Mikrobielle Faktoren als Ursache für die Korrosion an künstlichen Wasserbausteinen aus der Kupferproduktion im marinen Milieu.

Die Sedimentoberfläche des Wattenmeeres besteht zum großen Teil aus feinsandigem und tonigem Material geringer Korngröße, was zur Folge hat, dass aufgrund der daraus resultierenden geringen Durchlässigkeit für Gase bereits wenige cm bis mm unter der Oberfläche der verfügbare Sauerstoff durch bakterielle Aktivitäten vollständig aufgezehrt sein kann.
Im Zuge einer Umstellung auf ein sauerstofffreies (anaerobes) Milieu werden durch mikrobielle Aktivitäten kurzkettige organische Säuren gebildet, die wiederum einer Anzahl stoffwechselphysiologischer Spezialisten als Substrate für eine anaerobe Atmung mit alternativen Elektronenakzeptoren (z.B. Nitrat, Sulfat) dienen. Eine intensive Veratmung von Sulfat durch sulfatreduzierende Bakterien kann hohe Konzentrationen von Schwefelwasserstoff (H2S) und langanhaltende anoxische Zustände zur Folge haben.
Eine besondere Gruppe von Bakterien, sog. Chemoautotrophe, ist in der Lage diesen Schwefelwasserstoff, sowie weitere reduzierte Verbindungen, z.B. Metalle (Fe2+) für ihre Energiegewinnung zu nutzen und auf diese Weise im schmalen Übergangsbereich zwischen sauerstoffhaltigem und sauerstofffreiem Milieu ein eigenes Nahrungsnetz zu unterstützen.
 

Seit der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts werden im Wattenmeer für den Küstenschutz die bisher verwendeten Natursteine zunehmend durch künstliche Steine bzw. Schlackenmaterial ersetzt, welches bei der industriellen Verhüttung von Kupfererzen entsteht.

Dieses Material enthält allerdings große Mengen umweltschädlicher Schwermetalle, welche in reduzierter Form vorliegen und durch Verschmelzung mit Silikat stabilisiert wurden. Dadurch erlangt dieses Material eine hohe Beständigkeit gegenüber den unter marinen Bedingungen herrschenden Verwitterungseinflüssen.
Bis heute konnte jedoch nicht endgültig geklärt werden, unter welchen Bedingungen die in den Schlacken enthaltenen Schwermetalle (Zink, Kupfer, Blei etc.) in bioverfügbarer Weise in die Umwelt gelangen.

Da das Schlackenmaterial unter den Bedingungen der Wattensedimente sehr häufig einem sauerstofffreien bzw. sulfidischen Milieu ausgesetzt sein kann, sollte in einem Versuch geklärt werden, wie widerstandsfähig es sich unter solchen Bedingungen gegenüber biogeochemischen Korrosionseffekten verhält.

Zu diesem Zweck wurde in einem Messzylinder mit Seewasser unterschiedlicher Salzgehalte eine Dichteschichtung aufgebaut, in der die Flüssigkeit bis zur unteren Hälfte mit Hilfe von Natriumsulfid (Na2S) in einen anoxisch/sulfidisch Zustand überführt worden war. An der Grenzschicht zwischen oberflächlichem, sauerstoffhaltigen Wasser und dem darunter liegenden sulfidischen Bereich bildete sich eine schmale Zone, in der sich nach wenigen Tagen günstige Wachstumbedingungen für chemoautotrophe Bakterien einstellten.
In diese schmale Zone wurde ein ca. 1cm großer Schlackestein platziert.

Nach einer 14 tägigen Inkubationszeit bei Raumtemperatur und ohne Beleuchtung konnte sich aufgrund chemoautotropher Aktivität ein Biofilm bilden, der an der Kontaktzone mit dem Schlackestein deutliche Schwärzungen aufwies.
Die mikroskopische Untersuchung zeigte, dass die aus dem Schlackestein herausgelösten Magnetitfragmente auf dem Biofilm eine Ausrichtung im Magnetfeld aufwiesen
Bei 1000facher Vergrößerung waren unpigmentierte coccoide und stächenförmige Bakterien erkennbar, sowie einige Bakterien mit schwarzen Pigmentierungen, die auf magnetithaltige Zellwandeinlagerungen hin-wiesen.

Als Schlussfolgerung kann festgestellt werden, dass in künstlichen oxisch-anoxisch/sulfidhaltigen Übergangsbereichen Mikrozonen entstehen können, in denen in Abhängigkeit von den zur Verfügung stehenden Elektronenakzeptoren bestimmte Oxidationsstufen durchlaufen werden, die eine biogeochemische Korrosion von Schlackematerialen begünstigen können.


Abb.: Schematische Darstellung einer künstlichen oxisch/anoxischen Grenzschicht mit einem Schlackestein, der mit Hilfe eines Magneten in der Grenzschicht positioniert wurde.