z miejsca pobrania próbki do badań). Wykazano, iż najliczniejszą grupą mikroorganizmów są nitkowate bakterie z rodzaju Gallionella. Stosunkowo liczne są ponadto bakterie Acidithiobacillus ferrooxidans. Ponieważ obie te grupy mikroorganizmów do swojego wzrostu potrzebują tych samych związków chemicznych ich populacje konkurują ze sobą – nawet kosztem ograniczenia tempa rozwoju populacji własnego gatunku.

Słowa kluczowe: środowisko AMD, Łuk Mużakowa, zmienność mikrobiologiczna Editor received the manuscript: 16.04.2013

Cytaty

Powiązane dokumenty

Jako przykład ilustru­ jący możność korzystania z tego p ra­ wa autorzy przytaczają fakt, że gdy adwokat, biorąc udział w zapoznaniu się przez podejrzanego z

Funkcjonujący w latach 1925–1939 Związek Urzędników Uniwersytetu Ste- fana Batorego w Wilnie stanowił związek zawodowy podlegający pod przepisy rozporządzenia Komisarza

Likopen nie znajduje się co prawda w tkankach oka, tak jak inne karotenoidy (luteina i zeaksantyna), ale jego właściwości, polegające na odnawianiu innych an- tyoksydantów, w

With the help of carefully prepared information boards this would create a educational trail covering the entire story of mining in the Tatras – starting with the early

• Wysiłki członków GKRPA w kierunku motywowania osób uzależnionych do podjęcia leczenia (również za pomocą zobowiązania) są marnotrawione w znacznym stopniu dla- tego,

The first method is based on the holistic risk model for the assessment of safety of ships in damaged conditions as follows (Jasionowski & Vassalos, 2006; Skjong et al.,

Jak wykazały przeprowadzone badania – dynamika zmian rozmieszczenia działalności przemysłowej na badanym obszarze zależy w dużym stopniu od rodzaju obszaru, na którym

Gawin´ski, miłos´nik sztuki Szwajcara, pisał o nim, z˙e „[...] uczył, iz˙ ten jest artyst ˛ a, kto poznawszy prawa wszech- formy, tworzy sam: najwie˛ksz ˛ a cnot ˛ a artysty