4) Pyritisierte Fossilien - Nährstoff für Bakterien?
Herbert Seiler
Wenig erwünscht war beim Abbau von markasithaltigen Braunkohleflözen die starke Korrosion an Eisenteilen und die Ansäuerung des Grubenwassers, Erscheinungen, die auf bakterielle Oxidationen zurückzuführen sind. Technische Verwendung findet dieser Prozess heute bei der Erzlaugung – „bioleaching“ im Angelsächsischen - vor allem in den USA und Kanada zur Gewinnung von Kupfer, Uran und Gold aus Armerzen (EHRLICH & BRIERLEY 1990). Hierbei lassen sich schwer lösliche Metallsulfide durch biologische Aktivität in wasserlösliche Verbindungen überführen.
Schwefelkreislauf in der Natur
Ähnlich dem elektrischen Strom in einem Kupferdraht fließen in einem chemischen, äquimolaren Redoxsystem Elektronen von Substanzen mit hoher Tendenz, Elektronen abzugeben (z.B. H2; oxidierbar; Redoxpotenzial E0’ = -415 mV) zu Molekülen mit hoher Elektronenaffinität (z.B. O2; reduzierbar; E0’ = +820 mV) und es wird Energie frei (hier Knallgasreaktion mit -237,4 kJ/mol). Für die Gewinnung von chemotropher Lebensenergie benötigt es also nur je eine biochemisch geeignete oxidierbare und reduzierbare Substanz sowie ein angepasstes Enzymsystem.
Die meisten oxidativen Mikroorganismen sind organotroph. Ihre Energiegewinnung erfolgt durch Oxidation reduzierter organischer Verbindungen, z.B. der von Pflanzen gebildeten Stärke oder Cellulose mit Luftsauerstoff. Eisen und Schwefel für die Eisen-Schwefel-Proteine und einige Aminosäuren entnehmen sie ebenfalls den organischen Verbindungen, alternativ aus Salzen. Schwefel kann z.B. bei der assimilatorischen Sulfatreduktion den Sulfaten entnommen werden. Dagegen werden bei der auch als Sulfat-Atmung bezeichneten dissimilatorischen Sulfatatreduktion im anaeroben Faulschlamm von anaeroben Desulfuranten (z.B. Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfosporosinus, Desulfonema) statt des Luft-Sauerstoffs Sulfate, z.B. Eisensulfat, sowie bei der Schwefel-Atmung elementarmer Schwefel (z. B. Desulfuromonas, Pyrodictium, Acidianus) für die Energiegewinnung verwendet. Hier dienen diese Substanzen anstelle von O2 als terminale Wasserstoffakzeptoren und es entsteht Schwefelwasserstoff (H2S) (je nach Elektronendonator lithoheterotroph oder lithoautotroph). Eisen(III) wird anaerob zu Eisen(II) reduziert. Das nach fauligen Eiern riechende H2S verbindet sich spontan mit den Eisenionen zu schwarzem Eisen(II)-sulfid (Troilit; FeS), das bei weiterer chemischer Kondensation Eisendisulfid (Eisenkies; FeS2) in Form von Schwefelkies (Pyrit oder Markasit) ergibt (SILVER et al. 1986). Dieser konnte bei der Fossilisation von schaligen Meerestieren bevorzugt in deren Hohlräumen auskristallisieren.
Einige aerobe, chemolithotrophe Mikroorganismen dagegen nutzen oxidierbare anorganische Substrate als Elektronendonatoren für die Energiegewinnung, etwa die Umsetzung von Eisen(II) zu Eisen(III), sowie diverse Konfigurationen von reduziertem Schwefel zu Sulfat (z.B. Thiobacillus, Sulfolobus). Schwefelkies und andere Metallsulfide sind somit in einer zur ass- und dissimilatorischen Sulfatreduktion rückläufigen Reaktion durch O2 wieder biochemisch oxidierbar.
Möglich ist auch die Oxidation von H2S durch farblose und phototrophe Schwefelbakterien in Schwefel und Sulfat. Abiogene Oxidationsprodukte von Eisensulfid sind auch Eisen(II)-sulfat (summarisch: FeS + 2 O2 ==> FeSO4) sowie basisches Eisen(III)-sulfat (summarisch: 2 FeSO4 + H2O + ½ O2 ==> 2 Fe(OH)SO4). Die hier nur angedeuteten Phänomene des Schwefelkreislaufs in der Natur als solches sind seit langem bekannt, wenngleich auch die Aufklärung der komplexen chemischen, elektrochemischen und biochemischen Teilreaktionen und deren Zusammenwirken noch nicht abgeschlossen ist (MUSTIN et al. 1992).
Abb. 1: Pyritisierte Pleuroceras spp. vom Rhein-Main-Donau-Kanal (Bachhausen; Lias delta) wurden durch Hitze entkeimt und mit Schelllack / Zaponlack versiegelt. (Größe 4 - 8 cm).
Abb. 2: Nach ca. 2 Jahren Lagerung zeigte ein Exemplar aus Abb. 1 orangegelbe Pusteln. Die mikroskopische Untersuchung von abgeschabtem Material bei 1000-facher Vergrößerung ergab keinen Hinweis auf eine bakterielle Ursache für das Ausblühen. Die Kruste bestand in diesem Fall vermutlich aus Einsensulfat, Schwefel und Rost. Nach erneuter Behandlung keine weitere Ausblühung.
Direkte bakterielle Laugung
Die Erforschung der mikrobiellen Vorgänge zeigte, dass Thiobacillus ferrooxidans und T. thiooxidans die zur CO2-Fixierung notwendige Energie durch Oxidation von Fe(II) zu Fe(III) bzw. von Schwefel und reduzierten Schwefelverbindungen zu Sulfaten gewinnen. Als Stoffwechselprodukte entstehen letztlich Eisen(III)-sulfat und Schwefelsäure nach folgenden Gleichungen (HUTCHINS et al. 1986, EHRLICH 1990):
T. ferrooxidans
(1) 2 FeS2 + 7 O2 + 2 H2O ============> 2 FeSO4 + 2 H2SO4
T. ferrooxidans
(2) 4 FeSO4 + 2 H2SO4 + O2 ============> 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2O
T. thiooxidans
(3) 2 S + 3 O2 + 2 H2O ============> 2 H2SO4
T. ferrooxidans
In den letzten Jahrzehnten wurden weitere FeS2-abbauende Bakterienarten sowie Reaktionsmuster beschrieben. Insbesondere die Entdeckung der chemolithoautotrophen, acidophilen, thermophilen Archaebakterien in Solfatarfeldern, heißen Quellen und Tiefseevulkanen stieß auf breites Interesse (z.B. Acidianus, Thermoplasma, Sulfolobus).
Abb. 3: Unbehandelte Platte mit pyritisiertem Holz vom Rhein-Main-Donau-Kanal (Lias delta) auf Echinodermen-Schutt nach 6 Jahren Lagerung ohne Ausblühung (Länge 26 cm).
Chemische und elektrochemische Oxidation
Pyrit wird auch ohne mikrobielle Beteiligung in einer dreistufigen chemischen Reaktion mit O2 oxidiert (LOWSON 1982):
- Oxidation zu Schwefelsäure und Eisen(II)-sulfat entsprechend Gleichung (1); bei pH < 1 entsteht in einer Seitenreaktion Schwefel.
- Die Oxidation von Eisen(II)- zu Eisen(III)-sulfat nach (2)
- Die Oxidation von Pyrit mit Eisen(III)-sulfat nach (4); es entstehen Eisen(II)-sulfat und Schwefelsäure sowie in einer Seitenreaktion Schwefel und bei höheren pH-Werten auch Eisenhydroxid (Fe(OH)3).
abiochemisch
(4) FeS2 + 7 Fe2(SO4)3 + 8 H2O ============> 15 FeSO4 + 8 H2SO4
Nachdem Pyrit mit dem umgebenden Gestein ein elektrisches Potenzial bis zu 1 Volt aufbaut, kann die chemische Oxidation auch in einen elektrochemischen Reaktionsablauf eingebunden sein. Die Endprodukte sind wiederum Eisen(II)-sulfat, Schwefelsäure und Schwefel.
Abb. 4: Pyritisierte Kleinammoniten aus dem Toarc von Neumarkt/Opf. Ortsteil Holzheim (1 – 3 cm). Beginnende (links) und fortgeschrittene (rechts) Ausblühung.
Abb. 5: Abgebürsteter pyritisierter Pleuroceras spinatum aus einer Tonknolle von Unterstürmig (5 cm).
Indirekte, bakteriell begünstigte Laugung
Die nichtbakterielle Umsetzung läuft nur äußerst langsam ab. Der reaktionslimitierende Faktor ist die Konzentration an Eisen(III)-salz Fe2(SO4)3. Diese Substanz wird bei der Laugung häufig reichlich aus der bakteriellen Reaktion (2) geliefert. Gleichzeitig wird das entstehende Eisen(II)-sulfat nach (2) mikrobiell weiteroxidiert, der Schwefel nach (3) ebenfalls. Somit kann den Schwefelbakterien für diese chemische Reaktion eine stark biokatalytische Funktion zukommen. Das Zusammenspiel aus abiologischer und biologischer Reaktion wird im Gegensatz zur „direkten bakteriellen Laugung“ als „indirekte, bakteriell begünstigte Laugung“ bezeichnet.
Erscheinungsbild am Fossil
Jeder leidgeprüfte Sammler weiß, dass das Ausblühen der pyritisierten Fossilien ziemlich plötzlich beginnen kann, einen raschen Verlauf hat und scheinbar benachbarte Steine infiziert werden. Vielleicht hat auch der eine oder andere schon mal ein Stück mit der Zunge berührt und konnte dabei feststellen, dass es stark sauer schmeckte. Oder es wurden Etiketten und Schachteln zerfressen. In der Tat werden sowohl beim mikrobiellen als auch chemischen Prozess pH-Werte von 1,5 - 1,0 erreicht. Die Bakterien ätzen tiefe Poren in das Mineral; die Brüchigkeit nimmt dramatisch zu. Die Reaktionsprodukte der Schwefelsäure mit dem Gestein sind hydratisierte Salze - Eisensulfate, Vivianite, Alaune und Gips (HOWIE 1979). Die mit der Hydratisierung verbundene Volumenvergrößerung im Gesteinsinneren sprengt das Objekt. Auf der Fossilien-Oberfläche und unter abgelösten Teilen wird ein puderiger bis flaumiger, weißgrauer Belag sichtbar, der sich nach Zugabe von Ammoniumhydroxid und anschließendem Trocknen ziegelrot verfärbt. Gelegentlich wird auch ockerfarbener Schwefel ausgefällt.
Die unterschiedliche Ausblühungsanfälligkeit der Kristallformen Pyrit und Markasit begründet sich durch die Oberflächenstrukturen und die Begleitminerale. Große Reaktionsflächen fördern den nichtbakteriellen Zerfall. Die stengelige oder tafelige Kristallausbildung mit vielen Hohlräumen von Markasit bietet mehr Angriffsfläche für die Schwefelbakterien als die glatte, körnige oder knollige von Pyrit. Bei Markasit ist gegenüber Pyrit häufig der Anteil der Begleitminerale erhöht. Diese Stoffe sowie hohe Luftfeuchtigkeit und erniedrigter pH-Wert sind sowohl für eine elektrochemische Reaktion, wie sie HOWIE (1979) vertrat, als auch für das Bakterienwachstum von Bedeutung. Die Begleitminerale können an der Verwitterung beteiligt sein, so dass beispielsweise bei Gegenwart von Hämatit (Fe2O3), Siderit (FeCO3) oder Goethit (alpha-FeO(OH)) der Stein dann zusätzliche eine Kruste aus rotbraunem Rost (Eisen(III)-hydroxid) zeigt.
Abb. 6: Typisch goldschalig pyritisierte Ammoniten („Goldschnecken“) aus Würgau bei Scheßlitz (Größe 2 - 3 cm). Der umgebende Ton zeigt viele Spuren von oxidiertem Pyrit.
Abb. 7: Konservierte „Goldschnecken“ aus Würgau. Die Ammoniten zeigen nach 6 Jahren Lagerung keine Anzeichen von Ausblühung (2 – 3 cm).
Abb. 8: „Goldschnecken“ aus Würgau. Alle ohne Ausblühungen nach Konservierung mit Zaponlack (2 – 3 cm).
Schutzmaßnahmen
Während viele Forschergruppen an der Verbesserung des Laugungsprozesses arbeiten, denkt der Paläontologe an das Gegenteil. Die meisten Konservierungsrezepturen für pyritisierte Fossilien haben die Zielsetzung, den Sauerstoff- und Wasserdampfzutritt zu reduzieren. Die Methoden wurden in der Regel jedoch nur intuitiv empirisch erdacht, weshalb der Erfolg ungewiss ist. Systematische Versuche wurden nur vereinzelt durchgeführt (HOWIE 1979, CORNISH & DOYLE 1984). Nachdem die Meinung vorherrscht, dass das Ausblühen allein auf eine chemische Reaktion zurückzuführen ist, wird dem mikrobiologischen Aspekt meist keine Aufmerksamkeit geschenkt. Die Möglichkeit der oben erwähnten bakteriell begünstigten Reaktion muss jedoch, solange das Gegenteil nicht eindeutig bewiesen ist, ebenfalls in Betracht gezogen werden. Sicherlich lassen sich die entsprechenden Schwefelbakterien im Tongestein rund um die pyritisierten Fossilien nachweisen. Man wird also gut beraten sein, ein erhaltenswertes Fossil vorbeugend zu entkeimen und mit einem Desinfektionsmittel zu tränken.
Es soll hier nicht die Liste fragwürdiger Konservierungsrezepturen erweitert werden, vielmehr sollen sich einige Überlegungen zu einer konsequenten Strategie anschließen. Folgende Arbeitsschritte dürften wichtig sein: Entfernen der Oxidationsprodukte, Abtöten der Mikroorganismen, Tränken mit einem alkalischen Desinfektionsmittel, Entwässern des Objekts, Versiegelung und schließlich die Lagerung bei niedriger Luftfeuchte.
Abb. 9: Pyritisierte Kleinammoniten aus Mistelgau. Mit „Pyritkonservierer“ erfolgreich behandelt (2 – 3 cm).
Ausblühungen sind mechanisch zu entfernen. Das Abbürsten von Verwitterungsbelägen und eventuelles Nachpräparieren sollte wegen der Kontaminationsgefahr im Freien oder unter fließendem Wasser erfolgen. Ein Schwefelsäure-Schmierfilm wird neutralisiert und alle Reaktionsprodukte der Pyritoxidation sowie andere Salze sind gründlich zu entfernen. Hierfür dürften sich meist Seifenlauge, Bürste und Zahnpasta eignen. Das alternative, im Handel als „Pyritkonservierer“ propagierte Mittel Ethanolamin-Thioglykolat (CORNISH & DOYLE 1984, HOWIE 1974) sollte - falls das Fossil wasserverträglich ist - einfacher mit Wasser und nicht mit Lösungsmittel angesetzt werden, da auch Wasser alle Reaktionspartner gut löst. Damit ergäbe sich eine Kombinationswirkung aus Lösung durch Wasser und einer chemischen Reinigung durch Umsetzung der löslichen Eisensalze zu Ferrothioglykolat sowie Neutralisation durch Ethanolamin. Ob der Pyritkonservierer allein die geochemische Reaktion dauerhaft verhindert, ist mangels allgemeiner Erfahrung nicht zu beurteilen. Für quellungsfähige Objekte - inkohlte Pflanzen, Knochen etc. - oder für Fossilien mit wasserlöslichen Bestandteilen ist Ethanolamin-Thioglykolat in einem organischen Lösungsmittel das Mittel der Wahl. Große, von Pyritadern durchzogene Objekte sind dagegen vergleichsweise schwierig zu konservieren (RIXON 1970).
Schwefelbakterien werden durch Pasteurisierung - z.B. Erhitzen auf über 80 °C für einige Sekunden - abgetötet. Man kann für diesen Arbeitsschritt ein Backrohr verwenden oder das Fossil abkochen bzw. kleine Objekte mit Alkohol abflammen. Hierzu taucht man das getrocknete Fossil in Spiritus und zündet es nach dem Herausnehmen und Ablegen auf einer Alufolie an. Je nach Größe des Objekts wird dies mehrfach wiederholt. Bis zum Abschluss der Behandlung darf es dann nur noch mit einer abgeflammten Pinzette oder Zange angefasst werden und in einer staubfreien Umgebung nur mit einer abgeflammten oder desinfizierten Unterlage in Kontakt kommen. Thermophile Pyritzersetzer werden bei der Pasteurisierung nicht abgetötet. Dies ist jedoch belanglos, da die Thermophilen bei Zimmertemperatur nicht wachsen. Bereits konservierte Teile sollten nicht mehr abgeflammt werden, da sich dabei der vorher farblose Lack weiß verfärben könnte.
Thiobakterien sind empfindlich gegen Desinfektionsmittel und wachsen in der Regel nicht im alkalischen pH-Bereich. Für nichtbakterielle Reaktionen verringert das alkalische Milieu die Löslichkeit der Mineralien. Zum Tränken mit einem Konservierungsmittel wird das Fossil in die wässrige oder alkoholische Lösung eines relativ konzentrierten Desinfektionsmittels (ca. 1 - 3 %) gelegt. RIXON (1976) verweist auf Versuche mit der Quartären Ammoniumverbindung (QAV) Cetrimid. Geeignet sind aber vermutlich alle alkalischen, nichtoxidierenden, nichtflüchtigen, nichtkorrosiven, nichtdissoziierenden Mittel auf der Basis von QAV, Aldehyden, Phenolen, Tensiden oder Mercaptamen, nicht jedoch Halogenen, Phosphorsäureestern, Alkoholen oder Peroxiden. Danach wird möglichst nicht mehr gespült oder erhitzt, da Lauge und Desinfektionsmittelreste im Fossil verbleiben sollen. Zum gründlichen Austrocknen legt man das Objekt längere Zeit auf eine nicht saugfähige Unterlage an einen warmen Ort. Zu empfehlen ist auch die Lagerung im Wärmeschrank bei 70 - 90 °C oder in wasserfreiem Aceton, Alkohol etc. Diese Maßnahmen wirken ebenfalls entkeimend.
Die Oberflächen- und Hohlraumversiegelung sollte nur an absolut trockenen Fossilien erfolgen. Das Anlegen eines Vakuums beim Einlegen in den Siegellack (RICHTER 1992) bewirkt ein Ausgasen des Fossils und erhöht die Fließfähigkeit des Imprägniermittels. Nachdem im Vakuum aber auch die Lösungsmittel Aceton, Ethanol, Isopropanol oder Essigester schnell verdunsten, wird bei unsachgemäßer Anwendung der Lack eindicken, was die Fließfähigkeit verringert und das Gegenteil bewirkt. Die Verwendung der Naturstoffe Bienenwachs, Firnis, Leinöl oder Schelllack ist kritisch zu betrachten. Diese Organika werden bei Kontakt mit Feuchtigkeit von heterotrophen Bakterien abgebaut; es entstehen Fettsäuren, die das Wachstum der Schwefelbakterien begünstigen könnten. Öle und Wachse verharzen und die Schutzschicht wird rissig. In der Fachliteratur werden u. a. Polyvinylbutyryl- und Polybutylmetacrylat-Lösungen empfohlen. Es sind jedoch heute ausgezeichnete synthetische Wachse (Steinpflegemittel) und Lacke (Holzlasuren) im Handel, die den Ansprüchen eines Fossiliensammlers genügen dürften. Die Fließfähigkeit sollte im ersten Arbeitsschritt durch Verdünnen mit Lösungsmittel im Verhältnis 1 + 1 bis 1 + 2 erhöht werden. Eine entsprechend verlängerte Tauchphase und gelegentliches Bewegen des Objekts in der Lösung ersetzen das Vakuum. Nach ausreichendem Tränken sollte das Objekt auf einer welligen Alufolie getrocknet werden. Beim Abnehmen kann durch Ankleben an die Folie die Schutzschicht verletzt werden, außerdem wäre der Lackfilm noch relativ dünn. Die Versiegelung muss deshalb mit dem unverdünnten Mittel wiederholt werden. Ein Lackglanz wird durch Trocknen in einer Toluol-gesättigten Atmosphäre vermieden (RIXON 1976).
Eine Lagerung in Kunststoffbehältern, die Säuredämpfe abgeben, wie z.B. PVC, könnte nachteilig sein. Die pyritisierten Fossilen sollten nicht in Papp- oder unlackierten Holzschachteln aufbewahrt werden, da diese einmal gezogene Luftfeuchtigkeit lange halten. Temperaturschwankungen sind wegen der Kondenswasserbildung zu vermeiden. Lackschichten reduzieren zwar die Wasseradsorption des Minerals, sind jedoch keine absoluten Dampfsperren. Die gegebenenfalls zunächst unter der Lackschicht gebildeten Schwefelsäure-Spuren ziehen Wasser, wodurch ein einmal begonnener Abbauprozess rasch fortschreitet; die Versiegelung wird zerstört. Pyrit blüht bei > 60% relativer Luftfeuchte trotz einer Beschichtung rasch aus. Für einen dauerhaften Schutz muss eine Luftfeuchte von < 50% gewährleistet sein (HOWIE 1979). Dies kann durch luftiges Aufbewahren im geheizten Raum erfolgen.
Ein sicherer Schutz wäre die Lagerung in wasserfreien, organischen Lösungsmitteln, wie Aceton, Essigester, Ethanol, Methanol etc. oder im Exsikkator über Kieselgel oder 4-Chlor-m-kresol (BOOTH & SEFTON 1970). Dies verhindert jedoch eine dekorative und übersichtliche Präsentation und bleibt Museen, die keine Veränderung der Fossilienoberfläche und -farbe in Kauf nehmen wollen, vorbehalten. Welcher Sammler möchte schon seine Objekte in Einweckgläsern wie in der Anatomie stapeln! Im Lauf der Jahre wird bei dem oben geschilderten Vorgehen die Desinfektionsmittelwirkung nachlassen, die Versiegelung porös werden und Sauerstoff, Feuchte sowie Bakterien an die Mineraloberfläche gelangen. Die Ausblühgefahr ist sicherlich nicht auf Dauer gebannt, weshalb eine Sammlung regelmäßig auf Ausblühungen zu kontrollieren ist. Man muss vermutlich die Oberflächenkonservierung oder evtl. das ganze Verfahren in gewissen zeitlichen Abständen wiederholen. Darüber sind noch systematische Erfahrungen zu sammeln.
Literatur
BOOTH, G.H. & SEFTON, G.V. (1970): Vapour phase inhibition of Thiobacilli and Ferrobacilli: a potential preservative for museum specimens. Nature 226, S. 185-186
CORNISH, L. & DOYLE, A. (1984): Use of ethanolamine thioglycollate in the conservation of pyritized fossils. Palaeontology 27, S. 421-424
EHRLICH, H.L. (1990): Geomicrobiology. Marcel Dekker, Inc., New York
EHRLICH, H.L. & BRIERLEY C.L. (Hrsg.) (1990): Microbial mineral recovery. McGraw-Hill, New York
HOWIE, F.M.P. (1974): Introduction of thioglycollic acid in preparation of vertebrate fossils. Curator 17, S. 159-165
HOWIE, F.M.P. (1979): Museum climatology and the conservation of palaeontological material. Special Papers in Palaeontology 22, S. 103-125
HUTCHINS, S.R., DAVIDSON, M.S., BRIERLEY, J.A. & BRIERLEY, C.L. (1986): Microorganisms in reclamation of metals. Ann. Rev. Microbiol. 40, S. 311-336
LOWSON, R.T. (1982): Aqueous oxidation of pyrite by molecular oxygen. Chem. Rev. 82, S. 461-497
MUSTIN, C., BERTHELIN, J., MARION, P. & DeDONATO, P. (1992): Corrosion and electochemical oxidation of a pyrite by Thiobacillus ferrooxidans. Appl. Envir. Microbiol. 58, S. 1175-1182
RICHTER, A.E. (1992): Die Konservierung verkiester Fossilien. FOSSILIEN, S. 30-34
RIXON, A.E. (1976): Fossil animal remains: their preparation and conservation. Athlone Press, University of London
SILVER, M., EHRLICH, D.L. & IVARSON, K.C. (1986): Soil mineral transformation mediated by soil microbes. In: HUANG, P.M. & SCHNITZER, M. (Hrsg.): Interactions of soil minerals with natural organics and microbes, S. 497-519. Soil Science Society of America, Madison, Wisconsin
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