BGR Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe

Mikrobielle Kohlenwasserstoffbildung und –abbau. Forschung im Bereich Energierohstoffe

Land / Region: überregional

Projektanfang: 01.01.2004

Projektende: 31.12.2014

Projektstand: 31.08.2010

Die mikrobielle Bildung sowie der Abbau von Kohlenwasserstoffen werden im Hinblicke auf eine biotechnologische Umwandlung und Förderung von Energierohstoffen untersucht. Im Mittelpunkt stehen die mikrobielle Methanbildung in Lagerstätten (Geomikrobiologie) und die Methanoxidation. Zudem wird die Auswirkung einer CO2-Speicherung im Untergrund auf die Mikrobiologie und infolgedessen Speicherkapazität und Langzeitsicherheit von Lagerstätten untersucht. Mikrobiologische Begleituntersuchungen zur geothermischen Nutzung des Untergrundes sind ein weiteres Thema im Aufgabenfeld Energierohstoffe.

Die mikrobielle Bildung sowie der Abbau von Kohlenwasserstoffen werden im Hinblicke auf eine biotechnologische Umwandlung und Förderung von Energierohstoffen untersucht. Im Mittelpunkt stehen die mikrobielle Methanbildung in Lagerstätten (Geomikrobiologie) und die Methanoxidation. Zudem wird die Auswirkung einer CO2-Speicherung im Untergrund auf die Mikrobiologie und infolgedessen Speicherkapazität und Langzeitsicherheit von Lagerstätten untersucht. Mikrobiologische Begleituntersuchungen zur geothermischen Nutzung des Untergrundes sind ein weiteres Thema im Aufgabenfeld Energierohstoffe.

Forschungsergebnisse 2004 – 2010

Deutschland besitzt eine hohe Abhängigkeit von Importen an Energierohstoffen, weshalb der Forschung in diesem Bereich große Bedeutung beizumessen ist. Umso erstaunlicher ist es, dass selbst mit den besten derzeit verfügbaren Fördermethoden nur ca. 30-40% des vorhandenen Rohöls aus den Lagerstätten gefördert werden kann. Der größte Teil des Öls bleibt in einem Mehrphasenmischsystem in der Lagerstätte zurück. Schon seit etwa 20 Jahren ist durch isotopenchemische Untersuchungen bekannt, das Methan in Kohle- und Erdöllagerstätten biologisch gebildet wird. Die Kohlenstoffquelle für das Methan sind Kohlenwasserstoffe, welche von anaeroben Mikroorganismen in Abwesenheit von Sauerstoff zu Methan umgesetzt werden. Die Aufklärung dieses Abbauprozesses und seiner biogeochemischen Randbedingungen ist aus mehreren Gründen von großer wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Bedeutung: (i) Das Verständnis der Lagerstättenbiodegradation kann in der Exploration genutzt werden, (ii) der Einsatz von MEOR-Strategien (Microbially Enhanced Oil Recovery) zur Steigerung der Ölförderung ist erfolgreich, (iii) eine biotechnologische Beeinflussung der Methanogenese im Reservoir könnte neue energiewirtschaftliche Perspektiven eröffnen. Die Umwandlung von Anteilen des nicht förderbaren Öls durch ein entsprechendes kostengünstiges, biotechnologisches Verfahren in leicht zu förderndes Methan würde eine sehr ergiebige, und zudem umweltschonende Energieresource bereitstellen.

Etwa 7 % der jährlichen globalen Methanemissionen stammen aus dem Steinkohlebergbau. Die bisherigen Ergebnisse weisen darauf hin, dass mikrobielles Methan einen wesentlichen Anteil an den kontrollierten und unkontrollierten Gasaustritten im Ruhrbecken hat. Das Methan stammt je nach Standort zu etwa 38 bis 90 % aus mikrobieller Produktion (Thielemann et al. 2004). Eine Änderung der Methanisotopie mit der Zeit weist an einigen Lokalitäten auf eine rezente mikrobielle Methanbildung hin.

In verschiedenen Geosystemen, wie z.B. Schlammvulkanen, eutrophen Seen und Reisfeldern, werden Untersuchungen zu den am Methankreislauf beteiligten Organismen und Prozessen durchgeführt. Ein besonderer Schwerpunkt ist der anaerobe Methanumsatz in marinen Systemen, wo Arbeiten zu dem erst vor kurzem entdeckten Prozess der anaeroben Oxidation von Methan (AOM) durchgeführt wurden (in Kooperation mit dem MPI für marine Mikrobiologie in Bremen, Projekt Mumm - Methane in the Geo/Bio-System - Turnover, Metabolism and Microbes). AOM limitiert effektiv die Methanemission in die Hydrosphäre, da mehr als 90% des in marinen Sedimenten produzierten Methans noch vor Eintritt in die Hydrosphäre und Atmosphäre umgesetzt werden. Deshalb spielt dieser noch weitgehend unbekannte Prozess eine wichtige Rolle für die Regulation der Freisetzung des Treibhausgases Methan. Weiterhin wurden drei neue Arten Öl-abbauender aerober Bakterien beschrieben: Microbacterium oleivorans sp. nov., Microbacterium hydrocarbonoxydans sp. nov. und Nocardioides oleivorans sp. nov.

Ausblick

Der anaerobe Abbau von Kohlenwasserstoffen in tiefen Erdöllagerstätten durch Mikroorganismen zu Methan hat neben der wissenschaftlichen große wirtschaftliche und gesellschaftliche Bedeutung durch die Beeinflussung der Ölqualität. Daher werden in zwei DFG-finanzierten Projekten an diesen Vorgängen beteiligte mikrobielle Prozesse und Organismen zur Vorhersage vom Degradationsgrad bestimmter Lagerstätten für die Explorationsindustrie untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt in diesem Zusammenhang ist die Bestimmung des Ausmaßes rezent durch Mikroorganismen gebildeten Methans in Gas-, Kohle- und Öllagerstätten, sowie die Untersuchung beteiligter Organismen. Dies soll zu verlässlichen Aussagen hinsichtlich einer möglichen wirtschaftlichen Nutzung dieses Prozesses führen. In enger Kooperation mit industriellen Partnern und Forschungseinrichtungen hat die BGR über einen längeren Zeitraum die zur Stromerzeugung eingesetzten Grubengase aus deutschen Kohlebergwerken geochemisch untersucht. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass ein signifikanter Teil dieser Gase bakteriell generiert wird. Ähnliche Beobachtungen werden weltweit an Erdöllagerstätten gemacht. Mit mikrobiologisch ausgerichteten Forschungsarbeiten werden zur Zeit die Untersuchungen über Lebensbedingungen der in Proben aus Kohle- und Erdöllagerstätten nachgewiesenen methanbildenden Mikroorganismen durchgeführt und Gasbildungsraten quantifiziert. Ziel des Vorhabens ist es, Herkunft und Reichweite dieser nicht-konventionellen Erdgase zu präzisieren. Ferner soll untersucht werden, ob und wie man die mikrobielle Methanproduktion z.B. in aufgelassenen Öllagerstätten stimulieren und damit die weltweite Ausbeute an fossilen Brennstoffen signifikant steigern kann.

In einem BGR-Projekt werden Bildung, Potenzial, Migration und Speicherung von Kohlenwasserstoffen im Forearc des Sunda-Inselbogens vor Sumatra untersucht, und in einer Beckenstudie das organische Ausgangsmaterial und relevante mikrobielle Lebensgemeinschaften charakterisiert, das KW-Potenzial abgeschätzt, und die Zusammensetzung, Verteilung und Genese der KW modelliert. LINK zu Sumatra

Weiterhin war und ist der AB Geomikrobiologie im Rahmen des EU-Netzwerkes CO2GeoNet und des EU-Projektes RISCS an der Untersuchung von natürlichen CO2-Austritten beteiligt, um mögliche Umwelteinflüsse hoher CO2-Konzentrationen in oberflächennahen Ökosystemen zu untersuchen. Entsprechende mikrobiologisch-biogeochemische Untersuchungen in potentiellen CO2-Speichern, wie Kohle-, Öl- und Gaslagerstätten (Krüger et al. 2008, Beckmann et al. 2010, Feisthauer et al. 2010), laufen in den BMBF-finanzierten Projekten RECOBIO-2 und CLEAN. Dies ist von besonderer Bedeutung für (1) die Auflösung oder Bildung von Mineralien und hieraus resultierende Änderungen der Permeabilität und Kapazität der Lagerstätte, (2) die Einschätzung der Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit für die Auswahl geeigneter Lagerstätten, (3) den Einfluss einer Versauerung der Lagerstätte auf die Schwermetallsolubilisierung und –transport, (4) die Einschätzung von Konsequenzen möglicher Leckagen in Grundwasserleiter und höhere Bereiche im Kontakt mit der Atmosphäre.

Literatur:

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Krüger, M., Beckmann, S., Engelen, B., Thielemann, T., Cramer, B., Schippers, A., and Cypionka, H. (2009) Microbial methane formation from hard coal and timber in an abandoned coal mine. Geomicrobiology Journal 25: 315-321.

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Kontakt:

    
Dr. Martin Krüger
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