Rola bakterii autochtonicznych w mobilizacji i immobilizacji metali na terenach pokopalnianych górnictwa uranowego na Dolnym Śląsku

Wydobycie uranu na terenach południowo-zachodniej Polski miało miejsce od 1948 do 1973 roku. W tym czasie w kopalniach rozmieszczonych w okolicach miejscowości takich, jak: Kowary, Radoniów, Grzmiąca w województwie Dolnośląskim wydobyto prawie 757 ton czystego uranu. Niezabezpieczone hałdy powydobywcze oraz wody wypływające z zamkniętych sztolni kopalni uranowych, znajdujących się na terenie Dolnego Śląska, stanowią potencjalne zagrożenie skażenia metalami ciężkimi dla środowiska naturalnego. Wiadomo, że ważnymi czynnikami wpływającymi na przechodzenie metali z form nierozpuszczalnych do rozpuszczalnych są czynniki abiotyczne takie, jak: pH, potencjał oksydoredukcyjny czy siła jonowa, a także to, w jakich związkach chemicznych występują metale. Należy jednak pamiętać, że oprócz istotnych warunków fizyczno-chemicznych ogromną rolę odgrywają czynniki biotyczne. Wśród nich najważniejszymi są mikroorganizmy zdolne do bardzo szerokiej adaptacji do warunków ekstremalnych (wysokich stężeń metali ciężkich) oraz wykorzystywania metali, jako źródła energii lub jako ostatecznych akceptorów elektronów. W niniejszej pracy zbadano dwa odrębne środowiska powstałe w wyniku działalności wydobywczej uranu w połowie XX w. na obszarze Dolnego Śląska. Pierwszym z nich były hałdy zalegające przy sztolniach wydobywczych i odwiertach próbnych. Z wstępnych analiz wynikało, bowiem że stężenie uranu waha się tam od 112,8 do 2986,0 mg/kg s.m., a miejscowo osiąga nawet 11 000 mg/kg s.m. W związku z dużą zawartością metali ciężkich w hałdach sprawdzono, czy wśród mikroorganizmów autochtonicznych znajdują się bakterie zdolne do utleniania: (i) związków siarki w warunkach neutralnych oraz (ii) utleniania żelaza (II) w warunkach kwaśnych, jako procesów istotnych w mobilizacji metali ciężkich. Obydwa rodzaje stabilnych konsorcjów wyizolowano z 4 spośród 5 badanych środowisk: Grzmiącej, Kromnowa oraz dużej i małej hałdy w Radoniowie. Natomiast z hałdy w Kopańcu nie wyizolowano konsorcjum utleniającego Fe2+ w warunkach kwaśnych. Drugim charakteryzowanym środowiskiem były maty mikrobiologiczne porastające odpływ sztolni 19A w kopalni „Podgórze”. Analizy elementarne wykazały ich zdolność do zatrzymywania znacznych ilości metali ciężkich: 13 541 mg As/kg s.m., 366 mg U/kg s.m., 1 725 mg Mn/kg s.m. czy 7 173 mg Fe/ kg s.m. Biorąc pod uwagę te właściwości scharakteryzowano dokładnie maty w kierunku zdolności do samooczyszczania wód kopalnianych. W tym celu zbadano: (i) morfologię oraz bioróżnorodność mat mikrobiologicznych, (ii) zdolności do sorpcji i desorpcji jonów AsO2-, Co2+, Cu2+, Mn2+ oraz UO22+, (iii) wyizolowano i scharakteryzowano konsorcja AsRB, FeRB oraz SRB, (iv) wyizolowano i scharakteryzowano nowy szczep Raoultella sp. SM1 zdolny do efektywnej redukcji żelaza (III) i precypitacji uranu w warunkach beztlenowych. Wykazano, że maty mikrobiologiczne zatrzymują metale ciężkie w biernym procesie biosorpcji, jak również, że w ich skład wchodzą mikroorganizmy, które są zdolne do aktywnej immobilizacji metali ciężkich poprzez redukcję związków arsenu, żelaza i siarki. W niniejszej pracy wykazano, że w środowiskach powstałych po wydobyciu uranu na terenie Dolnego Śląska występują mikroorganizmy, które są zdolne zarówno do mobilizacji, jak i immobilizacji metali ciężkich. Pozostawienie tych terenów niemonitorowanych i niezabezpieczonych może spowodować w przyszłości skażenie metalami ciężkimi otaczającego je środowiska. Oprócz potencjalnych zagrożeń, mikroorganizmy autochtoniczne mogą być bardzo użyteczne w procesach biotechnologicznych, bioremediacji i bioługowania metali ciężkich zdeponowanych w hałdach. Stabilne konsorcja wyizolowane z hałd uranowych, maty mikrobiologiczne oraz mikroorganizmy strącające uran takie, jak zidentyfikowany szczep Raoultella sp. SM1 mogą być wykorzystane do przeprowadzenia kompleksowego procesu bioremediacji hałd. Dzięki odpowiedniemu zastosowaniu można byłoby przeprowadzić cały proces biotechnologiczny od uwolnienia metali (w tym uranu) z hałd do kontrolowanego strącania i odzyskiwania, wykorzystując również autochtoniczne mikroorganizmy do zabezpieczenia strefy przeprowadzonego procesu. Jednakże wprowadzenie takiego rozwiązania wymaga dokładnych analiz wydajności procesu bioługowania, badań nad wydajnością sorpcji i desorpcji w różnych warunkach pH oraz opracowania metody namnażania mat mikrobiologicznych, konsorcjów oraz pojedynczych szczepów zaangażowanych w powyższe procesy.

Uranium mining in South West Poland lasted between 1948 and 1973. During this time at different sites surrounding cities such as Kowary, Radoniow or Grzmiaca, localized in Lower Silesian voivodship, 757 tons of pure uranium was exploited. This process has left hazardous residues such as heaps of uranium low-grade ore or waters flowing out from closed adits in the Lower Silesia region. Both are potentially danger for the surrounding environment because of their heavy metals content. It is widely known that important factors for metals mobilization are physical factors, such as pH, redox potential or ionic strength as well as chemical form of metals occurrence. It is worth to remember, that except physical and chemical properties, biotic factors play huge role in metals transformation. Among them activity of microorganisms is one of the most important because of their wide adaptive potential to the extreme environments (e.g. high concentration of heavy metals) as well as capabilities to use metals as an energy source or sole electrons acceptors. This dissertation characterized two separate environments created as a result of uranium mining activity in the Lower Silesia region. Firstly, waste heaps at mining and boreholes sites were characterized. Preliminary results showed that uranium concentration at examined sites was between 112.8 and 2986.0 mg •kg-1 d.w. (of dry weight), exceptionally reaching 11 000 mg U • kg-1 d.w. Due to high heavy metals concentration in the heaps, two groups of indigenous microorganisms, known as important mobilizers of heavy metals, were isolated: (i) sulfur oxidizing bacteria active in neutral pH and (ii) iron (II) oxidizing bacteria active in acidic pH. Both types of stable consortia were isolated from 4 out of 5 examined environments, which were heaps from: Grzmiaca, Kromnow, and small and large heaps in Radoniow. Secondly, microbial mats growing in water outflow in adit 19A of “Podgorze” mine were examined. Elemental analysis of those mats showed high capabilities to the heavy metals retention, such as 13 541 mg As • kg-1 d.w., 366 mg U • kg-1 d.w., 1 725 mg Mn • kg-1 d.w. or 7 173 mg Fe • kg-1 d.w. Considering these results, further experiments were focused on bioremediation and self-purification features of microbial mats. For this purpose: (i) mats morphology and biodiversity were characterized, (ii) their abilities for sorption and desorption of AsO2-, Co2+, Cu2+, Mn2+ and UO22+ ions were tested, (iii) arsenate, iron (III) and sulfate reducing bacteria (AsRB, FeRB and SRB, respectively) consortia were isolated and characterized, (iv) new strain Raoultella sp. SM1 capable of effective iron (III) reduction and precipitation of uranium in anaerobic conditions was isolated. It was proved that microbial mats immobilized heavy metals in the passive processes of biosorption as well as in active processes performed by microorganisms reducing arsenic, iron and sulfur compounds. In this dissertation, it was proved that environments created as a result of uranium mining in the Lower Silesia are inhabited by indigenous microorganisms, which are both: heavy metals mobilizers and immobilizers. Leaving those environments uncontrolled and the unprotected can lead to the pollution of the environment in the future. However, indigenous microorganisms cannot be considered only as a potential threat for the environment. They can be very useful in biotechnological process, such as bioremediation and bioleaching of heavy metals deposited in uranium heaps. Stable consortia isolated from heaps and microbial mats as well as microorganisms able to uranium precipitation (such as Raoultella sp. SM1) could be used for heavy metals removal and recovery. Every stage of this process from heavy metals mobilization to their precipitation and recovery can be carried out with selected microorganisms. What is more, those organisms could be used in construction of protective barriers against heavy metals leaking for bioremediation area. Performed analyses are the beginning of bioremediation strategy development. Conducted experiments showed huge potential of indigenous microorganisms in purification processes but further studies are needed to develop the whole technology of uranium heaps efficient bioremediation. Detailed investigation of bioleaching, sorption and desorption effectiveness in different pH as well as effective methods of indigenous microorganisms cultivation have to be carried out.