Uran jest nie tylko pierwiastkiem promieniotwórczym wykorzystywanym w energetyce jądrowej. W środowisku może również stanowić poważne zagrożenie, szczególnie gdy przedostaje się do wód gruntowych. Naukowcy odkryli jednak niezwykły mechanizm, który może ograniczać jego rozprzestrzenianie. Okazuje się, że odpowiednie bakterie potrafią przekształcić rozpuszczony w wodzie uran w wyjątkowo stabilny związek chemiczny.
Badacze z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), we współpracy z Wismut GmbH oraz naukowcami z Uniwersytetu w Granadzie, wykazali, że bakterie występujące w wodzie z kopalni uranu mogą pobierać rozpuszczony uran, jeśli zapewni się im odpowiednie źródło pożywienia. W eksperymencie wykorzystano glicerol, który pobudzał aktywność mikroorganizmów.
Efekt był zaskakujący. Po 130 dniach w badanych próbkach pozostało zaledwie około 5 proc. początkowo rozpuszczonego uranu. Jednocześnie naukowcy wykryli w komórkach bakterii niezwykłą formę uranu, która wcześniej była uważana za niestabilną.
Dlaczego rozpuszczony uran jest problemem?
Uran naturalnie występuje w minerałach znajdujących się w glebie i skałach. W takiej postaci nie musi być łatwo przemieszczany w środowisku. Problem pojawia się wtedy, gdy w wyniku procesów geologicznych, działalności człowieka czy eksploatacji złóż uran przechodzi do form, które mogą rozpuszczać się w wodzie.
Wówczas pierwiastek staje się znacznie bardziej mobilny. Może przemieszczać się wraz z wodą i trafiać do kolejnych części środowiska. Jest to szczególnie istotne na terenach związanych z dawnym lub obecnym górnictwem uranu.
Uran jest metalem ciężkim i substancją toksyczną. Jego obecność w wodzie stanowi więc problem zarówno ze względu na właściwości chemiczne, jak i promieniotwórczość.
Naukowcy od lat poszukują sposobów na ograniczenie mobilności uranu i oczyszczanie terenów, które zostały nim zanieczyszczone. Najnowsze badanie pokazuje, że potencjalnym sprzymierzeńcem mogą być mikroorganizmy.
Bakterie dostały glicerol i zaczęły pobierać uran
Doświadczenia przeprowadzono z wykorzystaniem wody pochodzącej z zalanej kopalni uranu w Rudawach, należącej do Wismut GmbH. Naukowcy pobrali próbki wody zawierające naturalnie występującą społeczność mikroorganizmów.
Następnie do próbek dodano kontrolowaną ilość glicerolu. Jest to związek będący podstawowym składnikiem tłuszczów roślinnych i zwierzęcych. Może również powstawać naturalnie, między innymi podczas rozkładu drewna przez grzyby.
Eksperyment prowadzono w warunkach pozbawionych tlenu. Miało to naśladować środowisko panujące głęboko pod ziemią, gdzie dostęp tlenu jest bardzo ograniczony.
W takich warunkach bakterie zaczęły wykorzystywać glicerol jako źródło pożywienia. Wraz z aktywnością mikroorganizmów zmniejszała się ilość uranu pozostającego w wodzie w postaci rozpuszczonej.
Po 130 dniach zostało tylko 5 procent uranu
Skala zmiany była znacząca. Po 130 dniach eksperymentu w wodzie pozostawało około 5 proc. rozpuszczonego wcześniej uranu.
Początkowo naukowcy podejrzewali, że mikroorganizmy po prostu zgromadziły uran w swoich komórkach. Analizy potwierdziły, że pierwiastek rzeczywiście został związany z bakteriami, a szczególnie z ich ścianami komórkowymi.
To jednak nie był koniec odkrycia. Najważniejszym pytaniem stało się ustalenie, w jakiej postaci chemicznej uran znalazł się w biomasie bakterii.
Naukowcy odkryli rzadką formę uranu
Aby odpowiedzieć na to pytanie, badacze wykorzystali zaawansowane techniki mikroskopowe i spektroskopowe. Analizy przeprowadzono między innymi przy wykorzystaniu Rossendorf Beamline (ROBL), prowadzonej przez HZDR w Europejskim Ośrodku Promieniowania Synchrotronowego (ESRF) w Grenoble we Francji.
Wyniki okazały się niezwykle interesujące.
Uran w środowisku najczęściej występuje na stopniach utlenienia IV i VI. Znana jest również forma pięciowartościowa, czyli U(V), jednak dotychczas uznawano ją za rzadką i przejściową.
Tymczasem w materiale biologicznym uzyskanym podczas eksperymentu znaleziono zaskakująco dużą ilość właśnie pięciowartościowego uranu.
Oznacza to, że bakterie nie tylko przyczyniły się do usunięcia uranu z wody. Ich aktywność była związana również z powstaniem określonej, nietypowej formy chemicznej tego pierwiastka.
Powstał wyjątkowo stabilny związek FeU(V)O4
Kolejne analizy wykazały, że pięciowartościowy uran połączył się z żelazem i tlenem, tworząc związek oznaczony jako FeU(V)O4.
To szczególnie interesujący rezultat, ponieważ ten związek jest stosunkowo nowo poznaną formą uranu. Po raz pierwszy wykazano jego obecność w badaniu z 2020 roku, podczas analizy gleb z terenów Chorwacji zanieczyszczonych uranową amunicją.
Co ważne, w tamtym przypadku związek pozostawał stabilny przez ponad 25 lat, nawet pod wpływem tlenu atmosferycznego. Naukowcy nie wiedzieli jednak wcześniej, w jaki sposób FeU(V)O4 powstaje w środowisku ani czy bakterie mogą mieć udział w jego tworzeniu.
Najnowsze eksperymenty dostarczyły dodatkowych wskazówek.
Kiedy naukowcy wystawili wysuszoną biomasę bakterii na działanie tlenu, ilość FeU(V)O4 nie zmniejszyła się. Co więcej, wzrosła.
Może to oznaczać, że powstały związek jest znacznie bardziej stabilny, niż wcześniej można było przypuszczać.
Czy bakterie pomogą oczyścić wodę z uranu?
Odkrycie może mieć znaczenie dla przyszłych metod bioremediacji terenów skażonych uranem. Bioremediacja polega na wykorzystywaniu organizmów żywych lub ich procesów biologicznych do ograniczania zanieczyszczeń środowiska.
W przypadku uranu szczególnie interesująca jest możliwość przekształcenia jego mobilnej, rozpuszczonej formy w związek, który znacznie trudniej przemieszcza się wraz z wodą.
Właśnie dlatego bakterie mogą w przyszłości stać się elementem strategii oczyszczania skażonych wód i terenów pogórniczych.
Trzeba jednak podkreślić, że naukowcy nie przedstawiają jeszcze gotowej technologii oczyszczania środowiska. Wyniki pokazują potencjalny mechanizm, ale konieczne są kolejne badania.
Przed naukowcami kolejne eksperymenty
Badacze chcą teraz dokładniej poznać bakterie zdolne do wiązania uranu oraz procesy biochemiczne i geochemiczne odpowiedzialne za jego przemianę.
Kluczowe będzie ustalenie, jakie dokładnie mechanizmy prowadzą do powstawania stabilnego FeU(V)O4 i czy można je kontrolować w warunkach innych niż laboratoryjne.
Jeśli przyszłe badania potwierdzą, że podobny proces można bezpiecznie i skutecznie wykorzystać w środowisku, bakterie mogłyby znaleźć zastosowanie w remediacji terenów zanieczyszczonych uranem.
Na razie najważniejszym rezultatem jest jednak samo odkrycie. Mikroorganizmy występujące w wodzie z kopalni mogą, przy odpowiednich warunkach i dostępie do glicerolu, przekształcać rozpuszczony uran w stabilny związek chemiczny. Po 130 dniach eksperymentu około 95 proc. uranu zniknęło z roztworu, a część pierwiastka została związana w biomasie bakterii.
Bakterie jako naturalny sposób ograniczania skażenia uranem
Odkrycie pokazuje, jak wiele niewidocznych gołym okiem procesów zachodzi w środowisku. Bakterie, które kojarzymy przede wszystkim z rozkładem materii organicznej czy obiegiem składników odżywczych, mogą wpływać również na zachowanie metali ciężkich i substancji toksycznych.
W tym przypadku ich aktywność może prowadzić do unieruchomienia uranu w formie, która jest znacznie mniej podatna na przemieszczanie się wraz z wodą.
Naukowcy podkreślają jednak, że trzeba jeszcze ustalić, w jakim stopniu bakterie rzeczywiście można wykorzystać do celów remediacyjnych. Odpowiedź na to pytanie może w przyszłości otworzyć drogę do nowych, biologicznych metod oczyszczania środowiska zanieczyszczonego uranem.
Dodaj komentarz
Komentarze