Balıkesir/Balya Pb-Zn  maden atık sahasının biyojeokimyası  ve asidik maden drenajı oluşumuna etkilerinin araştırılması
Biogeochemistry of Balıkesir–Balya Pb-Zn  mine wastes and investigation of their effects on the generation of acid mine drainage
Yazar: SERRA GÜL
Danışman: DOÇ. DR. NURGÜL ÇELİK BALCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uygulamalı Jeoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Asit maden drenajı (AMD), madencilik faaliyetleri sırasında ve/veya sonrasında gelişen en yaygın çevre problemlerinden biridir. Sülfür içeren atıkların madencilik alanlarında depolanması sürecinde atmosferik oksijene ve suya maruz kalan bu atıklar oksitlenmeye başlayarak AMD gelişimine neden olurlar. Yüksek sülfat ve  asiditiye (pH<3) sahip bu aşırı jeokimyasal ortamlar birçok değişik mikroorganizma türü (bakteri, arkea) içermektedir. Bu aşırı jeokimyasal ortamlarda bulunan mikroorganizmalar, AMD'ı gelişimini denetleyen ana etkenlerden biridir. Bakterilerin değişik ortamlarda yaygın olarak bulunması ve farklı mineralleri kullanarak, yaşamları için gerekli olan enerjiyi elde etme çabaları, birçok elementin çözünmesini, taşınmasını ve çökelmesini doğrudan kontrol etmektedir. Özellikle son yıllarda, moleküler biyoloji tekniklerinin gelişmesi, bakteriyel faaliyetlerin jeokimyasal işlemlere olan etkilerini daha açık bir şekilde ortaya koymuştur. 

Asidik maden drenajının düşük ph ve yüksek derişimlerde çözünmüş metal ve sülfatları içermesi nedeniyle çevreye potansiyel olarak zarar vermektedir. Eğer AMD'nin oluşumu önlenemez veya kontrol edilemezse; toplanmalı, çevreye zarar bırakılmadan önce ağır metal konsantrasyonu ve askıda katı madde miktarını azaltmak ve asitliğini bertaraf etmek için önlem alınmalıdır.

Tez kapsamında çalışılan Balya (Balıkesir) Pb-Zn maden sahası Türkiye'nin en eski ve en büyük maden sahalarından biridir. Bölgede Permiyen yaşlı kireçtaşı blokları içeren ve Balya Formasyonu olarak bilinen Triyas yaşlı sedimanter kayaçlar ile Tersiyer yaşlı volkanik kayaçlar yüzeyler. Balya Formasyonu ince taneli kumtaşı, iri taneli silttaşı ve pelitik şeyllerden oluşur. Bu birim içindeki kireçtaşı blokları ise feldspat, mika kırıntılı ve yer yer kalsit damarları içeren mikrobiyosparit özelliğindedir. Pb-Zn cevherleşmesinin ilişkili olduğu volkanik kayaçlar özellikle dasit ve andezitlerdir. Madenin bulunduğu dokanak zonlarında skarn mineralleri gelişmiştir. Karşılaşılan başlıca cevher mineralleri magnetit, pirit, pirotin, arsenopirit, kalkopirit, markazit, galenit ve sfalerittir. Ayrıca, altere dasitlerin içinde saçılmış cevherleşmeler de vardır. Saçılmış olarak pirit, galenit ve sfalerit mineralleri izlenmektedir. Roma döneminde işletildiği bilinen bu sahada önemli oranda maden atığı ve flotasyon ürünü malzeme Maden Deresi yanında ve Maden Deresini besleyen yan derelerin taşkın yataklarında hiçbir önlem alınmadan depolanmıştır. 

Atmosfere maruz kalan bu atıklar zamanla oksitlenerek yüksek metal ve sülfat içerikli düşük pH'lı suların gelişmesine neden olmuştur. Maden atıklarından kaynaklanan asidik maden drenajının (AMD) gerek Maden Deresine gerekse de çevrede küçük göletçikler halinde biriktiği tespit edilmiştir. 
Maden atıkları, dere ve asidik gölet  sedimanlarından alınan örnekler üzerinde yapılan analizlerde bu örneklerin önemli oranda metal içerdikleri belirlenmiştir.

Söz konusu sahada AMD'nı etkileyen faktörlerin ortaya konması, sahada uygulanacak doğru ve etkili rehabilitasyon çalışmaları için önemlidir. Bu amaçla sunulan tez kapsamında Balya Pb-Zn maden atık sahasında AMD oluşumu jeokimyasal, moleküler-mikrobiyolojik teknikler bir arada kullanılarak araştırılmıştır. 
Bu bağlamda tez kapsamında, AMD'nin oluşumunu kontrol eden biyojeokimyasal faktörler deneysel ve arazi çalışmaları ile detaylı olarak araştırılmıştır. Arazi çalışmaları kapsamında atıklardan, atıkların içinde gelişen değişik boyuttaki asidik maden drenaj göletlerinden ve atıkların ulaştığı Maden Deresinden su ve sediman örneklemeleri yapılmıştır. Tüm su örneklerinin fizikokimyasal özellikleri (pH, Eh, ToC) yerinde tayin edilmiş; major iyon ve metal içerikleri ise ICP-MS kullanılarak laboratuvarda tespit edilmiştir. Tüm katı örneklerin element içerikleri XRF ile tayin edilmiştir. Tez süresince tüm jeokimyasal analizler İTÜ Adnan Tekin Malzeme Bilimleri Araştırma Merkezinde yapılmıştır. Alınan tüm sediman örneklerinde moleküler biyoloji teknikleri ile mikroorganizma tür tanımlamaları yapılmıştır. 

Arazi çalışmalarını takiben laboratuvarda farklı fizikokimyasal koşullarda (4,10,25 oC ile pH 2 ve 4) kimyasal ve biyolojik arsenopirit oksidasyon deneyleri yapılmıştır. Yine araziden alınan maden atıkları üzerinde oksidasyon deneyleri gerçekleştirilmiştir. Tüm biyolojik oksidasyon deneylerinde arazide tespit edilen A. thiooxidans bakteri türü kullanılmıştır. 

Bu çalışmaların yanı sıra, asit maden drenajının kaynağını bulmak amacıyla maden atıklarından alınan örnekler üzerinde jeokimyasal statik testler uygulanarak örneklerin asit üretme potansiyeli belirlenmiştir. 

Tez kapsamında tamamlanan arsenopirit oksidasyon deneyleri sonucunda sülfat, As ve Fetot değerleri dikkate alındığında arsenopiritin en hızlı 25ºC biyolojik deney koşullarında oksitlendiğini ortaya koymuştur. Deneyler sonucunda arsenopirit üzerinde gerçekleştirilen SEM-EDX analizlerinde arsenopirit üzerinde Fe-oksit oluşumları tespit edilmiştir. Arsenopirit biyolojik ve kimyasal oksidasyon oranları 10ºC ve 4ºC deneylerinde düşme göstermiş, en düşük oksidasyon oranı 4ºC'de ölçülmüştür. Balya atıkları üzerinde gerçekleştirilen liç deneylerinde en yüksek metal salınımı biyolojik liç deneylerinde tespit edilmiştir. 

Balıkesir-Balya Pb-Zn atık sahasında gerçekleştirilen moleküler-mikrobiyolojik  çalışmalar sonucunda sahada birçok mikroorganizma türü tespit edilmiştir. Sahada gerçekleşen ayrışma ve oksidasyon reaksiyonlarında S ve Fe(II) oksitleyen /Fe(III) indirgeyen bakterilerin ana rolü oynadığı ortaya konmuştur. Bunlara ek olarak, sahada henüz tanımlanmamış birçok yeni tür tespit edilmiştir. Bu mikroorganizmaların hangi gruba dahil oldukları ve regüle ettikleri reaksiyonların neler olduğu henüz ortaya konmamıştır ve detaylı bir moleküler-mikrobiyolojik çalışma gerektirmektedir. Piritin oksitlenerek çözünmesi şeklinde başlayarak, Fe(II) oksidasyonu ve Fe(III) indirgenmesi şeklinde devam eden biyojeokimyasal reaksiyonlar sahada atıkların ayrışmasına neden aktif bir mikrobiyal topluluğun ve işbirliğinin olduğunu göstermektedir. Piritin oksitlenmesi sırasında oluşan asit, galen ve sfaleritin çözünmesine ve yüzeyinde kükürt oluşumlarına neden olmaktadır. Sahada tespit edilen Acidithiobacillus spp türleri özellikle kükürtü oksiteleyerek bu minerallerin biyolojik olarak çözünmesine ve metallerin serbest kalmasına neden olduğu deneysel çalışmalarda ortaya konmuştur. 
Arazide tespit edilen Fe(III) indirgeyen mikroorganizmalar sahada aktif bir Fe döngüsünün varlığını ve Fe-oksitlerin indirgenmesi ve bünyelerindeki metallerin serbest kaldığına işaret etmektedir. Atık sahasında oluşan bu sinjenetik işbirliği, ortamdaki Fe, S, C ve O element döngülerini regüle ederek, AMD'nın oluşumunu kontrol eden biyojeokimyasal reaksiyonların gelişmesine neden olmaktadır. Ayrıca hazırlanan bu tez çalışmasıyla moleküler biyoloji-jeoloji bilim dallarını içeren bir çalışma yapılmış olacaktır. Bu çalışmanın sonuçları, farklı çevre problemlerinin çözümüne ilişkin veri sağlaması açısından önemlidir.

Abstract:
Acidic mine drainage (AMD) is one of the most common environmental problems associated with mining acitivies in the world. Mine wastes deposited around the mines and left open to atmosphere undergone oxidation reactions with water and oxygen cause generation of AMD. These extreme environments with high sulfate and high acidity (pH<3) contain various microorganims  such as bacteria and archea. The microorganisms determined in extreme geochemical con ditions ofacid mine drainage are the main factors causing the formation of AMD. Microorganisms, that are widespread in various environments such as soil, water and sediments, regulate geochemical element cycles conditions and therefore it is cruial to elucidate role of microbial processes. 

Balya Pb Zn mine wastes site subject to the thesis is one of the oldest and largest mine sites in Turkey. In the mine site known as operated during Roman time large amount of mine waste and flotation items containing significant amount of metals such as Pb, Zn and Fe has been stored without taking any precautions at besides Maden river and where feeding the flood plain of side gutters. Oxidation of these wastes caused the development of water with high sulfate and high acidity. In order to develop proper and effective rehabilitation methods, it is important to elucidate the factors controlling AMD generation in the subject site. For these purposes biogeochemical factors controlling AMD generation in the Balya Pb Zn mine waste site were investigated in the field and laboratory conditions by using modern geochemical, molecular-microbiological techniques in detail. 

During the field studies (April-July 2012) water and sediment samples were collected from wastes, acidic drainage pond developed around the waste and Maden River crossing the wastes. Physicochemical parameters (pH, Eh, ToC) of the water samples were determined insitu , major ions and metal contents were analysed by ICP-MS at Adnan Tekin Materials Science Research Center, İTÜ. 

Elemental composition of the solid samples were determined by XRF method.In addition to geochemical studies, molecular biology techniques were applied to all the sediment samples to identify microbial species. Following field studies, biological and chemical arsenopyrite oxidation experiments were set up in the laboratory under various physicochemical conditions (4, 10, 25oC ile pH 2 ve 4). Furthermore, biological and chemical oxidation experiments were set up with the mine wastes at the laboratory conditions. A. thiooxidans identified in the mine wastes site was used in the all biological experiments. 

In addition to oxidation experiments, geochemical static tests were applied to various wastes to examine acid production potential of the wastes deposited in the field. 

The oxidation of sulfide rich rocks and wastes, mostly left over from Balya Pb-Zn mining activities, is generating acidic water with low pH (2.7),  and high metals containing up to 1.88 mg/L Pb, 24 mg/L Zn, 2.5 mg/L As ve 17 mg/L Cu. An inverse correlation between pH and metal concentrations is evident in all water samples from acidic and surface water. Among all waters sampled, acidic waters from acidic ponds have the lowest pH (2.7) and highest concentrations of Cu,Pb,Zn, As, which result from oxidation of sulfide-rich waste in the mine tailings.

The results of leaching experiments accomplished during the thesis suggested that biological oxidation of arsenopyrite and wastes caused the more metal release into the solution in general. Based on the concentration of sulfate, As and Fetot, arsenopyrite was oxidized faster at 25oC under aerobic biological conditions compared to chemical experiments. The oxidation rate diminished with the decreasing temperature and the lowest oxidation rate were measured at 4oC experiment. SEM-EDX analysis carried out on the arsenopyrite surface obtained from at 25oC indicated Fe-oxides formations suggesting prefential As release into solution. Consistent with the arsenopyrite experiments, the highest metal release from the wastes were determined from the biological leaching experiments relative to chemical counterpart. 

The diverse microbial populations were determined at the Balya Pb-Zn mine waste site by using molecular nad microbiological techniques. The sulfur and Fe(II) oxidizing bacteria along with Fe(III) reducing bacteria played the main role during weathering and oxidation of sulfur minerals in the field site. As in the experimental studies, secondary mineral formation were also determined in the field especially those contain As and Pb. It was determined that the Fe(III) reducing microorganims control the elements cycles in the field by reducing Fe-oxides containing metals. In addition, uncultured microorganims were also determined in the field which require further molecular-microbiological investigations in order to elucidate their role and metabolic activity in the field. The oxidation of pyrite and subsequent Fe(II) oxidation and Fe(III) reducing biogeochemical reactions determined in the field indicate the active microbial populations causing weathering of sulfur minerals at the mine waste site. 

The diverse microbial populations were determined at the Balya Pb-Zn mine waste site by using molecular nad microbiological techniques. Total microorganims were determined by using 16S rDNA molecular methods. Molecular analysis of 16S rDNA gene  sequences from the acidic sediment and the sediment from Maden Creek show the dominance of S and Fe-oxidizing prokaryotes belonging to  Acidithiobacillus spp.  genus in the primary drainage communities. Acidithiobacillus ferrooxidans and Acidithiobacillus thiooxidans, the two sulfur-oxidizing species most commonly isolated from acidic drainage waters, are widely considered to be significant contributors to AMD generation. Relatively small populations of Sulfobacillus spp.were also determined . Moreover, species belong to Thiobacillus spp.and Thiovirga spp. genus were only determined on the sediment samples from Maden creek with low acidity relative to acidic sediment. In addition, uncultured microorganims were also determined in the field which require further molecular-microbiological investigations in order to elucidate their role and metabolic activity in the field. Molecular biological and geochemical data suggest that S and Fe cycles are regulated by a dynamic microbial population in the tailing site. The sulfur and Fe(II) oxidizing bacteria along with Fe(III) reducing bacteria played the main role during weathering and oxidation of sulfur minerals in the field site.
 It was determined that the Fe(III) reducing microorganims control the elements cycles in the field by reducing Fe-oxides containing metals. As in the experimental studies, secondary mineral formation were also determined in the field especially those contain As and Pb . Also, identification of Fe oxidizer and reducer along with Fe-oxides (e.g.Jarosite, plumbojarosite and goethite) in the sediments of acidic ponds indicate significance of microbial Fe cycle governing mobilization and redistribution of the metals in the tailings site. 

Microbial pyrite oxidation is the main biogeochemical reactions controlling acid production in the field. The acid produced by biological oxidation of pyrite further attack to galena and sphalerite producing elemental sulfur on the surface of the minerals and creating conditions for the activity of Acidithiobacillus spp; Thiobacillus spp. Acidithiobacillus spp; Thiobacillus spp. All these sulfur oxidizer microorganims oxidized the elemental sulfur causing release of metals.  Therefore, acid leaching and microbial oxidation of galena and sphalerite is the main source of toxic metals released into the environment. Our results showed that the oxidation of pyrite, subsequent Fe(II) oxidation and Fe(III) reducing biogeochemical reactions determined in the field are the main controlling steps  causing weathering of sulfur minerals and production of acidic water  at the mine waste site.