Charakterisierung mikrobieller Gemeinschaften in ehemaligen, neutralen Uranerzbergwerken in Sachsen und Untersuchungen zur mikrobiellen Immobilisierung von Uran und Arsen

Ehemalige Urangruben tragen durch das anfallende Flutungswasser maßgeblich zur Ausbreitung von Schadstoffen wie Uran und Arsen in teils dicht besiedelte Gebiete bei. Um die Prozesse in den unterirdischen Gruben besser zu verstehen und alternative Strategien zur konventionellen, kostenintensiven Wasserbehandlung entwickeln zu können, war das Ziel der Arbeit, mikrobielle Gemeinschaften aus drei gefluteten Uranerzbergwerken in Sachsen, namens Pöhla, Schlema und Zobes, die unterschiedliche Flutungsstadien repräsentierten, zu charakterisieren und den mikrobiellen Einfluss auf die Mobilität von Uran und Arsen zu untersuchen. Um herauszufinden, welche Mikroorganismen die hydrochemischen Vorgänge im Untergrund der Uranerzbergwerke beeinflussen könnten, wurde die Diversität und Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften mittels Pyrosequenzierung eines Fragments des 16S rRNA Gens (16S rDNA) und CARD-FISH ermittelt. Wenngleich Clusteranalysen zeigten, dass sich die planktonischen Gemeinschaften hinsichtlich ihrer bakteriellen Zusammensetzung zwischen den drei Uranerzbergwerken unterschieden, wurden alle von chemolithotrophen Schwefeloxidierern der Beta- und Epsilonproteobacteria dominiert, die mit den Gattungen Thiobacillus und Sulfuritalea bzw. Sulfuricurvum und Sulfurimonas vertreten waren. Im Unterschied zu den planktonischen Gemeinschaften bestanden in situ Biofilme, die auf BACTRAPs während einer 3-monatigen Exposition im Flutungswasser anwuchsen, laut Pyrosequenzierung zu einem wesentlichen, mitunter dominanten Anteil aus metall- bzw. sulfatreduzierenden Deltaproteobacteria. In Biofilmgemeinschaften aus Zobes wurden hauptsächlich Geobacter sp. detektiert, die als Fe(III)- und U(VI)-Reduzierer bekannt sind. Obwohl Archaea basierend auf den Ergebnissen der CARD-FISH-Analyse nur einen sehr geringen Anteil der planktonischen Gemeinschaften ausmachten, wurden mittels Pyrosequenzierung planktonische Euryarchaeota der Thermoprotei in allen Gruben detektiert. In planktonischen Gemeinschaften und 3-monatigen Biofilmen aus Pöhla und Zobes wurden zudem methanogene Crenarchaeota, vor allem Methanobacteria und teilweise Methanomicrobia, ermittelt. Die 16S rRNA-Analyse, die ergänzend zum DNA-basierten Ansatz durchgeführt wurde, lieferte Hinweise darauf, dass die detektierten, dominanten Mikroorganismen, Bacteria sowie Archaea, in der planktonischen Gemeinschaft aus Schlema und den Biofilmgemeinschaften stoffwechselaktiv waren. In der planktonischen Gemeinschaft aus Zobes wurden im Vergleich zur DNA-basierten Analyse höhere Abundanzen für Verrucomicrobia, Acidobacteria und Alphaproteobacteria ermittelt, deren Bedeutung offen bleibt. Untersuchungen zum mikrobiellen Stoffwechselpotential planktonischer Gemeinschaften mittels CFU- und MPN-Analysen ergaben, dass Mikroorganismen aus allen Urangruben ein breites Spektrum anaerober Reaktionen (Nitrat-, Eisen-, Mangan-, Arsenat- und Sulfatreduktion und Acetogenese) unter Laborbedingungen abdeckten. In guter Übereinstimmung mit den Sequenzierungsergebnissen konnten methanogene Mikroorganismen nur im Flutungswasser aus Pöhla und Zobes detektiert werden. Die Metaproteomanalyse ergab, dass 61,6% der Peptide in der planktonischen Gemeinschaft aus Schlema von den dominanten Epsilonproteobacteria stammten. Dagegen wurden für Zobes detektierte Peptide mehrheitlich methylotrophen und eisenoxidierenden Betaproteobacteria der Familien Methylophilaceae bzw. Gallionellaceae sowie methylotrophen Gammaproteobacteria der Methylococcaceae zugewiesen. Obwohl die Mehrheit der Proteine an der Translation beteiligt war, konnten insgesamt 49 Proteingruppen ermittelt werden, deren Vertreter für den mikrobiellen Energiestoffwechsel relevant waren. Insbesondere planktonische Gammaproteobacteria aus Zobes konnten so mit dem Kohlenstoff- und Schwefelkreislauf in Zusammenhang gebracht werden. Mithilfe von Labormikrokosmen wurde der potentielle Einfluss mikrobieller Gemeinschaften aus Schlema auf die Mobilität von Arsen und Uran im Flutungswasser mit Acetat als Elektronendonor unter anaeroben Bedingungen über einen Zeitraum von 98 Tagen untersucht. Im Vergleich zu den Kontrollen konnten sowohl die stimulierte, planktonische Gemeinschaft als auch Biofilme natürliches Arsen aus der wässrigen Phase fast vollständig entfernen. Allerdings wies der spätere Anstieg des gelösten Arsens daraufhin, dass der immobilisierte Zustand langfristig nicht stabil blieb. In stimulierten Biofilm-Ansätzen wurde Uran mit bis zu 39 ± 9% (in Anwesenheit von 7 µM natürlichem Uran) bzw. 34 ± 8% (bei Zugabe von 50 µM U(VI)) aus der wässrigen Phase langfristig (98 Tage) immobilisiert. Laserfluoreszenzspektroskopische Untersuchungen zeigten, dass Uran im Biofilm reduziert wurde