Tietopankki

Työraportti 2016-38

Takaisin

Nimi:

Microbial Investigations During Infiltration Experiment (INEX) Phase 2

Raportin kirjoittaja:

Edlund, J., Eriksson, L., Johansson, L., Chukharkina, A., Johansson, J., Hallbeck, B., Pedersen, K.

Kieli:

Englanti

Sivumäärä:

29

Tiivistelmä:

Posiva Oy:n merkkiainekoe (Infiltration Experiment Phase 2, INEX2) hapen kulutuksesta pintavesien suotautumisen aikana tehtiin Olkiluodossa kairareiässä OL-KR14 ja sen ympäristössä. Kokeen aikana kallioon syötettiin hapella kyllästettyä vettä, jotta saataisiin tarvittavat tiedot koepaikan kallion redox-puskurikyvystä. Ionivaihdettu vesi kyllästettiin hapella ilmastuspumpun avulla ja vesi johdettiin eristettyyn rakenteeseen kalliossa. Koejärjestelyn avulla jäljiteltiin mm. jäätikön hapellisen sulamisveden tunkeutumista kallioon kohti loppusijoitustiloja. Mikrobiologisten tutkimusten tarkoitus oli selvittää, että mikrobiologinen aktiivisuus ja hapenkulutus on vähäistä ionivaihdetun veden syöttämisen aikana. Posivan vesikemian online monitorointi- ja vesinäytteenottolaitteiston yhteyteen asennettiin kokeen eri vaiheissa läpivirtauskennot, jotka olivat täytetty granaatti- ja lasirakeilla. Läpivirtauskennojen avulla analysoitiin biofilmin koostumuksen ja biomassan määrän muutoksia kokeen aikana. Lisäksi pystyttiin seuraamaan happikyllästetyn ja ionivaihdetun veden vaikutuksia mikrobiologiseen aktiivisuuteen ja diversiteettiin. Tulokset osoittivat pinnalliseen pohjavesisysteemin syötetyn hapen kiihdyttävän mikrobitoimintaa voimakkaasti. Kalliosta ulospumpatussa vedessä planktoniset solumäärät kasvoivat 50-kertaisiksi ja myös läpivirtauskennojen täyteaineisiin kiinnittyneet mikrobit kasvoivat hapellisissa olosuhteissa runsaasti.

Taksonomiamääritykset ja vertailut tehtiin 16S rDNA sekvenssikirjastojen avulla, jotta saatiin selville diversiteetin vaihtelut merkittävimmissä taksonomisissa ryhmissä, kun kokeen aikana syötettiin happikyllästettyä ionivaihdettua vettä. Aineisto normalisoitiin prosenteiksi, jolloin voitiin määrittää läpivirtauskennoihin muodostuneiden biofilmien sekvenssikirjastosta löytyvien taksonomisten ryhmien suhteellinen määrä. Anaerobi­sissa olosuhteissa dominoivana oli Sphingobium, mutta happikyllästetyn ionivaihdetun veden syöttämisen seuraksena dominoivaksi muuttui Rhodobacter. Lisäksi biolfilmeissä havaittiin aerofiilisten raudan hapettajabakteerien, kuten Crenothrix ja  Gallionella, määrän lisääntyneen. Myös metaaninhapettaja Methylomonasn sekä  raudan- ja sulfidinhapettaja sukuun kuuluvan Thiobacillusn määrät kasvoivat.

Aiemmin on tutkittu yksittäisen solun hapenkulutusta erilaisissa olosuhteissa kallion syväpohjavedessä. Hapenkulutus on ollut tyypillisesti 10-14−10-12 mol/solu/vrk. Äspön kalliolaboratoriossa tehdyissä tutkimuksissa liuenneen orgaanisen hiilen (DOC) määrä oli alhainen. Hapenkulutus oli nopeampaa, kun systeemiin lisättiin orgaanista hiiltä, kyseisessä tapauksessa metaania (CH4). INEX2 kokeen rakosysteemi oli avoin orgaaniselle hiilelle ja metaanille, joten hapenkulutuksen voidaan olettaa olleen luokkaa 10-12 mol/solu/vrk.

INEX2-kokeessa hapellisen veden syötön aikana pohjaveden solumäärä oli vähintään 109 solua litrassa (106 solua ml-1), jolloin teoreettisella hapenkulutuksella 10-12 mol/solu/vrk mikrobiologinen hapenkulutus oli 1 mM/vrk. Vastaavasti biofilmien mikrobien kuluttama happimäärä oli 100 mmol/m2/vrk. Mikrobiologisen hapen­kulutuksen voidaan todeta olleen voimakasta INEX2 koejärjestelyssä. Teoreettiset laskelmat osoittavat, että suurin mikrobiologinen hapenkulutus tapahtuu biofilmeissä olevien mikrobien kautta. Vaikka hapenkulutus olisi vain sadasoa teoreettisesti lasketusta arvosta 100 mmol O2/m2/vrk, se riittäisi selittämään kokeessa havaitun hapenkulutuksen. Hapenkulutus orgaanisen hiilen (ml. metaanin) avulla voi tapahtua vain mikrobivälitteisesti, koska orgaaninen hiili ei reagoi mineraalien kanssa. Mikrobiologinen hapenkulutus orgaanisen hiilen kanssa on energeettisesti suotuisa ja nopea reaktio runsaasti happea sisältävässä systeemissä, kuten INEX2 koejärjestelyssä. Lisäksi mikrobiologisen sulfidin ja ferroraudan hapettumisen kinetiikka on nopeampaa kuin epäorgaanisten prosessien. Evoluutio on pakottanut mikro-organismit toimimaan nopeasti, muuten ne eivät pystyisi hyödyntämään pelkistyneessä muodossa olevien hiili-, metalli- ja rikkiyhdisteiden hapettamisesta saatavaa energiaa. On todettu, että bioottinen pyriitin ferroraudan ja rikin hapettuminen on noin 10-kertaa nopeampaa kuin vastaavat abioottiset reaktiot. Mikrobeilla oli merkittävä rooli INEX2 -kokeen hapenkulutuksessa ja se tulee huomioida kokeen tulosten mallinnuksessa.

Avainsanat:

Suotautumiskoe, mikrobiologiset prosessit, hapenkulutus, 16S rDNA sekvensointi, biofilmi, bakteeri.

Tiedosto(t):

Microbial Investigations During Infiltration Experiment (INEX) Phase 2 (pdf) (1.3 MB)


Takaisin


Jaa artikkeli: