Forskning rörande mangan- och karbonatutfällningar
År 2012 genomfördes ett magisterarbete med anknytning till Ytterby gruva (Sjöberg, 2012). Vatten- och mineraldata sammanställdes, och förekomsten av svarta utfällningar i vattenförande sprickor i den underjordiska tunneln noterades. Analys av denna tidigare ej observerade utfällning blev två år senare huvudsyftet med ett magisterarbete (Sjöberg, 2014), vilket i sin tur blev upptakten till det forskningsprogram som nu pågår kring Ytterby gruva.
Mineralogi/mineralkemi
Kemisk och mineralogisk analys av den svarta utfällning (benämnd YBS) som bildas i anslutning till vattenförande sprickor i tunneln som leder till huvudschaktet i Ytterby gruva. Analyser visar, att detta är en variant av mineralet birnessit, som är en manganoxid som normalt även innehåller natrium och kalcium. Ytterby-birnessiten innehåller dock upp till 2 vikt-% REE. Detta är en av de högsta REE-halter som observerats i sekundära mineral innehållande REE (utfällningsprodukter, ofta med järn).
Mikrobiologi
Vi har identifierat och karakteriseratmikroorganismerna (bakterier, arkéer, eukaryoter) bakom den biogeokemiska process som leder till utfällning av birnessit samt också olika typer av kalciumkarbonat (CaCO3) i Ytterby (Sjöberg, 2019; Sjöberg et al, 2018, 2020a, 2020b, 2021). Även produkter (mineral och organiskt material) av mikrobiellt ursprung och associerade med Ytterby-birnessiten har analyserats och klassificerats. Flera olika mikroorganismer har isolerats och identifierats. Analys och tolkning av processerna, som leder till en omfördelning av REE från huvudsakligen silkatmineral i pegmatiten till en manganoxidfas genererad av mikroorganismer, pågår. Även analyser för att förstå under vilka förhållanden olika typer av kalciumkarbonater bildas (e.g. litifierad CaCO3 (hård) vs mjuk CaCO3 ofta benämnd moonmilk.
Geokemi/hydrokemi
Kartläggning och karakterisering av den hydrokemiska miljön i Ytterby gruva med vatten från olika geologiska miljöer (grundvatten, ytvatten, gruvvatten, Östersjövatten etc). Identifiering av transportvägarna för REE och mangan som slutligen förenas genom utfällning i vattenförande luftexponerade sprickmynningar. Detaljanalyser av vatten från olika miljöer i och kring Ytterby gruva pågår.
Kemisk speciering
Pågående utveckling av teknik för identifiering av organiska metallformer genom sekventiell lakning med organiska lösningsmedel. Lakning av manganutfällningen med organiska lösningsmedel med varierande polaritet (definierad av löslighetsparametern, [ångbildningsentalpin/molvolymen]0,5) har testats med avsikten att ta fram en ny karakteriseringsmetod. Av särskilt intresse är om den mikrobiella process som leder till bildning av Ytterby-birnessiten även genererar metallorganiska föreningar.
Fälttest av Lab-on-a-chip (in-situ environmental monitoring with a paper roll)
Pågående tester av en anordning som gör det möjligt att på ett enkelt sätt övervaka olika species (lösligt inorganiskt kol, mangan mm) i gruvans vatten. Detta arbete leds av Institutionen för material- och miljökemi, Stockholms Universitet i samarbete med Institutionen för Geologiska Vetenskaper (Gimenez-Gomes et al, submitted).
Forskning rörande olja och mikroorganismer
Genom de analyser som gjorts på sprickvatten och biofilmer i Ytterby har vi identifierat grupper av mikroorganismer som är kapabla att bryta ner komplexa kolväten och troligen är associerade med den tidigare lagringen av petroleumprodukter i gruvschaktet (Sjöberg et al., 2020b).
Pågående karakterisering av mikroorganismer (svampar) som växer i den kolvätepåverkade miljön i gruvvattnet, Ytterby. Prover har tagits på de biologiska flockar som växer i ytskiktet av det vattenfyllda gruvschaktet, där halten av kolväten från det tidigare bränsleförvaret är hög. Dessa svampar skall identifieras, och deras förmåga att bryta ner kolväten detaljstuderas (Ivarsson M)
Utbildning
Upptakten till det pågående forskningsprogrammet var en kandidatuppsats, följd av en magisteruppsats. De projekt som därefter påbörjats erbjuder goda möjligheter till biogeokemiska platsstudier lämpliga inom ramen för geologprogrammet vid Stockholms universitet, liksom för examensarbeten.
6 Parter i pågående forskningsprogram
I programmet medverkar (2016-17)
- Stockholms universitet (SU), inst. f. geologiska vetenskaper, kontakt: Susanne Sjöberg
- Örebro universitet (ÖU), Människa-Teknik-Miljö (MTM), inst. f. naturvetenskap o. teknik, kontakt: Bert Allard
- Naturhistoriska riksmuseet (NRM), avd. f. paleobiologi, kontakt Magnus Ivarsson
Samarbete bedrivs även med grupper vid Linköpings universitet, Lunds universitet och Friedrich Schiller Universität, Jena (Tyskland).
De tre forskningsmiljöer som primärt medverkar i programmet (SU, ÖU, NRM) har god kompetens inom berggrundsgeologi, geokemi/biogeokemi, hydrokemi, mikrobiologi (bakterier, arkéer, mikro-eukaryoter (svamp) i djupbiosfären), och forskargrupperna har tillgång till infrastruktur i form av laboratorier för kemisk- mikrobiologisk- och mineralogisk analys.
Summering
Ytterby gruva erbjuder en unik geologisk miljö med möjligheter till biogeokemiska studier av mineralbildning såväl som mikrobiella processer, vilket leder till en ökad förståelse för djupbiosfärens processer och artificiella underjordsmiljöer.
En fördjupad kunskap om processer och mekanismer bakom mikroorganismers förmåga att mobilisera och ackumulera metaller erhålls, och mikroorganismernas roll för nedbrytning av kolväten (petroleum) i en berggrundsmiljö kan analyseras. Vi utför bland annat kontrollerade odlingar av mikroorganismer med förmågan att ackumulera REE i mycket låga halter (från grundvatten) genom att bilda en manganutfällning med hög REE-halt och även av mikroorganismer med förmågan att bryta ner oljerester i en berggrundsmiljö.
Ansökningar om anslag för fortsatta studier av spårelementens (fokus mot de sällsynta jordartsmetallerna, REE) omfördelningsprocesser i vatten- och berggrundsmiljö planeras Flera lokaler kan anges som lämpliga för dessa studier (Ytterby, Kvarntorp och möjligen Bastnäs och Norra Kärr). Samarbetet kan utökas till att omfatta forskare från Linnéuniversitetet (National Geological Laboratory NGL; forskning kring processer i djupa grundvatten i Östersjöns kustområden). Möjligheten att utvinna REE från grundvattensystem (låga halter) genom en kontrollerad mikrobiell utfällningsprocess skall beaktas.
Avhandlingar, examensuppsatser, vetenskapliga artiklar
| Titel | Författare | År | |
|---|---|---|---|
| Distance-based analytical device for the determination of dissolved inorganic carbon concentration in freshwater. | Gimenez-Gomes P, Hättestrand I, Sjöberg S, Dupraz C, Richardson S, Pamme N | ||
| The Ytterby mine – A historical review and an evaluation of its suggested spatial coupling to multiple sclerosis (MS) | Sjöberg S | 2012 | Bachelor Thesis, Stockholm University (70 p) |
| Characterization of an REE-enriched black substance in fractured bedrock in the Ytterby mine | Sjöberg S | 2014 | Master Thesis, Stockholm University (65 p) |
| REE-enriched Mn-oxide precipitates in water-bearing fractures in the Ytterby mine, Sweden | Sjöberg S, Allard B, Rattray JE, Sjöberg V, Karlsson S | 2016 | TU Bergakademie Freiberg |
| Rare earth element enriched birnessite in water-bearing fractures, the Ytterby mine, Sweden | Sjöberg S, Allard B, Rattray JE, Callac N, Grawunder A, Ivarsson M, Sjöberg V, Karlsson S, Skelton A, Dupraz C | 2017 | Applied Geochemistry |
| Microbial communities inhabiting a rare earth element enriched birnessite-type manganese deposit in the Ytterby mine, Sweden | Sjöberg S, Callac N, Allard B, Smittenberg R, Dupraz C | 2018 | Geomicrobiology Journal |
| Microbially mediated manganese oxides enriched in yttrium and rare earth elements in the Ytterby mine, Sweden | Sjöberg S | 2019 | Ph.D. Thesis, Stockholm University |
| Bubble biofilm: Bacterial colonization of air-air interface | Sjöberg S, Stairs CW, Allard B, Hallberg R, Homa F, Martin T, Ettema TGJ, Dupraz C | 2020 | |
| Microbiomes in a manganese oxide producing ecosystem in the Ytterby mine, Sweden | Sjöberg S, Stairs CW, Allard B, Homa F, Martin T, Sjöberg V, Ettema TJ, Dupraz C | 2020 | |
| Microbe-mediated mn oxidation – a proposed model of mineral formation. Minerals | Sjöberg S, Yu C, Stairs CW, Allard B, Hallberg R, Henriksson S, Åström M, Dupraz C | 2021 |
Presentationer på vetenskapliga konferenser
- Sjöberg S, Rattray JE, Callac N, Allard B, Skelton A, Dupraz C, Ivarsson M, Karlsson S, Sjöberg V, 2015. Putative biogenic signature found in extremely REE enriched black substance, Ytterby mine, Sweden. Goldschmidt 2015, Prague, August 16-21 (Abstract)
- Sjöberg S, Allard B, Rattray JE, Callac N, Skelton A, Dupraz C, Ivarsson M, Karlsson S, Sjöberg V, 2015. Characterization of an REE-enriched black substance in fractured bedrock in the Ytterby mine, Sweden. 14th Symp. on Remediation/14. Sanierungskolloquium Jena, Sept. 30-Oct. 10 (Summary, 1 p)
- Sjöberg S, Allard B, Rattray JE, Callac N, Skelton A, Dupraz C, Ivarsson M, Karlsson S, Sjöberg V, 2016. Microbially mediated formation of a new REE enriched Mn-oxide, Ytterby mine, Sweden. European Geoscience Union General Assembly EGU, Vienna, April 17-22 (Abstract)
- Sjöberg S, Allard B, Rattray JE, Sjöberg V, Karlsson S, 2016. REE-enriched Mn-oxide precipitates in water-bearing fractures in the Ytterby mine, Sweden. Internat. Mine Water Assoc. IMWA 2016, Leipzig, July 11-15 (Abstract and Proc.)
- Allard B, Sjöberg S, 2016. On the formation of an REE enriched manganese oxide precipitate (birnessite) in the fractured crystalline bedrock at Ytterby, Resarö Island (Baltic Sea) – a biogeochemical process. National Geol. Lab. NGL Conf. 2016, Kalmar, Nov. 10-11 (Abstract)
Tekniska rapporter
- Rapporter från Remedy BSAB
- Allard B, 2014. Vatten från Ytterbygruvan, Resarö. Analys av vattenprover. RBS 14-05 P (4 s)
- Allard B, 2015. Sequential extraction (leaching) methods. RBS 15-01 R (10 p)