Influence of drilling fluids and long-term CO₂ exposure on the microbial community inhabiting rock formations – A case study from the Ketzin site
Creators: name: Pellizzari, Linda
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2017
Subjects: drill mud
tracers
fluorescein
CO₂ storage
reduced injectivity
microbial community

description: Die geotechnische Nutzung des Untergrunds bedingt Veränderungen im komplexen biogeochemischen Equilibrium der geologischen Formation (Bauer et al. 2013). Bei der Injektion von Gasen und Fluiden, wie bei der Gasspeicherung (z.B. CO₂, H₂) oder Geothermie, muss eine hohe Injektionsrate gewährleistet werden. Daher, müssen die Reservoireigenschaften erhalten oder auch optimiert werden. Es wird angenommen, dass mikrobiologische Prozesse die geotechnische Nutzung des Untergrunds aufgrund einer Reduzierung der Permeabilität des Reservoirgesteins beeinflussen können (Jaiswal at al. 2014; Zettlitzer et al. 2010). Diese mikrobiell bedingten Prozesse können bereits bei der Bohrung und damit vor der eigentlichen Nutzung des Untergrunds ausgelöst werden. Technische Fluide, wie beispielsweise Bohrspülungen, können den bohrlochnahen Bereich, aber auch Kernmaterial und Fluidproben biochemisch beeinflussen (Zettlitzer et al. 2010; Struchtemeyer et al. 2011). 
Im Fokus der vorliegenden Studie stehen mikrobiologische Prozesse im tiefen Untergrund von Europas erstem Pilotstandort (Ketzin, Brandenburg) zur geologischen Speicherung von CO₂. Um unkontaminiertes Probenmaterial von den Kernbohrungen zu erhalten, wurden Laborexperimente zur Evaluierung verschiedener Tracer (Fluoreszein, Microspheres und DAPI-markierte Bakterien) durchgeführt. Die Experimente dienten der Bestimmung der Eindringtiefe von Bohrspülungen in erbohrtes Kernmaterial. Die Untersuchungen ergaben, dass Fluoreszein am besten geeignet ist. Daher wurde es anschließend beim Kernen zweier Beobachtungsbohrungen eingesetzt. Die Nachweismethode von Fluoreszein wurde optimiert und ermöglichte die schnelle und einfache Messung mit einer verbesserten Nachweisgrenze von markierter Bohrspülung in Kernmaterial. Darüber hinaus wurde Fluoreszein eingesetzt, um die Konzentration der Bohrspülung während Pump-Tests und Tiefenprobenahmen von Fluiden zu bestimmen. 
Die Charakterisierung der autochthonen mikrobiellen Gemeinschaft der Formationsgesteine und Fluide wurde mittels DNA-Fingerprinting-Methoden (16S rRNA Gen) durchgeführt. Die Brunnenfluide der Stuttgart Formation, der Speicherformation, wiesen bedingt durch Bohrspülungsreste, relativ hohe TOC (organischer Gesamtkohlenstoff) Konzentrationen auf. Es wurde eine mikrobielle Gemeinschaft vorgefunden, die typisch für saline Habitate in der Tiefen Biosphäre ist. Die Gemeinschaft bestand maßgeblich aus halophilen und halotoleranten Proteobacteria und Sulfat-reduzierenden Bakterien (SRB). In Gesteinen der Exter Formation, dem Sandstein über dem Deckgebirge, wurden Proteobacteria und Actinobacteria nachgewiesen. DNA-Datenbankabgleiche weisen darauf hin, dass ähnliche Mikroorganismen sowohl in Böden, Süßwasser aber auch in der Tiefen Biosphäre vorkommen. 
Kernmaterial und Fluid, das während einer weiteren Bohrung in die Stuttgart Formation gewonnen wurde, war dem eingeleiteten CO₂ mehr als vier, beziehungsweise fünf Jahre lang ausgesetzt. Die in diesen Proben nachgewiesenen mikrobiellen Gemeinschaften unterschieden sich von denen vor der CO₂ Injektion. Insbesondere die genetische Diversität war vergleichsweise niedrig. Darüber hinaus wurde der Einfluss der organischen Bohrspülung auf die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft unter simulierten in-situ Bedingungen untersucht. Im Speziellen wurden die Auswirkungen von Acetat, als Abbauprodukt der in der Bohrspülung beigesetzten Polymere, und die Effektivität von Biozid untersucht. In allen Inkubationsansätzen wurde das Wachstum autochthoner Mikroorganismen stimuliert. Die Ergebnisse bestätigen die mikrobielle Abbaubarkeit der eingesetzten Bohrspülung und verdeutlichen die Auswirkungen auf die mikrobielle Gemeinschaft. 
Die Untersuchungen erlauben detailliertere Einblicke in die Kausalkette, welche zur Injektivitätsabnahme einer der Bohrungen in Ketzin beitrug. Einige der nachgewiesenen Mikroorganismen sind in der Lage, Zellulose-Polymere zu hydrolysieren (z.B., Burkholderia spp. Variovorax spp.) und eine signifikante Menge niedermolekularer Säuren, wie beispielsweise Acetat, zu produzieren. Wie durch die Laborexperimente aufgezeigt, nahm das Wachstum von SRB (Desulfotomaculum spp.) durch die Zugabe von Acetat zu. Die daraus resultierende Präzipitation von amorphem Eisensulfid bewirkte vermutlich die Permeabilitätsabnahme im bohrlochnahen Bereich (Zettlitzer et al. 2010). Der beobachtete Injektivitätsverlust an der Pilotanlage zur CO₂-Speicherung verdeutlicht, welche Auswirkungen mikrobielle Prozesse auf die Produktivität und Funktionsfähigkeit geotechnischer Installationen haben können.