Vedci našli baktérie, ktoré pomáhajú meniť toxický urán na stabilnú formu
Vedci zistili, že baktérie zo zatopenej uránovej bane, vrátane rodov Desulfovibrio a Desulfobulbus, pomáhajú meniť rozpustený urán na stabilnejšiu formu.
Urán viazaný v hornine sa ďaleko nedostane. Horšie je, keď sa uvoľní do vody. Vtedy sa môže šíriť podzemím a pre svoje chemické aj rádioaktívne vlastnosti predstavuje riziko pre ľudí aj životné prostredie. Vedci z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) teraz ukázali, že baktérie zo zatopenej uránovej bane dokážu rozpustený urán dostať do oveľa menej pohyblivej podoby.
Že mikroorganizmy dokážu reagovať s uránom, nie je novinka. Zaujímavé bolo až to, čo po ich aktivite zostalo. Vedci našli nezvyčajne veľa uránu v chemickom stave označovanom ako U(V). Číslo v zátvorke vyjadruje jeho oxidačný stav, teda zjednodušene to, ako urán v danej zlúčenine pracuje s elektrónmi a na aké ďalšie atómy sa dokáže viazať. V prírode je bežnejší urán v stavoch U(VI) a U(IV), zatiaľ čo U(V) sa považoval najmä za nestabilný medzistupeň, ktorý rýchlo prejde do inej formy. Tu však vydržal. Časť z neho navyše vytvorila zlúčeninu FeU(V)O₄, známu už z kontaminovanej pôdy v Chorvátsku. Doteraz nebolo jasné, ako v prírode vzniká. Nová štúdia vyšla v časopise Nature Communications.
Baktériám stačilo pridať glycerol
Výskumníci použili vodu zo zatopenej bane Schlema-Alberoda v Krušných horách, ktorú spravuje spoločnosť Wismut GmbH. Žiadne laboratórne vyšľachtené baktérie do nej nepridávali. Pracovali s mikroorganizmami, ktoré už vo vode prirodzene žili, a pridali glycerol ako zdroj uhlíka a energie.
Vzorky držali bez kyslíka, podobne ako je to hlboko v bani. Na začiatku obsahovala voda jeden miligram uránu na liter. Prvých približne 20 dní sa jeho množstvo znižovalo len pomaly. Potom prišiel zlom. Po 130 dňoch zostalo vo vode 0,04 mg/l rozpusteného U(VI), teda o 96 percent menej než na začiatku.
Celý pokles nemožno ale pripísať len baktériám. V kontrolných vzorkách ubudlo približne 25 až 36 percent uránu aj bez aktívneho mikrobiálneho procesu. Časť sa zrejme zachytila na biomase, minerálnych časticiach alebo stenách nádoby. Vo vzorke s aktívnymi mikroorganizmami však bol pokles podstatne väčší. Elektrónový mikroskop navyše ukázal zhluky bohaté na urán priamo na povrchu buniek.
Neprehliadni
Vedci čakali krátky medzistupeň. Našli niečo oveľa stabilnejšie
Urán sa najčastejšie vyskytuje v oxidačných stavoch +4 a +6. Medzi nimi je U(V), teda päťmocný urán. Ten sa doteraz opisoval najmä ako nestabilná medzizastávka. Vznikne pri redukcii U(VI) a následne pokračuje na U(IV).
V banskej vode však U(V) vydržal. V analyzovaných zrazeninách tvoril približne 20 až 30 percent uránu. Vedci ho nachádzali v rôznych fázach experimentu, nie iba v jednom krátkom okamihu.
Najväčší podiel stále tvoril U(IV), najmä uraninit UO₂. Keď po približne 55 dňoch ubudlo z vody okolo 90 percent rozpusteného U(VI), U(IV) tvoril asi 70 percent uránu v zrazenine a zvyšných 30 percent pripadalo na U(V).
Päťmocný urán sa objavil v dvoch formách. Vedci našli karbonátové komplexy U(V) a nanočastice FeU(V)O₄, v ktorých sa urán viaže so železom a kyslíkom. Väčšina častíc mala len dva až tri nanometre. Zo 231 analyzovaných nanočastíc bolo 128 FeU(V)O₄, 93 uraninitu a desať pyritu.
FeU(V)O₄ už vedci poznali z Chorvátska. V pôde kontaminovanej muníciou s ochudobneným uránom zostala táto zlúčenina stabilná viac ako 25 rokov aj napriek pôsobeniu kyslíka. Chýbalo vysvetlenie, ako sa vytvorila. Experiment s banskou vodou ukazuje, že významnú úlohu môžu mať mikroorganizmy a chemické prostredie, ktoré svojou činnosťou vytvoria.
Najťažší test prišiel až po návrate kyslíka
Uraninit má slabinu. V redukčnom prostredí dokáže urán dobre znehybniť, no po prístupe kyslíka sa môže opäť meniť na pohyblivejší U(VI). Vedci preto nechali redukovaný materiál štyri týždne v prostredí s kyslíkom.
U(IV), ktorý predtým dominoval, klesol na približne sedem percent. U(VI) vystúpil na 40 percent. Najväčší podiel však stále tvoril U(V), približne 53 percent. FeU(V)O₄ sa pritom nestrácal. Jeho zastúpenie pri pôsobení kyslíka rástlo.
Pre čistenie starých uránových lokalít je to dôležité. V podzemí sa mení hladina vody, prístup kyslíka aj redoxné podmienky. Uraninit sa pri takýchto výkyvoch môže znovu oxidovať. Stabilný U(V) by mohol časť uránu udržať na mieste aj vtedy, keď sa podmienky zhoršia. Úplnú ochranu však neposkytuje, keďže po štyroch týždňoch na kyslíku už 40 percent uránu tvoril U(VI).
Vedci nakŕmili baktérie a tie zmenili vodu okolo seba
Za výsledkom nestojí jedna „superbaktéria“. Po pridaní glycerolu sa zmenilo celé mikrobiálne spoločenstvo. Rozmnožili sa fermentujúce mikroorganizmy a baktérie redukujúce sírany, medzi nimi Desulfobulbus a Desulfovibrio.
Fermentujúce baktérie spracovávali glycerol a vytvárali menšie organické látky a vodík. Redoxný potenciál vody pritom klesol z približne +398 mV na -114 mV. Mikrobiálna aktivita zároveň vytvárala sírovodík a podporovala vznik Fe(II), ktoré dokážu urán redukovať aj chemickou cestou.
Niektoré baktérie rodu Desulfovibrio môžu U(VI) redukovať priamo pomocou enzýmov. Inde už pokračuje obyčajná chémia. Kde presne sa jedna cesta končí a druhá začína, zatiaľ nevedia určiť ani autori štúdie. FeU(V)O₄ teda nevyrába baktéria ako hotový produkt. Mikroorganizmy skôr zmenia podmienky vo vode tak, že sa séria ďalších reakcií môže vôbec rozbehnúť.
Skutočná baňa môže výsledok ešte poriadne preveriť
Na identifikáciu jednotlivých foriem uránu použili vedci röntgenovú spektroskopiu a elektrónovú mikroskopiu. Časť meraní prebehla na Rossendorf Beamline, ktorú HZDR prevádzkuje v European Synchrotron Radiation Facility v Grenobli, ďalšie analýzy robili na Univerzite v Granade.
U(V) vydržal v systéme 130 dní bez kyslíka a po ďalších štyroch týždňoch na kyslíku stále tvoril najväčšiu časť analyzovaného uránu. To je hlavný dôvod, prečo vedcov FeU(V)O₄ zaujíma ako možná cesta k dlhodobejšiemu znehybneniu uránu.
Skutočná baňa bude zložitejšia než laboratórna nádoba. Výsledok môže zmeniť pH, obsah železa, karbonátov, organických látok aj prístup kyslíka. Štyri týždne navyše neukážu, čo sa s touto zlúčeninou stane po rokoch.
Výskumníci však nemuseli do vody pridávať žiadne cudzie mikroorganizmy. Tie, ktoré celý proces rozbehli, už v zatopenej bani žili. Dostali len glycerol. Pri starých uránových lokalitách tak možno časť riešenia už dávno sedí priamo vo vode.
